扫描探针显微镜培训与开放管理

屈泽华, 卜 娟, 潘晓霞

(复旦大学 高分子科学系 聚合物分子工程国家重点实验室，上海 200433)

·仪器设备供应与管理·

扫描探针显微镜培训与开放管理

屈泽华, 卜 娟, 潘晓霞

(复旦大学 高分子科学系 聚合物分子工程国家重点实验室，上海 200433)

从实验室扫描探针显微镜的平台管理模式、仪器介绍与运行情况分析出发，针对扫描探针显微镜培训人员的选拔、培训的时间安排、培训的基本内容、培训的方式方法、其他功能的培训方法等多个角度对扫描探针显微镜的培训与开放管理进行了全面的分析，提出了扫描探针显微镜培训的新方法与管理新理念，加深学生对扫描探针显微镜的理论认识，加强同学们的动手能力，提高仪器的使用效率。

扫描探针显微镜； 培训； 开放管理； 共享

0 引 言

扫描探针显微镜(scanning probe microscopy，SPM)是观察材料表面形貌的有力工具，还是检测材料物性的多功能仪器。它在生物、医药、材料、化工、食品、半导体等领域都有广泛应用。开展SPM仪器的培训，使仪器开放共享使用，可以加深学生对SPM的理论认识，加强同学们的动手能力，提高仪器的使用效率，是目前仪器管理的趋势[1-3]。

1 共享仪器平台简介

SPM系校高分子科学系和聚合物分子工程国家重点实验室(以下简称为国重室)共享仪器平台的仪器。共享仪器平台始建于1998年。在各种经费的支持下，逐步建成了技术先进、设备齐全的高分子化学与物理领域的分析测试的仪器研究平台，基本可以满足材料加工、结构表征、性能检测及表面分析等各方面的需要，是复旦高分子科学系和国家重点实验室承担的各项国家重大需求攻关和科学研究的技术平台和保障。平台目前拥有价值达5 000余万元的光谱、色谱、质谱、显微观测和物性分析仪器以及高分子材料加工及工艺研究设备。随着国家重点实验室的不断建设发展，共享仪器平台的资产规模日益扩大，实验室拥有的仪器设备在数量、价值都在不断增加，所以实验室仪器设备的开放管理包括对大型精密仪器如SPM类仪器的开放管理是发展的必然趋势。目前共享仪器平台所有仪器设备已均采取“集中管理、共享开放、有偿使用”的管理模式进行统一管理，国家重点实验室所有人员均可共享使用。

2 SPM仪器介绍与运行情况

2.1 SPM仪器介绍

实验室SPM仪器是美国Bruker公司生产，型号为Multimode 8。是2013年3月安装并投入使用。仪器配置了多种扫描模式包括智能扫描模式、峰值力轻敲模式、接触模式、轻敲模式、相位成像模式、扭矩共振模式，并配有扫描隧道显微镜、侧向力显微镜以及磁力、静电力显微镜测量配件，且具有升温配件，可测试温度范围为从-35～250 °C。

2.2 SPM仪器运行情况

自2013年3月以来，SPM一直运行良好，没有出现过任何大型事故，仪器使用效率很高。图1给出了SPM2013～2015年月度机时率汇总情况。从图1可见，自2013年3月SPM投入使用开始就有较高的机时率，2014年全年机时率一直维持在100%左右，2015年4月开始每月机时率全部超过100%。

(a) 2013年

(b) 2014年

(c) 2015年

图1 SPM2013～2015年月度机时率汇总

3 SPM培训与管理

3.1 培训学员的选拔

SPM的培训按照图2的仪器培训流程进行。SPM培训面向学校高分子科学系和国家重点实验室的全体教师和学生，由个人提出申请，课题组长同意后进行报名，当培训报名人数较多时，先对报名人员通过考试的形式筛选，筛选出有一定基础的学生，如果人数仍然很多，针对使用仪器需求程度与今后使用频率再进行筛选，原则就是急需使用、使用频率较高与有过相关知识学习人员优先培训，每期培训人数要照顾多个课题组，上机培训时一组人数最好不要超过6人，选拔出来的学员会收到邮件通知参加培训课程的时间、地点、培训内容等。

图2 仪器培训流程

3.2 培训的时间安排

SPM的培训时间的确定原则根据申请人申请培训情况决定，申请人较多的时候，适当增加培训次数，申请人较少时，减少培训安排次数，并根据仪器每年的月度机时率调整培训时间，像扫描探针显微镜一般每个学期培训安排两期，第一期培训安排在开学初，因为通常这个时间学生课程安排不紧，且仪器使用频率较低，第二期培训一般安排在学生期中考试后，也是更多的考虑学生的其他课程情况。

