CN101576404B - 振荡器、质量测量系统以及质量测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明披露了一种振荡器，其包含线状蛋白质结构体以及负载物。该线状蛋白质结构体的两端分别固定在基座上。该负载物附着于该线状蛋白质结构体上的附着位置，其中，该附着位置至该线状蛋白质结构体的两端的距离大体上相等。当线状蛋白质结构体振动时，其振动频率与该负载物的质量相关。因此，可通过该线状蛋白质结构体测量微小物体的质量。

Description

振荡器、质量测量系统以及质量测量方法

技术领域

本发明涉及一种振荡器、质量测量系统以及质量测量方法，并且特别地，本发明涉及一种可在流体环境中测量微小物体的质量的振荡器、质量测量系统以及质量测量方法。

背景技术

近年来，由于微机电、纳米以及生物技术的进步，各种微机电材料、纳米材料以及生物材料被视为具有广泛应用于层面材料而为各界所重视。并且由于现今科技趋向微小化，对于新材料的研究除了研究其宏观的性质外，其微观的性质也是研究的重点议题。以微观而言，对于物质的基本性质的测量，例如质量、电性或是材料机械特性的测量等，并不如宏观时容易测量，因此新材料的特性往往难以掌握。因此，微测量技术在微科技发展中扮演重要的角色。

以质量而言，在现有技术中，美国专利第6722200号提出一种可测量单一原子质量的硅材料感测技术。该现有技术以高频纳米机械共振器的表面在高真空环境下吸附原子，并根据其振动频率的变化计算吸附在共振器表面的原子的质量。

上述的美国专利第6722200号所披露的技术是在真空环境下进行而可忽略阻尼效应，使高频纳米机械共振器可以保持自然共振。另外，由于现有技术的测量方法用复杂度高的机械结构来进行，其成本较高，并且由于其测量方法的参数均与所设计的机械结构有关，因此计算其质量时必须套用各种复杂的机械模型。然而，生物或化学检测往往是大量检测并且在流体环境下进行，上述的现有技术由于成本过高、计算所套用的模型复杂以及只在真空环境下进行，所以不适用于生物或化学检测。

发明内容

因此，本发明的目的在于提供一种利用线状蛋白质结构体构成的振荡器，该振荡器可用来计算待测物质量，以解决上述问题。

根据具体实施例，本发明的振荡器包含线状蛋白质结构体以及负载物。线状蛋白质结构体的两端分别固定于基座上。负载物附着于线状蛋白质结构体上的附着位置，此附着位置至线状蛋白质结构体的两端的距离在本具体实施例中大体上相等。

在本具体实施例中，当线状蛋白质结构体振动时，其振动频率与负载物的质量相关。负载物的表面上可以涂布反应层，通过此反应层可以吸附或化学键结的方式结合待测物。当待测物被吸附或键结在负载物上时，负载物的重量变化将会改变原本的振动频率。因此，根据线状蛋白质结构体的弹性系数以及负载物吸附待测物后线状蛋白质结构体的振动频率变化，可计算获得待测物的质量。

根据本发明的振荡器，在具体实施例中，线状蛋白质结构体位于微生物的表面上。

根据本发明的振荡器，在具体实施例中，该线状蛋白质结构体是鞭毛(flagellum)或纤毛(线毛，pili)。

根据本发明的振荡器，在具体实施例中，其中纤毛选自由第一型纤毛、第三型纤毛以及P型纤毛组成的组。

根据本发明的振荡器，在具体实施例中，该负载物的表面上涂布有反应层，用来结合待测物，并且待测物选自由病毒、微生物、细胞、蛋白质分子以及核酸分子组成的组。

根据本发明的振荡器，在具体实施方式中，该负载物的表面上涂布有反应层，用来与待测物产生化学反应。

根据本发明的振荡器，在具体实施例中，该线状蛋白质结构体的两端分别通过辅助物固定在基座上。

根据本发明的振荡器，在具体实施例中，该辅助物通过激光镊夹(optical tweezer)将线状蛋白质结构体的两端固定于基座上，并且负载物通过激光镊夹固定于线状蛋白质结构体。

