CN210294066U - 一种用于获得痕量质量和分子结构信息的高通量探测装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种用于获得痕量质量和分子结构信息的高通量探测装置，利用音圈电机带动固定在压电陶瓷驱动器的微悬臂梁阵列在沿微悬臂梁宽度方向上平移，使激光光束逐一地投照微悬臂梁阵列，经尖端反射的激光由光电位置灵敏探测器探测，获得各微悬臂梁自由端的弯曲信号，利用压电陶瓷驱动器调整微悬臂梁的振动频率；设置显微拉曼光谱单元，由分时工作的观察光路子单元和拉曼激光光路子单元构成；利用观察光路子单元获得微悬臂梁自由端表面样品微观形貌；利用拉曼激光光路子单元获得拉曼光谱，进而获得样品的分子结构信息。本实用新型结合微悬臂梁传感与显微拉曼技术，实现痕量质量变化探测，用于观察样品外貌，实时探测反应过程中分子结构的变化。

Description

一种用于获得痕量质量和分子结构信息的高通量探测装置

技术领域

本实用新型涉及微悬臂梁检测领域和拉曼光谱分析领域，更具体地说是涉及一种用于获得痕量质量和分子结构信息的高通量探测装置。

背景技术

微悬臂梁传感技术是在原子力显微镜和微系统出现后迅速发展起来的一种新的传感方法，作为最简单的微机械元件，一直是微纳传感技术研究的热点。微梁传感器可以对具有特异性的生化反应过程进行实时测量，当微梁表面上发生生化反应时，其上下表面的应力差使其产生弯曲变形。这种传感技术作为一种实时、高灵敏度、非标定的传感方法，在生物、化学等领域中得到了广泛的研究。

通常微悬臂梁有两种工作模式：静态模式和动态模式。其中动态模式工作原理是通过改变微悬臂梁的质量、阻尼系数、所在环境等因素，使得微悬臂梁的共振频率和振幅发生变化，记录相关参数的变化过程，即可获得外界信号的变化情况；动态模式比静态模式下的微悬臂梁具有更高的灵敏度，并且受环境因素影响较小。

在单微悬臂梁检测系统基础上，为进一步消除环境温漂、溶液折射率变化等背景噪声影响、实现多种靶标分子的快速并行检测，微悬臂梁传感技术正逐步向多阵列发展。微悬臂梁阵列可以减少实验误差，实现高通量的检测。

拉曼是一种光散射技术。激光光源的入射光被分子散射时，大部分散射光与入射激光具有相同的波长，这种散射称为瑞利散射；然而，还有极小一部分散射光的波长与入射光不同，其波长的改变由样品的结构所决定，这部分散射光称为拉曼散射。通过对谱图的分析，可以鉴别特殊的结构特征或特征基团。

现有技术中，从设备角度讲，不断更新和改进系统都是以检测微悬臂梁痕量质量变化为目的；从检测机理角度来讲，无论微悬臂梁弯曲信号重复性多好，都只能得到单一的微悬臂梁自由端弯曲响应信号，并不能实时检测被测材料的其它信息，如结构信息，因而不能从结构和力学性能角度去分析机理。

实用新型内容

本实用新型是为避免上述现有技术所存在的不足，提供一种用于获得痕量质量和分子结构信息的高通量探测装置，充分利用微悬臂梁的非标记、实时、可以痕量检测应力和质量变化的优势，结合拉曼光谱可进行化学鉴别、形态与相各方面研究和分析的长处，实现在检测过程中将材料应力、质量或者热量等的变化与分子结构信息相对应，实现痕量质量变化性能和结构的实时及同步检测，更加全面地分析材料性能。

本实用新型为解决技术问题采用如下技术方案：

本实用新型一种用于获得痕量质量和分子结构信息的高通量探测装置的特点是：由微悬臂梁传感单元和显微拉曼光谱单元构成；

在所述微悬臂梁传感单元中，多根微悬臂梁并列设置形成微悬臂梁阵列，由激光器发出的激光经激光导向装置按设定的角度投向微悬臂梁阵列；微悬臂梁阵列固定设置在压电陶瓷驱动器上，所述压电陶瓷驱动器固定设置在音圈电机上，由音圈电机带动压电陶瓷驱动器进行平动，从而带动微悬臂梁阵列在沿微悬臂梁宽度方向上平移，使激光器射出的激光光束随着微悬臂梁阵列的平移逐一地投照在微悬臂梁阵列中各微悬臂梁的自由端尖端部位，经尖端反射的激光反射光束由光电位置灵敏探测器的接收靶面所接收；

