專(zhuān)利名稱：一種用于測(cè)量分子間作用力的力譜儀的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及儀器控制與檢測(cè)。
背景技術(shù)：
生物分子間的相互作用在生物體內(nèi)有著重要作用，如信號(hào)傳導(dǎo)、物質(zhì)輸運(yùn)和環(huán)境 響應(yīng)等。因此測(cè)量生物分子間的相互作用是生物化學(xué)研究、醫(yī)學(xué)檢測(cè)等方面的重要必備手 段。目前主流的測(cè)量方法是通過(guò)等溫滴定量熱(isothermal titration calorimetry)和 表面等離子共振(surface plasmon resonance)等。近年來(lái)單分子力譜(single molecule force spectroscopy)的發(fā)展使得在單分子層面上測(cè)量生物分子間的相互作用成為可能。 單分子力譜需要能夠定量表征到單個(gè)生物分子間的作用，必須要達(dá)到極高的力學(xué)分辨率和 距離分辨率。目前主要采用的方法是基于原子力顯微鏡(atomic force microscope,簡(jiǎn)稱 AFM)、光鑷(optical tweezers)和磁鑷的測(cè)試方法。這些方法也相應(yīng)地衍生了一系列的測(cè) 量?jī)x器，但這些儀器的生產(chǎn)成本高、控制繁瑣、操作和數(shù)據(jù)處理復(fù)雜，因而其在更廣層面的 使用受到極大限制，目前還停留在實(shí)驗(yàn)室的科研應(yīng)用之中。發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所要解決的問(wèn)題是:原子力顯微鏡受熱干擾以及手動(dòng)下針操作難度高的問(wèn)題。
為解決上述問(wèn)題，本發(fā)明采用的方案如下:一種用于測(cè)量分子間作用力的力譜儀，包括測(cè)力部、采集控制電路、數(shù)據(jù)分析裝置；測(cè) 力部包括:彈性懸臂、定位臺(tái)、懸臂形變放大裝置；彈性懸臂一端為固定端，另一端為動(dòng)態(tài) 端；彈性懸臂動(dòng)態(tài)端的下面為針尖；定位臺(tái)為基于壓電陶瓷的定位器；懸臂形變放大裝置 包括:激光發(fā)生器、第一鏡面、第二鏡面、激光檢測(cè)器；由激光發(fā)生器產(chǎn)生的激光，經(jīng)第一鏡 面的反射射到彈性懸臂動(dòng)態(tài)端，再經(jīng)彈性懸臂動(dòng)態(tài)端的反射，激光射入第二鏡面，再經(jīng)第二 鏡面反射進(jìn)入激光檢測(cè)器；采集控制電路連接所述的定位臺(tái)、激光發(fā)生器、激光檢測(cè)器；數(shù) 據(jù)分析裝置連接采集控制電路。所述的測(cè)力部還安裝有電動(dòng)馬達(dá)、LED燈、CXD成像裝置； 所述的彈性懸臂固定端連接電動(dòng)馬達(dá)。所述的數(shù)據(jù)采集控制電路還包括比例積分微分控制 電路。
本發(fā)明的技術(shù)效果如下:1、光檢測(cè)器信號(hào)通過(guò)時(shí)域有限差分(FDTD)算法，自動(dòng)對(duì)高頻噪聲進(jìn)行過(guò)濾，力的分辨 率在4-5 pN，接近熱噪音的極限；距離的分辨率小于0.5納米。
2、光檢測(cè)器信號(hào)通過(guò)時(shí)域有限差分(FDTD)算法，自動(dòng)對(duì)高頻噪聲進(jìn)行過(guò)濾，從而 使得恒力模式的響應(yīng)時(shí)間從2毫秒減低到0.7毫秒。
