专利名称：非破坏性地评估纳米尺度玻璃微探针性能的仪器设备的制作方法
技术领域：
本实用新型专利属于纳米尺度结构探测用扫描探针显微镜技术领域，特别是指一种在电解液中非破坏性地评估纳米尺度玻璃微探针性能的仪器设备。
背景技术：
1981年美国IBM公司设在瑞士苏黎士的实验室，研制出了世界上第一台具有原子分辨率的扫描隧道显微镜(scanning tunnelling microscopy, STM)，随后，在STM的操控原理与结构的基础上，相继产生了一系列利用探针与样品的不同相互作用来探测纳米尺度下表面或界面性质的扫描探针显微镜技术(scanning probe microscopy, SPM)，带来纳米技术的迅猛发展，使其成为人类认识微观世界的有力工具。微探针是SPM进行纳米量级测试的探测头和基础工具，它的性能的好坏对SPM的成像质量有着重要的影响。另外，不同的学科应用、不同的测量条件和加工对象对微探针的针尖半径、针尖纵横比等特性提出了不同的要求。因此，有必要在利用扫描探针显微镜测量样品以前对微探针的性能进行评价。此外，作为扫描探针显微镜家族中的新成员，扫描离子电导显微镜(scanning ion conductance microscopy, SICM)以其独特的非接触扫描方式成为了目前最适合于进行活体生物样本研究的一种先进的显微镜技术。扫描离子电导显微技术依靠负反馈电路和压电陶瓷控制玻璃微探针，使其与样品表面间距离保持恒定，通过记录玻璃微探针的扫描轨迹来绘制出样品的表面形貌。扫描离子电导显微镜中的探针是由硼硅酸盐或石英玻璃微管拉制而成的纤细的玻璃微探针，也称为玻璃微电极。在扫描过程中，扫描离子电导显微镜的分辨率与玻璃微探针尖端内径尺寸的数量级相同，达到纳米尺度的分辨率，即可进行精确扫描，因此要求拉制出的玻璃微探针的内径尺寸应在同样的纳米尺度。由此可见，同其他扫描探针显微镜技术一样，玻璃微探针的纳米尺度与良好的几何形态将直接决定扫描离电导探针显微镜的分辨率和负反馈扫描控制的成败，急需有一种合适的手段来方便地评估纳米尺度玻璃微探针的性能与形态特征。1976年德国马普生物物理化学研究所的Neher和^tkmarm博士在青蛙肌细胞上用双电极电压钳方法首次记录到单通道的离子电流，从而创立了膜片钳技术。利用膜片钳系统通过软件可采集探针电阻、膜静息电位、细胞膜离子通道的电流等信号，这就使得利用扫描电镜与膜片钳技术结合测定探针电阻成为可能。目前，对纳米尺度的玻璃微探针性状的评估只能采用扫描电镜技术来观测。在观测中由于玻璃的非导电性，为了提高电镜的分辨率需要对玻璃微探针进行喷金处理，不仅样品制备困难且易造成玻璃微探针针孔的堵塞，而且经电镜观测后由于高压电子的轰击造成纳米尺度玻璃微探针微小针尖尖端的损毁，使其不能再被扫描离子电导显微镜进行高分辨率探测使用，降低了探针利用率。此外，还存在电镜样品喷金处理制备方法复杂繁琐等不足。
(三)实用新型内容[0006]本实用新型的目的在于构建一种非破坏性地评估纳米尺度玻璃微探针性能的仪器设备，它针对现有扫描电镜在纳米尺度的玻璃微探针性状的评估方法的不足，提供一种利用扫描电镜与膜片钳技术结合的非损伤性纳米尺度玻璃微探针性能的简便评估手段。本实用新型的技术方案一种非破坏性地评估纳米尺度玻璃微探针性能的仪器设备，包括玻璃微探针，其特征在于它还包括用于观测玻璃微探针形状的扫描电镜及膜片钳电阻测量设备；所说的膜片钳电阻测量设备由膜片钳放大器及数据采集软件构成，所说的膜片钳放大器与充灌电极内液的玻璃微探针连接，所说的数据采集软件测量玻璃微探针电阻。上述所说的电极内液为0. 15M KCl。上述所说的膜片钳放大器采用商用美国Axon膜片钳Multiclamp 700B放大器。上述所说的测量玻璃微探针电阻的数据采集软件采用Clampex 10. 2数据采集及分析软件。上述所说的玻璃微探针为经微电极拉制仪拉制而成的硼硅酸盐或石英微电极玻
璃毛细管。本实用新型的工作过程(1)先利用扫描电镜对玻璃微探针的形状进行观测在获得高分辨率的玻璃微探针针尖的侧视和俯视扫描电镜照片后，利用扫描电镜分析软件可方便地测量出玻璃微探针
针尖的内半径(A)及内壁半角(θ )，再通过玻璃微探针电阻计算公式J探针=φ ^Q可
