微波介电常数测试仪

Siti Nur Afifa Azman , Eleonora Pavoni , Marco Farina扫描微波显微镜（SMM）在提供亚表面结构的成像和允许样品的局部定量表征方面是突出的。一种被称为反向扫描微波显微镜（iSMM）的新技术是最近开发的，旨在扩大该应用，超出当前对表面物理和半导体技术的关注。通过一个简单的金属探针，iSMM可以从现有的原子力显微镜（AFM）或扫描隧道显微镜（STM）转换而成，从而在带宽、灵敏度和动态范围方面形成传统的SMM。iSMM主要用于分析生物样品，因为它可以在液体中工作。扫描微波显微镜（SMM）[1]是扫描探针显微镜（SPM）[2]家族中的一种仪器，该家族包括众所周知的原子力显微镜（AFM）和扫描隧道显微镜（STM）。在SMM中，用作天线的探头在表面附近进行光栅扫描，在扫描过程中，记录微波信号的局部反射系数，提供关于表面和亚表面阻抗的信息。SMM的一个基本优点是它能够通过利用纳米探针和样品本身之间的近场电磁相互作用来定量表征样品的电磁特性。在一些实施方式中，矢量网络分析仪（VNA）被用作微波信号的源和检测器，通过导电探针辐射和感测微波信号。通常，SMM与一些其他SPM技术（例如AFM或STM）协同工作，提供了一种控制和保持探针和样品之间距离恒定的机制。基于SPM的SMM显微镜的使用最近在生物和生物医学领域获得了更多的关注，这是由于该技术能够测量与生理病理条件密切相关的电磁参数。然而，在极端环境（如用于保持细胞健康的生理缓冲液）中喂养SPM探针已被证明极具挑战性。作者于2019年引入的一种称为倒置SMM（iSMM）的新设置[3]克服了原始SMM与生理环境相关的大多数限制：倒置SMM的结构成本低、易于获得，并且与生理环境兼容，这也使得SMM能够应用于生物生活系统。其想法是将进料从探头移动到样品架；在iSMM中，样品保持器是一条传输线，通过该传输线测量反射和透射，而SPM探头（交流接地）仅干扰通过样品的传输线。因此，任何现有的SPM都可以创建iSMM，只需提供适当的样本保持器，当然，还可以使用软件同步传输线上的测量和SPM扫描。需要强调的是，所提出的系统是宽带的，能够实现频谱分析、时域分析和微波层析成像。到目前为止，SMM已被用于表征活的生物细胞，尽管在生理缓冲液中操作存在挑战[4，5]。除此之外，它还被用于负责细胞呼吸和能量生产的亚细胞细胞器，如线粒体[6]。iSMM已证明能够克服液体操作的局限性，这是首次在生理缓冲液中成功地对活细胞进行微波成像[3]。仪器开发几年来，研究活动一直基于一种自制的STM辅助SMM，该SMM是通过将Imtiaz[7]的系统的一些特性与Keysight[8]开发的系统混合而构建的。在这里，特别是结合了标准隧道显微镜，其反馈电路用于将探针与样品保持在给定距离，并在反射计设置中使用微波信号。然而，与Keysight仪器和其他可用设备不同，该仪器没有谐振器；因此，显微镜可以在VNA允许的整个频率范围内记录数据。具体而言，该系统利用并控制一台商用STM显微镜、NT-MDT的Solver P47和一台Agilent矢量网络分析仪PNA E8361，其带宽为67 GHz，动态范围为120 dB。例如，该技术被应用于线粒体成像[9]，以评估干燥的癌细胞，并被特意处理以确定掺入的富勒烯的存在[10]。通过利用在多个相近频率下获得的图像的相关性，并使用一种权宜之计，即时域反射法[11-13]，提高了系统灵敏度，这可以通过使用尖端/样本相互作用对微波信号进行“扩频”调制来理解；在频谱上传播的信息通过傅里叶逆变换在单个时间瞬间折叠来恢复。STM辅助的SMM提供了非常高质量的图像，减少了由于地形“串扰”而产生的伪影，即由于扫描期间探针电容的变化而产生的地形副本。