根据本发明的振荡器，在具体实施例中，该负载物由聚苯乙烯材料以及磁性材料制成。

根据本发明的振荡器，在具体实施例中，该线状蛋白质结构体通过光学驱动系统驱动而振动。

本发明的另一目的在于提供一种利用线状蛋白质结构体的质量测量系统来测量待测物的质量，来解决上述问题。

根据具体实施例，本发明的质量测量系统用来在流体环境中测量待测物的质量，其包含流道、线状蛋白质结构体、驱动装置、测量装置以及处理装置。流道可用来容纳流体。线状蛋白质结构体的两端分别固定于流道的内壁上，并且线状蛋白质结构体上的附着位置上附着负载物，此负载物可用来吸附待测物，此外，附着位置至两端的距离大体上相等。

在本具体实施例中，质量测量系统的驱动装置可驱动线状蛋白质结构体进行振动，并且，测量装置可以测量其振动频率。当线状蛋白质结构体的附着位置上仅有负载物而未吸附待测物时，测量装置根据测量出的振动频率产生关于此振动频率的参考频率测量信号；当负载物吸附待测物后，测量装置则根据测量出的振动频率产生关于此振动频率的实验频率测量信号。接着，处理装置可以根据参考频率测量信号以及实验频率测量信号，计算待测物质量。

根据本发明的质量测量系统，在具体实施例中，进一步包含：回馈装置，用来提供外力至该负载物，以大体上抵消流体对负载物施加的流体阻力。

根据本发明的质量测量系统，其中测量装置进一步测量负载物的速度，并且产生关于该速度的速度测量信号，并且该回馈装置根据速度测量信号以及流体的动态黏滞系数提供外力至负载物。

根据本发明的质量测量系统，在具体实施例中，其中该外力为电力或磁力。

根据本发明的质量测量系统，在具体实施例中，进一步包含：激光镊夹，用来协助线状蛋白质结构体的两端分别通过辅助物固定于内壁上，并且激光镊夹能镊夹负载物至线状蛋白质结构体上的附着位置，使得负载物附着于线状蛋白质结构体上。

根据本发明的质量测量系统，在具体实施例中，该驱动装置为光学驱动装置。

根据本发明的质量测量系统，在具体实施例中，该测量装置为光学测量装置。

本发明的另一目的在于提供一种利用线状蛋白质结构体的质量测量方法来测量待测物的质量，来解决上述问题。

根据具体实施例，本发明的质量测量方法用来在流体环境中测量待测物的质量，其包含下列步骤：首先提供容纳流体的流道；将线状蛋白质结构体两端分别固定于流道内壁，并且在线状蛋白质结构体上与两端距离大体相等的附着位置上附着负载物；驱动具有负载物的线状蛋白质结构体进行振动并测量其振动频率以产生关于振动频率的参考频率测量信号；负载物吸附待测物；驱动具有负载物以及待测物的线状蛋白质结构体进行振动并测量其振动频率以产生关于振动频率的实验频率测量信号；根据参考频率信号以及实验频率信号计算待测物的质量。

根据本发明的质量测量方法，在具体实施例中，进一步包含下列步骤：提供外力至负载物，以大体上抵消流体对负载物施加的流体阻力。

根据本发明的质量测量方法，在具体实施例中，进一步包含下列步骤：测量负载物的速度，并且产生关于该速度的速度测量信号；以及根据该速度测量信号以及流体的动态黏滞系数提供外力至负载物。

