CN102331317B - 球膜振动量微纳牛力检测系统与方法及应用 - Google Patents
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Abstract
本发明的球膜振动量微纳牛力检测方法与系统，涉及微纳牛力检测技术领域。该方法在球膜振动效应下，通过变化球膜的直径、厚度，由检测的振动量变化信息，实现作用在球膜上的微纳牛力的检测。该系统包括微操作平台、微粒子加载机构、点光源、PSD传感器、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。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，是一种利用球膜振动学原理检测微纳牛力的系统及方法。
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。
公开号为：CN101592592的中国专利公开了一种球膜光学微纳牛力检测方法与系统。该系统包括微操作平台、微粒子加载机构、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。该方法在球膜干涉效应下，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。已公开专利中的测量方法属于静态平衡测量法，即测量中采集的干涉图需要等球膜加载振动并达到平衡后才能得到测量结果，所需的时间相对较长。
发明内容
本发明的目的在于，提供一种动态测量法，利用球膜振动学原理检测微纳牛力的方法及系统，实现对微纳牛力的检测。，主要测量振动量信息，在加载后振动过程中已经完成了测量，无需等到球膜达到平衡状态，测量过程较短。
第一种系统及方法：
一种球膜振动量微纳牛力检测系统，其特征在于包括：微操作平台(102)、装载在微操作平台(102)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(104)、用于在球膜上加载微粒子(108)的微粒子加载机构(109)，上述微粒子加载机构(109)是一个二级驱动机构，包括用于精确点位控制的微驱动机构和微粒子夹持机构2部分，其特征在于：还包括发射入射光到球膜表面的点光源(106)、用于接受球膜反射光振动量信息的PSD传感器(107)、用于接收PSD传感器(107)信息的数据采集处理模块(110)；所述数据采集处理模块(110)在标定时，利用最小二乘多变元线性回归的方法，对标准粒子的微纳牛力、已知的球膜直径、已知的球膜厚度、PSD传感器检测的振动量四参数试验数据进行处理，得到四参数的关系方程，在加载被测未知微粒子后，通过检测到的振动量代入得到的关系方程中，得到微粒子的重力。
一种采用上述系统的球膜振动量微纳牛力检测方法，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对点光源的发射光线在PSD传感器上的位置信息；(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)、球膜厚度在700nm左右，在感受加载的微力作用后，球膜产生振动，点光源从球膜反射的光斑打在PSD传感器上，该点的位置随着球膜的振动而变化；(5)、PSD传感器检测出球膜的振动量信息，并把检测结果传输到数据采集处理模块，而这种振动量信息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，检测得到的对应的振动量，从而建立微作用力、球膜厚度、球膜直径、振动量之间的四参数关系方程；(7)、在加载被测未知微粒子后，通过检测到的振动量信息代入得到的关系方程中，得到微粒子的重力。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。
第二种系统及方法：
一种球膜振动量微纳牛力检测系统，其特征在于包括：微操作平台(102)、装载在微操作平台(102)上的显微镜(101)、球膜支架、用于在球膜上加载微粒子的微粒子加载机构(109)，
上述微粒子加载机构(109)是一个二级驱动机构，包括用于精确点位控制的微驱动机构和微粒子夹持机构2部分，
其特征在于：
还包括发射入射光到球膜表面的点光源(106)、用于接受球膜反射光振动量信息的PSD传感器(107)、用于接收PSD传感器(107)信息的数据采集处理模块(110)；所述数据采集处理模块(110)在标定时，利用最小二乘多变元线性回归的方法，对标准粒子的微纳牛力、已知的球膜直径、已知的球膜厚度、检测出的振动量信息的四参数试验数据进行处理，得到四参数的关系方程，在加载被测未知微粒子后，通过检测到的振动量信息代入得到的关系方程中，得到微粒子的重力。
一种采用上述系统的球膜振动量微纳牛力检测方法，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)、将某一直径的球膜放置到球膜支撑机构上；(3)、进行球膜无载荷预检测，得到无载荷情况下球膜对点光源的发射光线在PSD传感器上的位置信息；(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(105)厚度在在700-1000nm之间，测量的微力在10～1000纳牛，在感受加载的微力作用后，球膜(105)产生振动，点光源(106)从球膜反射的光斑打在PSD传感器(107)上，该点的位置随着球膜的振动而变化；(6)、PSD传感器(107)检测出球膜的振动量信息，并把检测结果传输到数据采集处理模块(110)，而这种振动量信息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，检测得到的对应的振动量，从而建立微作用力、球膜厚度、球膜直径、振动量之间的四参数关系方程；(8)、在加载被测未知微粒子后，通过检测到的振动量信息代入得到的关系方程中，得到微粒子的重力。
