CN200986522Y - 微悬臂传感器测量液体中痕量物质的装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种微悬臂传感器在测量液体中痕量物质的装置。水泵分别经待测液体和标准液体经通道将样品打入液体池；液体池中放置微悬臂，激光打在微悬臂反光面，用的二维光电探测器探测反射光来得知微悬臂的位移；关闭、开通待测液体通道和开通标准液体通道，当待测液体经过时，由于其间物质的吸附作用，微悬臂会有起伏现象，于是激光束的反射也就随之起伏；位置敏感光电探测器将反射激光信号接收，经计算的控制电路放大、处理，和标准液体用同样方式所得信号进行比对，即可获得代表离子浓度的信息。本实用新型从痕量物质的精密检测出发，将AFM技术应用于水污染检测，利用微悬臂传感器吸附感应，实时、在线、精确测量水中的微量离子含量。

Description

微悬臂传感器测量液体中痕量物质的装置

技术领域

本实用新型涉及环保检测领域中测量液体中痕量物质的装置，特别是涉及一种微悬臂传感器在测量液体中痕量物质的装置。

背景技术

在经济高速发展的同时，环境污染也在日益加剧。生态环境的平衡不断地遭到破坏，正威胁着人类的生存和持续的经济发展，因此加强生态环境保护和建设，推动经济持续快速协调健康发展是我国新时期的主要任务之一。水质的好坏，直接关系到一个国家国民的身体健康，也是国家进步的标志之一。我们国家的用水目标，应该从“村村通自来水”，逐步进展到“人人喝高质量的饮用水”。专家认为饮水的污染是导致癌症，心脏病和铅中毒的第一号威胁，身体的吸收导致了种种的慢性病。水污染不仅影响我们的健康，还能腐蚀用具，弄脏和腐蚀衣物和用具，使食物和饮水变味，以及使头发逐渐变色。在很多地表水中，除常规的污染因子外，还有很多微量的有毒有害物质(痕量物质)，包括“三致”(致癌、致畸、致突变)物质。痕量物质难降解，高毒性，通过食物链能在人体内蓄积，能够在大气环境中长距离迁移，其对人体和环境带来的危害已成为近几年世界各国关注的环境焦点问题，并引起世界各地决策者和科学家的关注。

但是目前的监测方法和监测仪器远远不能满足实际需求，环境监测仪器作为仪器仪表学科中的新的分支，与其它学科仪器相比还处于比较落后的状态。先进的工业国家从上世纪80年代开始，就在空气、水质、海洋及生态等环境领域投入了大量的资金与人力，进行环境检测的基础研究和仪器系统的开发。并相继有先进成熟的产品推向市场，形成了环保仪器的新兴产业。国内的环境事业起步较晚，滞后了十多年，总体上还比较落后。国家和各省建设的重要流域的100多个自动水质监测站的在线仪器几乎全部采用进口仪器。据有关资料报导，引进的环境监测仪器和装备已高达近20亿元。因此目前国内高水平的环境监测仪器的巨大市场被国外公司占领。现有的水质检测方法有很多：化学耗氧量法，生物耗氧量法，库仑滴定法，分光光度法，比色法，气相色谱法，液相色谱法，质谱法等，但它们都存在这样或那样的缺点，如操作步骤多、过程繁杂、监测周期长，不易实现实时野外监测，精度不高，达不到精确监控的要求。痕量物质的浓度非常低，从ppm(part-per-million)到ppb(part-per-billion)甚至ppt(part-per-trillion)数量级，这种微少含量的物质很难用常规传感检测方法进行测量。因此迫切需要研究开发高灵敏度、高精度、高选择性的痕量物质检测技术和监测仪器。

1982扫描隧道显微镜出现；1986年，Binnig等人利用扫描隧道显微镜测量近10^-18N的表面力，将扫描隧道显微镜与探针式轮廓仪相结合，发明了原子力显微镜(AFM)，在空气中测量，达到横向精度3nm和垂直方向0.1nm的分辨率。California大学S.Alexander等人利用光杠杆实现的原子力显微镜首次获得了原子级分辨率的表面图像。以STM和AFM为基础发展的显微镜，可统称为扫描探针显微镜(SPM)。它们大都能观测到纳米尺度，以它们为基础进行适当的改造，可进行纳米测量，如以后出现的激光力显微镜、磁力显微镜、静电力显微镜、弹导电子发射显微镜、扫描离子电导显微镜、扫描近场光学显微镜、光子扫描隧道显微镜、扫描热显微镜等，都是利用探针与样品的不同相互作用来探测表面或界面在纳米尺度上表现出来的物理和化学性质。它们的非接触式探针的直径非常小，从而极大地提高了测量分辨率。

