數(shù)字圖像處理技術(shù)在掃描電化學(xué)顯微鏡中的應(yīng)用

王 偉 劉振邦 包 宇 關(guān)怡然 牛 利 張國玉

1(長春理工大學(xué)光電工程學(xué)院，長春 130022) 2(中國科學(xué)院長春應(yīng)用化學(xué)研究所，長春 130022) 3(廣州大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院分析科學(xué)技術(shù)研究中心， 廣州 510006)

1 引 言

1986年，Bard等[1～3]結(jié)合超微電極在電化學(xué)研究中的優(yōu)勢，提出掃描電化學(xué)顯微鏡(SECM)技術(shù)，并得到迅速發(fā)展，彌補(bǔ)了掃描隧道顯微鏡(STM)和原子力顯微鏡(AFM)不能提供電化學(xué)信息的不足，分辨率介于普通光學(xué)顯微鏡和STM之間。SECM是在一個(gè)高的時(shí)間與空間分辨率下，通過電化學(xué)控制測量技術(shù)，研究界面微區(qū)空間的化學(xué)組成、結(jié)構(gòu)、性質(zhì)和行為的電化學(xué)現(xiàn)場檢測儀器。它基于電化學(xué)原理工作，利用非常小的探針靠近樣品表面，在包含電活性物質(zhì)的溶液中進(jìn)行循環(huán)成像掃描，可測量微區(qū)內(nèi)物質(zhì)氧化或還原所給出的電化學(xué)電流，從而獲得被測樣品的電化學(xué)相關(guān)信息，樣品可以是導(dǎo)體、絕緣體或半導(dǎo)體，目前可達(dá)到的最高分辨率約為幾十納米[4～7]。 SECM由于使用超微電極作為探針，不但可以研究探頭與基底上的異相反應(yīng)動(dòng)力學(xué)及溶液中的均相反應(yīng)動(dòng)力學(xué)、分辨電極表面微區(qū)的電化學(xué)不均勻性、給出導(dǎo)體和絕緣體表面的形貌，而且還可以對材料進(jìn)行微加工，研究許多重要的生物過程等[8～11]。

SECM成像的分辨率主要取決于探針的尺寸、探針的步進(jìn)分辨率以及由基底特性決定的探針電流的變化。探針電極上的穩(wěn)態(tài)電流一般是溶液成分、探針-基底之間的距離和基底本身性質(zhì)的函數(shù)。由于發(fā)生在探針電極上的氧化還原反應(yīng)是一個(gè)擴(kuò)散過程，使得電流信號(hào)中包含了高斯模糊噪聲。另外SECM一般采用逐行掃描方式，探針在快速的移動(dòng)過程中也會(huì)對探針附近微區(qū)內(nèi)的溶液狀態(tài)產(chǎn)生影響，進(jìn)而影響微區(qū)內(nèi)溶液的電化學(xué)擴(kuò)散過程，導(dǎo)致探針電極上的穩(wěn)態(tài)電流發(fā)生變化，使獲得的SECM圖像變得模糊[12]。

數(shù)字圖像處理技術(shù)已廣泛地應(yīng)用于STM中，包括濾波技術(shù)、利用傅里葉變換衰減某些頻率信號(hào)以及傅里葉逆變換技術(shù)等[12]。在SECM中圖像處理技術(shù)應(yīng)用得比較少，Bartels等利用逆濾波技術(shù)來提高SECM圖像的分辨率，由于逆濾波技術(shù)對高頻信號(hào)有非常高的增益，導(dǎo)致處理后的圖像分辨率并未得到明顯的改善[13]。本研究采用LoG算法與NEDI插值算法結(jié)合在一起的圖像處理技術(shù)對獲得的SECM圖像進(jìn)行處理，可以明顯提高SECM圖像的清晰度和分辨率。

2 實(shí)驗(yàn)部分

2.1 儀器與試劑

掃描電化學(xué)顯微鏡(自制)；SCD050離子濺射儀(瑞士BAL-TEC公司)；AM4113TL數(shù)字顯微鏡(中國臺(tái)灣Dino-Lite公司)。

