CN205941574U - 一种全自动单分子电学性质测量系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种全自动单分子电学性质测量系统，其包括至少一个液体池、至少一个进样压力阀、实验池、纳米电极检测部件、数据采集部件、数据处理模块及结果显示仪；至少一个液体池的液体样品通过至少一个进样压力阀输送至所述实验池，纳米电极检测部件用于检测实验池中的液体样品电信号的变化并将电信号数据输出至数据采集部件，数据采集部件用于将采集到的电信号数据输送至数据处理模块，数据处理模块对电信号数据进行分析后将分析结果输送至结果显示仪显示。本实用新型的全自动单分子测量系统，从分子溶液，到测量分析，全部由仪器全自动操作。大大的减少了人为可能引起的对测量本身的影响。从而大大增强了单分子测量的可重复性。

Description

一种全自动单分子电学性质测量系统

技术领域

本实用新型属于单分子检测技术领域，尤其涉及一种全自动单分子电学性质测量系统。

背景技术

分子的相互作用和化学反应通常以单个分子为基础来描述, 然而人们对分子的性质、相互作用和动态过程的知识则几乎完全来自于大量分子的系综平均。由统计力学中各态遍历假设( Ergodic hypothesis) 可知，某个系综个体物理量轨迹的时间平均等于该物理量在给定时间的系综平均。因此，对于一个包含完全相同个体的系综，如果测量时间足够长，单分子测量与系综测量得到相同的结果。然而，许多化学和生物体系不是均相的，而且测量时间可能小于涨落时间；对于非均相体系，个体的轨迹平均也不再等于系综平均[Xie X S, Trautman J K. Ann Rev Phys Chem , 1998, 49: 441]。

单分子检测是一种考察物质间相互作用的精妙方法，与测量分子集合体整体性质的传统方法(如光散射，光偏振，粘滞性等)相比，单分子技术具有直接、准确、实时等优点；能够在单分子水平上提供分子结构与功能之间的丰富信息，揭示生命现象的重要过程，在临床诊断等领域具有深远的应用价值。人们不断致力于寻求可以探测单分子行为的方法，包括扫描探针技术、光镊技术、单分子荧光光谱技术等。

从自然得到启发，使用许多物理现象中的分子可以微型化电子元件到分子大小。基于电极-分子-电极的单分子电导检测技术已经广泛应用于单分子电学性质测量，帮助人们理解电子在分子内部的传递机理，发展分子电子器件，替代传统微电子集成电路中的各种功能元件。迄今为止，人们在应用电极-分子-电极的单分子电导检测技术时，只是手动搭建“电极-分子-电极”结，结合已有的扫描探针技术进行单分子电学性质测量。

这种半自动检测对操作人员要求高，操作不便，检测结果容易受人为因素影响，其主要原因是由于进样方式造成的，具体为：在这种半自动检测方法中，当今学术界以及工业界对于溶液的配置和输送，很少有关于自动操作的报道，多数都是由实验员手动操作，滴定溶液到测试环境进行测量。当测量结束，手动操作很难在不挪动实验台的条件下实现将溶液排除，对样品清洗，以及新溶液的滴定。另一方面，在溶液环境的操作中，实验员往往利用移液枪来完成。实验员需要每次调节移液枪的移液容量，来大概估算移液混合后，实验池的分子浓度。如果要实现实验池不同分子浓度的持续变化，通过实验员取样品台，滴定溶液，装样品台，测试，再取样品台，再次滴定，再次装样，如此冗杂的操作，是非常不实际的。同时在操作过程中，由于多次移动实验池，对实验池内溶液的挥发造成的浓度变化，也是不受控制的。

实用新型内容

针对上述技术问题，本实用新型的目的在于提供一种结构简单、成本低廉和操作方便的全自动单分子电学性质测量系统。使用该系统能够快速、有效和准确地测试出单分子导电性和分子间导电性。