然而，STM在处理导电性较差的样品（如生物样品）时极具挑战性，在液体中使用时更为困难。图1A）中所示的传统SMM通常是从AFM（或STM）获得的，其中微波信号被注入并由反射测量系统感测：反射信号和注入信号之间的比率，即所谓的反射系数（S11），可用于确定样品的扩展阻抗或介电常数，经过适当的校准和分析。这种单端口反射测量通常具有40-60dB的动态范围，这受到定向耦合器的限制。在图1（B）所示的iSMM配置中，导电扫描探针（AFM或STM）始终接地，微波信号通过传输线（例如共面波导、槽线）注入，以这种方式，传输线成为样品保持器。传输线的输入和输出连接到VNA，从而可以测量反射和传输信号（分别为S11和S21）[3,14,15]。这种双端口测量通常具有120−140 dB，这使得当接地探头扫描样品时更容易感测到接地探头引起的微小扰动。图1：（A）基于AFM的传统SMM和（B）倒置SMM的示意图。图2：干燥Jurkat细胞的同时（A）AFM和（B）iSMM|S11|图像。Jurkat细胞和L6细胞的iSMM表征最初，在干燥的Jurkat细胞以及干燥的和活的L6细胞上证明了iSMM[3]。图2显示了干燥Jurkat细胞的AFM和iSMM S 11图像的比较。同时，图3比较了盐水溶液中活L6细胞的AFM和iSMM S 21图像。iSMM S 11和S 21信号分别在4 GHz和3.4 GHz下滤波。干燥Jurkat细胞的iSMM S 11图像显示出与AFM相同的质量，而活L6细胞的iSMMS 21显示出由双端口SMM在液体条件下测量的透射系数形成的最佳质量。在这项工作中，透射模式测量的校准程序[16]应用于干燥L6电池的iSMM S21。图4说明了校准的效果，显示了AFM形貌图像、被样品形貌破坏的iSMM S21电容图像以及在6.2 GHz下去除了干燥L6电池的形貌效应的iSMM S 21介电常数图像。正如预期的那样，在干燥电池的外围附近出现了脊，但整个电池的介电常数为2.8±0.7。本质上，该值与电解质溶液中脂质双层的值相当[17]，但低于干燥大肠杆菌的值[18]。随后，对干燥的Jurkat细胞进行了iSMM反射模式测量的定量表征[19]。图3：盐水溶液中活L6细胞的同时（A）AFM和（B）iSMM|S21|图像。图4：干燥的L6电池的（A）AFM形貌、（B）iSMM|S21|电容和（V）iSMM| S21|介电常数图像。图5：（A）AFM形貌，（B）iSMM|S11|，（C）iSMMφ11，和（D）干燥Jurkat电池的介电常数图像。图6：（A）AFM形貌，（B）iSMM|S11|，（C）iSMM| S21|，（D）时间门控iSMM|S 11|，和（E） 葡萄糖等渗溶液中相同线粒体的时间门控iSMM|S21|图像。图5显示了AFM形貌、原始iSMM S11的大小以及在4GHz下同时获得的相位。该图显示了带样品和不带样品的区域之间的良好对比，揭示了与表面和亚表面区域中不同的电特性相关的其他特性。按照已经描述的算法校准原始iSMM S11图像[20]。图5（D）显示了干燥的Jurkat电池的提取介电常数图像，其约为2.6±0.3，并且在电池上均匀。该值与传统SMM在干燥的L6细胞上获得的先前数据一致[21]。生活环境中线粒体的iSMM表征iSMM的最新工作是在完全浸入液体中的线粒体上进行的，以非接触模式操作，最大限度地减少了对样品的损伤[22]。图6（A）、图6（B）和图6（C）显示了AFM形貌图像，其中iSMM图像S11和S21在直径约为1µm的同一线粒体上同时采集。在1.6-1.8GHz的频带上对iSMM信号进行滤波和平均。显然，|S11|和|S21|图像质量相当，并且都揭示了AFM图像中不存在的细节。