CN108508238A - 基于双驱动afm系统测试单分子力谱装置和方法 - Google Patents

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王艳艳
贺思汉
王文坤
耿丽清
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    • G01Q—SCANNING-PROBE TECHNIQUES OR APPARATUS; APPLICATIONS OF SCANNING-PROBE TECHNIQUES, e.g. SCANNING PROBE MICROSCOPY [SPM]
    • G01Q60/00—Particular types of SPM [Scanning Probe Microscopy] or microscopes; Essential components thereof
    • G01Q60/24—AFM [Atomic Force Microscopy] or apparatus therefor, e.g. AFM probes
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
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    • G01Q30/00—Auxiliary means serving to assist or improve the scanning probe techniques or apparatus, e.g. display or data processing devices
    • G01Q30/20—Sample handling devices or methods

Abstract

本发明涉及生物单分子力谱测试领域，为实现对单分子力谱的高速测试，提高单分子力谱测试的精确度，本发明基于双驱动AFM系统测试单分子力谱装置和方法，包括样品激光器、反射镜、样品驱动器、探针驱动器、探针、光电二极管和附着分子衬底的载物台；分子样品的一端连接在分子衬底上，另一端连接在探针上，样品驱动器驱动载物台并最终驱动分子样品进行X、Y两个方向的扫描运动，同时驱动分子样品Z方向的慢速拉伸运动；探针驱动器驱动探针对分子样品进行Z方向的快速拉伸运动；激光器发出的激光经一块反射镜反射于探针上表面，再经另一块反射镜反射到光电二极管上，光电二极管将光信号转换为电信号输出。本发明主要应用于生物单分子力谱测试。