所述的重复性球膜为高反射膜，它可将点光源的入射光能量的80％以上反射回去，提高PSD传感器的检测精度，该球膜用于分子簇、细胞重量分类的微纳牛力检测。
针对生物医学中微纳牛力测量这一问题，本发明提出了球膜振动量微纳牛力传感器的研究方法和测量思想，建立一套全新的球膜振动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，检测得到的对应的振动量，从而建立微作用力、球膜厚度、球膜直径、振动量之间的关系方程：F＝0.0446×δ×d-0.5×A1.5(λ/4＜nδ＜λ/2)。该方程适用条件：球膜厚度在700-1000nm，测量的微力在10～1000纳牛；方程中参数定义为：F为所受微力(N)，δ为球膜厚度(m)，d为球膜直径(mm)，A为前两个振动周期的振幅平均值(mm)，n为球膜的折射率，nδ是球膜的光学厚度，λ为入射光的波长(m)。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，通过球膜的振动导致的反射光振动幅值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变形与振动信息变化特性，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是本发明的球膜振动量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；104-一次性球膜发生机构；105-球膜；106-点光源；107-PSD传感器；108-微粒子；109-微粒子加载机构；110-数据采集处理模块。
具体实施方式
下面结合附图对本发明球膜振动量微纳牛力检测方法和系统进行说明。
如图1所示，本发明的球膜振动量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；
一次性球膜发生机构104，产生一次性球膜，球膜的直径、厚度可通过该机构进行控制；
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700nm左右，在加载了纳牛级微粒子后，球膜产生振动，这种振动量信息反映的就是加载的微纳牛级微粒子重力大小；
点光源106，发射波长为380～780nm范围的可见光到球膜上；
PSD传感器107，球膜加载后的振动量通过反射光打在PSD传感器上，PSD传感器记录出该阻尼振动的振动图形，通过取前两个振动的幅值平均值来反映加载微粒子的大小；
微粒子108，加载到球膜上的微粒子，其重力在10-1000nN之间；
微粒子加载机构109，装载在微操作平台的刚体架构上，是一个二级驱动机构，包括用于精确点位控制的微驱动机构和微粒子夹持机构2部分，微粒子夹持机构安装在微驱动机构的头部；微驱动机构实现从微粒子载物台到球膜上方固定加载点的精确点位运动，而微夹持机构实现在载物台进行微粒子的夹持，在球膜上方固定点进行微粒子的释放，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；
数据采集处理模块110，在球膜加载标准微粒子的系统标定过程中，利用最小二乘多变元线性回归的方法，对标准粒子的微纳牛力、已知的球膜直径、已知的球膜厚度、检测出的振动量信息的四参数试验数据进行处理，得到四参数的关系方程，在加载被测未知微粒子后，通过检测到的振动量信息代入得到的关系方程中，得到微粒子的重力。这就是数据采集处理模块的工作原理和工作过程。
如图1所示，检测过程中，球膜振动量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104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，PSD传感器107检测出一个空载情况下的振动图形起始位置，传输给数据采集处理模块110，先行记录下空载状态下的振动图形位置信息；
步骤3：在显微镜101下，由微粒子加载机构109在固定加载点进行微生物细胞、DNA、细菌等微纳牛力的加载，并导致球膜105的变形与振动，这个振动信息反映了加载的微粒子重力的大小；
步骤4：由PSD传感器107把球膜振动信息传输给数据采集处理模块109，加载不同微重力得到不同振幅的振动图形；
步骤5：数据采集处理模块109记录空载与加载状态下的振动图形信息(振动时域图)，得到加载前后的振幅变化量，通过取前两个振动周期的振幅平均值来反映待测微粒子重力大小，根据预先得到的微纳牛力与振动量信息之间的关系方程，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 (11)
1.一种球膜振动量微纳牛力检测系统，其特征在于包括：微操作平台（102）、装载在微操作平台（102）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（104）、用于在球膜上加载微粒子（108）的微粒子加载机构（109），上述微粒子加载机构（109）是一个二级驱动机构，包括用于精确点位控制的微驱动机构和微粒子夹持机构2部分，
其特征在于：
