CN101988914B - 一种全自动非损伤微测装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种全自动控制微电极接近样品进行测量，非损伤性获得进出样品离子分子浓度、流动速率及流动方向信息，样品表面局部电流信息等样品微区信息的方法。本发明包括信号采集单元(1)、多维运动单元(2)、智能控制单元(3)以及显微成像/视频采集单元(4)。智能控制单元(3)通过分析信号采集单元(1)及显微成像/视频采集单元(4)传输的信号，向多维运动单元(2)和显微成像/视频采集单元(4)发出控制指令，控制微电极与被测样品的运动，实现微电极全自动采集被测样品信息。该方法对被测样品无任何损伤，操作过程完全自动化，不受人为操作因素影响，所获数据稳定可靠，能够应用于生物活体及非生物体等诸多样品。

Description

一种全自动非损伤微测装置

技术领域：

本发明涉及一种全自动控制微电极接近样品进行测量，非损伤性获得进出样品离子分子浓度、流动速率及流动方向信息，样品表面局部电流信息等样品微区信息的方法，特别是涉及全自动化操作非损伤性获得多样性样品微区信息的技术，属光机电一体化技术领域。

背景技术：

现有的非损伤微测技术，是在计算机控制下，利用微电极以不接触被测样品的非损伤方式测量样品的局部微区信息，如进出样品离子分子浓度、流动速率及流动方向信息，样品表面局部电流等。测量不同信息采用不同特性的微电极：如测量进出样品离子分子流动信息采用选择性/特异性离子分子微电极，该微电极类型有玻璃微电极、金属微电极、碳纤维微电极等等，可以测量的离子分子种类包括H⁺、Ca²⁺、K⁺、Na⁺、Mg²⁺、Cl^-、NH₄ ⁺、NO₃ ^-及O₂、H₂O₂、CO₂、NO等等；测量样品表面局部电流信息采用振动微电极等。

非损伤微测技术采用微电极接近被测样品的方式采集信号，微电极并不接触或侵入样品，测量过程对样品无任何损伤性。非损伤微测技术特有的非损伤性测量方式使其可应用于生物活体到非生物体的广大范围样品，生物活体样品可以是生物整体、器官、组织、细胞层、单细胞乃至富集的细胞器等等，非生物体可以是金属材料、颗粒物体、膜材料等等。

非损伤微测技术所采用的微电极尖端直径一般为2微米左右，随着微电极工艺水平的不断提高其尖端直径甚至能够达到纳米级。非损伤微测技术借此采集被测样品局部微区非常精细的信息，精确表征被测样品的性质或性能。

基于现有非损伤微测技术的上述诸多优点，其已在生命科学、医学、药学、农业科学、材料科学、腐蚀科学等领域获得越来越广泛的应用，取得大量有价值的成果。

但随着现有非损伤微测技术的广泛和深入应用，其内在缺陷也暴露出来。现有非损伤微测技术并非完全自动操作，显微镜对焦、被测样品及电极置于显微镜同一视野下等操作需要实验人员手工进行，手工操作导致测量过程无法标准化，实际测量质量与实验人员的水平和经验密切相关。手工操作不可避免的个体差异性也导致测量结果的一致性和重复性较差。

随着光电技术的不断发展，自动获取物体精确图像和位置信息、追踪物体运动的装置，如全自动影像追踪系统等已经形成成熟的商业化产品。其所获得的物体图像和位置信息通过计算机软件的处理，可以转化为标准化坐标值、分辨率等信息，成为实施智能控制基础。控制软件可基于标准化信息按照预先设定的要求发出控制指令控制被追踪物体的运动，并根据物体图像和位置信息的实时测量结果调整控制指令，实现智能控制。

现有非损伤微测技术所需的人为操作集中于显微镜下操作，在显微镜上加装具有获取物体图像和位置信息、追踪物体运动功能的装置，采集被测样品与微电极的图像与位置信息，追踪被测样品与微电极的运动，以此作为智能控制的基础，完全能够快速、便捷、可靠的实现非损伤微测技术的全自动化操作。但是，基于上述方法的全自动非损伤微测技术还未见报道。

发明内容：

本发明提供一种全自动非损伤微测技术，包括：信号采集单元、多维运动单元、智能控制单元以及显微成像/视频采集单元。

下面具体说明本发明各单元的部件及结构关系。

所述的信号采集单元包括信号处理器、前置放大器、微电极以及其他必要配件。其他必要配件主要包括参比电极、测量器皿、液体介质等。微电极既可以是选择性/特异性离子分子微电极，如玻璃微电极、金属微电极、碳纤维微电极等等，也可以是振动微电极等其他微电极，根据测量信息的不同选定。微电极数量既可以是一个，也可以是多个。样品测量一般需要液体介质环境，在测量器皿中放置被测样品、液体介质，微电极与参比电极也都处于液体介质中。微电极一般要近距离接近被测样品，具体接近程度根据测量实验的要求确定。参比电极与被测样品要保持一定的距离，以避免干扰测量信号。