为实现上述目的，本实用新型所采取的技术方案是：

一种全自动单分子电学性质测量系统，其包括至少一个液体池、至少一个进样压力阀、实验池、纳米电极检测部件、数据采集部件、数据处理模块及结果显示仪；所述至少一个液体池的液体样品通过所述至少一个进样压力阀输送至所述实验池，所述纳米电极检测部件用于检测实验池中的液体样品电信号的变化并将电信号数据输出至所述数据采集部件，所述数据采集部件用于将采集到的所述电信号数据输送至数据处理模块，所述数据处理模块对电信号数据进行分析后将分析结果输送至所述结果显示仪显示。

上述方案中，所述实验池是环形中空的柱体。

上述方案中，所述全自动单分子电学性质测量系统还包括样品固定部件，所述样品固定部件包括样品台及样品固定铁片，所述样品固定铁片将实验池和样品台固定在一起。

上述方案中，所述纳米电极检测部件包括纳米电极、纳米电极放置管以及Z向压电陶瓷管，所述纳米电极放置管吸附在所述Z向压电陶瓷管的底部，所述Z向压电陶瓷管在Z向的伸缩可控制纳米电极在Z向的精确移动。

上述方案中，所述数据采集部件包括电流放大器、信号反馈系统及数据采集显示屏，所述电流放大器将采集到的所述电信号进行放大并将放大后的电信号数据通过数据采集显示屏显示，所述信号反馈系统用于将放大后的电信号数据反馈至所述电流放大器。

上述方案中，所述全自动单分子电学性质测量系统包括两个液体池和两个进样压力阀，两个液体池的液体样品分别通过两个进样压力阀输送至所述实验池并进行液体样品的混合。

上述方案中，所述全自动单分子电学性质测量系统还包括废液回收池和废液回收压力阀，实验池的废液通过废液回收压力阀输送至所述废液回收池回收。

本实用新型发明的全自动的单分子电学性质测量系统，将液体输送、单分子检测、以及数据分析处理、结果的显示结合为一体，并实现同一个软件程序对整个实验系统各部分硬件的综合控制。

本实用新型可以自动的将所需要测量的分子溶液输送到实验池，进行对分子的测量。通过多通道的液体输送，可以实现不同分子液体的转换。同时通过压力阀的有序调控，可以控制液体的流速，以实现在动态分子溶液中对分子的实时测量。整个溶液的控制均由软件系统控制操作。实验者只需要把需要测量的分子溶液滴定到溶液池即可。

本实用新型创造了第一代全自动单分子电学性质测量系统，为市场上第一款全自动单分子测量产品。对单分子测量的核心技术，将采用两种不同的测量途径：裂结法和固定结的方法。裂结法是控制纳米电极重复性的接触样品，然后再分开。在过程中连接到两个电极（纳米电极和样品）的分子将被拉升，直至拉断。在整个过程中，通过对电信号的实时模拟，来辨认单分子对整个过程产生的影响，从而得到单分子的电学性质。固定结方法，是将两个电极之间的距离设置到单分子的长度尺寸。随着单分子在两个电极之间的接触，以及断开，来实时检测电信号的变化，从而得到单分子的电学信息。

本实用新型的另一项核心技术，就是对各个硬件部件控制的集成，全部通过一个程序来实现。本实用新型的第一代软件将实现对液体流速，液体转换，单分子检测方法的实时变化，电信号的采集，电信号数据的分析，处理，实验结果的输出等，实现全程的控制，对实验内部各个部分之间的互相反馈和调整进行智能的判断和操作输出。

本实用新型的有益效果是：

（1）大大的降低了单分子检测领域的门槛，对实验员的背景，专业，技能没有很高的要求。因而可以实现各个领域的通用。

（2）本实用新型的全自动单分子测量系统，从分子溶液，到测量分析，全部由仪器全自动操作。大大的减少了人为可能引起的对测量本身的影响。从而大大增强了单分子测量的可重复性。

（3）本实用新型的全自动单分子测量系统，可以完全由软件系统控制，不用改变任何实验环境，完成溶液的排除，样品的清洗，以及新溶液的转换，大大的减少了实验员的工作难度，提高了实验环境的相似度，从而一定程度的提高了实验的精度，为单分子测量实验，甚至其他具有溶液滴定需求的实验操作，工业操作，提供了方便。本实用新型的全自动单分子测量系统，具有封闭环境自动进样的功能特点。本实用新型的全自动单分子测量系统的进样功能，可以通过控制进样速度，来实现高精度的溶液浓度持续变化，为一些对浓度非常敏感的实验测试，以及工业检测，提供了可行性。

