專利名稱：一種用于測量分子間作用力的力譜儀的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及儀器控制與檢測。
背景技術(shù)：
生物分子間的相互作用在生物體內(nèi)有著重要作用，如信號傳導(dǎo)、物質(zhì)輸運和環(huán)境 響應(yīng)等。因此測量生物分子間的相互作用是生物化學(xué)研究、醫(yī)學(xué)檢測等方面的重要必備手 段。目前主流的測量方法是通過等溫滴定量熱(isothermal titration calorimetry)和 表面等離子共振(surface plasmon resonance)等。近年來單分子力譜(single molecule force spectroscopy)的發(fā)展使得在單分子層面上測量生物分子間的相互作用成為可能。 單分子力譜需要能夠定量表征到單個生物分子間的作用，必須要達到極高的力學(xué)分辨率和 距離分辨率。目前主要采用的方法是基于原子力顯微鏡(atomic force microscope,簡稱 AFM)、光鑷(optical tweezers)和磁鑷的測試方法。這些方法也相應(yīng)地衍生了一系列的測 量儀器，但這些儀器的生產(chǎn)成本高、控制繁瑣、操作和數(shù)據(jù)處理復(fù)雜，因而其在更廣層面的 使用受到極大限制，目前還停留在實驗室的科研應(yīng)用之中。發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所要解決的問題是:原子力顯微鏡受熱干擾以及手動下針操作難度高的問題。
為解決上述問題，本發(fā)明采用的方案如下:一種用于測量分子間作用力的力譜儀，包括測力部、采集控制電路、數(shù)據(jù)分析裝置；測 力部包括:彈性懸臂、定位臺、懸臂形變放大裝置；彈性懸臂一端為固定端，另一端為動態(tài) 端；彈性懸臂動態(tài)端的下面為針尖；定位臺為基于壓電陶瓷的定位器；懸臂形變放大裝置 包括:激光發(fā)生器、第一鏡面、第二鏡面、激光檢測器；由激光發(fā)生器產(chǎn)生的激光，經(jīng)第一鏡 面的反射射到彈性懸臂動態(tài)端，再經(jīng)彈性懸臂動態(tài)端的反射，激光射入第二鏡面，再經(jīng)第二 鏡面反射進入激光檢測器；采集控制電路連接所述的定位臺、激光發(fā)生器、激光檢測器；數(shù) 據(jù)分析裝置連接采集控制電路。所述的測力部還安裝有電動馬達、LED燈、CXD成像裝置； 所述的彈性懸臂固定端連接電動馬達。所述的數(shù)據(jù)采集控制電路還包括比例積分微分控制 電路。
本發(fā)明的技術(shù)效果如下:1、光檢測器信號通過時域有限差分(FDTD)算法，自動對高頻噪聲進行過濾，力的分辨 率在4-5 pN，接近熱噪音的極限；距離的分辨率小于0.5納米。
2、光檢測器信號通過時域有限差分(FDTD)算法，自動對高頻噪聲進行過濾，從而 使得恒力模式的響應(yīng)時間從2毫秒減低到0.7毫秒。
3、通過LED和電控制定位系統(tǒng)，從而可以在微懸臂發(fā)生熱漂移后能夠自動進行反 饋補償，便于長時間進行測量。
4、通過CXD成像裝置和LED光源，實現(xiàn)同時光學(xué)成像和力掃描。便于對活細胞樣品表面的生物分子相互作用進行實驗觀測。
5、通過納米分辨率的電動馬達和壓電陶瓷運動結(jié)合，實現(xiàn)微懸臂自動下針。自動 使微懸臂靠近基板，實現(xiàn)測量，變手動下針為自動下針，極大地降低操作難度。


圖1是本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實施方式
下面結(jié)合附圖對本發(fā)明做進一步詳細說明。
如圖1所示，一種用于測量分子間作用力的力譜儀，包括數(shù)據(jù)分析裝置1、采集控 制電路2、定位臺3、彈性懸臂4、激光發(fā)生器51、第一鏡面52、第二鏡面53、激光檢測器54、 LED燈61、CXD成像裝置62。彈性懸臂4為一端固定端，另一端為動態(tài)端。彈性懸臂4動 態(tài)端的底下安裝有針尖41，針尖41為氮化硅材料制成，動態(tài)端的上面為一鏡面，用于反射 激光。彈性懸臂4的固定端固定在電動馬達42上。電動馬達42固定在機架7上。定位臺 3是壓電陶瓷定位器，即根據(jù)逆壓電效應(yīng)，通過控制加載在壓電陶瓷上的電壓控制壓電陶瓷 的伸縮而制造的定位器。