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一种利用微悬臂梁进行生化检测的方法及装置

Abstract

一种利用微悬臂梁进行生化检测的方法和装置，以涂镀生化敏感层的硅制成的微悬臂梁[4]作为生化分子的探测元件。当被测物质进入生物敏感层后，生化敏感层吸附被测物质分子，使得被测物质分子与敏感层分子发生力的相互作用，使微悬臂梁产生表面应力，微悬臂梁表面应力的改变将使微悬臂梁弯曲，一束经微悬臂梁[4]背面反射的激光束被位置灵敏探测器[8]接收，微悬臂梁[4]的形变将使光点在位置灵敏检测器[8]上产生位移，位置灵敏检测器[8]将光信号位移量转化为电信号，通过数据采集卡把信号存入计算机用图像表示。本发明灵敏度高，可作为生化传感器用于检测微量生化分子。

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左燕生
林云生
赵惠斌
韩立
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2004 CN
Application CN 200410103903 events
2004-12-30
Application filed by Institute of Electrical Engineering of CAS
2004-12-30
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2006-07-05
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2009-02-04
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2024-12-30
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一种利用微悬臂梁进行生化检测的方法及装置
技术领域
本发明涉及利用微悬臂梁进行生化检测的方法及装置。
背景技术
探测各种生物和化学物质分子的生物传感器的基本原理是被分析分子在生化敏感层上的物理或化学吸附，通过换能器转化为电信号。现有的生化传感器多设计为膜片式，由于信号转换器件灵敏度限制，使生物传感器的灵敏度亦受到限制。
扫描探针显微镜SPM(Scanning Probe Microscope)，是一种以物理学为基础，集多种现代技术为一体的新型表面分析仪器。它是纳米技术研究的主要工具，是世界上分辨率最高的显微镜。原子力显微镜(AFM)是扫描探针显微镜SPM家族中众多成员之一，它能够在接近原子尺度上观察绝缘体表面的微观形貌。原子力显微镜(AFM)的工作原理是：使微悬臂梁上的针尖趋近样品表面并与表面轻轻接触，由于针尖尖端原子与样品表面原子之间存在着微弱的库仑排斥力并使微悬臂梁微微弯曲。当针尖进行扫描时，可通过反馈系统控制压电陶瓷扫描管伸缩来保持原子间的作用力恒定，带有针尖的微悬臂将随着样品表面的起伏而颤动，利用一束激光照射到微悬臂梁的背面，微悬臂梁将激光束反射到位置灵敏检测器上，位置灵敏检测器不同象限接收的激光强度差值与微悬臂梁的形变量呈一定比例关系，由此得到样品表面形貌图像。由于微悬臂梁对力的变化非常敏感，因此原子力显微镜可以高分辨率对材料表面形貌成像，研究表面性质。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的缺点，提供一种利用微悬臂梁进行生化检测的方法及装置，本发明灵敏度高，可作为生化传感器用于检测微量生化分子。
本发明采取以下技术方案：
本发明以涂镀特殊生化敏感层的硅制成的微悬臂梁作为生化分子的探测元件，当被测物质进入生物敏感层后，微悬臂梁的响应频率或表面应力发生变化。当敏感层吸附被测物质分子，使得测物质分子与敏感层分子发生力的相互作用，使微悬臂梁产生表面应力，微悬臂梁表面应力的改变将使微悬臂梁弯曲。微悬臂梁的微小弯曲用光杠杆法进行检测。在光杠杆法检测系统中，一束激光经微悬臂梁背面反射，反射的激光束被位置灵敏探测器(PSD)接收，微悬臂梁的形变将使激光光斑在位置灵敏检测器上产生位移，位置灵敏检测器将光信号位移量转化为电信号，通过数据采集卡把这些信号存入计算机用图像表示。
本发明包括激光管、第一反射镜、透镜、微悬臂梁、导流管、第二反射镜、位置灵敏检测器、样品池、恒温控温装置。
所述微悬臂梁为长100～500μm，宽10～100μm，厚100～5000nm的矩形。
所述微悬臂梁固定在支撑芯片上，芯片为长3mm，宽1.5mm，厚0.3mm矩形。
所述生化敏感层包围整个微悬臂梁。
第一反射镜固定在激光管前，镜面与激光入射线成一定角度，以保证激光经第一反射镜可反射到透镜上。透镜为一圆柱体，圆柱体的下平面从中线位置以与下平面成一定夹角向上方向切出一个斜面，微悬臂梁支撑芯片的后二分之一部分固定在斜面中线上，微悬臂梁和支撑芯片的前二分之一部分处于透镜下水平面下。样品池底面下装有恒温控制器，用来保证检测时的温度控制。装有微悬臂梁的透镜置于样品池里，透镜的上水平面与空气接触，下水平面与样品液体接触，即样品液面不能高于透镜的上水平面，透镜的作用是使样品液面的波动不影响激光的整个光路。第二反射镜与激光管以及第一反射镜在同一垂直平面内并且高度一致，以保证第二反射镜接受到微悬臂梁反射的激光束，第二反射镜把激光反射到位置灵敏检测器上。