Description

基于双驱动AFM系统测试单分子力谱装置和方法
技术领域
本发明涉及生物单分子力谱测试领域，更具体的说，是涉及一种基于双驱动AFM系统的单分子力谱测试装置。
背景技术
生物单分子操纵常用的技术手段主要有原子力显微术(AFM)、光镊和磁镊等。磁镊利用磁场操纵磁性微粒，生物分子一端与基底表面连接，另一端连接磁性微球，通过改变外加磁场实现对分子拉伸或扭转。这种方法的缺点在于仪器实现较为困难，且力学常数的标定较为复杂，涉及到微球直径与均匀性、溶液折射率和厚度等一系列辅助测量工作，因此应用受到限制。光镊利用高度聚焦的激光束形成的三维势阱来操纵微小粒子，测试时将生物大分子的一端粘到一个微米尺度的硅或聚苯乙烯微球上，对微球操纵。利用光镊进行生物单分子操纵的不足在于该方法需要研究人员对光阱刚度的标定和微球偏离光阱中心位移的测量十分精确，才能获得准确的测试结果，且局部光热会影响分子的活性并改变局部介质的粘性。相比其他两种方法，AFM具有较高的空间、时间分辨率，并且能测量较大的力学范围，应用更广泛。目前，传统AFM系统对单分子力谱测试精确度和效率较低，因此，一种能够高速测试单分子力谱的AFM系统是十分必要的。
发明内容
为克服现有技术的不足，本发明旨在提出一种改进的双驱动AFM系统，结构简单，操作方便，能实现对单分子力谱的高速测试，提高单分子力谱测试的精确度。为此，本发明采用的技术方案是，基于双驱动AFM系统测试单分子力谱装置，包括样品激光器、反射镜、样品驱动器、探针驱动器、探针、光电二极管和附着分子衬底的载物台；分子样品的一端连接在分子衬底上，另一端连接在探针上，样品驱动器驱动载物台并最终驱动分子样品进行X、Y两个方向的扫描运动，同时驱动分子样品Z方向的慢速拉伸运动；探针驱动器驱动探针对分子样品进行Z方向的快速拉伸运动；激光器发出的激光经一块反射镜反射于探针上表面，再经另一块反射镜反射到光电二极管上，光电二极管将光信号转换为电信号输出。
进一步地，所述探针由探针夹持器夹持并置于一个探头内部，探针驱动器驱动所述探头，进而驱动探针对分子样品进行Z方向的快速拉伸运动；探针驱动器和样品驱动器为压电陶瓷驱动器。
所述探头为原子力显微术AFM探头装置，内置基于光杠杆放大原理的探针力学检测单元，用于检测探针弯曲量的大小；所述附着分子衬底的载物台为直径20mm、厚2mm的圆形铁片，所述分子衬底为云母片。
所述高速探针驱动器采用德国PI公司的P-010.10P型号的压电堆叠促动器，所述大范围样品驱动器采用美国nPoint公司的NPXY100Z25型号的压电陶瓷纳米定位台。
基于双驱动AFM系统测试单分子力谱方法，将分子样品一端连接分子衬底，分子衬底固接在载物台，利用样品驱动器驱动载物台进而驱动分子样品慢慢接触探针，使得样品分子另一端连接在探针上，利用控制软件控制探针驱动器驱动探针对分子样品进行快速拉伸操作，该过程中探针对样品的拉伸作用力使得探针上表面发生弯曲，利用光杠杆系统测试该弯曲量，光电探测器将该弯曲量转换为电信号输出，利用计算机采集及显示系统采集该信号，并对拉伸量进行显示。
样品驱动器驱动分子样品进行X、Y两个方向的扫描运动，同时驱动分子样品Z方向的慢速拉伸运动；探针驱动器驱动探针对分子样品进行Z方向的快速拉伸运动。
本发明的特点及有益效果是：
1、本发明中的驱动器采用双驱动系统，包括探针驱动器和样品驱动器，探针驱动器较高的驱动速率可允许高速跟踪分子解折叠过程，样品驱动器较大的驱动范围可实现对较长分子链的拉伸。
2、本发明中的系统对分子的拉伸速度可达到4000nm/s，可拉伸的分子链长度可达到100μm长。
3、本发明中探针对分子解折叠力的测试可达到纳牛级。
4、本发明可解决传统力谱测试实验结果与分子动力学仿真结果无法对比的弊端。
5、本发明中的系统结构简单，操作方便。
附图说明：
图1是本发明的结构示意图。
附图标记：1-激光光源 2-反射镜 3-反射镜 4-光电探测器 5-探针 6-样品驱动器 7-探针驱动器。
具体实施方式
本发明的目的是为了克服现有AFM系统测试单分子力谱技术中的不足，提供一种改进的双驱动AFM系统，结构简单，操作方便，能实现对单分子力谱的高速测试，提高单分子力谱测试的精确度。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的：
一种基于双驱动原子力显微(AFM)系统的单分子力谱装置，包括双驱动系统、探头、探针夹持器、探针、分子衬底和载物台，所述探针夹持器用于夹持探针，置于探头内部，所述探头置于支撑架上，所述双驱动系统置于支撑架下，所述分子衬底用于附着分子样品，所述载物台用于附着分子衬底，置于样品驱动器的正上方。所述分子样品一端与分子衬底连接，所述分子样品另一端与探针夹持器所夹持的探针连接。
所述双驱动系统为基于压电陶瓷驱动器的双系统。
所述基于压电陶瓷驱动器的双系统包括高速探针驱动器和大范围样品驱动器。
所述双驱动系统的驱动原理为样品驱动器驱动分子样品作慢速大范围垂直运动，该过程中，当检测到分子链中的单分子折叠/解折叠时，探针驱动器驱动探针对分子进行快速小范围拉伸运动，实现对分子样品力谱的精确测试。
所述探头为美国Bruker公司的Multimode AFM探头装置，内置基于光杠杆放大原理的探针力学检测单元，用于检测探针弯曲量的大小。
所述探针夹持器集成了高速探针驱动器。
所述高速探针驱动器采用德国PI公司的P-010.10P型号的压电堆叠促动器，共振频率可达64kHZ。
所述大范围样品驱动器采用美国nPoint公司的NPXY100Z25型号的压电陶瓷纳米定位台，驱动范围可达100μm×100μm×25μm。
所述附着分子衬底的载物台为直径20mm、厚2mm的圆形铁片。
所述分子衬底为云母片。
下面结合附图对本发明作进一步的描述：
如图1所示，一种基于双驱动AFM系统测试单分子力谱的装置，包括样品驱动器6、探针驱动器7和探针5，激光器1发出的激光经反射镜2反射于探针5上表面，再经反射镜3反射在光电二极管4上，光电二极管4将光信号转换为电信号输出，该部分称为光杠杆系统；同时，此结构需配置控制系统和计算机采集及显示系统，控制系统借助控制软件实现对双驱动器6和7的控制，计算机采集及显示系统采集光电二极管4的输出信号，并通过软件对采集的信号进行显示。
分子样品的一端连接在样品驱动器6上，另一端连接在探针5上；样品驱动器6驱动分子样品进行X、Y两个方向的扫描运动，同时驱动分子样品Z方向的慢速拉伸运动；探针驱动器7驱动探针对分子样品进行Z方向的快速拉伸运动。
本发明具体使用方法如下：将分子样品置于样品驱动器6上，使分子一端连接在样品驱动器6上，利用探针驱动器7驱动探针5慢慢接触分子样品，使得样品分子另一端连接在探针5上，利用控制软件控制探针驱动器7驱动探针5对分子样品进行快速拉伸操作，该过程中探针对样品的拉伸作用力使得探针上表面发生弯曲，利用光杠杆系统测试该弯曲量，光电探测器4将该弯曲量转换为电信号输出，计算机采集及显示系统采集该信号，并对拉伸量进行显示。