半徑10 μm鉑圓盤超微電極(自制)；Ag/AgCl參比電極和鉑絲對電極(自制)；18 mm×20 mm單晶硅片(浙江常山硅峰電子有限公司)；不銹鋼掩模板(深圳微納電子科技有限公司)。電解質(zhì)溶液為2 mmol/L K3Fe(CN)6、0.1 mol/L KCl溶液。

2.2 儀器結(jié)構(gòu)

SECM儀器結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示，主要包括三維機(jī)械式位移平臺(tái)、三維壓電式位移平臺(tái)、超微電極固定裝置、電解池、顯微鏡、水平調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)和底部減震系統(tǒng)。水平調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)可以將被測基底調(diào)平；顯微鏡可以觀察超微電極相對于被測基底的位置變化情況，避免因操作不當(dāng)造成超微電極與被測基底發(fā)生接觸；底部減震裝置可大幅減弱外界可能出現(xiàn)的振動(dòng)干擾，提高儀器系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

圖1 搭建的掃描電化學(xué)顯微鏡儀器結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Structural diagram of self-fabricated scanning electrochemical microscope (SECM)

2.3 金叉指電極和金點(diǎn)陣電極的制備

金叉指電極和金點(diǎn)陣電極采用離子濺射方法制備，制備流程如圖2所示。將不銹鋼掩模板放置在硅片上方，為了增加金層的附著力，首先在硅片上鍍一層厚度約20 nm的鉻層，然后在鉻層上面鍍一層厚度約30 nm的金層。金叉指電極和金點(diǎn)陣電極的制備參數(shù)相同，但采用了不同的掩模板。

圖2 金叉指電極和金點(diǎn)陣電極的制備流程Fig.2 Preparation process of gold interdigitated electrode and gold electrode array

2.4 理論原理

SECM成像過程中所檢測的電流是氧化/還原過程中的法拉第電流，由于氧化還原反應(yīng)本質(zhì)上是一個(gè)擴(kuò)散過程，氧化/還原電流的大小與溶液中電活性物質(zhì)的擴(kuò)散系數(shù)有關(guān)，在探針電極快速移動(dòng)過程中會(huì)對探針與溶液之間的電化學(xué)擴(kuò)散過程產(chǎn)生影響，同時(shí)多維度的電化學(xué)擴(kuò)散過程會(huì)導(dǎo)致輸出圖像中含有高斯模糊，進(jìn)而使SECM圖像變得不清晰。一般用菲克第二定律擴(kuò)散方程來模擬非穩(wěn)態(tài)電化學(xué)反應(yīng)中的擴(kuò)散過程[12]，如公式(1)所示：

(1)

式中f(x,y,t)是二維圖像，是拉普拉斯算子，f(x,y,τ),τ>0是實(shí)驗(yàn)獲得的圖像，f(x,y,0)是理想的清晰圖像。把f(x,y,t)在時(shí)間t=τ處進(jìn)行泰勒級數(shù)展開，去掉二次項(xiàng)和更高次項(xiàng)，可以得到：

(2)

將公式(1)代入公式(2)中，令t=0，得到：

f(x,y,0)≈f(x,y,τ)-τ2f(x,y,τ)(3)

公式(3)表明，通過對實(shí)驗(yàn)獲得的圖像進(jìn)行拉普拉斯變換后，再與原始圖像進(jìn)行差減，可以使圖像變清晰，這種技術(shù)一般稱為圖像銳化算法。

SECM圖像中一般含有高頻噪聲，采用拉普拉斯變換后會(huì)增強(qiáng)這種噪聲，為了消除這種影響，可以在拉普拉斯變換之前用高斯濾波器對原始圖像進(jìn)行濾波，濾除圖像中的高頻噪音，并保留低頻部分的圖像細(xì)節(jié)。這種將高斯濾波與拉普拉斯變換結(jié)合的算法稱為LoG(Laplacian of Gassian)算法[14]，于是公式(3)變成：

f(x,y,0)≈f(x,y,τ)-τ2G(x,y)*f(x,y,τ)(4)

(5)