还包括发射入射光到球膜表面的点光源（106）、用于接受球膜反射光振动量信息的PSD传感器（107）、用于接收PSD传感器（107）信息的数据采集处理模块（110）；所述数据采集处理模块（110）在标定时，利用最小二乘多变元线性回归的方法，对标准粒子的微纳牛力、已知的球膜直径、已知的球膜厚度、PSD传感器检测的振动量四参数试验数据进行处理，得到四参数的关系方程，在加载被测未知微粒子后，通过检测到的振动量代入得到的关系方程中，得到微粒子的重力。
2.根据权利要求1所述的球膜振动量微纳牛力检测系统，其特征在于：该系统还包括一次性球膜消膜机构（103）。
3.一种采用权利要求1所述系统的球膜振动量微纳牛力检测方法，其特征在于包括以下过程：
（1）、该方法采用的球膜（105）为一次性球膜，由一次性球膜发生机构（104）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（105）对点光源（106）的发射光线在PSD传感器（107）上的位置信息；
（3）、在显微镜（101）下，利用微粒子加载机构（109）加载微纳牛级别的微粒子（108）到球膜（105）上；
（4）、球膜（105）厚度在700-1000nm之间，测量的微纳牛力在10～1000纳牛，在感受加载的微纳牛力作用后，球膜（105）产生振动，点光源（106）从球膜反射的光斑打在PSD传感器（107）上，该点的位置随着球膜的振动而变化；
（5）、PSD传感器（107）检测出球膜的振动量信息，并把检测结果传输到数据采集处理模块（110），而这种振动量信息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，检测得到的对应的振动量，从而建立微纳牛力、球膜厚度、球膜直径、振动量之间的四参数关系方程；
（7）、在加载被测未知微粒子后，通过检测到的振动量信息代入得到的关系方程中，得到微粒子的重力。
4.根据权利要求3所述的球膜振动量微纳牛力检测方法，其特征在于：
所建立的四参数关系方程为：
F＝0.0446×δ×d-0.5×A1.5(λ/4＜nδ＜λ/2)；该方程适用条件：球膜厚度在700-1000nm，测量的微纳牛力在10～1000纳牛；方程中参数定义为：F为所受微纳牛力（N），δ为球膜厚度（m），d为球膜直径（mm），A为前两个振动周期的振幅平均值（mm），n为球膜的折射率，nδ是球膜的光学厚度，λ为入射光的波长（m）。
5.根据权利要求3所述的球膜振动量微纳牛力检测方法，其特征在于：检测结束后利用一次性球膜消膜机构（103）对一次性球膜进行消膜处理。
6.根据权利要求3所述的球膜振动量微纳牛力检测方法，其特征在于：所述的一次性球膜为有机液化膜；该方法用于生物医学中无需回收的细胞、细菌的微纳牛力检测。
7.一种球膜振动量微纳牛力检测系统，其特征在于包括：微操作平台（102）、装载在微操作平台（102）上的显微镜（101）、球膜支架、用于在球膜上加载微粒子的微粒子加载机构（109），
上述微粒子加载机构（109）是一个二级驱动机构，包括用于精确点位控制的微驱动机构和微粒子夹持机构2部分，
其特征在于：
还包括发射入射光到球膜表面的点光源（106）、用于接受球膜反射光振动量信息的PSD传感器（107）、用于接收PSD传感器（107）信息的数据采集处理模块（110）；所述数据采集处理模块（110）在标定时，利用最小二乘多变元线性回归的方法，对标准粒子的微纳牛力、已知的球膜直径、已知的球膜厚度、检测出的振动量信息的四参数试验数据进行处理，得到四参数的关系方程，在加载被测未知微粒子后，通过检测到的振动量信息代入得到的关系方程中，得到微粒子的重力。
8.一种采用权利要求7所述系统的球膜振动量微纳牛力检测方法，其特征在于包括以下过程：
（1）、该方法采用的球膜（105）为重复性球膜；
（2）、将某一直径的球膜（105）放置到球膜支撑机构上；
（3）、进行球膜无载荷预检测，得到无载荷情况下球膜（105）对点光源（106）的发射光线在PSD传感器（107）上的位置信息；
（4）、在显微镜（101）下，利用微粒子加载机构（109）加载微纳牛级别的微粒子（108）到球膜（105）上；
（5）、球膜（105）厚度在在700-1000nm之间，测量的微纳牛力在10～1000纳牛，在感受加载的微纳牛力作用后，球膜（105）产生振动，点光源（106）从球膜反射的光斑打在PSD传感器（107）上，该点的位置随着球膜的振动而变化；
（6）、PSD传感器（107）检测出球膜的振动量信息，并把检测结果传输到数据采集处理模块（110），而这种振动量信息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，检测得到的对应的振动量，从而建立微纳牛力、球膜厚度、球膜直径、振动量之间的四参数关系方程；
（8）、在加载被测未知微粒子后，通过检测到的振动量信息代入得到的关系方程中，得到微粒子的重力。
9.根据权利要求8所述的球膜振动量微纳牛力检测方法，其特征在于：
所建立的四参数关系方程为：
F＝0.0446×δ×d-0.5×A1.5(λ/4＜nδ＜λ/2)；该方程适用条件：球膜厚度在700-1000nm，测量的微纳牛力在10～1000纳牛；方程中参数定义为：F为所受微纳牛力（N），δ为球膜厚度（m），d为球膜直径（mm），A为前两个振动周期的振幅平均值（mm），n为球膜的折射率，nδ是球膜的光学厚度，λ为入射光的波长（m）。
10.根据权利要求8所述的球膜振动量微纳牛力检测方法，其特征在于：所述的重复性球膜为可将点光源（106）的入射光能量的80％以上反射回去的高反射膜。
11.根据权利要求8所述的球膜振动量微纳牛力检测方法，其特征在于：该方法用于分子簇、细胞重量分类的微纳牛力检测。
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