所述的多维运动单元包括运动控制器、驱动器以及其他必要配件。其他必要配件主要包括位移传递架、固定连接弹簧、铅制螺杆等。运动控制器的运动指令发送到驱动器，驱动器通过位移传递架等的配合驱动微电极按照指令运动。

所述的智能控制单元智能控制硬件单元和智能控制软件单元。智能控制硬件单元为智能控制软件单元的物质载体，智能控制软件单元通过智能控制硬件单元发挥功能。智能控制软件单元包括全自动非损伤微测技术专用软件及其他必要配套软件。全自动非损伤微测技术专用软件指全自动非损伤微测技术专用，集成了微电极信号采集处理、微电极运动控制、被测样品运动控制、显微镜聚焦控制等诸多功能的软件系统。其他必要配套软件指全自动非损伤微测技术专用软件发挥功能所不可缺少的配套软件，如操作系统、文本处理软件等。智能控制硬件单元包括系统控制盒以及其他必要配件，其他必要配件主要包括数据连接线等。

所述的显微成像/视频采集单元包括显微镜、视频采集主硬件以及其他必要配件。显微镜既可以是普通光学显微镜，如倒置显微镜、金相显微镜等，也可以是荧光显微镜、激光共聚焦显微镜或其他类型的显微镜。视频采集主硬件指能够采集被测样品及微电极图像和位置信息的硬件设备，如全自动影像追踪系统或其他形式的跟踪系统等。其他必要配件主要包括连接线、配套工具等。

所述的全自动非损伤微测技术的视频采集主硬件采集被测样品及微电极图像和位置信息、追踪被测样品及微电极的运动，通过智能控制硬件单元传输到智能控制软件单元，智能控制软件单元通过智能控制硬件单元发出控制指令给运动控制器和显微镜，由运动控制器控制微电极运动，显微镜控制被测样品运动，显微镜自动对焦将被测样品与微电极置于同一视野内，微电极接近被测样品，实施对被测样品的测量；测量过程中，微电极采集的被测样品原始信号经前置放大器初步放大后再经信号处理器多级放大及去噪等处理后通过智能控制硬件单元传输到智能控制软件单元；视频采集主硬件通过实时采集被测样品及微电极图像和位置信息追踪被测样品及微电极的运动，该运动信号也通过智能控制硬件单元传输到智能控制软件单元。智能控制软件单元能够根据这些信号及预先设置的测量程序实时调整控制指令，实现对样品的智能化全自动测量。

下面具体说明本发明整个技术系统各单元部件之间的线路关系。

信号采集单元的微电极与前置放大器连接，前置放大器一方面与信号处理器连接，一方面与多维运动单元的驱动器连接，驱动器与运动控制器连接，信号处理器和运动控制器都与智能控制单元的智能控制硬件单元连接，智能控制硬件单元还分别与显微成像/视频采集单元的显微镜及视频采集主硬件连接，显微镜与视频采集主硬件相互连接。上述部件的连接关系需要各单元的其他必要配件配合完成。

本发明提供的全自动非损伤微测技术，通过智能控制单元分析处理被测样品及微电极图像、位置信息等方式，实现了非损伤微测技术的全自动化操作。全自动非损伤微测技术不仅保留现有非损伤微测技术的全部优势，而且其操作过程不需要人为干预，实现完全标准化操作，所获得数据稳定可靠、重复性好，明显提高了非损伤微测技术的实际应用效果。

附图说明：

图1是全自动非损伤微测技术的组成示意图。

图2是全自动非损伤微测技术的部件连接示意图。

具体实施方式：

下面结合附图1、附图2及实施例对本发明做进一步说明。

如图1所示，全自动非损伤微测技术包括信号采集单元1、多维运动单元2、智能控制单元3、显微成像/视频采集单元4。

如图2所示，信号采集单元1包括信号处理器1-1、前置放大器1-2、微电极1-3以及其他必要配件，其他必要配件主要包括参比电极、测量器皿、液体介质等。微电极既可以是选择性/特异性离子分子微电极，如玻璃微电极、金属微电极、碳纤维微电极等等，也可以是振动微电极等其他微电极，根据测量信息的不同选定。多维运动单元2包括运动控制器2-1、驱动器2-2以及其他必要配件。智能控制单元3包括智能控制硬件单元3-1和智能控制软件单元3-2。智能控制硬件单元3-1为智能控制软件单元3-2的物质载体，智能控制软件单元3-2通过智能控制硬件单元3-1发挥功能。显微成像/视频采集单元4包括显微镜4-1、视频采集主硬件4-2以及其他必要配件。显微镜既可以是普通光学显微镜，也可以是荧光显微镜、激光共聚焦显微镜或其他类型的显微镜。视频采集主硬件4-2指能够采集被测样品及微电极1-3图像和位置信息的硬件设备，如全自动影像追踪系统或其他形式的跟踪系统等。信号采集单元1的微电极1-3与前置放大器1-2连接，前置放大器1-2一方面与信号处理器1-1连接，一方面与多维运动单元2的驱动器2-2连接，驱动器2-2与运动控制器2-1连接，信号处理器1-1和运动控制器2-1都与智能控制单元3的智能控制硬件单元3-1连接，智能控制硬件单元3-1还分别与显微成像/视频采集单元4的显微镜4-1及视频采集主硬件4-2连接，显微镜4-1与视频采集主硬件4-2相互连接。