（4）本实用新型所采用的单分子测量技术，是当今科学界公认的两种准确的电学测量方法。因此采用本实用新型的全自动单分子测量系统测得的单分子信息，可以直接与学术界的文献或者学者进行对比和交流。

（5）本实用新型的全自动单分子测量系统，首次将数据分析模块与单分子检测系统结合到一起，可以快速，实时，准确的给出单分子结果。而本实用新型所附带的第一代数据分析模块，可以快速有效的识别，去除外界电信号噪音对检测数据的影响。然后对检测数据从起点开始，检测并统计每一个发生的单分子引起的信号事件，对每一个信号事件进行多角度的分析，判断，例如信号强度，信号时长等，然后综合一定时间内所有的信号事件，做出统计判断，然后输入判断结果到结果显示仪。本实用新型附带的第一代数据分析模块，完美的结合在本实用新型的全自动单分子检测系统，为以后各个领域检测的时效性，包括精准医疗，制造业材料选择等，打下了必要的基础。

（6）本实用新型的第一代全自动单分子测量系统，是一个简洁开放的系统，所要实现的第一个功能就是单分子电信号的测量。由于系统的开放性，本实用新型的全自动测量系统，将允许非常简洁方便的附加其他的模块，以实现不同途径的单分子检测以及操作。例如通过对样品台增加磁性模块，或者温控模块，可以实现分子电学性质在不同实验条件，环境下的变化检测。以进一步实现对分子在单分子级别的可控性。

附图说明

图1是本实用新型提供的全自动单分子电学性质测量系统的结构示意图。

图2是1,8-辛二硫醇的分子结构式。

图3是数据采集显示屏中显示的部分原始数据。

图4和图5是数据处理模块对实时输送的数据信号进行实时的数据分析过程图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本实用新型作进一步说明。

本实用新型的全自动单分子电学性质测量系统如图1所示，其包括两个液体池1、两个进样压力阀2、实验池3、纳米电极检测部件、数据采集部件、数据处理模块9及单分子结果显示仪10。

两个液体池1的液体样品分别通过两个进样压力阀2输送至述实验池3并进行液体样品的混合。液体池1用于实验液体环境的控制，该液体环境为各种浓度，各种pH的液体环境，也同样适用于大气的环境。可以理解的是，液体池和进样压力阀并不局限于本实施例中的两个，可以为一个，也可以大于两个，主要是根据实际测试的样品环境来确定。在本实施例中，实验池3是由聚四氟乙烯制造而成，是一个环形中空的柱体，柱体上穿孔和其他液体池1通过塑料管道相通。

该全自动单分子电学性质测量系统还可以包括样品固定部件4，样品固定部件4包括样品台及样品固定铁片，样品固定铁片将实验池3和样品台固定在一起。

纳米电极检测部件用于检测实验池3中的液体样品电信号的变化并将电信号数据输出至所述数据采集部件。在本实施例中，纳米电极检测部件包括纳米电极、纳米电极放置管以及Z向压电陶瓷管。纳米电极放置管内装有磁块，可以吸附在Z向压电陶瓷管的底部，并可以方便的取装。Z向压电陶瓷管在Z向的伸缩可控制纳米电极在Z向的精确移动。在本实施例中，Z向压电陶瓷管采用的是德国PI公司的产品，通过外接的压电陶瓷控制器，可以精确的控制压电陶瓷管在Z向的伸缩。通过加电压会引起压电陶瓷管在电极方向上发生微小的弯曲变形，这样的变形会引起纳米电极在Z方向的移动，达到接触不同长度大小分子的目的。

数据采集部件用于将采集到的所述电信号数据输送至数据处理模块9，数据处理模块9对电信号数据进行分析后将分析结果输送至结果显示仪10显示。在本实施例中，数据采集部件包括电流放大器6、信号反馈系统7及数据采集显示屏8。电流放大器6将采集到的电信号进行放大并将放大后的电信号数据通过数据采集显示屏8显示，信号反馈系统7用于将放大后的电信号数据反馈至电流放大器6。在本实施例中，电流放大器6是采用商业购买的德国Femto微电流放大器。