由于LoG變換中含有高斯濾波，而圖像中的邊緣信息含有高頻信號(hào)，在利用高斯濾波濾除噪聲的同時(shí)也會(huì)濾除邊緣信息，導(dǎo)致邊緣信息丟失?；诖?，采用基于邊緣導(dǎo)向插值的NEDI(New edge-directed interpolation)插值算法[15]解決此問題。NEDI插值算法的核心思想是對非邊緣像素點(diǎn)采用無方向的雙線性插值方法進(jìn)行插值，而對于邊緣像素點(diǎn)則采用基于協(xié)方差的自適應(yīng)插值方法進(jìn)行插值，邊緣像素和非邊緣像素的區(qū)分依靠梯度閾值進(jìn)行控制，這樣可使圖像中的邊緣區(qū)域更加清晰，插值算法的流程圖如圖3所示，關(guān)于NEDI插值算法詳細(xì)的計(jì)算公式參見文獻(xiàn)[16]。

圖3 基于邊緣導(dǎo)向插值NEDI插值算法Fig.3 New edge-directed interpolation (NEDI) Interpolation algorithm

3 結(jié)果與討論

3.1 金叉指電極基底

圖4 (A) 金叉指電極，(B) 金叉指電極的SECM圖像，(C) 圖B經(jīng)過LoG變換后的圖像，(D) 圖C經(jīng)過NEDI插值后的圖像Fig.4 (A) Gold interdigitated electrode, (B) SECM image of gold interdigitated electrode, (C) Image after LoG filter from Fig.4B, (D) Image after NEDI Interpolation from Fig.4C

金叉指電極外觀如圖4A所示，其中電極寬度約280 μm，電極與電極之間的間距約70 μm。圖4B是使用半徑10 μm的鉑超微電極在電解質(zhì)溶液中得到的金叉指電極的SECM圖像，整個(gè)圖像的掃描區(qū)域是1000 μm×1000 μm，超微電極的步進(jìn)間隔是10 μm，電極電位是0.1 V。由圖4B可見，金叉指電極的SECM圖像與它的導(dǎo)電性質(zhì)是一致的，在叉指電極上方測得的電流是正反饋電流，對應(yīng)圖像中的紅色和黃色區(qū)域，因此超微電極上的電流信號(hào)大小主要取決于被測基底表面的導(dǎo)電性質(zhì)。由于實(shí)驗(yàn)中采用了較大的步進(jìn)間隔，導(dǎo)致超微電極在移動(dòng)過程中對微區(qū)內(nèi)的電化學(xué)擴(kuò)散過程影響較大，造成圖像存在一定程度的模糊。對圖4B進(jìn)行LoG變換后的圖像處理結(jié)果如圖4C所示，圖像清晰度得到改善，但LoG變換在濾除噪聲的同時(shí)也濾除了圖像中的邊緣信息，導(dǎo)致電極邊緣不是很清晰，出現(xiàn)了鋸齒狀的毛刺。對圖4C進(jìn)行NEDI插值后的圖像處理，結(jié)果如圖4D所示，電極邊緣明顯變清晰，鋸齒狀的毛刺消失，整個(gè)圖像的清晰度和分辨率相對于圖4B有了明顯的提高。

3.2 金點(diǎn)陣電極基底

金點(diǎn)陣電極外觀如圖5A所示，其中金點(diǎn)陣電極的圓點(diǎn)直徑約200 μm，圓點(diǎn)與圓點(diǎn)之間的中心距離約400 μm。圖5B是金點(diǎn)陣電極的SECM圖像，其中超微電極的步進(jìn)間隔是5 μm，圖像掃描區(qū)域是1000 μm×1000 μm，其它實(shí)驗(yàn)參數(shù)與圖4B相同。由圖5B可見，在金點(diǎn)陣電極上方獲得了正反饋信號(hào)，對應(yīng)圖像中的圓形紅色區(qū)域；在圓點(diǎn)以外的硅片上方獲得了負(fù)反饋信號(hào)，對應(yīng)圖像中的綠色和藍(lán)色區(qū)域，顏色的不一致可能是由于基底沒有調(diào)平導(dǎo)致的。由于采用了更小的步進(jìn)間隔，相對于圖4B，圖5B的圖像分辨率更高，更小的步進(jìn)間隔也使得超微電極在移動(dòng)過程中對微區(qū)內(nèi)的電化學(xué)擴(kuò)散過程影響變小，所以圖5B中的圖像模糊程度不如圖4B明顯。對圖5B進(jìn)行LoG變換后的圖像如圖5C所示，經(jīng)過LoG變換后濾除了圖像中的高頻噪聲，提高了圖像的清晰度，但圓點(diǎn)邊緣區(qū)域還是有些模糊。對圖5C進(jìn)行NEDI插值后的圖像如圖5D所示，圖像中圓點(diǎn)邊緣區(qū)域的清晰度得到了明顯提高，整個(gè)圖像的清晰度和分辨率相對于圖5B得到了明顯提升。

