專利名稱：球膜光學(xué)微納牛力檢測方法與系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及微納牛力檢測技術(shù)，更具體的說，是一種利用球膜光學(xué)干涉原理 檢測微納牛力的方法及系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
隨著微納米技術(shù)和生物醫(yī)學(xué)技術(shù)的發(fā)展，微生物體、細(xì)胞、分子簇等領(lǐng)域 nN級微力測量越來越受到人們的關(guān)注，微力傳感器的研究已成為一個新的研究 熱點。國內(nèi)外微力傳感器的研究大多基于硅片懸臂梁、Zn0壓電薄膜、PZT壓電 雙晶梁等作為敏感元件，測量精度可以達(dá)到-級，這種量級的力測量對微觀摩 擦現(xiàn)象觀測、液體表面張力分析等具有一定的作用，然而對于生物體微組織力測 量、細(xì)胞重量分類、分子簇重力測量就有點力不從心了，因為這種測量的力一般 在10~ 800nN級。
生物醫(yī)學(xué)上，對nN力測量當(dāng)前主要采用石英晶體生物傳感器，該傳感器將 壓電效應(yīng)與生物技術(shù)相結(jié)合，利用生物材料的高選擇性和壓電傳感器的高靈敏度 進(jìn)行測量，然而石英晶體生物傳感器存在著很大缺陷
a. 固定化技術(shù)比較困難，制備工藝復(fù)雜，成品率低，難以進(jìn)行批量生產(chǎn)；
b. 傳感器使用的穩(wěn)定性、 一致性和可靠性低，傳感器使用壽命一般只有幾 次，且測量精密度偏低；
c. 測定環(huán)境比較嚴(yán)格，傳感器抗干擾能力存在問題。
細(xì)胞的分類方法當(dāng)前只能通過生理外形(脫水狀態(tài)和正常生理狀態(tài))及細(xì)胞 的體積大小進(jìn)行判斷，對于同為病理狀態(tài)或生理狀態(tài)下體積相似的細(xì)胞就無法進(jìn) 行準(zhǔn)確分類。腫瘤主要療法之一的基因治療法就是對細(xì)胞分子進(jìn)行分類，依據(jù)病 理細(xì)胞外形的表征判斷細(xì)胞類型，但病理外形相似的腫瘤細(xì)胞，因分類困難而導(dǎo) 致臨床治療無法進(jìn)行。臨床觀察發(fā)現(xiàn)，不同病理細(xì)胞族群的密度是不一樣的，此 時如能準(zhǔn)確稱量出這種nN級別的病理細(xì)胞重力，將能很好地對腫瘤分子進(jìn)行分類，進(jìn)而有效對癥治療。除了腫瘤分子需要分類，醫(yī)學(xué)上的其他微細(xì)組織如酶、 抗體、微生物、病菌等都需要進(jìn)行分類。在傳統(tǒng)微力傳感器達(dá)不到測量精度，傳 統(tǒng)分類方法不能完全分類時，需要找到一種新的分類方法解決細(xì)胞分子的分類問 題，而這一問題也一直困擾著國內(nèi)外的生物學(xué)家和醫(yī)療研究工作者。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于，提供一種利用球膜光學(xué)干涉原理檢測微納牛力的方法及 系統(tǒng)，實現(xiàn)對微納牛力的檢測。
一種球膜光學(xué)微力檢測系統(tǒng)，其特征在于包括顯微鏡、利用吹氣活塞進(jìn)給 量控制球膜尺寸的一次性球膜發(fā)生機(jī)構(gòu)、用于在球膜上加載微粒子的微粒子加載 機(jī)構(gòu)、置于球膜檢測點位置的光纖傳感器、經(jīng)過光譜干涉儀與光纖傳感器U06) 相連的數(shù)據(jù)處理模塊。