所述显微拉曼光谱单元由观察光路子单元和拉曼激光光路子单元构成；

所述观察光路子单元的结构形式是：白光源输出的白光依次通过半透半反镜和物镜，使白光聚焦在微悬臂梁阵列上，微悬臂梁阵列上的白光反射光依次经过物镜、半透半反镜、反射镜以及透镜套筒传输到CCD传感器；

所述拉曼激光光路子单元的结构形式是：拉曼激光器出射的激光经入射光纤导入准直器，经准直器扩束后由激光滤光片滤除杂散光，再经二色向镜反射后通过物镜聚焦在微悬臂梁阵列的自由端表面，从微悬臂梁阵列反射的散射光经物镜收集后透过二色向镜，再由陷波滤光片滤除瑞利杂散光获得拉曼散射光，所述拉曼散射光经耦合器耦合到出射光纤，并导入光谱仪。

本实用新型一种用于获得痕量质量和分子结构信息的高通量探测装置的特点也在于：

所述观察光路子单元和拉曼激光光路子单元利用物镜构成同轴光路，所述半透半反镜和反射镜为插拔式可拆装器件。

所述白光源为冷光源。

所述拉曼激光器为单纵模激光器，波长采用785nm，适用于无机材料检测。

所述激光滤光片为激光窄带滤光片，用来滤除激光源中的等离子射线，采用Semrock公司的MaxLine激光滤光片，其中心波长为785nm。

所述二色向镜采用Semrock公司的785nm的BrightLine单刃激光二色向镜。

所述陷波滤光片用于衰减或阻挡散射能量到达出射区，采用Semrock公司的785nmStopLine单陷波滤波片。

与已有技术相比，本实用新型有益效果体现在：

1、本实用新型将微悬臂梁传感技术与显微拉曼技术相结合，既能进行痕量质量变化的探测，也可以观察样品的外貌，实时探测反应过程中的分子结构的变化，实现实时、原位、非标记的检测，可以更加全面地分析材料性能。

2、本实用新型采用微悬臂梁动态工作模式，相较于静态模式，具有更高的灵敏度、检测效果更好、对外界的抗干扰能力强等优点；

3、本实用新型利用音圈电机带动夹持装置的平动实现阵列扫描，其效率高、装置搭建简单且易于控制；

4、本实用新型能够保证激光光束投照到每根微悬臂梁自由端的能量为相同，保证条件一致，从而提高精度；

5、本实用新型中显微拉曼光谱单元具有灵活性高和优质信噪比的优势。

附图说明

图1为本实用新型整体结构示意图。

图2为本实用新型中微悬臂梁传感单元示意图。

图3为本实用新型中显微拉曼光谱单元示意图。

图4为本实用新型中显微拉曼光谱单元中观察光路示意图。

图5为本实用新型中显微拉曼光谱单元中激光光路示意图。

图中标号：1电源，2激光器，3激光导向装置，4微悬臂梁阵列，5压电陶瓷驱动器，6光电位置灵敏探测器，7第一计算机，8白光源，9半透半反镜，10物镜，11透镜套筒，12 为CCD传感器，13第二计算机，14拉曼激光器，15入射光纤，16准直器，17激光滤光片， 18二色向镜，19陷波滤光片，20耦合器，21出射光纤，22光谱仪，23为CCD图像处理器， 24第三计算机，25反射镜，26音圈电机，27函数信号发生器。

具体实施方式

参见图1，本实施例中一种用于获得痕量质量和分子结构信息的高通量探测装置是：由微悬臂梁传感单元和显微拉曼光谱单元构成。

参见图1和图2，本实施例在微悬臂梁传感单元中，多根微悬臂梁并列设置形成微悬臂梁阵列4，开启电源1，由激光器2发出的激光经激光导向装置3按设定的角度投向微悬臂梁阵列4；微悬臂梁阵列4固定设置在压电陶瓷驱动器5上，压电陶瓷驱动器5固定设置在音圈电机26上，由音圈电机26带动压电陶瓷驱动器5进行平动，从而带动微悬臂梁阵列4在沿微悬臂梁宽度方向上平移，使激光器2射出的激光光束随着微悬臂梁阵列4的平移逐一地投照在微悬臂梁阵列4中各微悬臂梁的自由端尖端部位，经尖端反射的激光反射光束由光电位置灵敏探测器6的接收靶面所接收；由压电陶瓷驱动器5激励微悬臂梁阵列4产生振荡，利用计算机7针对光电位置灵敏探测器6的输出信息进行数据处理，获得各微悬臂梁自由端的振动频率；当微悬臂梁自由端表面吸附有待测物时，其表面受力产生变化，由此引起微悬臂自由端的振动频率的变化，通过分析振动频率的变动量，获得待测物痕量质量的变化量。