激光管发出一束激光经过反射镜穿过透镜，在透镜下装有微悬臂梁，激光光束穿过透镜射在微悬臂梁上，微悬臂梁再把激光入射到透镜，透镜射出的激光入射到反射镜上，反射镜反射出的激光到位置灵敏检测器上。在恒温控制器保证温度恒定时，当被测物质通过导流管流到样品池，涂镀生化敏感层的微悬臂梁与被测物接触时，微悬臂梁产生表面应力发生弯曲，使得位置灵敏检测器的激光光斑发生变化，位置灵敏检测器测量到这些变化量，再通过数据采集卡采集到这些变化量，把这些变化量的数据存入计算机，用图形表现出这些变化量。
本发明具有以下积极效果：
1、以微悬臂梁作为生化分子的探测元件，具有很高的灵敏度，可以测量到分子量级的微量变化。
2、可以进行动态检测，从几分钟至连续几十小时不间断的连续测量。
3、具有稳定的机械支持机构。
4、加入了恒温控制装置，保证了生化反应时对温度的要求。
5、光杠杆法检测微悬臂梁的形变具有很高的灵敏度，垂直分辨率可达到0.1埃，操作简便。
6、透镜下装有微悬臂梁，可保证利样品液面的波动不影响激光的整个光路。
附图说明
图1为微悬臂梁4的放大图，图中：4微悬臂梁，12支撑芯片。
图2为本发明的结构示意图；图中：1激光管，2第一反射镜，3透镜，4微悬臂梁，5导流管，6样品池，7第二反射镜，8位置灵敏检测器，9恒温控温装置。
图3为本发明方法和装置所作样品测试示意图。
图4为本发明具体实施例的检测结果曲线图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的说明。
如图1所示，微悬臂梁4为矩形，固定在支撑芯片12上。
如图2所示，本发明包括激光管1、第一反射镜2、透镜3、微悬臂梁4、导流管5、第二反射镜7、位置灵敏检测器8、样品池6、恒温控温装置9。第一反射镜2固定在激光管1前，第一反射镜2的镜面与激光入射线成一定角度，以保证激光经第一反射镜7可反射到透镜3上，透镜3为一圆柱体，圆柱体的下平面从中线位置以与下平面成一定夹角向上方向切出一个斜面，微悬臂梁4支撑芯片的后二分之一部分固定在斜面中线上，微悬臂梁4支撑芯片的前二分之一部分处于透镜3下水平面下。样品池6底面下装有恒温控制装置9，用来保证检测时的温度恒定。装有微悬臂梁4的透镜3放在样品池6里，透镜3的上水平面与空气接触，下水平面与样品液体接触，即样品液面不能高于透镜3的上水平面，透镜3的作用是使样品液面的波动不影响激光的整个光路。第二反射镜7与激光管1以及第一反射镜2在同一垂直平面内并且高度一致，以保证第二反射镜7接受到微悬臂梁4反射出经透镜3透出的激光，第二反射镜7把激光反射到位置灵敏检测器8上。
当激光管1发出一束激光经过反射镜2穿过透镜3，在透镜3下装有微悬臂梁，激光光束穿过透镜3射在微悬臂梁4上，微悬臂梁4再把激光反射到透镜3，透镜3射出的激光投射到反射镜7上，反射镜7反射出的激光到位置灵敏检测器8上。恒温控制装置9保证温度恒定。当被测物质通过导流管5流到样品池6，涂镀生化敏感层的微悬臂梁4与被测物接触时，微悬臂梁4的敏感层吸附被测分子，被测分子与敏感层分子发生力的相互作用，将使微悬臂梁产生表面应力，微悬臂梁表面应力的改变将使其弯曲，激光光斑位置发生变化，位置灵敏检测器8测量到这些变化量，再通过数据采集卡采集到这些变化量，把这些变化量的数据存入计算机，用图形表现出这些变化量。
图3所示应用本发明方法和装置所做样品测试试验。微悬臂梁4用硅材料制成，在微悬臂梁4上镀有金属膜，膜厚约20nm，反复用硫酸与双氧水3∶7的配比比例配比出的溶液冲洗微悬臂梁4，将微悬臂梁4装在透镜3下置于样品池6中，激光管1发出一束激光如图3实线箭头所示，经过反射镜2穿过透镜3，在透镜3下装有微悬臂梁，激光光束穿过透镜3射在微悬臂梁4上，微悬臂梁4再把激光反射到透镜3，透镜3出射的激光入射到反射镜7上，反射镜7反射出的激光到位置灵敏检测器8上。将含有单链DNA的PPS缓冲液从导流管5注入样品池6中，当溶于PPS缓冲液的单链DNA和涂镀在微悬臂梁4上的金属原子发生吸附时，微悬臂梁由于应力发生弯曲，位置灵敏检测器8上激光光斑位置随着微悬臂梁发生弯曲有所改变，如图3中虚线箭头所示，位置灵敏检测器8检测到光斑的位移，数据采集卡连续采集到变化的位移在计算机上绘出测试结果如图4，点1处为未加入单链DNA前的激光光斑在位置灵敏检测器8的位置，当溶于PPS缓冲液的单链DNA加入到样品池6中，单链DNA和涂镀在微悬臂梁4上的金原子发生吸附作用，造成微悬臂梁由于应力变化发生弯曲经过十几秒钟激光光斑在位置灵敏检测器8的位置挪动到点2处，并达到平衡。点1和点2在Y方向的位置差ΔY就是微悬臂梁的形变，根据ΔY可以计算出微悬臂梁4吸附多少个单链DNA。
通过本发明可以使人们从溶液中捕获微量生物分子，对提高生物传感器的灵敏度有着重要的意义。本发明可以在生物研究、生物医学等各方面广泛应用。