以估算出该玻璃微探针在充灌电极内电解液后的电阻值；公式中=Rsw代表玻璃微探针电阻，ξ代表充灌玻璃微探针内电解液的电导率，A代表玻璃微探针针尖的内半径，θ代表玻璃微探针针尖的内壁半角；(2)利用膜片钳技术来探测玻璃微探针的电阻值，即采用与扫描电镜观测中微探针采用相同拉制参数制备玻璃微探针，将其内充灌电极内液(0. 15MKC1)，并内置Ag/AgCl 电极，参比Ag/AgCl电极置于含相同电解液的器皿中，通过商用膜片钳技术来测量玻璃微探针电阻；(3)比较分析由膜片钳测得的玻璃微探针电阻与通过扫描电镜观测再经计算公式估算的玻璃微探针电阻，两种方法得到的玻璃微探针电阻数值基本一致，且测定阻值后的微探针可用于后续的扫描(如利用扫描离子电导显微技术对活体生物样品进行扫描)或膜片钳记录(全细胞/单通道记录)。本实用新型的优越性用膜片钳电阻测量方法与扫描电镜技术相结合共同分析玻璃微探针性状的手段更加简便快捷，并能够直观、可靠、非破坏性地判定纳米尺度玻璃微探针的性能及其拉制质量。
图1为本实用新型所涉一种非破坏性地评估纳米尺度玻璃微探针性能的仪器设备的结构框图。图2为本实用新型所涉一种非破坏性地评估纳米尺度玻璃微探针性能的仪器设备的工作流程图。[0019]图3为本实用新型所涉一种非破坏性地评估纳米尺度玻璃微探针性能的仪器设备中玻璃微探针的扫描电镜照片(其中，A为探针尖部俯视图；B为玻璃微探针尖部侧视图)。图4为本实用新型所涉一种非破坏性地评估纳米尺度玻璃微探针性能的仪器设备利用膜片钳电阻测量设备测定电极电阻。
具体实施方式
实施例一种非破坏性地评估纳米尺度玻璃微探针性能的仪器设备(见图1)，包括玻璃微探针，其特征在于它还包括用于观测玻璃微探针形状的扫描电镜及膜片钳电阻测量设备；所说的膜片钳电阻测量设备由膜片钳放大器及数据采集软件构成，所说的膜片钳放大器与充灌电极内液的玻璃微探针连接，所说的数据采集软件测量玻璃微探针电阻。首先采用扫描电镜观察拉制好的玻璃微探针的形状及尖端内、外径和内壁半角等性状。扫描电镜下得到的玻璃微探针成像显示探针针尖形状对称，且探针尖端内半径为 27nm，外半径为60nm(见图3-A、图3-B)。该玻璃微探针的内壁半角θ =2.7°，采用R_ette = 1/π ξ r.tan θ计算公式对探针电阻进行估算，得到该玻璃微探针的电阻约为130ΜΩ。固定上述玻璃微探针的拉制条件，并连续拉制多根具有相近针尖形状的玻璃微探针用于膜片钳电阻测量实验。将充灌电极内液(0. 15Μ KCl)的玻璃微探针与商用美国Axon 膜片钳Multiclamp 700B放大器相连，通过ClampexlO. 2数据分析软件来测量探针电阻，得到的探针电阻值为137.6±Μ.7ΜΩ (η = 16)，所需测量时间短且数值稳定(见图4)。将用扫描电镜测得的玻璃微探针针尖形状数据所计算出的玻璃微探针的电阻值与膜片钳测得的玻璃微探针电阻进行比较分析，可以看出两种方法得到的玻璃微探针电阻数值基本一致，均良好地反映了纳米尺度玻璃微探针的性能(见图2)。
权利要求1.一种非破坏性地评估纳米尺度玻璃微探针性能的仪器设备，包括玻璃微探针，其特征在于它还包括用于观测玻璃微探针形状的扫描电镜及膜片钳电阻测量设备；所说的膜片钳电阻测量设备由膜片钳放大器构成，所说的膜片钳放大器与充灌电极内液的玻璃微探针连接。
2.根据权利要求1所说的一种非破坏性地评估纳米尺度玻璃微探针性能的仪器设备， 其特征在于所说的电极内液为0. 15M KC1。
3.根据权利要求1所说的一种非破坏性地评估纳米尺度玻璃微探针性能的仪器设备， 其特征在于所说的膜片钳放大器采用商用美国Axon膜片钳Multiclamp 700B放大器。
4.根据权利要求1所说的一种非破坏性地评估纳米尺度玻璃微探针性能的仪器设备， 其特征在于所说的玻璃微探针为经微电极拉制仪拉制而成的硼硅酸盐或石英微电极玻璃毛细管。
专利摘要一种非破坏性地评估纳米尺度玻璃微探针性能的仪器设备，包括玻璃微探针，其特征在于它还包括用于观测玻璃微探针形状的扫描电镜及膜片钳电阻测量设备；本实用新型的优越性用膜片钳电阻测量方法与扫描电镜技术相结合共同分析玻璃微探针性状的手段更加简便快捷，并能够直观、可靠、非破坏性地判定纳米尺度玻璃微探针的性能及其拉制质量。
文档编号G01R27/02GK201974444SQ20092025021
公开日2011年9月14日 申请日期2009年11月12日 优先权日2009年11月12日
发明者张彦军 申请人:国家纳米技术与工程研究院