由于线粒体是不导电的，所以从周围的CPW电极可以很容易地看到对比。与大多数SMM不同，iSMM能够进行宽带测量。因此，它使iSMM从1.6GHz到1.8GHz测量的S11和S21信号能够通过傅里叶逆变换变换到时域。随后，可以门控掉不需要的信号，以进一步提高SNR[13，20]。最后，图6（D）和图6（E）显示了时间门控iSMM S11和S21图像，显示了更精细的细节。iSMM探针和线粒体之间的相互作用阻抗可以从S11和S21测量中获得。反过来，可以提取线粒体介电性质的局部变化，正如SMM对活细胞所做的那样[3]。总结iSMM能够对生物样本的细胞内结构进行无创和无标记成像。iSMM可以通过任何现有的扫描探针技术轻松获得，只需使用合适的样品夹，为大多数实验室提供了利用该技术的机会。Jurkat细胞、L6细胞和线粒体的iSMM图像显示出良好的灵敏度和质量，显示了AFM形貌中无法看到的细节。通过实施为传统SMM开发的校准算法，分别对干燥的Jurkat细胞和L6细胞进行透射和反射模式测量的定量表征。Jurkat细胞的介电常数被确定为约2.6±0.3，而L6细胞显示为约2.8±0.7。时域分析定性地改进了iSMM，并提供了对样品（如线粒体）的更多了解。致谢我们要感谢我们的研究小组和所有为本报告的科学结果做出贡献的人。这项工作的一部分获得了欧洲项目“纳米材料实现下一代物联网智能能源收集”（NANO-EH）（第951761号赠款协议）（FETPROACT-EIC-05-2019）的资助。我们还要感谢来自意大利SOMACIS的Francesco Bigelli博士和Paolo Scalmati博士在实现样品架原型方面的帮助。附属机构：1 Department of Information Engineering, Marche Polytechnic University, Ancona, Italy联系；Prof. Dr. Marco Farina Department of Information Engineering Marche Polytechnic University Ancona, Italy m.farina@staff.univpm.it 参考文献：https://bit.ly/IM-Farina 原载：Imaging & Microscopy 4/2022. Inverted Scanning Microwave Microscopy—— Application and Perspective on Biological Samples供稿：符 斌，北京中实国金国际实验室能力验证研究有限公司

5月21日，2024量子精密测量赋能产业发展大会暨第三届量子科仪节在合肥高新区举行。国仪计测（深圳）量子科技有限公司重磅首发了自主研发的微波量子精密测量仪器——QuEM-I计量型微波量子场强测量仪（Metrology-grade Quantum Microwave E-field Meter），这是一款基于高激发态里德堡原子的全新微波量子精密测量仪器，在测量灵敏度、频率范围、不确定度以及计量溯源性方面具有独特的优势，可广泛应用于微波计量测试、电磁兼容、电磁环境监测、频谱分析及无线通信等领域。发布会现场仪器介绍QuEM-I 计量型微波电场测量仪（Metrology-grade Quantum Microwave E-field Meter）是一款基于高激发态里德堡原子的微波量子精密测量仪器。基于量子相干效应将微波电场直接溯源至基本物理常数普朗克常数（h = 6.62607015×10-34Js）和国际单位制（SI）基本单位频率。