一種釆用上述系統(tǒng)的球膜光學(xué)微力檢測方法，其特征在于包括以下過程 (1)、該方法采用的球膜為一次性球膜，由一次性球膜發(fā)生機(jī)構(gòu)產(chǎn)生， 一次性球 膜尺寸通過控制吹氣活塞的進(jìn)給量來控制；(2)、進(jìn)行球膜無載荷預(yù)檢測，得到 無載荷情況下球膜的光學(xué)干涉譜寬度；(3)、在顯微鏡下，利用微粒子加載機(jī)構(gòu) 加載微納牛級別的微粒子到球膜上；(4 )、試驗獲得的球膜厚度一般在50 ~ 700nm 范圍，在感受微力作用后，球膜產(chǎn)生變形，光纖傳感器對應(yīng)的檢測點位置的球膜 厚度發(fā)生改變，且檢測點位置發(fā)生微小滑移，導(dǎo)致檢測出的干涉譜寬度發(fā)生變化； (5)、光譜干涉儀檢測出干涉譜寬度的變化，并把檢測結(jié)果傳輸?shù)綌?shù)據(jù)處理模塊， 而這種微小變化反映的就是加載的微納牛級微粒子重力大??；(6)、在具體微納 級力檢測前，需先設(shè)計正交試驗，調(diào)整球膜厚度、球膜直徑，加載10 1000納 牛標(biāo)準(zhǔn)微粒子，檢測得到的對應(yīng)的干涉譜變化量，從而建立微作用力、球膜厚度、
球膜直徑、干涉譜變化量之間的關(guān)系方程Ax = /(F,&^0。
上述系統(tǒng)還可以包括一次性球膜消膜機(jī)構(gòu)。檢測結(jié)東后利用一次性球膜消膜 機(jī)構(gòu)對一次性球膜進(jìn)行消膜處理，避免球膜檢測結(jié)束后爆裂而污染檢測環(huán)境。
所述的一次性球膜可以為有機(jī)液化膜，該球膜用于生物醫(yī)學(xué)中無需回收的細(xì) 胞、細(xì)菌等的微納牛力檢測。比如肥皂泡。一種球膜光學(xué)微力檢測系統(tǒng)，其特征在于包括顯微鏡、球膜支架、用于在 球膜上加載微粒子的微粒子加載機(jī)構(gòu)、置于球膜檢測點位置的光纖傳感器、經(jīng)過 光譜干涉儀與光纖傳感器相連的數(shù)據(jù)處理模塊。
一種采用上述系統(tǒng)的球膜光學(xué)微力檢測方法，其特征在于包括以下過程 (l)、該方法釆用的球膜為重復(fù)性球膜；(2)、進(jìn)行球膜無載荷預(yù)檢測，得到無 載荷情況下球膜的光學(xué)干涉譜寬度；(3)、將某一直徑的球膜放置到球膜支撐機(jī) 構(gòu)上；(4)、在顯微鏡下，利用微粒子加載機(jī)構(gòu)加載微納牛級別的微粒子到球膜 上；(5)、球膜厚度在50 700nm,在感受微力作用后，球膜產(chǎn)生變形，光纖傳 感器對應(yīng)的檢測點位置的球膜厚度發(fā)生改變，且檢測點位置發(fā)生微小滑移，導(dǎo)致 檢測出的干涉譜寬度發(fā)生變化；(6)、光譜干涉儀檢測出干涉譜寬度的變化，并 把檢測結(jié)果傳輸?shù)綌?shù)據(jù)處理模塊，而這種微小變化反映的就是加載的微納牛級微 粒子重力大??；(7)、在具體微納級力檢測前，需先設(shè)計正交試驗，調(diào)整球膜厚 度、球膜直徑，加載10-iooo納牛標(biāo)準(zhǔn)微粒子，檢測得到的對應(yīng)的干涉譜變化 量，從而建立微作用力、球膜厚度、球膜直徑、干涉譜變化量之間的關(guān)系方程
Ax = /CP,W)。
所述的重復(fù)性球膜可以為高反射膜，它可將入射可見光波段能量的80%以 上反射回去，減少能量損失，提高光學(xué)檢測的精度，該球膜用于分子簇、微細(xì)血 管流動壓力等的微納牛力檢測。
針對生物醫(yī)學(xué)中微納牛力測量這一問題，本發(fā)明提出了球膜光學(xué)微力傳感器 的研究方法和測量思想，建立一套全新的球膜光學(xué)微力傳感器設(shè)計與檢測方法與 系統(tǒng)。設(shè)計正交試驗，調(diào)整球膜厚度、球膜直徑，加載10 - 1000納牛標(biāo)準(zhǔn)微粒 子，檢測得到的對應(yīng)的千涉譜變化量，從而建立微作用力、球膜厚度、球膜直徑、 干涉譜變化量之間的關(guān)系方程Ax = /(F,&c/)。利用該關(guān)系方程，最終實現(xiàn)微