根据本发明的质量测量方法，在具体实施例中，该外力为电力或磁力。

根据本发明的质量测量方法，在具体实施例中，进一步包含下列步骤：分别将辅助物固定至线状蛋白质结构体的两端；以及将线状蛋白质结构体的两端分别通过辅助物固定于内壁上。

关于本发明的优点与精神可以通过以下的发明详述及附图得到进一步的了解。

附图说明

图1A示出了根据本发明的一个具体实施例的振荡器的上视图。

图1B示出了图1A的振荡器的侧视图。

图1C示出了图1A的负载物吸附待测物的示意图。

图2A示出了根据本发明的一个具体实施例的质量测量系统的示意图。

图2B示出了图2A的线状蛋白质结构体的负载物受外力作用的示意图。

图3A示出了根据本发明的一个具体实施例的质量测量方法的步骤流程图。

图3B示出了根据本发明的另一具体实施例的质量测量方法的步骤流程图。

具体实施方式

参考图1A以及图1B，图1A示出了根据本发明的一个具体实施例的振荡器1的上视图；图1B示出了图1A的振荡器1的侧视图。如图1A以及图1B所示，振荡器1包含线状蛋白质结构体10、负载物12以及辅助物14。辅助物14用来将线状蛋白质结构体10的两端固定于基座(未在图中示出)上，负载物12则设置在线状蛋白质结构体10上并且与固定的两端之间的距离大体上相等。请注意，在实践中，振荡器也可以其它适当方式固定于基座上，而不受限于本说明书所列举的具体实施例中以辅助物固定的方式。

在本具体实施例中，线状蛋白质结构体10可位于微生物16的表面上，也就是，在实践中可直接利用微生物16(例如，但不受限于细菌、藻类或单细胞动物)的鞭毛或纤毛作为本具体实施例的线状蛋白质结构体10。在现有技术中，微生物的纤毛已被研究出具有良好的机械特性，例如，具有良好的杨氏模数。在实践中，线状蛋白质结构体10可以选自，但不受限于，具有良好机械特性的第一型纤毛、第三型纤毛或是P型纤毛。

此外，在实践中，若直接利用微生物16的鞭毛或纤毛作为本具体实施例的线状蛋白质结构体10，可先固定该微生物，再以上述方式固定其鞭毛或纤毛。并且该微生物可能是死的或活的。

在本具体实施例中，线状蛋白质结构体10的质量相对于负载物12的质量是可忽略的，因此，当振荡器1进行自然共振时，其自然共振频率大体上与负载物12的质量相关，而可忽略线状蛋白质结构体10的质量影响。进一步地说，当振荡器1进行自然共振时，其自然共振频率大体上与负载物12的质量以及线状蛋白质结构体10的弹性系数相关。

此外，参考图1C，图1C示出了图1A的负载物12吸附待测物18的示意图。如图1C所示，当负载物12吸附待测物18后，其整体作用于线状蛋白质结构体10的质量将会产生变化，因此，当振荡器1进行自然共振时，其自然共振频率也会产生变化。根据振荡系统的自然共振模型的推导，可获得下列公式：

$\mathrm{\Δm}=m^{\′}-m=k(\frac{1}{W^{\′2}}-\frac{1}{W_0^2})=k\frac{(W_0-W^{\′})(W_0+W^{\′})}{W^{\′2}{W}_0^2}\stackrel{W^{\′}=W_0}{\≈}-\frac{2m}{W_0}\×\mathrm{\Δ}{W}_0$

上述公式中，Δm为振荡系统的质量变化量，也就是本具体实施例的待测物18的质量。m为吸附前的质量，也就是本具体实施例的负载物12的质量。m’则为吸附后的质量。W₀为吸附前的自然共振频率，W’为吸附后的自然共振频率，并且ΔW’为自然共振频率变化量。由上述公式可知，根据自然共振频率的变化量可计算得到待测物18的质量。

在实践中，负载物12可用聚苯乙烯以及磁性材料形成，并且在负载物12表面涂布反应层，可进一步结合待测物18或是与待测物18产生化学反应。举例而言，负载物12可通过反应层结合如病毒、微生物、细胞、蛋白质分子或是核酸分子等，再通过计算振动频率来获得这些待测物18的质量，因此，振荡器1可用于生物检测。另一方面，若负载物12上的反应层可与待测物18产生化学反应导致负载在线状蛋白质结构体10上的质量有所增减，可进一步通过计算振动频率而获得其质量变化，由此观察该化学反应的动态反应过程。