Claims (3)
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1、一种利用微悬臂梁进行生化检测的方法，其特征在于，以涂镀生化敏感层的硅材料制成的微悬臂梁[4]作为生化分子的探测元件；当被测物质进入生物敏感层后，生化敏感层吸附被测物质分子，被测物质分子与敏感层分子发生力的相互作用，使微悬臂梁[4]产生表面应力，微悬臂梁[4]表面应力的改变将使微悬臂梁[4]弯曲；一束经微悬臂梁[4]背面反射的激光束被位置灵敏探测器[8]接收，微悬臂梁[4]的形变将使光点在位置灵敏检测器[8]上产生位移，位置灵敏检测器[8]将光信号位移量转化为电信号，通过数据采集卡把信号存入计算机用图像表示。
2、应用权利要求1所述的利用微悬臂梁进行生化检测方法的装置，其特征在于，包括激光管[1]、第一反射镜[2]、透镜[3]、微悬臂梁[4]、导流管[5]、第二反射镜[7]、位置灵敏检测器[8]、样品池[6]、恒温控温装置[9]；第一反射镜[2]固定在激光管[1]前，第一反射镜[2]的镜面与激光入射线成一定角度，以保证激光经第一反射镜[7]可反射到透镜[3]上，透镜[3]为一圆柱体，圆柱体的下平面从中线位置以与下平面成一定夹角向上方向切出一个斜面，微悬臂梁[4]的后二分之一部分固定在斜面中线上，微悬臂梁[4]的前二分之一部分处于透镜[3]下水平面下；样品池[6]底面下装有恒温控制装置[9]；装有微悬臂梁[4]的透镜[3]放在样品池[6]里，透镜[3]的上水平面与空气接触，下水平面与样品液体接触，即样品液面不能高于透镜[3]的上水平面；第二反射镜[7]与激光管[1]以及第一反射镜[2]在同一垂直平面内并且高度一致，第二反射镜[7]把激光反射到位置灵敏检测器[8]上。
3、按照权利要求2所述的利用微悬臂梁进行生化检测方法的装置，其特征在于，微悬臂梁[4]为矩形，其上涂镀生化敏感层，固定在支撑芯片上。

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