納級力檢測的目的。與現(xiàn)有技術(shù)相比較，本發(fā)明采用球膜作為檢測微納牛力的傳 感元件，通過球膜的變形導(dǎo)致的球膜干涉譜的變化量來反映被檢測的微納牛力大 小，實現(xiàn)了實時可靠地檢測微納牛力。傳統(tǒng)薄膜檢測微納牛力的方法利用薄膜的 壓電效應(yīng)、微應(yīng)變、氣敏特性等進(jìn)行檢測，研制的薄膜微力傳感器存在一些共同 的缺點制備工藝復(fù)雜，成品率低；抗干擾性不強(qiáng)，檢測精度偏低；對環(huán)境要求 高，使用穩(wěn)定性、可靠性低，壽命短等。球膜傳感器綜合利用了球膜的微應(yīng)變與光學(xué)特性，可克服MEMS薄膜微力傳感器的缺陷，且實現(xiàn)高精度測量。釆用的一 次性球膜無需回收，對于待檢測的微粒子如微生物、細(xì)胞、DNA等一次性檢測微 粒子，檢測結(jié)東后由消膜機(jī)構(gòu)進(jìn)行消膜即可；對重復(fù)性球膜檢測結(jié)東后需要對球 膜進(jìn)行浸泡、清洗，整個檢測過程非常方便。


圖l是本發(fā)明的球膜光學(xué)微納牛力檢測裝置圖l中標(biāo)號名稱101-顯微鏡、102-微操作平臺、103-—次性球膜消膜機(jī)構(gòu)、 104-微粒子加載機(jī)構(gòu)、105-球膜、106-光纖傳感器、107-—次性球膜發(fā)生機(jī)構(gòu)、 108-光譜干涉儀、109-數(shù)據(jù)處理模塊。
具體實施例方式
下面結(jié)合附圖對本發(fā)明球膜光學(xué)微納牛力檢測方法和系統(tǒng)進(jìn)行說明。 如圖l所示，本發(fā)明的球膜光學(xué)微納牛力檢測方法和系統(tǒng)包括 顯微鏡101,裝載在微操作平臺上，在加載微粒子時用于放大觀察； 微操作平臺102,整個檢測過程都在微操作平臺上進(jìn)行，圖中的微操作平臺
主要指微操作平臺的物理架構(gòu)，用于裝載顯微鏡，作為微驅(qū)動機(jī)構(gòu)和微粒子夾持
機(jī)構(gòu)的剛體物理平臺；
一次性球膜消膜機(jī)構(gòu)103,檢測結(jié)束后，對一次性球膜進(jìn)行消膜，避免一次
性球膜破裂而污染檢測儀器和檢測環(huán)境；
微粒子加載機(jī)構(gòu)104,裝載在微操作平臺的剛體架構(gòu)上，包括微驅(qū)動機(jī)構(gòu)和
微粒子夾持機(jī)構(gòu)，實現(xiàn)微位移進(jìn)給和對微粒子的夾持與加載，確保微粒子正確加
載到球膜上， 一次性球膜要確保球膜不破裂；
球膜105,本發(fā)明的傳感元件， 一次性球膜是一種有機(jī)液化膜，重復(fù)性球膜 是高反膜，球膜厚度一般在50 700nm，在加載了納牛級微粒子后，球膜厚度和 檢測點發(fā)生變化，導(dǎo)致球膜干涉譜的變化，由干涉譜來反映加載微粒子的重力大
小；
光纖傳感器106，用于傳輸球膜干涉譜，球膜在點光源作用下在球膜的上下 表面形成干涉譜，該干涉譜通過光纖傳感器傳輸?shù)焦庾V干涉儀；一次性球膜發(fā)生機(jī)構(gòu)107,產(chǎn)生一次性球膜，球膜的直徑、厚度可通過該機(jī)
構(gòu)進(jìn)行控制；
光譜干涉儀108，對光纖傳感器傳輸過來的干涉譜進(jìn)行檢測，判斷干涉譜的
變化量，以此來反映被加載的微納牛力的大小。
數(shù)據(jù)處理模塊109,在球膜加載標(biāo)準(zhǔn)微粒子的情況下，預(yù)先建立了微納牛力、
球膜直徑、球膜厚度、干涉譜變化量的四參數(shù)關(guān)系方程，在加載被測微粒子后， 通過檢測到的干涉譜變化量得到被檢測的微納牛力的大小。
