CN108328566B - 一种纳米质谱仪 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种纳米质谱仪，包括能够提供泵浦光和探测光的光源、传导光纤、保护外壳、量子点、纳米机械振子和探测器，光源、传导光纤设置在保护外壳内，光源与传导光纤的一端连接，传导光纤的另一端开设有顶面开口的光纤腔，量子点镶嵌于光纤腔的内表面上，纳米机械振子粘附在光纤腔的顶面开口上，探测器设置在保护外壳内；保护外壳上对应于纳米机械振子的位置开设有漏斗状开口。
Description
技术领域
本发明涉及质谱分析领域，更具体地，涉及一种纳米质谱仪。
背景技术
传统质谱仪的测量大体可以描述为如下过程：首先，仪器的主要装置要放在真空中，将被测量的物质气化并电离成离子束；之后，被测物质要经过电压加速和聚焦，通过磁场电场区，这时不同质量的离子受到磁场电场的偏转不同，就会聚焦在不同的位置，最后即获得了质量谱。这种传统的测量方式有一些不足，被探测的物质要被电离使其带电才能够被测量，这就意味着很多本身属性不允许带电的粒子的质量测量就受到了限制，例如长链的DNA分子和细胞，如果强行使其带电，就有可能造成其生物成分受到破坏。
在此之后，逐渐形成了另一种电学的质量测量方案。被测物质不用使其强行带电，在纳米机械振子的两端通入电压后，纳米机械振子就会在电流的激励下受迫振动，当微观物质落到振子表面时，纳米机械振子杨氏模量的就会发生变化，从而可以得到其固有振动频率的变化，便可方便的计算出落在粒子表面的微粒质量。但这种质谱仪要求通入纳米机械振子的电流强度不能太大，过大的电流会产生额外的热效应和能量损失，进而造成纳米机械振子的振动寿命变短，这不仅影响到质量测量的灵敏度，而且限制了纳米机械振子的振动频率。
基于以上的原因，通过光而不是电而进行质量测量的需求与日俱增，成为了研究的热点。
发明内容
本发明的发明目的在于提供一种纳米质谱仪，该纳米质谱仪利用光学的方法进行质量测量，避免了电学方法存在的对被测物质产生损害的缺陷。并且利用量子点与纳米机械振子耦合的方法，确保了检测的精确性。
为实现以上发明目的，采用的技术方案是：
一种纳米质谱仪，包括能够提供泵浦光和探测光的光源、传导光纤、保护外壳、量子点、纳米机械振子和探测器，光源、传导光纤设置在保护外壳内，光源与传导光纤的一端连接，传导光纤的另一端开设有顶面开口的光纤腔，量子点镶嵌于光纤腔的内表面上，纳米机械振子粘附在光纤腔的顶面开口上，探测器设置在保护外壳内；保护外壳上对应于纳米机械振子的位置开设有漏斗状开口。
纳米机械振子的振动会使量子点竖直方向的振动发生形变，这两个振动模式会相互耦合，使得量子点能级发生分裂，此时，通过传导光纤先后将一束强泵浦光和一束相对较弱的探测光照射到光纤腔、量子点、纳米机械振子所在的光纤探测端面上，这两束光会发生量子干涉，通过探测器探测光的吸收谱，会发现曲线的左右两侧各有一个尖锐的峰，其对应的横坐标恰好是纳米机械振子的振动频率，而纳米机械振子的振动频率与其有效质量密切相关，当粒子通过漏斗状开口落在纳米机械振子上时，振子的有效质量就会发生改变，其振动频率也会跟着变化。若落在纳米机械振子表面的粒子是均匀分布的，即可用计算粒子的质量，其中Δω和Δm分别是纳米机械振子振动频率的变化量和质量的变化量，ωn和mn分别是纳米机械振子固有的频率和质量。
优选地，所述传导光纤为多模光纤。
优选地，所述光纤腔由传导光纤的芯层通过激光刻蚀制备而成。
优选地，所述纳米机械振子为二硫化钼纳米机械振子。
优选地，所述保护外壳的材质为金属。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
本发明提供的纳米质谱仪利用光学的方法进行质量测量，避免了电学方法存在的对被测物质产生损害的缺陷。并且利用量子点与纳米机械振子耦合的方法，确保了检测的精确性。