圖5 (A) 金點(diǎn)陣電極，(B) 金點(diǎn)陣電極的SECM圖像，(C) 圖B經(jīng)過LoG變換后的圖像，(D) 圖C經(jīng)過NEDI插值后的圖像Fig.5 (A) Gold electrode array, (B) SECM image of gold electrode array, (C) Image after LoG filter from Fig.5B, (D) Image after NEDI Interpolation from Fig.5C

3.3 印有指紋的ITO基底

兩種被測基底的形狀都很規(guī)則，為了測試圖像處理技術(shù)的通用性，對印有指紋的ITO基底進(jìn)行了SECM成像，印有指紋的ITO基底如圖6A所示。圖6B是指紋的SECM圖像，圖像掃描區(qū)域是2000 μm×2000 μm，超微電極的步進(jìn)間隔是10 μm，其它實(shí)驗(yàn)參數(shù)與圖4B相同。由圖6B可見，在有指紋的區(qū)域發(fā)生了負(fù)反饋現(xiàn)象，對應(yīng)圖像中的綠色區(qū)域，圖像中的紅色區(qū)域是沒有印上指紋的ITO區(qū)域；圖像存在一定程度的模糊，尤其是指紋紋理的邊緣區(qū)域。對圖6B進(jìn)行LoG變換后的圖像如圖6C所示，經(jīng)過LoG變換后圖像整體的清晰度有了一定程度的提高，但指紋紋理的邊緣區(qū)域不是很清晰，存在毛刺現(xiàn)象。對圖6C進(jìn)行NEDI插值后的圖像如圖6D所示，指紋紋理邊緣區(qū)域的清晰度得到了明顯提高，邊緣區(qū)域更加平滑，整個(gè)圖像的清晰度、對比度和分辨率相對于圖6B得到了明顯的提高。相對于文獻(xiàn)[13]給出的圖像處理方法，本實(shí)驗(yàn)的圖像處理技術(shù)對圖像中邊緣區(qū)域的處理效果更好。

圖6 (A) 印有指紋的ITO基底，(B) 指紋的SECM圖像，(C) 圖B經(jīng)過LoG變換后的圖像，(D)圖C經(jīng)過NEDI插值后的圖像Fig.6 (A) Indium tin oxide (ITO) substrate with fingerprint, (B) SECM image of fingerprint, (C) Image after LoG filter from Fig.6B, (D) Image after NEDI Interpolation from Fig.6C

4 結(jié) 論

針對由于電化學(xué)反應(yīng)的擴(kuò)散過程導(dǎo)致SECM圖像變模糊的問題，本研究采用LoG算法與NEDI插值算法相結(jié)合的圖像處理技術(shù)對金叉指電極、金點(diǎn)陣電極和指紋的SECM圖像進(jìn)行了處理，通過對三種基底的SECM原始圖像、LoG變換后的圖像和NEDI插值后的圖像進(jìn)行比較分析，表明所采用的圖像處理技術(shù)可以明顯提高SECM圖像的清晰度和分辨率，對于形狀規(guī)則與不規(guī)則的被測基底，所采用的圖像處理技術(shù)同樣適用，具有較好的通用性。將這種圖像處理技術(shù)與更小的超微探針結(jié)合起來可以進(jìn)一步提高SECM圖像的分辨率。

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