目前，国内外AFM和STM主要应用在研究高分辨率检测与表面和微结构之间的物理相互作用，从而给出微形貌、形状和尺寸的测量。表面吸附感应的研究起步却只是近十年的事。此外，由于纳米材料和器件的特征长度很小，测量时产生很大扰动，以至产生的信息并不能完全代表其本身特性。这些都是限制纳米测量技术通用化和应用化的瓶颈，因此，纳米尺度下的测量无论是在理论上，还是在技术和设备上都需要深入研究和发展。

以微悬臂(micro-cantilever)探针为基础的AFM也开始从微形貌测量转向环境检测及生物学中迅速发展，其优势在于：(1)样品制备简单，无需对样品进行特殊处理，因此，其破坏性较其它常用技术(如电子显微镜)要小得多；(2)能在多种环境(包括空气、液体和真空)中运作，生物分子可在生理条件下直接成像，也可对活细胞进行实时动态观察；(3)能提供生物分子和生物表面的分子/亚分子分辨率的三维图像；(4)能以纳米尺度的分辨率观察局部的电荷密度和物理特性，测量分子间(如微悬臂和水中离子，受体和配体)的相互作用力；(5)能对单个生物分子进行操纵；另外，由AFM获得的信息还能与其它的分析技术和显微镜技术互补。

微悬臂传感器，正如它在AFM中所展示的那样，完全可以作为物理、生化性质的实时在线测量的有利工具。由于吸附感应力引起微悬臂的极微小偏转，由于所吸附分子质量不同而引起共振频率变化，这些极其敏感的变化完全可以达到ppb到ppt的灵敏度。由参考文献看来，国外对这方面的研究已经在开展，国内也有部分生物医学纳米技术专业的科研人员进行AFM测量生物分子间相互作用的研究。

发明内容

本实用新型的目的是提供一种微悬臂传感器在测量液体中痕量物质的装置。从微悬臂的精密传感出发，结合AFM技术，将之应用于液体中痕量物质检测，利用微悬臂传感器实时、在线、精确测量水中的痕量物质含量。

本实用新型的上述目的是通过以下技术方案实现的：

一、一种微悬臂传感器在测量液体中痕量物质的方法

(1)水泵分别经待测液体和标准液体经通道，通过一个转换开关，将样品打入液体池；

(2)底面为透明材料液体池中放置微悬臂，用一束激光打在微悬臂反光面，用一个位置敏感的二维光电探测器探测反射光来得知微悬臂的位移；

(3)转换开关有三档通道，即关闭、开通待测液体通道和开通标准液体通道，当待测液体经过时，由于其间物质的吸附作用，微悬臂会有起伏现象，于是激光束的反射也就随之起伏；

(4)位置敏感光电探测器将反射激光信号接收，经计算的控制电路放大、处理，和标准液体用同样方式所得信号进行比对，即可获得代表离子浓度的信息。

二、一种微悬臂传感器在测量液体中痕量物质的装置

水泵经通道分别接标准液体和待测液体，再分别接转换开关，转换开关出口接底面为透明材料的液体池，液体池中设置微悬臂，激光束从液体池底面进入经微悬臂底面反射至探测器，探测器与计算机电连接。

本实用新型与现有技术相比，具有的有益效果是：从痕量物质的精密检测出发，将AFM技术应用于水污染检测，利用微悬臂传感器吸附感应，实时、在线、精确测量水中的微量离子含量，本实用新型有利于快速实时的水污染检测。

附图说明

图1为本实用新型的微悬臂原理示意图；图1a微悬臂俯视图，图1b吸附作用前微悬臂侧视图，图1c吸附引起微悬臂弯曲；

图2为本实用新型的测量方法装置的示意图。

图中：1、水泵，2、标准液体，3、待测液体，4、转换开关，5、液体池，6、微悬臂，7、激光，8、探测器，9、计算机，10、液体出口。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本实用新型作进一步说明。