3、通過(guò)LED和電控制定位系統(tǒng)，從而可以在微懸臂發(fā)生熱漂移后能夠自動(dòng)進(jìn)行反 饋補(bǔ)償，便于長(zhǎng)時(shí)間進(jìn)行測(cè)量。
4、通過(guò)CXD成像裝置和LED光源，實(shí)現(xiàn)同時(shí)光學(xué)成像和力掃描。便于對(duì)活細(xì)胞樣品表面的生物分子相互作用進(jìn)行實(shí)驗(yàn)觀測(cè)。
5、通過(guò)納米分辨率的電動(dòng)馬達(dá)和壓電陶瓷運(yùn)動(dòng)結(jié)合，實(shí)現(xiàn)微懸臂自動(dòng)下針。自動(dòng) 使微懸臂靠近基板，實(shí)現(xiàn)測(cè)量，變手動(dòng)下針為自動(dòng)下針，極大地降低操作難度。


圖1是本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實(shí)施方式
下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明。
如圖1所示，一種用于測(cè)量分子間作用力的力譜儀，包括數(shù)據(jù)分析裝置1、采集控 制電路2、定位臺(tái)3、彈性懸臂4、激光發(fā)生器51、第一鏡面52、第二鏡面53、激光檢測(cè)器54、 LED燈61、CXD成像裝置62。彈性懸臂4為一端固定端，另一端為動(dòng)態(tài)端。彈性懸臂4動(dòng) 態(tài)端的底下安裝有針尖41，針尖41為氮化硅材料制成，動(dòng)態(tài)端的上面為一鏡面，用于反射 激光。彈性懸臂4的固定端固定在電動(dòng)馬達(dá)42上。電動(dòng)馬達(dá)42固定在機(jī)架7上。定位臺(tái) 3是壓電陶瓷定位器，即根據(jù)逆壓電效應(yīng)，通過(guò)控制加載在壓電陶瓷上的電壓控制壓電陶瓷 的伸縮而制造的定位器。本發(fā)明的力譜儀是通過(guò)測(cè)量放置在定位臺(tái)3上的生物分子材料31 與放置在彈性懸臂4的針尖41上的分子材料之間的作用力的裝置，測(cè)量的方法是通過(guò)測(cè)試 彈性懸臂4的彎曲形變，再根據(jù)胡克定理計(jì)算作用力大小。而測(cè)量彈性懸臂4的形變則是通 過(guò)懸臂形變放大裝置實(shí)現(xiàn)。上述的激光發(fā)生器51、第一鏡面52、第二鏡面53、激光檢測(cè)器54 構(gòu)成了懸臂形變放大裝置。由激光發(fā)生器51產(chǎn)生的激光，經(jīng)第一鏡面52的反射射到彈性 懸臂動(dòng)態(tài)端，再經(jīng)彈性懸臂動(dòng)態(tài)端的反射，激光射入第二鏡面53，再經(jīng)第二鏡面53反射進(jìn) 入激光檢測(cè)器54。激光檢測(cè)器中激光的位置是由懸臂形變程度放大，從而測(cè)量懸臂形變變 成了測(cè)量激光的位置，只要測(cè)得激光的位置即能測(cè)量懸臂形變，進(jìn)而計(jì)算分子間的作用力。 為了精確控制，激光發(fā)生器51、第一鏡面52、第二鏡面53、激光檢測(cè)器54都安裝了相應(yīng)電動(dòng) 機(jī)動(dòng)裝置，可以在有限的范圍內(nèi)變換角度和位置，其相應(yīng)的電動(dòng)機(jī)動(dòng)裝置通過(guò)采集控制電 路2控制。LED燈即由發(fā)光二極管為發(fā)光源的燈。CXD成像裝置即以電荷耦合器件(CXD) 作為光敏感器和光電轉(zhuǎn)換器的成像設(shè)備。LED燈用于為彈性懸臂4動(dòng)態(tài)端以及放置在定位 臺(tái)3上的生物分子材料31提供照明，LED燈與CXD成像裝置的結(jié)合，可以方便地自動(dòng)把激 光聚焦到彈性懸臂4動(dòng)態(tài)端上面的鏡面上。