3.3 培训的基本内容

由于本实验室SPM仪器特点是具有多种工作模式，可以实现多种显微镜的功能，比如原子力显微镜、扫描隧道显微镜、磁力显微镜等，故其操作方法较为复杂。在公共课堂上主要培训原子力显微镜测量的基本操作。尽管如此，单就原子力显微镜的培训内容也不少，所以培训内容需分项多步骤进行，可主要分成7项进行。①讲解。采用ppt形式讲解仪器构造与原理。② 操作示范。仪器操作过程示范。③在指导下上机训练。④ 讲解。不同模式使用示范及软件使用技巧。⑤在监管下上机操作练习。⑥ 单独上机练习。⑦考核。这7项内容分为大课与小课进行培训。ppt内容讲解以大课的形式进行，操作过程示范一般以小课的形式，给6人以下学员讲解，而上机练习则每半天至多2人次进行。

3.4 培训基本内容的方式方法

培训前，发邮件通知学生课程安排并发提醒邮件通知学生，让学生事前学习已经上传到技术平台网站上的课件、录像、操作规程，了解培训内容。培训第12页项内容，以ppt形式对课程讲解，讲述仪器工作原理、仪器的构造、仪器的工作模式、软件使用方法、应用图例、参考文献等。还需讲述仪器使用的注意事项：包括仪器使用流程须知内容、仪器的预约注册与晚间预约规定等[4-6]。培训第2项在进入实验室培训学生操作示范，需讲述仪器使用规定与实验室安全知识。以原子力显微镜的轻敲模式进行上机演示，教授学生如何使用仪器。培训第3项，学生需在老师的指导下进行上机训练。可以让自己有样品的同学尽量使用自己的样品，这样可以在培训过程中即了解学生倾向于使用哪种更适合的测试方式，以便指导。学生操作过程中，尽量使用语言指导，让学生自己动手，以便学生快速上手，后面方可自行操作仪器。培训第4项时，需要重点强调多种模式之间的原理区别、操作方法之间的区别，探针的选择以及适用的样品范围，并给学生操作示范，使学生自然接受。培训第5项时，请学生自己操作仪器，老师在旁监督，如果有问题请学生尽量提出，消除疑问。培训第6项内容时，给学生自由操作的空间，使学生进一步熟悉仪器。培训第7项内容时，考核分笔试与上机操作测试。笔试试卷内容包括仪器工作原理，仪器相关知识点，仪器使用的注意事项等，上机测试可以让学生自行选取样品进行现场测试。 考试合格后给予学生1个月的上机实习时间，实习至少3次，合计机时达到6 h都无问题后发放操作证，管理员开通门禁，给予学生使用权限。

3.5 其他功能的培训方法

SPM的其他功能也可给予培训。SPM主要包括扫描隧道显微镜、磁力、静电力显微镜、表面电势测量、定量力学测量、液体环境与变温检测附件。可以先以公开讲座的方式请感兴趣的同学参加讲座，讲解要清晰明了，并举例说明应用范围，以使学生清楚地了解其他功能的原理与用途和自己的需要，然后以单独培训的方式对学生进行培训。其他功能的培训仍然由学生提出培训申请，管理人员同意后，安排时间进行培训，不在公共课堂上讲解。如果有几个同学同时提出申请，可以集中大家的时间，一起培训，培训后请学生自行预约仪器，现场操作，没有问题即通过测试，授予学生权限使用附件。

4 SPM的预约与上机管理

SPM机时使用率很高，平时的维护保养是保持机器正常运转的必要条件，而严格控制仪器的预约与上机是保持高机时率的另一项关键任务[7-10]。在预约管理上，严格要求操作人员按照网上预约时间到实验室使用仪器，操作人员使用仪器不能，我行我素使用，如果预约人临时有事，需提前请管理员取消预约，以便他人继续预约，从而保证仪器的使用效率。若白天预约时间已满，仍然不能满足使用，根据个人需要可进行仪器晚间或节假日预约。上机操作过程需严格遵守“仪器操作使用规程”与“仪器操作使用规章制度”进行操作。测试结束后，上机测试时所使用机时和使用的探针、铁片等消耗品和消耗品费用都必须如实填写在“大型精密仪器设备使用记录”和“收费记录本”上，使用记录和收费记录不可随意涂抹和修改，如需要修改须报告仪器管理人员，测试过程中如果发生意外或仪器损坏等，操作人需把实验现象记录在“大型精密仪器设备使用记录”上，填写“复旦大学高分子科学系公共仪器设备故障报告表”，并立即上报仪器管理人员处理，以防耽误科研进度。