如圖1所示，檢測過程中，球膜光學(xué)微納牛力檢測方法實現(xiàn)步驟如下
步驟l:在微操作平臺102上開始一個檢測過程，釆用一次性球膜時，由一 次性球膜發(fā)生機(jī)構(gòu)107產(chǎn)生一次性球膜，球膜的大小根據(jù)經(jīng)驗進(jìn)行控制；采用重 復(fù)性球膜時，根據(jù)使用要求放置重復(fù)性球膜。
步驟2:在未加載待測微粒子前，光纖傳感器106檢測出一個空載情況下的 球膜干涉譜大小，傳輸給光譜干涉儀108,并把檢測到的干涉譜數(shù)字量信息存放 到數(shù)據(jù)處理模塊109,先行記錄下空載狀態(tài)下的干涉譜的大小；
步驟3:在顯微鏡101下，由微粒子加載機(jī)構(gòu)104進(jìn)行微生物細(xì)胞、DNA、 細(xì)菌等微納牛力的加載，并導(dǎo)致球膜105的檢測點球膜厚度變化、檢測點位置偏 移，這些變化最終反映出的是球膜干涉光譜的變化；
步驟4:由光纖傳感器106把球膜干涉光譜的大小傳輸給光譜干涉儀108, 并最終傳輸給數(shù)據(jù)處理模塊109;
步驟5:數(shù)據(jù)處理模塊109比較空載與加載狀態(tài)下的干涉譜大小，得到加載 前后的干涉譜變化量，而這一變化量反映的就是待測微粒子重力大小，根據(jù)預(yù)先 得到的微納牛力與干涉譜變化量之間的關(guān)系方程，實時給出加載的微納牛力。
步驟6:檢測結(jié)束，若采用一次性球膜，由一次性球膜消膜機(jī)構(gòu)103進(jìn)行消 膜處理，避免一次性球膜破裂而污染檢測儀器和檢測環(huán)境；若采用重復(fù)性球膜， 則取出球膜進(jìn)行浸泡、清洗。
權(quán)利要求
1、一種球膜光學(xué)微力檢測系統(tǒng)，其特征在于包括顯微鏡(101)、利用吹氣活塞進(jìn)給量控制球膜尺寸的一次性球膜發(fā)生機(jī)構(gòu)(107)、用于在球膜上加載微粒子的微粒子加載機(jī)構(gòu)(104)、置于球膜檢測點位置的光纖傳感器(106)、經(jīng)過光譜干涉儀(108)與光纖傳感器(106)相連的數(shù)據(jù)處理模塊(109)。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的球膜光學(xué)微力檢測系統(tǒng)，其特征在于該系統(tǒng)還 包括一次性球膜消膜機(jī)構(gòu)(103)。
3、 一種釆用權(quán)利要求1所述系統(tǒng)的球膜光學(xué)微力檢測方法，其特征在于包 括以下過程(1 )、該方法采用的球膜(105 )為 一次性球膜，由一次性球膜發(fā)生機(jī)構(gòu)(107 ) 產(chǎn)生， 一次性球膜尺寸通過控制吹氣活塞的進(jìn)給量來控制；(2) 、進(jìn)行球膜無載荷預(yù)檢測，得到無載荷情況下球膜的光學(xué)干涉譜寬度；(3) 、在顯微鏡(101)下，利用微粒子加載機(jī)構(gòu)(104)加載微納牛級別的 微粒子到球膜(105)上；(4) 、球膜(105)厚度在50 700rnn,在感受微力作用后，球膜產(chǎn)生變形， 光纖傳感器(106)對應(yīng)的檢測點位置的球膜厚度發(fā)生改變，且檢測點位置發(fā)生 微小滑移，導(dǎo)致檢測出的干涉譜寬度發(fā)生變化；(5) 、光譜干涉儀(108)檢測出干涉譜寬度的變化，并把檢測結(jié)果傳輸?shù)?數(shù)據(jù)處理模塊(109)，而這種微小變化反映的就是加載的微納牛級微粒子重力大小；(6) 、在具體微納級力檢測前，需先設(shè)計正交試驗，調(diào)整球膜厚度、球膜直 徑，加載10 - 1000納牛標(biāo)準(zhǔn)微粒子，檢測得到的對應(yīng)的干涉譜變化量，從而建 立微作用力、球膜厚度、球膜直徑、干涉譜變化量之間的關(guān)系方程 Ax = /(尸,W)。
