CN101592592B - 球膜光学微纳牛力检测系统 - Google Patents
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Abstract
本发明的球膜光学微纳牛力检测系统，涉及微纳牛力检测技术领域。该系统包括微操作平台、微粒子加载机构、点光源、光纤传感器、光谱分析仪、数据处理系统等几大部分；还包括一次性球膜发生机构或用于重复性球膜的球膜支架。利用该系统在球膜干涉效应下，通过变化球膜的直径、厚度，由检测的干涉谱变化量，实现作用在球膜上的微纳牛力的检测。本发明可为我国生物医学、分子化学等微力检测领域带来巨大的经济效益和技术支持。
Description
技术领域
本发明涉及微纳牛力检测技术，更具体的说，是一种利用球膜光学干涉原理检测微纳牛力的方法及系统。
背景技术
随着微纳米技术和生物医学技术的发展，微生物体、细胞、分子簇等领域nN级微力测量越来越受到人们的关注，微力传感器的研究已成为一个新的研究热点。国内外微力传感器的研究大多基于硅片悬臂梁、ZnO压电薄膜、PZT压电双晶梁等作为敏感元件，测量精度可以达到μN级，这种量级的力测量对微观摩擦现象观测、液体表面张力分析等具有一定的作用，然而对于生物体微组织力测量、细胞重量分类、分子簇重力测量就有点力不从心了，因为这种测量的力一般在10～800nN级。
生物医学上，对nN力测量当前主要采用石英晶体生物传感器，该传感器将压电效应与生物技术相结合，利用生物材料的高选择性和压电传感器的高灵敏度进行测量，然而石英晶体生物传感器存在着很大缺陷：
a.固定化技术比较困难，制备工艺复杂，成品率低，难以进行批量生产；
b.传感器使用的稳定性、一致性和可靠性低，传感器使用寿命一般只有几次，且测量精密度偏低；
c.测定环境比较严格，传感器抗干扰能力存在问题。
细胞的分类方法当前只能通过生理外形(脱水状态和正常生理状态)及细胞的体积大小进行判断，对于同为病理状态或生理状态下体积相似的细胞就无法进行准确分类。肿瘤主要疗法之一的基因治疗法就是对细胞分子进行分类，依据病理细胞外形的表征判断细胞类型，但病理外形相似的肿瘤细胞，因分类困难而导致临床治疗无法进行。临床观察发现，不同病理细胞族群的密度是不一样的，此时如能准确称量出这种nN级别的病理细胞重力，将能很好地对肿瘤分子进行分类，进而有效对症治疗。除了肿瘤分子需要分类，医学上的其他微细组织如酶、抗体、微生物、病菌等都需要进行分类。在传统微力传感器达不到测量精度，传统分类方法不能完全分类时，需要找到一种新的分类方法解决细胞分子的分类问题，而这一问题也一直困扰着国内外的生物学家和医疗研究工作者。
发明内容
本发明的目的在于，提供一种利用球膜光学干涉原理的球膜光学微纳牛力检测系统。
一种球膜光学微纳牛力检测系统，其特征在于包括：微操作平台、装载在微操作平台上的显微镜、利用吹气活塞进给量控制球膜尺寸的一次性球膜发生机构、装载在微操作平台的钢性架构上的用于在球膜上加载微粒子的微粒子加载机构、置于球膜检测点位置的光纤传感器、经过光谱干涉仪与光纤传感器相连的用于在球膜加载标准微粒子的情况下预先建立微纳牛力、球膜直径、球膜厚度、干涉谱变化量的四参数关系方程，并在加载被测微粒子后通过检测到的干涉光谱变化量得到被检测的微纳牛力大小的数据处理模块；上述微粒子加载机构包括用于实现微位移进给和对微粒子的夹持与加载并确保微粒子正确加载到球膜上的微驱动机构和微粒子夹持机构。
一种采用上述系统的球膜光学微纳牛力检测方法，其特征在于包括以下过程：(1)、该方法采用的球膜为一次性球膜，由一次性球膜发生机构产生，一次性球膜尺寸通过控制吹气活塞的进给量来控制；(2)、进行球膜无载荷预检测，得到无载荷情况下球膜的光学干涉谱宽度；(3)、在显微镜下，利用微粒子加载机构加载微纳牛级别的微粒子到球膜上；(4)、试验获得的球膜厚度一般在50～700nm范围，在感受微力作用后，球膜产生变形，光纤传感器对应的检测点位置的球膜厚度发生改变，且检测点位置发生微小滑移，导致检测出的干涉谱宽度发生变化；(5)、光谱干涉仪检测出于涉谱宽度的变化，并把检测结果传输到数据处理模块，而这种微小变化反映的就是加载的微纳牛级微粒子重力大小；(6)、在具体微纳级力检测前，需先设计正交试验，调整球膜厚度、球膜直径，加载10～1000纳牛标准微粒子，检测得到的对应的干涉谱变化量，从而建立微作用力、球膜厚度、球膜直径、干涉谱变化量之间的关系方程：Δx＝f(F，δ，d)。