显微拉曼光谱单元由分时工作的观察光路子单元和拉曼激光光路子单元构成；

参见图1、图3和图4，本实施例中观察光路子单元的结构形式是：白光源8输出的白光依次通过半透半反镜9和物镜10，使白光聚焦在微悬臂梁阵列4上，微悬臂梁阵列4上的白光反射光依次经过物镜10、半透半反镜9、反射镜25以及透镜套筒11传输到第一CCD传感器12，并利用与CCD传感器12联机的第二计算机13针对微悬臂梁进行观察，逐一获得各微悬臂梁自由端表面上样品的微观形貌。

参见图1、图3和图5，本实施例中拉曼激光光路子单元的结构形式是：拉曼激光器14 出射的激光经入射光纤15导入准直器16，经准直器16扩束后由激光滤光片17滤除杂散光，再经二色向镜18反射后通过物镜10聚焦在微悬臂梁阵列4的自由端表面，从微悬臂梁阵列 4反射的散射光经物镜10收集后透过二色向镜18，再由陷波滤光片19滤除瑞利杂散光获得拉曼散射光，拉曼散射光经耦合器20耦合到出射光纤21，并导入光谱仪22，在光谱仪22中经CCD图像处理器23后利用第三计算机24获得拉曼光谱，根据拉曼光谱谱图分析可得各微悬臂梁自由端表面上样品的分子结构信息。

具体实施中，微悬臂梁阵列4与压电陶瓷驱动器5构成动态微悬臂梁阵列，压电陶瓷驱动器5的驱动信号来自函数信号发生器27，通过调节函数信号发生器27的相关参数改变驱动信号，进而激励微悬臂梁阵列4产生振荡；在微悬臂梁自由端的表面修饰敏感分子，当被测物分子与敏感分子相接触时发生吸附效应，导致微悬臂梁的有效质量发生改变，微悬臂梁质量的增加将引起振动频率的降低，通过测量微悬臂梁的弯曲信号并经数据处理获得频率偏移量的大小，以此反映微悬臂梁吸附被测物分子质量的多少，能够获得纳米级分辨率和灵敏度。

相应的设置也包括：观察光路子单元和拉曼激光光路子单元利用物镜10构成同轴光路，半透半反镜9和反射镜25为插拔式可拆装器件；白光源8为冷光源；拉曼激光器14为单纵模激光器，波长采用785nm，适用于无机材料检测；激光滤光片17为激光窄带滤光片，用来滤除激光源中的等离子射线及其它杂散信号光，采用Semrock公司的MaxLine激光滤光片，其中心波长为785nm；二色向镜18采用Semrock公司的785nm的BrightLine单刃激光二色向镜；陷波滤光片19用于衰减或阻挡散射能量到达出射区，采用Semrock公司的785nmStopLine单陷波滤波片。

本实施例中的显微拉曼光谱单元由观察光路和激光光路两部分组成，其观察光路用于实现白光照明、显微观察样品全貌，或样品的测量区域，其功能等同于一个完整的光学显微镜，其结构简单紧凑，空间位置调整方便；整个外光路通过可插拔的半透半反镜和反射镜将观察光路和激光光路结合在一起，两者共用一个显微物镜，经过观察光路确定的样品位置，直接用拉曼进行分析，不需要移动样品或者仪器位置，简化操作，并提高准确性。在微悬臂梁传感中，激光光源必须照射在微悬臂梁尖端，但因微悬臂梁体积很小，人眼观察极不明显，试验前的调节十分困难，采用本实用新型中显微拉曼观察光路，可以轻松判断激光照射位置，并进行修正。

本实用新型中，整个外光路共用同一个显微物镜，通过可插拔的半透半反镜9和反射镜 25将观察光路和激光光路结合在一起，因此在进行拉曼信号的检测之前，需将半透半反镜9 和反射镜25拆除。

