CN103207035B - 一种用于测量分子间作用力的力谱仪 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用于测量分子间作用力的力谱仪，包括测力部、采集控制电路、数据分析装置；测力部包括：弹性悬臂、定位台、悬臂形变放大装置、电动马达、LED灯、CCD成像装置；弹性悬臂一端为固定端，另一端为动态端；弹性悬臂动态端的下面为针尖；弹性悬臂固定端连接电动马达；定位台为压电陶瓷定位器；悬臂形变放大装置包括：激光发生器、第一镜面、第二镜面、激光检测器；采集控制电路连接所述的定位台、激光发生器、激光检测器；数据分析装置连接采集控制电路；采集控制电路包括比例积分微分控制电路。本发明消除了悬臂热扰动；变手动下针为自动下针，极大地降低操作难度；并且悬臂发生热漂移后能够自动进行反馈补偿。
Description
技术领域
本发明涉及仪器控制与检测。
背景技术
生物分子间的相互作用在生物体内有着重要作用，如信号传导、物质输运和环境响应等。因此测量生物分子间的相互作用是生物化学研究、医学检测等方面的重要必备手段。目前主流的测量方法是通过等温滴定量热（isothermal titration calorimetry）和表面等离子共振（surface plasmon resonance）等。近年来单分子力谱（single molecule force spectroscopy）的发展使得在单分子层面上测量生物分子间的相互作用成为可能。单分子力谱需要能够定量表征到单个生物分子间的作用，必须要达到极高的力学分辨率和距离分辨率。目前主要采用的方法是基于原子力显微镜（atomic force microscope，简称AFM）、光镊（optical tweezers）和磁镊的测试方法。这些方法也相应地衍生了一系列的测量仪器，但这些仪器的生产成本高、控制繁琐、操作和数据处理复杂，因而其在更广层面的使用受到极大限制，目前还停留在实验室的科研应用之中。
发明内容
本发明所要解决的问题是：原子力显微镜受热干扰以及手动下针操作难度高的问题。
为解决上述问题，本发明采用的方案如下：
一种用于测量分子间作用力的力谱仪，包括测力部、采集控制电路、数据分析装置；测力部包括：弹性悬臂、定位台、悬臂形变放大装置；弹性悬臂一端为固定端，另一端为动态端；弹性悬臂动态端的下面为针尖；定位台为基于压电陶瓷的定位器；悬臂形变放大装置包括：激光发生器、第一镜面、第二镜面、激光检测器；由激光发生器产生的激光，经第一镜面的反射射到弹性悬臂动态端，再经弹性悬臂动态端的反射，激光射入第二镜面，再经第二镜面反射进入激光检测器；采集控制电路连接所述的定位台、激光发生器、激光检测器；数据分析装置连接采集控制电路。所述的测力部还安装有电动马达、LED灯、CCD成像装置；所述的弹性悬臂固定端连接电动马达。所述的数据采集控制电路还包括比例积分微分控制电路。
本发明的技术效果如下：
1、 光检测器信号通过时域有限差分（FDTD）算法，自动对高频噪声进行过滤，力的分辨率在4-5 pN，接近热噪音的极限；距离的分辨率小于0.5 纳米。
2、 光检测器信号通过时域有限差分（FDTD）算法，自动对高频噪声进行过滤，从而使得恒力模式的响应时间从2毫秒减低到0.7毫秒。
3、 通过LED和电控制定位系统，从而可以在微悬臂发生热漂移后能够自动进行反馈补偿，便于长时间进行测量。
4、 通过CCD成像装置和LED光源，实现同时光学成像和力扫描。便于对活细胞样品表面的生物分子相互作用进行实验观测。
5、 通过纳米分辨率的电动马达和压电陶瓷运动结合，实现微悬臂自动下针。自动使微悬臂靠近基板，实现测量，变手动下针为自动下针，极大地降低操作难度。
附图说明