上述系统还可以包括一次性球膜消膜机构。检测结束后利用一次性球膜消膜机构对一次性球膜进行消膜处理，避免球膜检测结束后爆裂而污染检测环境。
所述的一次性球膜可以为有机液化膜，该球膜用于生物医学中无需回收的细胞、细菌等的微纳牛力检测。比如：肥皂泡。
一种球膜光学微纳牛力检测系统，其特征在于包括：微操作平台、装载在微操作平台上的显微镜、球膜支架、装载在微操作平台的钢性架构上的用于在球膜上加载微粒子的微粒子加载机构、置于球膜检测点位置的光纤传感器、经过光谱干涉仪与光纤传感器相连的用于在球膜加载标准微粒子的情况下预先建立微纳牛力、球膜直径、球膜厚度、干涉谱变化量的四参数关系方程，并在加载被测微粒子后通过检测到的干涉光谱变化量得到被检测的微纳牛力大小的数据处理模块；上述微粒子加载机构包括用于实现微位移进给和对微粒子的夹持与加载并确保微粒子正确加载到球膜上的微驱动机构和微粒子夹持机构。
一种采用上述系统的球膜光学微纳牛力检测方法，其特征在于包括以下过程：(1)、该方法采用的球膜为重复性球膜；(2)、进行球膜无载荷预检测，得到无载荷情况下球膜的光学干涉谱宽度；(3)、将某一直径的球膜放置到球膜支撑机构上；(4)、在显微镜下，利用微粒子加载机构加载微纳牛级别的微粒子到球膜上；(5)、球膜厚度在50～700nm，在感受微力作用后，球膜产生变形，光纤传感器对应的检测点位置的球膜厚度发生改变，且检测点位置发生微小滑移，导致检测出的干涉谱宽度发生变化；(6)、光谱干涉仪检测出干涉谱宽度的变化，并把检测结果传输到数据处理模块，而这种微小变化反映的就是加载的微纳牛级微粒子重力大小；(7)、在具体微纳级力检测前，需先设计正交试验，调整球膜厚度、球膜直径，加载10～1000纳牛标准微粒子，检测得到的对应的干涉谱变化量，从而建立微作用力、球膜厚度、球膜直径、干涉谱变化量之间的关系方程：Δx＝f(F，δ，d)。
所述的重复性球膜可以为高反射膜，它可将入射可见光波段能量的80％以上反射回去，减少能量损失，提高光学检测的精度，该球膜用于分子簇、微细血管流动压力等的微纳牛力检测。
针对生物医学中微纳牛力测量这一问题，本发明提出了球膜光学微力传感器的研究方法和测量思想，建立一套全新的球膜光学微力传感器设计与检测方法与系统。设计正交试验，调整球膜厚度、球膜直径，加载10～1000纳牛标准微粒子，检测得到的对应的干涉谱变化量，从而建立微作用力、球膜厚度、球膜直径、干涉谱变化量之间的关系方程：Δx＝f(F，δ，d)。利用该关系方程，最终实现微纳级力检测的目的。与现有技术相比较，本发明采用球膜作为检测微纳牛力的传感元件，通过球膜的变形导致的球膜干涉谱的变化量来反映被检测的微纳牛力大小，实现了实时可靠地检测微纳牛力。传统薄膜检测微纳牛力的方法利用薄膜的压电效应、微应变、气敏特性等进行检测，研制的薄膜微力传感器存在一些共同的缺点：制备工艺复杂，成品率低；抗干扰性不强，检测精度偏低；对环境要求高，使用稳定性、可靠性低，寿命短等。球膜传感器综合利用了球膜的微应变与光学特性，可克服MEMS薄膜微力传感器的缺陷，且实现高精度测量。采用的一次性球膜无需回收，对于待检测的微粒子如微生物、细胞、DNA等一次性检测微粒子，检测结束后由消膜机构进行消膜即可；对重复性球膜检测结束后需要对球膜进行浸泡、清洗，整个检测过程非常方便。
附图说明
图1是本发明的球膜光学微纳牛力检测装置图；
图1中标号名称：101-显微镜、102-微操作平台、103-一次性球膜消膜机构、104-微粒子加载机构、105-球膜、106-光纤传感器、107-一次性球膜发生机构、108-光谱干涉仪、109-数据处理模块。
具体实施方式
下面结合附图对本发明球膜光学微纳牛力检测方法和系统进行说明。
如图1所示，本发明的球膜光学微纳牛力检测方法和系统包括：
显微镜101，装载在微操作平台上，在加载微粒子时用于放大观察；
微操作平台102，整个检测过程都在微操作平台上进行，图中的微操作平台主要指微操作平台的物理架构，用于装载显微镜，作为微驱动机构和微粒子夹持机构的刚体物理平台；