本实用新型中拉曼激光器14出射的激光在经准直器16扩束后进入装置，经激光滤光片 17滤除杂散光，再由二色向镜18反射到物镜10，并聚焦在微悬臂梁阵列4表面，从微悬臂梁阵列4返回的散射光再经物镜10收集，透过二色向镜18后再由陷波滤光片19过滤掉瑞利杂散光，留下的拉曼散射光由耦合器20耦合到出射光纤21，并导入光谱仪22，经处理得到拉曼光谱；有效利用光源能量、消除杂散光和瑞利散射光、最大程度地收集拉曼散射光。

拉曼光谱对于分子键合以及样品的结构非常灵敏，因而每种分子或样品都会有其特有的光谱“指纹”。这些“指纹”可以用来进行化学鉴别、形态与相以及组成成分等方面的研究和分析。

Claims (7)

1.一种用于获得痕量质量和分子结构信息的高通量探测装置，其特征是：由微悬臂梁传感单元和显微拉曼光谱单元构成；

在所述微悬臂梁传感单元中，多根微悬臂梁并列设置形成微悬臂梁阵列(4)，由激光器(2)发出的激光经激光导向装置(3)按设定的角度投向微悬臂梁阵列(4)；微悬臂梁阵列(4)固定设置在压电陶瓷驱动器(5)上，所述压电陶瓷驱动器(5)固定设置在音圈电机(26)上，由音圈电机(26)带动压电陶瓷驱动器(5)进行平动，从而带动微悬臂梁阵列(4)在沿微悬臂梁宽度方向上平移，使激光器(2)射出的激光光束随着微悬臂梁阵列(4)的平移逐一地投照在微悬臂梁阵列(4)中各微悬臂梁的自由端尖端部位，经尖端反射的激光反射光束由光电位置灵敏探测器(6)的接收靶面所接收；

所述显微拉曼光谱单元由观察光路子单元和拉曼激光光路子单元构成；

所述观察光路子单元的结构形式是：白光源(8)输出的白光依次通过半透半反镜(9)和物镜(10)，使白光聚焦在微悬臂梁阵列(4)上，微悬臂梁阵列(4)上的白光反射光依次经过物镜(10)、半透半反镜(9)、反射镜(25)以及透镜套筒(11)传输到CCD传感器(12)；

所述拉曼激光光路子单元的结构形式是：拉曼激光器(14)出射的激光经入射光纤(15)导入准直器(16)，经准直器(16)扩束后由激光滤光片(17)滤除杂散光，再经二色向镜(18)反射后通过物镜(10)聚焦在微悬臂梁阵列(4)的自由端表面，从微悬臂梁阵列(4)反射的散射光经物镜(10)收集后透过二色向镜(18)，再由陷波滤光片(19)滤除瑞利杂散光获得拉曼散射光，所述拉曼散射光经耦合器(20)耦合到出射光纤(21)，并导入光谱仪(22)。

2.根据权利要求1所述的一种用于获得痕量质量和分子结构信息的高通量探测装置，其特征是：所述观察光路子单元和拉曼激光光路子单元利用物镜(10)构成同轴光路，所述半透半反镜(9)和反射镜(25)为插拔式可拆装器件。

3.根据权利要求1所述的一种用于获得痕量质量和分子结构信息的高通量探测装置，其特征是：所述白光源(8)为冷光源。

4.根据权利要求1所述的一种用于获得痕量质量和分子结构信息的高通量探测装置，其特征是：所述拉曼激光器(14)为单纵模激光器，波长采用785nm。

5.根据权利要求1所述的一种用于获得痕量质量和分子结构信息的高通量探测装置，其特征是：所述激光滤光片(17)为激光窄带滤光片，用来滤除激光源中的等离子射线，采用Semrock公司的MaxLine激光滤光片，其中心波长为785nm。

6.根据权利要求1所述的一种用于获得痕量质量和分子结构信息的高通量探测装置，其特征是：所述二色向镜(18)采用Semrock公司的785nm的BrightLine单刃激光二色向镜。

7.根据权利要求1所述的一种用于获得痕量质量和分子结构信息的高通量探测装置，其特征是：所述陷波滤光片(19)用于衰减或阻挡散射能量到达出射区，采用Semrock公司的785nm StopLine单陷波滤波片。

Images