Claims (5)

1.一种基于双驱动AFM系统测试单分子力谱装置，其特征是，包括样品激光器、反射镜、样品驱动器、探针驱动器、探针、光电二极管和附着分子衬底的载物台；分子样品的一端连接在分子衬底上，另一端连接在探针上，样品驱动器驱动载物台并最终驱动分子样品进行X、Y两个方向的扫描运动，同时驱动分子样品Z方向的慢速拉伸运动；探针驱动器驱动探针对分子样品进行Z方向的快速拉伸运动；激光器发出的激光经一块反射镜反射于探针上表面，再经另一块反射镜反射到光电二极管上，光电二极管将光信号转换为电信号输出。
2.如权利要求1所述的基于双驱动AFM系统测试单分子力谱装置，其特征是，进一步地，所述探针由探针夹持器夹持并置于一个探头内部，探针驱动器驱动所述探头，进而驱动探针对分子样品进行Z方向的快速拉伸运动；探针驱动器和样品驱动器为压电陶瓷驱动器。
3.如权利要求1所述的基于双驱动AFM系统测试单分子力谱装置，其特征是，所述探头为原子力显微术AFM探头装置，内置基于光杠杆放大原理的探针力学检测单元，用于检测探针弯曲量的大小；所述附着分子衬底的载物台为直径20mm、厚2mm的圆形铁片，所述分子衬底为云母片。
4.一种基于双驱动AFM系统测试单分子力谱方法，其特征是，将分子样品一端连接分子衬底，分子衬底固接在载物台，利用样品驱动器驱动载物台进而驱动分子样品慢慢接触探针，使得样品分子另一端连接在探针上，利用控制软件控制探针驱动器驱动探针对分子样品进行快速拉伸操作，该过程中探针对样品的拉伸作用力使得探针上表面发生弯曲，利用光杠杆系统测试该弯曲量，光电探测器将该弯曲量转换为电信号输出，利用计算机采集及显示系统采集该信号，并对拉伸量进行显示。
5.如权利要求4所述的基于双驱动AFM系统测试单分子力谱方法，其特征是，样品驱动器驱动分子样品进行X、Y两个方向的扫描运动，同时驱动分子样品Z方向的慢速拉伸运动；
探针驱动器驱动探针对分子样品进行Z方向的快速拉伸运动。
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