附图说明
图1为质谱仪的结构示意图。
图2为传导光纤的结构示意图。
图3为模拟的结果图。
具体实施方式
附图仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制；
以下结合附图和实施例对本发明做进一步的阐述。
实施例1
如图1、2所示，纳米质谱仪包括光源1、传导光纤2、保护外壳4、量子点、纳米机械振子7和探测器，其中，光源1、传导光纤2设置在保护外壳4内，光源1与传导光纤2的一端连接，传导光纤2的另一端开设有顶面开口的光纤腔6，量子点镶嵌于光纤腔6的内表面上，纳米机械振子7粘附在光纤腔6的顶面开口上，探测器设置在保护外壳4内；保护外壳4上对应于纳米机械振子7的位置开设有漏斗状开口5。光源1能够提供泵浦光和探测光。
纳米机械振子7的振动会使量子点竖直方向的振动发生形变，这两个振动模式会相互耦合，使得量子点能级发生分裂，此时，通过传导光纤2先后将一束强泵浦光和一束相对较弱的探测光照射到光纤腔6、量子点、纳米机械振子7所在的光纤探测端面3上，这两束光会发生量子干涉，通过探测器探测光的吸收谱，会发现曲线的左右两侧各有一个尖锐的峰，其对应的横坐标恰好是纳米机械振子7的振动频率，而纳米机械振子7的振动频率与其有效质量密切相关，当粒子通过漏斗状开口5落在纳米机械振子7上时，振子的有效质量就会发生改变，其振动频率也会跟着变化。若落在纳米机械振子7表面的粒子是均匀分布的，即可用计算粒子的质量。其中Δω和Δm分别是纳米机械振子振动频率的变化量和质量的变化量，ωn和mn分别是纳米机械振子固有的频率和质量。
本实施例采用大肠杆菌作为粒子进行质量检测，这里首先要测量出没有DNA分子放置于纳米机械振子7时，纳米机械振子7原有的振动频率：首先让一束泵浦光通过传导光纤2照射到整个的光纤探测端面3上，泵浦光的频率为量子点中激子的频率，然后照射第二束探测光，因为探测光强度较弱不会对系统造成较大的影响，此时通过探测器探测光的吸收谱，会得到两根很长的吸收峰，它的横坐标就是纳米机械振子7的振动频率。
之后进行质量测量，使用专门的实验器材将大肠杆菌的DNA分子片段通过保护外壳4上的漏斗状开口5轻轻滑落到纳米机械振子7的表面，然后先用泵浦光照射整个光纤探测端面3，再用探测光照射光纤探测端面3，并通过探测器探测光的吸收谱，便可以测量到落有DNA分子的纳米机械振子7的振动频率。计算出两次测量的频率差就可以通过计算出落在振子表面的微粒质量。本实施例的模拟实验中，大肠杆菌有效质量为5081zg，纳米机械振子7的振动频率变化量为11.8KHz，图3为模拟的结果，虚线曲线对应的位置恰好在1.318GHz，是1000个DNA分子的质量，根据得到的光谱图，其灵敏度可以达到10-19g。
显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。
Claims (3)
1.一种纳米质谱仪，其特征在于：包括能够提供泵浦光和探测光的光源、传导光纤、保护外壳、量子点、纳米机械振子和探测器，光源、传导光纤设置在保护外壳内，光源与传导光纤的一端连接，传导光纤的另一端开设有顶面开口的光纤腔，量子点镶嵌于光纤腔的内表面上，纳米机械振子粘附在光纤腔的顶面开口上，探测器设置在保护外壳内；保护外壳上对应于纳米机械振子的位置开设有漏斗状开口；所述传导光纤为多模光纤，所述光纤腔由传导光纤的芯层通过激光刻蚀制备而成。
2.根据权利要求1所述的纳米质谱仪，其特征在于：所述纳米机械振子为二硫化钼纳米机械振子。
3.根据权利要求1~2任一项所述的纳米质谱仪，其特征在于：所述保护外壳的材质为金属。
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