全自动单分子电学性质测量系统还包括废液回收池11和废液回收压力阀12，实验池3的废液通过废液回收压力阀输12送至废液回收池11回收。

本实用新型还提供该全自动单分子测量系统的使用方法，具体为：打开实验仪器预热30分钟以上，然后将需要测试的分子溶液，装到液体池1中，在软件中选择液体输送速度，然后点击开始，溶液将自动移动到实验池3中，接着单分子检测系统自动开始在实验池3中运行。运行模式分为固定结模式和裂结模式，两种模式由操作员在软件中选择。单分子检测运行过程中，检测到的实验信号实时的输送到数据处理模块9，进行实时的数据分析，并得出结果输送到单分子结果显示仪10。整个实验的测量，除去预热的时间，将在30分钟之内完成。

本实用新型提供了对1,8-辛二硫醇（1,8- Octanedithiol）采用固定结模式进行的单分子检测过程。图2为操作员需要测试的1,8-辛二硫醇的分子结构式，将其配置成溶液装到本实用新型的全自动单分子测量系统的部件的液体池1中。图3为单分子检测系统运行过程中，在数据采集显示屏8中显示的部分原始数据。图4和图5是数据处理模块9对实时输送的数据信号进行实时的数据分析过程。单分子结果显示仪10给出的单分子结果信息为：电导为1.16ns；分子长度为1.44nm；分子寿命为57.2ms。

最后需要注意的是，公布实施例的目的在于帮助进一步理解本实用新型，但是本领域的技术人员可以理解：在不脱离本实用新型以及所附的权利要求的精神和范围内，各种替换和修改都是可能的。因此，本实用新型不应局限于实施例所公开的内容，本实用新型要求保护的范围以权利要求书界定的范围为准。

Claims (7)

1.一种全自动单分子电学性质测量系统，其特征在于，其包括至少一个液体池、至少一个进样压力阀、实验池、纳米电极检测部件、数据采集部件、数据处理模块及结果显示仪；所述至少一个液体池的液体样品通过所述至少一个进样压力阀输送至所述实验池，所述纳米电极检测部件用于检测实验池中的液体样品电信号的变化并将电信号数据输出至所述数据采集部件，所述数据采集部件用于将采集到的所述电信号数据输送至数据处理模块，所述数据处理模块对电信号数据进行分析后将分析结果输送至所述结果显示仪显示。

2.如权利要求1所述的全自动单分子电学性质测量系统，其特征在于，所述实验池是环形中空的柱体。

3.如权利要求1所述的全自动单分子电学性质测量系统，其特征在于，所述全自动单分子电学性质测量系统还包括样品固定部件，所述样品固定部件包括样品台及样品固定铁片，所述样品固定铁片将实验池和样品台固定在一起。

4.如权利要求1所述的全自动单分子电学性质测量系统，其特征在于，所述纳米电极检测部件包括纳米电极、纳米电极放置管以及Z向压电陶瓷管，所述纳米电极放置管吸附在所述Z向压电陶瓷管的底部，所述Z向压电陶瓷管在Z向的伸缩可控制纳米电极在Z向的精确移动。

5.如权利要求1所述的全自动单分子电学性质测量系统，其特征在于，所述数据采集部件包括电流放大器、信号反馈系统及数据采集显示屏，所述电流放大器将采集到的所述电信号进行放大并将放大后的电信号数据通过数据采集显示屏显示，所述信号反馈系统用于将放大后的电信号数据反馈至所述电流放大器。

6.如权利要求1所述的全自动单分子电学性质测量系统，其特征在于，所述全自动单分子电学性质测量系统包括两个液体池和两个进样压力阀，两个液体池的液体样品分别通过两个进样压力阀输送至所述实验池并进行液体样品的混合。

7.如权利要求1所述的全自动单分子电学性质测量系统，其特征在于，所述全自动单分子电学性质测量系统还包括废液回收池和废液回收压力阀，实验池的废液通过废液回收压力阀输送至所述废液回收池回收。