这种全新的量子测量仪器在测量灵敏度、频率范围、不确定度及溯源性方面具有独特的优势。技术优势01 碱金属原子固有能级频率标尺实现仪器自校准02 支持基于本地时钟或GNSS远程高精度频率溯源03 低电磁扰动光纤耦合原子探头 / 微波腔增强型原子探头（选件）04 支持国标GB/T 43735-2024多模式里德堡原子制备泵浦激光组合05 内置减隔振机构，光机电一体化高度集成，支持定制硬件调试接口06 友好操控界面，底层软件开放，提供不确定度分析模块应用场景&bull 无线电计量&bull 电磁兼容&bull 电磁环境检测&bull 频谱分析&bull 电磁成像&bull 无线通信&bull 雷达导航关于国仪计测（深圳）量子科技有限公司国仪计测（深圳）量子科技有限公司是中国计量科学研究院系列专利技术通过科技成果转化，与国仪量子技术（合肥）股份有限公司合作设立的科技型公司，成立于2022年，注册地位于国际科创中心城市深圳，公司专注量子计量测试科学仪器研发与推广，当前重点研发基于里德堡原子的量子微波测量科学仪器及其配套设备。

国际金融危机让越来越多的企业学会了如何节约过日子，它们不再购买实际使用频率不高却价格昂贵的仪器设备。即便一些财大气粗的电子设备制造企业，如华为、中兴、大唐，目前相当一部分测试仪器都是通过租赁来解决的。这让主要为IT企业提供设备的科技租赁服务业开始逐渐升温。　　“今年上半年我们的科技租赁业务增长了50%。”北京东方中科集成科技股份有限公司(以下简称“东方集成”)租赁事业部市场总监江懿认为，科技租赁可以让企业节省大笔设备购置资金，从而能将省下来的资金投入到企业核心竞争力的打造上。　　科技企业的省钱妙招　　科技租赁业务兴起于20世纪60年代，目前在欧美已经成为一种成熟的市场模式。科技租赁业务主要面对各类研发单位与生产制造企业，特别是高科技企业，以提供仪器设备等的租赁服务来满足企业日常研发、生产中遇到的测试与使用需求并降低企业运营成本。　　2008年年初，中关村海淀园推出了全国首家科技租赁公共技术服务平台。该服务平台采取政府引导，市场化运作原则，由东方集成具体负责。该平台可以为园区企业提供包括电子测试仪器、分析仪器、实验室科学仪器设备、专用软件开发平台和引擎、个人计算机、服务器、小型机和网络设备等产品在内的中短期综合使用服务，满足园区内各种规模的高科技企业在创业、研发、中试、生产各个阶段对于科研条件和研发设备的迫切需求。　　江懿解释，科技租赁的主要产品以中高端仪器设备为主。这些仪器价格相对昂贵，企业可能只是在某一项目中或特定阶段使用。对于许多高科技企业，特别是一些处于初创期的中小企业来说，一个新项目或新产品的研发往往会使用到许多测试仪器与设备。如果通过传统的购买方式来获得这些仪器设备，某些仪器设备的实际使用频率并不高，但企业却要付出数以千万元计的购置成本，还可能遇到各种市场与技术风险。如果利用科技租赁的方式满足企业的研发需求，可能只需要不到100万元的投入就可以满足项目的需求。同时企业也规避了由于市场与技术的变化而带来的风险。　　危机逼出来的变化　　去年年底以来，随着国际金融危机的影响日益加深，许多IT企业对采购大量仪器设备变得慎重甚至停止采购。即使有足够的资金购买最新的测试仪器，企业也会对技术更新带来的风险有所顾虑。对于一些中小企业来说，如果企业在招标后才开始购买昂贵的测试仪器，有可能会因到货周期长，丧失市场机会和利润 而如果在招标前投入大量资金购买设备，虽然可以应对即时的生产要求，但是在市场发生变化时也会陷于被动，可能因未中标而让设备闲置起来，从而浪费了大量的资金。　　严峻的市场形势让越来越多的科技企业改变了过去仪器更新换代一味购买的习惯，而是以租代买，同时利用转租、出卖收回一部分资金，再购买最需要的仪器。