5 体 会

对学生在公共课堂的培训不是终点，在最初的学生操作使用当中，要不间断地观察学生的操作与使用，点播学生实验技巧；同时老师自己也要不断学习，查阅文献，了解近期实验动态，提高自身的实验技能，不断提供给学生高水平的技术服务与支撑[11-12]。

对待像SPM这样机时率较高而且附件较多的仪器的管理，管理员需合理安排时间，调控仪器使用周期，对一些具有特殊需求(比如需使用隧道显微镜)的学员统一起来安排时间集中操作，有效合理地安排时间，不仅可以节省操作者的时间，也可以让仪器损耗减小，提高仪器使用寿命。

6 结 语

SPM的开放培训管理不仅提高了仪器本身的使用效率，提高了学生自身的实验技能，同时通过学生亲身测试样品的过程，加深了学生对样品本身的了解，能直观使学生获得他们想要的实验结果，在整个操作过程中还可能带来测试方法上面的一些新的发现，培养学生创新能力，一举多得。

[1] 冯建跃．高校大型仪器开放共享体系的建设与思考[J]． 实验室研究与探索，2014，33(10): 133-136．

[2] 蔡 鹰．高校大型仪器设备共享管理体制与运行机制的探讨[J]． 实验技术与管理，2014，31(11)：234-237．

[3] 蔡 超，侯德俊，张社荣，等．大型仪器校际共享中的管理协同体系探讨[J]．实验技术与管理，2015，32(1)：18-21.

[4] 程敬丽，楼建晴． 美国大学大型仪器设备共享的管理与启示[J]． 实验室研究与探索，2013，32(2)：168-170，199．

[5] 杨淑慧，李金华，赵杭美，等． 构建高校仪器设备共享管理系统信息生态初探[J]． 实验室研究与探索，2015，34(11): 271-273．

[6] 蔡 超，林卫峰，赵明明，等．物联网时代大型仪器管理系统的开发与应用[J]． 实验室研究与探索，2013，32(1): 177-179，191．[7] 郑阿群，郗英欣，张军杰，等．构建核磁共振开放测试平台，提高仪器利用率[J]．实验技术与管理，2013，30(9)：221-224．

[8] 陈明霞．提高电子显微镜使用效率的方法探讨[J]．实验技术与管理，2013， 30(1)：83-84．

[9] 权茂华，孙建林，熊小涛，等．电镜实验教学中“三层次”培训体系的建立[J]．实验室研究与探索，2014，33(5): 171-174．

[10] 王秀萍，张 方．虚实结合扩大大型仪器设备对本科实验教学开放[J]．实验技术与管理，2014，31(4): 237-239．

[11] 汤海峰，王德利，孟 威，等．大型仪器面向本科生开放过程存在的问题与解决对策[J]．实验技术与管理，2013，30(6): 205-207.

[12] 张礼杰．关于提高高校扫描电子显微镜使用效率的探索[J]．实验室科学， 2013，16(2): 185-187．

Training and Management of the Atomic Force Microscope

QUZehua，BUJuan，PANXiaoxia

(State Key Laboratory of Molecular Engineering of Polymers, Department of Macromolecular Science, Fudan University, Shanghai 200433, China)

Training operators and management of scanning probe microscopy (SPM) are very necessary. Not only the management platform of SPM in the laboratory, the introduction of the instrument and the analysis of the operation of the instrument, but also the selection of trainee, the arrangement of training time, basic training content, training methods, the features of the training methods of other testing mode of SPM were analyzed in this paper. The new methods and new ideas of the training of SPM were proposed, many aspects were put forward by our own views, such as the individualized approach to the selection for trainees, well arrangement of the training time, reasonable arrangements of the training content, the specific methods used for different training set, matters needing attention of the training process, the training appointment and the hands-on practice.

scanning probe microscopy(SPM); training; open management; sharing

2016-06-18

国家自然科学青年基金资助项目(81470906，81570595)

屈泽华(1978-)，女，吉林九台人，博士，实验师。研究方向: 扫描探针显微镜测试分析与管理。

Tel.：021-55665626； E-mail: quzehua@ fudan.edu.cn

G 642.0

A

1006-7167(2017)02-0273-03