此外，在实践中，由于振荡器1的尺寸过小，因此可以激光镊夹方式协助辅助物14移动至线状蛋白质结构体10的两端来将其固定在基座上，同样地，负载物12也可通过激光镊夹方式移动至线状蛋白质结构体10上固定。此外，线状蛋白质结构体10可通过光学驱动系统驱动而进行振动，并且在实践中，此光学驱动系统可以激光镊夹技术配合声光偏转器构成。

参考图2A，图2A示出了根据本发明的一个具体实施例的质量测量系统2的示意图。质量测量系统2可用来在流体环境中测量待测物质量，如图2A所示，质量测量系统2包含流道20、线状蛋白质结构体22、驱动装置24、测量装置26以及处理装置28。

在本具体实施例中，流道20可用来容纳流体，例如液体或空气。线状蛋白质结构体22的两端分别固定于流道20的内壁中，并且在线状蛋白质结构体22上与两端的距离大体上相等的位置设置负载物220。驱动装置24可用来驱动线状蛋白质结构体22进行振动，测量装置26则可用来测量线状蛋白质结构体22的振动频率并且产生关于此振动频率的频率测量信号。处理装置28耦接于测量装置26，可用来接收频率测量信号并且通过频率测量信号的变化计算待测物质量。

在本具体实施例中，驱动装置24先驱动蛋白质结构体22进行振动，并且测量装置26根据其振动频率产生参考频率测量信号传送至处理装置28。接着，流体中加入待测物，其在流道20中流动并且附着于负载物220上。在负载物220吸附待测物后，驱动装置24再驱动蛋白质结构体22进行振动，测量装置26则再根据其振动频率产生实验频率测量信号传送至处理装置28。处理装置28可以根据参考频率测量信号、实验频率测量信号以及线状蛋白质结构体22的弹性系数计算而获得负载物220以及吸附的待测物的总质量，并将总质量与负载物220的质量比较即可获得待测物的质量。

请注意，在本具体实施例中，当驱动装置24驱动线状蛋白质结构22振动并通过测量装置测量振动频率时，流道20中的流体保持不流动的状态。当待测物加入流体中，流体在流道20内流动以协助待测物附着至负载物220，并且当待测物附着至负载物220后，流体则保持不动，接着再驱动并测量线状蛋白质结构22的振动行为。

在实践中，驱动装置24可为激光镊夹配合声光偏转器所构成的光学驱动装置，同时激光镊夹也可用来镊夹负载物220至线状蛋白质结构体22并镊夹辅助物以协助线状蛋白质结构体22的两端固定于流道20的内壁。另外，测量装置26在实践中可以光学测量装置配合四象限光电探测器进行测量。

此外，本具体实施例的质量测量系统2进一步包含回馈装置30。由于线状蛋白质结构体22是在流体环境中进行振动，流体阻力将会对此振荡系统形成阻尼而使线状蛋白质结构体22无法保持自然共振，导致其计算所获得的待测物质量产生误差。因此，回馈装置30可用来提供与流体阻力方向相反并且大小大体上相同的外力至负载物220以大体上抵消流体阻力。在实践中，回馈装置30提供的外力可为，但不受限于，电力或磁力。

在本具体实施例中，测量装置26可测量负载物220在流体中的运动速度，并且产生关于此运动速度的速度测量信号传送至回馈装置30。由于负载物220在流体中运动所受到的流体阻力与其运动速度以及流体的动态黏滞系数有关，因此，回馈装置30可根据运动速度以及流体的动态黏滞系数产生与流体阻力大体上相同的外力来抵消流体阻力，使振荡系统降低其阻尼影响而大体上保持自然共振。

参考图2B，图2B示出了图2A的线状蛋白质结构体22的负载物220受外力作用的示意图。如图2B所示，线状蛋白质结构体22的负载物220沿运动方向N运动，因此负载物220将会受到流体阻力F1的作用，F1的方向与运动方向N相反。此外，回馈装置30所提供的外力F2与流体阻力F1的大小大体上相同，并且两者的方向相反以相互抵消。通过回馈装置30，可使线状蛋白质结构体22大体上不受流体造成的阻尼所影响，而保持自然共振。