借助科技租赁的优势，他们更快地用上了新的仪器，在保持生产线与技术发展同步的同时，也使其产品的技术水平得到了提升。　　南京赛格微是一家专业从事各类微波产品研发、生产和销售的高科技企业。出于精细化管理理念的考虑，他们从东方集成租赁高端仪器设备。当时，一些同行还误认为该公司缺乏资金实力，但是后来的效果让同行们纷纷改变了看法。　　南京赛格微相关负责人认为：“我们没有投入大量资金购买仪器设备，可以将更多的资金用在最重要的地方，比如新产品研发，以及工程师和技术工人的培训。”　　多方共赢的服务体系　　记者了解到，中关村海淀园科技租赁公共技术服务平台自建立以来，已经为国内数百家科技企业提供了服务，形成园区管理部门、园区企业、科技租赁公司三方甚至多方共赢的模式。目前国内著名科技企业华为、中兴、普天、大唐等已经成为东方集成稳定的客户。　　去年年底，该平台国内第一家免费提供电子测试服务的电子实验室正式运营。实验室能够满足各种规模的高科技企业在创新、科研、中试、生产各个阶段产生的电子测试需求，包括提供无线通信测试实验、通用电子与数字电路测试实验、射频与微波器件测试实验、微波与毫米波设备及系统测试实验、电路与系统设计及仿真实验。该实验室针对企业发生的短期、临时测试需求，提供免费使用测试仪器设备服务。针对长期大量使用测试仪器的用户，实验室提供测试仪器租赁服务。根据中关村海淀园的规划，下一步将进一步针对园区内符合产业方向的高新技术企业，通过科技租赁方式来解决科研条件的不足，对符合条件的项目给予一定的租赁费用补贴，从而鼓励企业复用和共享公共技术环境和条件，大幅提高园区企业科研效率，降低研发成本。最终以科技租赁平台为核心建立园区内跨行业、跨部门的仪器设备公共技术交流共享大平台。　　据悉，中关村海淀园科技租赁公共技术服务平台模式目前已经在国内其他一些高科技园区推广。据东方集成仪器租赁事业部江懿介绍，目前东方集成已经与苏州工业园区、广州高新区、上海张江高新区等确立合作关系。　　科技租赁方兴未艾　　在发达国家，企业普遍采用购买与租赁模式相结合的方式来满足需要。在欧美、日本等发达国家和地区，科技仪器应用市场有70%左右的份额是购买，30%是租赁。租赁业务在国外发展已经非常成熟，许多大的通信设备生产制造与运营企业均是科技租赁服务的受益者，它们每年都从仪器租赁市场上租赁高端测试仪器来满足短期的测试需求。　　“根据我们市场调查的结果，国内企业租赁仪器设备的比例仅有1%。”江懿认为，这是由国内企业的理念和比较粗放的管理模式造成的，不过国际金融危机给从事科技租赁业务的公司带来了巨大的增长机会。　　记者了解到，从事科技租赁服务的企业要有足够的资金实力购买用来出租的仪器设备，这需要在技术、市场、物流、财务、采购等方面达到相当的专业水平。目前国内开展这一业务的企业只有几家。东方集成是中国科学院控股、与世界最大的科技租赁公司——日本欧力士集团下属的科技租赁公司合资合作的。东方集成的股东欧力士科技租赁公司拥有3.5万种型号、50万台件，总价值超过55亿元的科技仪器与设备租赁库存，同时东方集成在海关有2300平方米的保税库，利用自己的进出口权和本地化覆盖网络为用户提供租赁服务。　　随着中关村海淀园科技租赁平台的建立，东方集成准备再投资数千万元增加相关的科技仪器设备库存，支持园区内具备自主知识产权企业的发展，如针对TD-SCDMA的我国自有3G标准的相关测试仪器设备，同时将在中关村永丰产业基地科技企业加速器内设置实验室和运营基础设施。　　有专家指出，“科技租赁服务是否成功取决于仪器的再租率，最大的风险在于买错科技租赁设备。”这行不好做，利润率不高，必须形成规模。不过国内市场的发展空间很大，如科研单位和高校都是潜在客户，完全可以孕育出像欧力士那样强大的本地化科技租赁企业。