本發(fā)明的力譜儀是通過測量放置在定位臺3上的生物分子材料31 與放置在彈性懸臂4的針尖41上的分子材料之間的作用力的裝置，測量的方法是通過測試 彈性懸臂4的彎曲形變，再根據(jù)胡克定理計算作用力大小。而測量彈性懸臂4的形變則是通 過懸臂形變放大裝置實現(xiàn)。上述的激光發(fā)生器51、第一鏡面52、第二鏡面53、激光檢測器54 構(gòu)成了懸臂形變放大裝置。由激光發(fā)生器51產(chǎn)生的激光，經(jīng)第一鏡面52的反射射到彈性 懸臂動態(tài)端，再經(jīng)彈性懸臂動態(tài)端的反射，激光射入第二鏡面53，再經(jīng)第二鏡面53反射進 入激光檢測器54。激光檢測器中激光的位置是由懸臂形變程度放大，從而測量懸臂形變變 成了測量激光的位置，只要測得激光的位置即能測量懸臂形變，進而計算分子間的作用力。 為了精確控制，激光發(fā)生器51、第一鏡面52、第二鏡面53、激光檢測器54都安裝了相應(yīng)電動 機動裝置，可以在有限的范圍內(nèi)變換角度和位置，其相應(yīng)的電動機動裝置通過采集控制電 路2控制。LED燈即由發(fā)光二極管為發(fā)光源的燈。CXD成像裝置即以電荷耦合器件(CXD) 作為光敏感器和光電轉(zhuǎn)換器的成像設(shè)備。LED燈用于為彈性懸臂4動態(tài)端以及放置在定位 臺3上的生物分子材料31提供照明，LED燈與CXD成像裝置的結(jié)合，可以方便地自動把激 光聚焦到彈性懸臂4動態(tài)端上面的鏡面上。本發(fā)明中所用的激光為830納米紅外激光，因 此LED燈的光源優(yōu)選藍光或綠光，以避免對紅外激光產(chǎn)生干擾，同時C⑶成像裝置前必須增 加對紅光的濾光片。彈性懸臂4的固定端固定在電動馬達42上，可以通過操控電動馬達42 完成自動下針的操作。采集控制電路2實現(xiàn)模擬信號的采集、高頻噪音的過濾、信號的模數(shù) 轉(zhuǎn)化、實驗指令的數(shù)模轉(zhuǎn)化等功能，通過FPGA芯片編程以及電子元件完成。。采集控制電路 2包含了一比例積分微分電路，該電路實現(xiàn)了時域有限差分算法，可以自動地對采集到的光 檢測信號去噪。
權(quán)利要求
1.一種用于測量分子間作用力的力譜儀，包括測力部、采集控制電路、數(shù)據(jù)分析裝置； 測力部包括:彈性懸臂、定位臺、懸臂形變放大裝置；彈性懸臂一端為固定端，另一端為動 態(tài)端；彈性懸臂動態(tài)端的下面為針尖；定位臺為壓電陶瓷定位器；懸臂形變放大裝置包括: 激光發(fā)生器、第一鏡面、第二鏡面、激光檢測器；由激光發(fā)生器產(chǎn)生的激光，經(jīng)第一鏡面的反 射射到彈性懸臂動態(tài)端，再經(jīng)彈性懸臂動態(tài)端的反射，激光射入第二鏡面，再經(jīng)第二鏡面反 射進入激光檢測器；采集控制電路連接所述的定位臺、激光發(fā)生器、激光檢測器；數(shù)據(jù)分析 裝置連接采集控制電路；其特征在于:所述的測力部還安裝有電動馬達、LED燈、CCD成像裝 置；所述的彈性懸臂固定端連接電動馬達。
2.如權(quán)利要求1所述的用于測量分子間作用力的力譜儀，其特征在于，所述的數(shù)據(jù)采 集控制電路還包括比例積分微分控制電路。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種用于測量分子間作用力的力譜儀，包括測力部、采集控制電路、數(shù)據(jù)分析裝置；測力部包括彈性懸臂、定位臺、懸臂形變放大裝置、電動馬達、LED燈、CCD成像裝置；彈性懸臂一端為固定端，另一端為動態(tài)端；彈性懸臂動態(tài)端的下面為針尖；彈性懸臂固定端連接電動馬達；定位臺為壓電陶瓷定位器；懸臂形變放大裝置包括激光發(fā)生器、第一鏡面、第二鏡面、激光檢測器；采集控制電路連接所述的定位臺、激光發(fā)生器、激光檢測器；數(shù)據(jù)分析裝置連接采集控制電路；采集控制電路包括比例積分微分控制電路。本發(fā)明消除了懸臂熱擾動；變手動下針為自動下針，極大地降低操作難度；并且懸臂發(fā)生熱漂移后能夠自動進行反饋補償。
文檔編號G01L1/04GK103207035SQ20131017727
公開日2013年7月17日 申請日期2013年5月14日 優(yōu)先權(quán)日2013年5月14日
發(fā)明者曹毅, 秦猛, 鄒大維 申請人:曹毅