图1是本发明的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步详细说明。
如图1所示，一种用于测量分子间作用力的力谱仪，包括数据分析装置1、采集控制电路2、定位台3、弹性悬臂4、激光发生器51、第一镜面52、第二镜面53、激光检测器54、LED灯61、CCD成像装置62。弹性悬臂4为一端固定端，另一端为动态端。弹性悬臂4动态端的底下安装有针尖41，针尖41为氮化硅材料制成，动态端的上面为一镜面，用于反射激光。弹性悬臂4的固定端固定在电动马达42上。电动马达42固定在机架7上。定位台3是压电陶瓷定位器，即根据逆压电效应，通过控制加载在压电陶瓷上的电压控制压电陶瓷的伸缩而制造的定位器。本发明的力谱仪是通过测量放置在定位台3上的生物分子材料31与放置在弹性悬臂4的针尖41上的分子材料之间的作用力的装置，测量的方法是通过测试弹性悬臂4的弯曲形变，再根据胡克定理计算作用力大小。而测量弹性悬臂4的形变则是通过悬臂形变放大装置实现。上述的激光发生器51、第一镜面52、第二镜面53、激光检测器54构成了悬臂形变放大装置。由激光发生器51产生的激光，经第一镜面52的反射射到弹性悬臂动态端，再经弹性悬臂动态端的反射，激光射入第二镜面53，再经第二镜面53反射进入激光检测器54。激光检测器中激光的位置是由悬臂形变程度放大，从而测量悬臂形变变成了测量激光的位置，只要测得激光的位置即能测量悬臂形变，进而计算分子间的作用力。为了精确控制，激光发生器51、第一镜面52、第二镜面53、激光检测器54都安装了相应电动机动装置，可以在有限的范围内变换角度和位置，其相应的电动机动装置通过采集控制电路2控制。LED灯即由发光二极管为发光源的灯。CCD成像装置即以电荷耦合器件(CCD)作为光敏感器和光电转换器的成像设备。LED灯用于为弹性悬臂4动态端以及放置在定位台3上的生物分子材料31提供照明，LED灯与CCD成像装置的结合，可以方便地自动把激光聚焦到弹性悬臂4动态端上面的镜面上。本发明中所用的激光为830纳米红外激光，因此LED灯的光源优选蓝光或绿光，以避免对红外激光产生干扰，同时CCD成像装置前必须增加对红光的滤光片。弹性悬臂4的固定端固定在电动马达42上，可以通过操控电动马达42完成自动下针的操作。采集控制电路2实现模拟信号的采集、高频噪音的过滤、信号的模数转化、实验指令的数模转化等功能，通过FPGA芯片编程以及电子元件完成。。采集控制电路2包含了一比例积分微分电路，该电路实现了时域有限差分算法，可以自动地对采集到的光检测信号去噪。
Claims (2)
1.一种用于测量分子间作用力的力谱仪，包括测力部、采集控制电路、数据分析装置；测力部包括：弹性悬臂、定位台、悬臂形变放大装置；弹性悬臂一端为固定端，另一端为动态端；弹性悬臂动态端的下面为针尖；定位台为压电陶瓷定位器；悬臂形变放大装置包括：激光发生器、第一镜面、第二镜面、激光检测器；由激光发生器产生的激光，经第一镜面的反射射到弹性悬臂动态端，再经弹性悬臂动态端的反射，激光射入第二镜面，再经第二镜面反射进入激光检测器；采集控制电路连接所述的定位台、激光发生器、激光检测器；数据分析装置连接采集控制电路；其特征在于：所述的测力部还安装有电动马达、LED灯、CCD成像装置；所述的弹性悬臂固定端连接电动马达；所述LED灯安装在所述定位台的侧边，用于为弹性悬臂动态端以及放置在定位台上的生物分子材料提供照明；所述CCD成像装置安装在所述定位台的上方。
2.如权利要求1所述的用于测量分子间作用力的力谱仪，其特征在于，所述的采集控制电路还包括比例积分微分控制电路。
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