4、 根據(jù)權(quán)利要求3所述的球膜光學(xué)微力檢測方法，其特征在于檢測結(jié)東 后利用一次性球膜消膜機(jī)構(gòu)(103)對一次性球膜進(jìn)行消膜處理。
5、 根據(jù)權(quán)利要求3所述的球膜光學(xué)微納牛力檢測的方法，其特征在于所 述的一次性球膜為有機(jī)液化膜，該球膜用于生物醫(yī)學(xué)中無需回收的細(xì)胞、細(xì)菌的 微納牛力檢測。
6、 一種球膜光學(xué)微力檢測系統(tǒng)，其特征在于包括顯微鏡UOl)、球膜支 架、用于在球膜上加載微粒子的微粒子加載機(jī)構(gòu)(104)、置于球膜檢測點位置的 光纖傳感器(106)、經(jīng)過光譜干涉儀(108)與光纖傳感器(106)相連的數(shù)據(jù)處 理模塊(109)。
7、 一種釆用權(quán)利要求6所述系統(tǒng)的球膜光學(xué)微力檢測方法，其特征在于包 括以下過程(1) 、該方法采用的球膜(105)為重復(fù)性球膜；(2) 、進(jìn)行球膜無載荷預(yù)檢測，得到無載荷情況下球膜的光學(xué)干涉譜寬度；(3) 、將某一直徑的球膜(105)放置到球膜支撐機(jī)構(gòu)上；(4) 、在顯微鏡(101)下，利用微粒子加載機(jī)構(gòu)(104)加載微納牛級別的 微粒子到球膜(105)上；(5) 、球膜(105)厚度在50 700nm,在感受微力作用后，球膜產(chǎn)生變形， 光纖傳感器U06)對應(yīng)的檢測點位置的球膜厚度發(fā)生改變，且檢測點位置發(fā)生 微小滑移，導(dǎo)致檢測出的干涉譜寬度發(fā)生變化；(6) 、光譜干涉儀(108)檢測出干涉譜寬度的變化，并把檢測結(jié)果傳輸?shù)?數(shù)據(jù)處理模塊(109),而這種微小變化反映的就是加載的微納牛級微粒子重力大??；(7) 、在具體微納級力檢測前，需先設(shè)計正交試驗，調(diào)整球膜厚度、球膜直 徑，加載10 1000納牛標(biāo)準(zhǔn)微粒子，檢測得到的對應(yīng)的干涉譜變化量，從而建 立微作用力、球膜厚度、球膜直徑、干涉譜變化量之間的關(guān)系方程 Ax = ,0 。
8、根據(jù)權(quán)利要求7所述的球膜光學(xué)微納牛力檢測的方法，其特征在于所述的重復(fù)性球膜為高反射膜，它可將入射可見光波段能量的80%以上反射回去, 減少能量損失，提高光學(xué)檢測的精度，該球膜用于分子簇、微細(xì)血管流動壓力的 微納牛力檢測。
全文摘要
本發(fā)明的球膜光學(xué)微納牛力檢測方法與系統(tǒng)，涉及微納牛力檢測技術(shù)領(lǐng)域。該方法在球膜干涉效應(yīng)下，通過變化球膜的直徑、厚度，由檢測的干涉譜變化量，實現(xiàn)作用在球膜上的微納牛力的檢測。該系統(tǒng)包括微操作平臺、微粒子加載機(jī)構(gòu)、點光源、光纖傳感器、光譜分析儀、數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)等幾大部分；還包括一次性球膜發(fā)生機(jī)構(gòu)或用于重復(fù)性球膜的球膜支架。本發(fā)明可為我國生物醫(yī)學(xué)、分子化學(xué)等微力檢測領(lǐng)域帶來巨大的經(jīng)濟(jì)效益和技術(shù)支持。
文檔編號G01N21/00GK101592592SQ200910032088
公開日2009年12月2日 申請日期2009年6月30日 優(yōu)先權(quán)日2009年6月30日
發(fā)明者凱 劉, 趙東標(biāo), 陸永華 申請人:南京航空航天大學(xué)