一次性球膜消膜机构103，检测结束后，对一次性球膜进行消膜，避免一次性球膜破裂而污染检测仪器和检测环境；
微粒子加载机构104，装载在微操作平台的刚体架构上，包括微驱动机构和微粒子夹持机构，实现微位移进给和对微粒子的夹持与加载，确保微粒子正确加载到球膜上，一次性球膜要确保球膜不破裂；
球膜105，本发明的传感元件，一次性球膜是一种有机液化膜，重复性球膜是高反膜，球膜厚度一般在50～700nm，在加载了纳牛级微粒子后，球膜厚度和检测点发生变化，导致球膜干涉谱的变化，由干涉谱来反映加载微粒子的重力大小；
光纤传感器106，用于传输球膜干涉谱，球膜在点光源作用下在球膜的上下表面形成干涉谱，该干涉谱通过光纤传感器传输到光谱干涉仪；
一次性球膜发生机构107，产生一次性球膜，球膜的直径、厚度可通过该机构进行控制；
光谱干涉仪108，对光纤传感器传输过来的干涉谱进行检测，判断干涉谱的变化量，以此来反映被加载的微纳牛力的大小。
数据处理模块109，在球膜加载标准微粒子的情况下，预先建立了微纳牛力、球膜直径、球膜厚度、干涉谱变化量的四参数关系方程，在加载被测微粒子后，通过检测到的干涉谱变化量得到被检测的微纳牛力的大小。
如图1所示，检测过程中，球膜光学微纳牛力检测方法实现步骤如下：
步骤1：在微操作平台102上开始一个检测过程，采用一次性球膜时，由一次性球膜发生机构107产生一次性球膜，球膜的大小根据经验进行控制；采用重复性球膜时，根据使用要求放置重复性球膜。
步骤2：在未加载待测微粒子前，光纤传感器106检测出一个空载情况下的球膜干涉谱大小，传输给光谱干涉仪108，并把检测到的干涉谱数字量信息存放到数据处理模块109，先行记录下空载状态下的干涉谱的大小；
步骤3：在显微镜101下，由微粒子加载机构104进行微生物细胞、DNA、细菌等微纳牛力的加载，并导致球膜105的检测点球膜厚度变化、检测点位置偏移，这些变化最终反映出的是球膜干涉光谱的变化；
步骤4：由光纤传感器106把球膜干涉光谱的大小传输给光谱干涉仪108，并最终传输给数据处理模块109；
步骤5：数据处理模块109比较空载与加载状态下的干涉谱大小，得到加载前后的干涉谱变化量，而这一变化量反映的就是待测微粒子重力大小，根据预先得到的微纳牛力与干涉谱变化量之间的关系方程，实时给出加载的微纳牛力。
步骤6：检测结束，若采用一次性球膜，由一次性球膜消膜机构103进行消膜处理，避免一次性球膜破裂而污染检测仪器和检测环境；若采用重复性球膜，则取出球膜进行浸泡、清洗。
Claims (3)
1.一种球膜光学微纳牛力检测系统，其特征在于包括：微操作平台、装载在微操作平台上的显微镜(101)、利用吹气活塞进给量控制球膜尺寸的一次性球膜发生机构(107)、装载在微操作平台的钢性架构上的用于在球膜上加载微粒子的微粒子加载机构(104)、置于球膜检测点位置的光纤传感器(106)、经过光谱干涉仪(108)与光纤传感器(106)相连的用于在球膜加载标准微粒子的情况下预先建立微纳牛力、球膜直径、球膜厚度、干涉谱变化量的四参数关系方程，并在加载被测微粒子后通过检测到的干涉光谱变化量得到被检测的微纳牛力大小的数据处理模块(109)；上述微粒子加载机构(104)包括用于实现微位移进给和对微粒子的夹持与加载并确保微粒子正确加载到球膜上的微驱动机构和微粒子夹持机构。
2.根据权利要求1所述的球膜光学微纳牛力检测系统，其特征在于：该系统还包括一次性球膜消膜机构(103)。
3.一种球膜光学微纳牛力检测系统，其特征在于包括：微操作平台、装载在微操作平台上的显微镜(101)、球膜支架、装载在微操作平台的钢性架构上的用于在球膜上加载微粒子的微粒子加载机构(104)、置于球膜检测点位置的光纤传感器(106)、经过光谱干涉仪(108)与光纤传感器(106)相连的用于在球膜加载标准微粒子的情况下预先建立微纳牛力、球膜直径、球膜厚度、干涉谱变化量的四参数关系方程，并在加载被测微粒子后通过检测到的干涉光谱变化量得到被检测的微纳牛力大小的数据处理模块(109)；上述微粒子加载机构(104)包括用于实现微位移进给和对微粒子的夹持与加载并确保微粒子正确加载到球膜上的微驱动机构和微粒子夹持机构。
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