如图2所示，水泵1经通道分别接标准液体2和待测液体3，再分别接转换开关4，转换开关4出口接底面为透明材料的液体池5，液体池中设置微悬臂6，激光束从液体池5底面进入经微悬臂7底面反射至探测器8，探测器8与计算机9电连接，10为液体池的液体出口。

微悬臂(如图1a所示)在原子力显微镜中已经显示了它作为一个非常灵敏的力传感器的巨大威力。同样，微悬臂也可以作为生化传感器来测量表面压力：生化样品在微悬臂(如图1b所示)表面的吸附作用会产生表面压力，从而引起微悬臂的弯曲(如图1c所示)。它可测量10^-4N/m的压力变化，而化学键约在10^-9～10^-11N之间。可见离子吸附作用引起的弯曲和微悬臂的弹性常数在同一量级。

假设微悬臂的长度为L，宽为w，厚为t，并且有L＞＞w＞＞t。吸附引起的微悬臂弯曲半径为R(如图1所示)。

微悬臂表面压力g和表面自由能γ之间的关系，可以用Shuttleworth公式来表示：

$g=\mathrm{\γ}+\frac{\∂\mathrm{\γ}}{\∂\mathrm{\ϵ}}$

表面张力ε定义为表面面积的变化： $\∂\mathrm{\ϵ}=\frac{\mathrm{dA}}{A}$

微悬臂引起的弯曲和它的长度比起来非常小。可以忽略表面张力效应，认为微悬臂自由能的变化等于其表面压力的变化。

Stoney公式描述了弯曲后的微悬臂的位移(Δz)和表面压力的变化，或者说自由能的变化(δg)的关系：

$\mathrm{\Δz}=\frac{3(1-v)L^2}{{\mathrm{Et}}^2}\mathrm{\δg}$

v是Poisson系数，E是杨氏模量。这样，可以测出微悬臂的位移来得知其表面压力的变化。而微悬臂表面压力是和痕量物质的浓度密切相关，即微悬臂的位移和痕量物质的浓度密切相关。

具体实施方案，如图2所示

(1)微型水泵经通道(包括待测液体和标准液体)，通过一个转换开关，将样品缓慢打入液体池，最后通过液体池另一侧的出口排出；

(2)液体池底面用透明材料制成，在其中放置微悬臂。用一束波长680nm，功率10mW的半导体激光打在微悬臂反光面，用一个位置敏感的二维光电探测器(如滨松公司S1743型号)探测反射光来得知微悬臂的位移。由于液面的抖动将影响激光光路的走向，导致严重的误差，特设计激光从底面进入，将液体流动造成的影响降至最低；

(3)转换开关有3档：关闭，开通待测液体通道和开通标准液体通道。当待测液体经过时，由于其间物质的吸附作用，微悬臂会有起伏现象，于是激光束的反射也就随之起伏；

(4)位置敏感光电探测器将反射激光信号接收，输出电流信号。经控制电路放大，转化为电压信号，最终由A/D接口采集进电脑进行处理，得到微悬臂的形变量大小。由和标准液体(纯水)用同样方式所得信号进行比对，即可获得代表离子浓度等方面的信息；

(5)微悬臂由一个100～500μm长和大约500nm～5μm厚的硅片或氮化硅片制成。微悬臂顶端有一个尖锐针尖，用来检测样品一针尖间的相互作用力。微悬臂有一定的规格，如：长度、宽度、弹性系数以及针尖的形状，依照样品的特性选择不同类型的探针。

(6)用含有不同浓度或痕量物质种类的已知样品，及不同类型的微悬臂做测试，建立相应的数据库，存入计算机软件中。即可检测未知样品。

Claims (1)

1.一种微悬臂传感器测量液体中痕量物质的装置，其特征在于：水泵(1)经通道分别接标准液体(2)和待测液体(3)，再分别接转换开关(4)，转换开关(4)出口接底面为透明材料的液体池(5)，液体池中设置微悬臂(6)，激光束从液体池(5)底面进入经微悬臂(7)底面反射至探测器(8)，探测器(8)与计算机(9)电连接。

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