下面结合附图1和附图2具体说明本发明的实施例。

全自动非损伤微测技术的测量过程一般要求被测样品处于液体介质中。测量开始前，在测量器皿中固定被测样品，添加液体介质后，置于显微镜4-1的载物台上。微电极1-3和参比电极也置入液体介质中。微电极1-3根据测量信息的不同选定，如测量进出样品离子分子浓度、流动速率及流动方向信息采用选择性/特异性离子分子微电极，测量样品表面局部电流信息采用振动微电极等等。参比电极与被测样品要保持一定的距离，以避免干扰测量信号。

在智能控制单元3的智能控制软件单元3-2中，实验人员依据测量要求，以对话框方式或编程方式设定测量程序，测量程序包括微电极1-3与被测样品相对位置、被测样品测量点数目、微电极1-3在被测样品每个测量点的测量时间等内容。

上述准备工作完成后，测量过程即正式开始。显微成像/视频采集单元4的视频采集主硬件4-2采集被测样品及微电极1-3的图像和位置信息，该信息通过智能控制单元3的智能控制硬件单元3-1传输到智能控制软件单元3-2。智能控制软件单元3-2分析该信息后发出控制指令，通过智能控制硬件单元3-1发送给运动控制器2-1及显微镜4-1，运动控制器2-1发出运动指令给驱动器2-2驱动微电极1-3运动，显微镜4-1通过载物台X、Y及Z轴方向的移动带动被测样品运动，同时显微镜4-1通过W轴的运动实现自动对焦，将被测样品与微电极1-3置于同一视野内，微电极1-3接近被测样品，到达测量程序所设定的相对被测样品位置后，即进行数据采集。微电极1-3所获得的被测样品原始信号经前置放大器1-2初步放大后再经信号处理器1-1多级放大及去噪等处理后通过智能控制硬件单元3-1传输到智能控制软件单元3-2。测量过程中，视频采集主硬件4-2会实时追踪被测样品及微电极1-3的图像和位置信息，通过智能控制硬件单元3-1传输到智能控制软件单元3-2。智能控制软件单元3-2按照测量程序要求，实时分析信号处理器1-1和视频采集主硬件4-2的信号确认测量实验进程，实时调整控制指令。如果被测样品出现漂移等情况，智能控制软件单元3-2能够发出控制指令控制微电极1-3做相应移动，保持被测样品和微电极相对位置的固定。

以上实施例采用全自动非损伤微测技术对被测样品的进行检测，和现有非损伤微测技术相比具有明显的技术进步，实现了测量过程的完全自动化操作，大大减轻了实验人员的负担。自动化操作也实现了实验过程的标准化，所获得数据稳定可靠、重复性好，有效克服了现有非损伤微测技术因人为操作差异导致的数据重复性不佳等问题，明显提高了非损伤微测技术的实际应用效果。

Claims (1)

1.一种全自动非损伤微测装置，其特征是，所述的全自动非损伤微测装置包括信号采集单元(1)、多维运动单元(2)、智能控制单元(3)、显微成像/视频采集单元(4)；所述的信号采集单元(1)包括信号处理器(1-1)、前置放大器(1-2)、微电极(1-3)；所述的多维运动单元(2)包括运动控制器(2-1)、驱动器(2-2)；

所述的智能控制单元(3)包括智能控制硬件单元(3-1)和智能控制软件单元(3-2)；所述的智能控制硬件单元(3-1)包括系统控制盒；所述的智能控制软件单元(3-2)包括全自动非损伤微测装置专用软件；所述的智能控制硬件单元(3-1)为智能控制软件单元(3-2)的物质载体，智能控制软件单元(3-2)通过智能控制硬件单元(3-1)发挥功能；

所述的显微成像/视频采集单元(4)包括显微镜(4-1)、视频采集主硬件(4-2)；所述的视频采集主硬件(4-2)为能够采集被测样品及微电极(1-3)图像和位置信息的硬件设备；

所述的视频采集主硬件(4-2)采集被测样品及微电极(1-3)图像和位置信息，通过智能控制硬件单元(3-1)传输到智能控制软件单元(3-2)，智能控制软件单元(3-2)通过智能控制硬件单元(3-1)发出控制指令给运动控制器(2-1)和显微镜(4-1)，由运动控制器(2-1)控制微电极(1-3)运动，显微镜(4-1)控制被测样品运动，显微镜(4-1)自动对焦将被测样品与微电极(1-3)置于同一视野内，微电极(1-3)接近被测样品，实施对被测样品的测量；测量过程中，视频采集主硬件(4-2)通过实时采集被测样品及微电极(1-3)图像和位置信息追踪被测样品及微电极(1-3)的运动，智能控制软件单元(3-2)能够根据信号处理器(1-1)通过能控制硬件单元(3-1)传输的实时测量信号、视频采集主硬件(4-2)通过智能控制硬件单元(3-1)传输的被测样品及微电极(1-3)运动信号及预先设置的测量程序实时调整控制指令，实现对样品的智能化全自动测量。

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