参考图3A，图3A示出了根据本发明的一个具体实施例的质量测量方法的步骤流程图。本具体实施例的质量测量方法用来在流体环境内测量待测物的质量，如图3A所示，其包含下列步骤：在步骤S40中，提供可用来容纳流体的流道；在步骤S42中，分别将线状蛋白质结构体的两端固定于流道的内壁上，并且在线状蛋白质结构体上与两端距离大体上相同的附着位置上附着负载物；在步骤S44中，驱动具有负载物的线状蛋白质结构体进行振动，并且测量线状蛋白质结构体的振动频率以产生关于此振动频率的参考频率测量信号；在步骤S46中，将待测物吸附在该负载物上；在步骤S48中，驱动具有负载物以及待测物的线状蛋白质结构进行振动，并且测量线状蛋白质结构体的振动频率以产生关于此振动频率的实验频率测量信号；在步骤S50中，根据参考频率测量信号以及实验频率测量信号计算待测物的质量。

在本具体实施例中，线状蛋白质结构体可通过辅助物固定其两端至流体内壁。此外，在实践中，待测物的质量可根据参考频率测量信号、实验频率测量信号以及线状蛋白质结构体的弹力系数计算而获得。

参考图3B，图3B示出了根据本发明的另一具体实施例的质量测量方法的步骤流程图。如图3B所示，本具体实施例与上一个具体实施例不同处，在于本具体实施例的质量测量方法进一步包含下列步骤：在步骤S60中，测量负载物的速度，并且根据测量出的速度产生速度测量信号；在步骤S62中，根据速度测量信号以及流体的动态黏滞系数提供外力至负载物。请注意，步骤S60以及步骤S62在实践中可在驱动线性蛋白质结构体振动时进行，由此来大体上抵消流体对负载物施加的流体阻力，进而降低振荡系统中的阻尼影响而使线性蛋白质结构体保持自然共振。

相比于现有技术，本发明的振荡器、质量测量系统以及质量测量方法利用线状蛋白质结构体作为振荡器在流体中进行振动，根据待测物附着于线状蛋白质结构体的负载物前后所测量而得的振动频率变化可以计算而得到待测物质量。线状蛋白质结构体可使用微生物的纤毛或鞭毛，并且进一步地，利用激光镊夹将纤毛或鞭毛设置成振荡系统。此外，通过对线状蛋白质结构体的负载物提供外力来抵消流体阻力，可降低振荡系统的阻尼效应以维持自然共振。综上所述，本发明的振荡器、质量测量系统以及质量测量方法适用于流体环境中测量微小质量，并且其制造成本较低，可用于生物或化学方面的大量检测。

通过以上优选具体实施例的详述，希望能更加清楚描述本发明的特征与精神，而并非以上述所披露的优选具体实施例来对本发明的范围加以限制。相反地，其目的是希望能涵盖各种改变及等同替代在本发明所欲申请的权利要求的范围内。因此，本发明所申请的权利要求的范围应该根据上述的说明作最宽广的解释，以致使其涵盖所有可能的改变以及等同替代。

主要组件符号说明

1：振荡器           10、22：线状蛋白质结构体

12、220：负载物     14：辅助物

16：微生物          18：待测物

2：质量测量系统     20：流道

24：驱动装置        26：测量装置

28：处理装置        30：回馈装置

N：运动方向           F1：流体阻力

F2：外力

S40～S50：流程步骤    S60～S62：流程步骤。

Claims (19)