本發(fā)明中所用的激光為830納米紅外激光，因 此LED燈的光源優(yōu)選藍(lán)光或綠光，以避免對(duì)紅外激光產(chǎn)生干擾，同時(shí)C⑶成像裝置前必須增 加對(duì)紅光的濾光片。彈性懸臂4的固定端固定在電動(dòng)馬達(dá)42上，可以通過(guò)操控電動(dòng)馬達(dá)42 完成自動(dòng)下針的操作。采集控制電路2實(shí)現(xiàn)模擬信號(hào)的采集、高頻噪音的過(guò)濾、信號(hào)的模數(shù) 轉(zhuǎn)化、實(shí)驗(yàn)指令的數(shù)模轉(zhuǎn)化等功能，通過(guò)FPGA芯片編程以及電子元件完成。。采集控制電路 2包含了一比例積分微分電路，該電路實(shí)現(xiàn)了時(shí)域有限差分算法，可以自動(dòng)地對(duì)采集到的光 檢測(cè)信號(hào)去噪。
權(quán)利要求
1.一種用于測(cè)量分子間作用力的力譜儀，包括測(cè)力部、采集控制電路、數(shù)據(jù)分析裝置； 測(cè)力部包括:彈性懸臂、定位臺(tái)、懸臂形變放大裝置；彈性懸臂一端為固定端，另一端為動(dòng) 態(tài)端；彈性懸臂動(dòng)態(tài)端的下面為針尖；定位臺(tái)為壓電陶瓷定位器；懸臂形變放大裝置包括: 激光發(fā)生器、第一鏡面、第二鏡面、激光檢測(cè)器；由激光發(fā)生器產(chǎn)生的激光，經(jīng)第一鏡面的反 射射到彈性懸臂動(dòng)態(tài)端，再經(jīng)彈性懸臂動(dòng)態(tài)端的反射，激光射入第二鏡面，再經(jīng)第二鏡面反 射進(jìn)入激光檢測(cè)器；采集控制電路連接所述的定位臺(tái)、激光發(fā)生器、激光檢測(cè)器；數(shù)據(jù)分析 裝置連接采集控制電路；其特征在于:所述的測(cè)力部還安裝有電動(dòng)馬達(dá)、LED燈、CCD成像裝 置；所述的彈性懸臂固定端連接電動(dòng)馬達(dá)。
2.如權(quán)利要求1所述的用于測(cè)量分子間作用力的力譜儀，其特征在于，所述的數(shù)據(jù)采 集控制電路還包括比例積分微分控制電路。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種用于測(cè)量分子間作用力的力譜儀，包括測(cè)力部、采集控制電路、數(shù)據(jù)分析裝置；測(cè)力部包括彈性懸臂、定位臺(tái)、懸臂形變放大裝置、電動(dòng)馬達(dá)、LED燈、CCD成像裝置；彈性懸臂一端為固定端，另一端為動(dòng)態(tài)端；彈性懸臂動(dòng)態(tài)端的下面為針尖；彈性懸臂固定端連接電動(dòng)馬達(dá)；定位臺(tái)為壓電陶瓷定位器；懸臂形變放大裝置包括激光發(fā)生器、第一鏡面、第二鏡面、激光檢測(cè)器；采集控制電路連接所述的定位臺(tái)、激光發(fā)生器、激光檢測(cè)器；數(shù)據(jù)分析裝置連接采集控制電路；采集控制電路包括比例積分微分控制電路。本發(fā)明消除了懸臂熱擾動(dòng)；變手動(dòng)下針為自動(dòng)下針，極大地降低操作難度；并且懸臂發(fā)生熱漂移后能夠自動(dòng)進(jìn)行反饋補(bǔ)償。
文檔編號(hào)G01L1/04GK103207035SQ20131017727
公開(kāi)日2013年7月17日 申請(qǐng)日期2013年5月14日 優(yōu)先權(quán)日2013年5月14日
發(fā)明者曹毅, 秦猛, 鄒大維 申請(qǐng)人:曹毅