1.一种振荡器，包含：

线状蛋白质结构体，其两端分别固定在基座上；以及

负载物，附着于所述线状蛋白质结构体上的附着位置，并且所述附着位置至所述两端的距离大体上相等；

其中，当所述线状蛋白质结构体振动时，其振动频率与所述负载物的质量相关。

2.根据权利要求1所述的振荡器，其中所述线状蛋白质结构体位于微生物的表面上。

3.根据权利要求2所述的振荡器，其中所述线状蛋白质结构体是鞭毛或纤毛。

4.根据权利要求3所述的振荡器，其中所述纤毛选自由第一型纤毛、第三型纤毛以及P型纤毛组成的组。

5.根据权利要求1所述的振荡器，其中所述负载物的表面上涂布有反应层，用来结合待测物，并且所述待测物选自由微生物、细胞、蛋白质分子以及核酸分子组成的组。

6.根据权利要求1所述的振荡器，其中所述负载物的表面上涂布有反应层，用来结合待测物，并且所述待测物是病毒。

7.根据权利要求1所述的振荡器，其中所述负载物的表面上涂布有反应层，用来与待测物产生化学反应。

8.根据权利要求1所述的振荡器，其中所述负载物由聚苯乙烯材料以及磁性材料制成。

9.根据权利要求1所述的振荡器，其中所述线状蛋白质结构体通过光学驱动系统驱动而振动。

10.一种质量测量系统，用来在流体中测量待测物的质量，所述质量测量系统包含：

流道，用来容纳所述流体；

线状蛋白质结构体，其两端分别固定于所述流道的内壁上，并且所述线状蛋白质结构体的附着位置上附着负载物，用来吸附所述待测物，其中所述附着位置至所述两端的距离大体上相等；

驱动装置，用来驱动所述线状蛋白质结构体进行振动；

测量装置，用来在所述负载物吸附所述待测物前后分别测量所述线状蛋白质结构体的振动频率，所述测量装置在负载物吸附所述待测物前测量所述振动频率并产生关于所述振动频率的参考频率测量信号，并且所述测量装置在负载物吸附所述待测物后测量所述振动频率并产生关于所述振动频率的实验频率测量信号；以及

处理装置，耦接所述测量装置，用来接收所述参考频率测量信号以及所述实验频率测量信号，并且根据所述参考频率测量信号以及所述实验频率测量信号计算所述待测物的质量。

11.根据权利要求10所述的质量测量系统，进一步包含：

回馈装置，用来提供外力至所述负载物，以大体上抵消所述流体对所述负载物施加的流体阻力。

12.根据权利要求11所述的质量测量系统，其中所述测量装置进一步测量所述负载物的速度，并且产生关于所述速度的速度测量信号，并且所述回馈装置根据所述速度测量信号以及所述流体的动态黏滞系数提供所述外力至所述负载物。

13.根据权利要求11所述的质量测量系统，其中所述外力为电力或磁力。

14.根据权利要求10所述的质量测量系统，其中所述驱动装置为光学驱动装置。

15.根据权利要求10所述的质量测量系统，其中所述测量装置为光学测量装置。

16.一种质量测量方法，用来在流体内测量待测物的质量，所述质量测量方法包含下列步骤：

提供流道用来容纳所述流体；

将线状蛋白质结构体的两端分别固定于所述流道的内壁上，并且将负载物附着于所述线状蛋白质结构体上的附着位置，其中所述附着位置至所述两端的距离大体上相等；

驱动附着有所述负载物的所述线状蛋白质结构体进行振动，并且测量所述线状蛋白质结构体的振动频率，以产生关于所述振动频率的参考频率测量信号；

将所述待测物吸附于所述负载物上；

驱动附着有所述负载物及所述待测物的所述线状蛋白质结构体进行振动，并且测量所述线状蛋白质结构体的振动频率，以产生关于所述振动频率的实验频率测量信号；以及

根据所述参考频率测量信号以及所述实验频率测量信号计算所述待测物的质量。

17.根据权利要求16所述的质量测量方法，进一步包含下列步骤：

提供外力至所述负载物，以大体上抵消所述流体对所述负载物施加的流体阻力。

18.根据权利要求17所述的质量测量方法，进一步包含下列步骤：

测量所述负载物的速度，并且产生关于所述速度的速度测量信号；以及

根据所述速度测量信号以及所述流体的动态黏滞系数提供所述外力至所述负载物。

19.根据权利要求17所述的质量测量方法，其中所述外力为电力或磁力。

Images