专利名称：一种用于测量分子间作用力的力谱仪的制作方法
技术领域：
本发明涉及仪器控制与检测。
背景技术：
生物分子间的相互作用在生物体内有着重要作用，如信号传导、物质输运和环境 响应等。因此测量生物分子间的相互作用是生物化学研究、医学检测等方面的重要必备手 段。目前主流的测量方法是通过等温滴定量热(isothermal titration calorimetry)和 表面等离子共振(surface plasmon resonance)等。近年来单分子力谱(single molecule force spectroscopy)的发展使得在单分子层面上测量生物分子间的相互作用成为可能。 单分子力谱需要能够定量表征到单个生物分子间的作用，必须要达到极高的力学分辨率和 距离分辨率。目前主要采用的方法是基于原子力显微镜(atomic force microscope,简称 AFM)、光镊(optical tweezers)和磁镊的测试方法。这些方法也相应地衍生了一系列的测 量仪器，但这些仪器的生产成本高、控制繁琐、操作和数据处理复杂，因而其在更广层面的 使用受到极大限制，目前还停留在实验室的科研应用之中。发明内容
本发明所要解决的问题是:原子力显微镜受热干扰以及手动下针操作难度高的问题。
为解决上述问题，本发明采用的方案如下:一种用于测量分子间作用力的力谱仪，包括测力部、采集控制电路、数据分析装置；测 力部包括:弹性悬臂、定位台、悬臂形变放大装置；弹性悬臂一端为固定端，另一端为动态 端；弹性悬臂动态端的下面为针尖；定位台为基于压电陶瓷的定位器；悬臂形变放大装置 包括:激光发生器、第一镜面、第二镜面、激光检测器；由激光发生器产生的激光，经第一镜 面的反射射到弹性悬臂动态端，再经弹性悬臂动态端的反射，激光射入第二镜面，再经第二 镜面反射进入激光检测器；采集控制电路连接所述的定位台、激光发生器、激光检测器；数 据分析装置连接采集控制电路。所述的测力部还安装有电动马达、LED灯、CXD成像装置； 所述的弹性悬臂固定端连接电动马达。所述的数据采集控制电路还包括比例积分微分控制 电路。
本发明的技术效果如下:1、光检测器信号通过时域有限差分(FDTD)算法，自动对高频噪声进行过滤，力的分辨 率在4-5 pN，接近热噪音的极限；距离的分辨率小于0.5纳米。
2、光检测器信号通过时域有限差分(FDTD)算法，自动对高频噪声进行过滤，从而 使得恒力模式的响应时间从2毫秒减低到0.7毫秒。
3、通过LED和电控制定位系统，从而可以在微悬臂发生热漂移后能够自动进行反 馈补偿，便于长时间进行测量。
4、通过CXD成像装置和LED光源，实现同时光学成像和力扫描。便于对活细胞样品表面的生物分子相互作用进行实验观测。
5、通过纳米分辨率的电动马达和压电陶瓷运动结合，实现微悬臂自动下针。自动 使微悬臂靠近基板，实现测量，变手动下针为自动下针，极大地降低操作难度。
图1是本发明的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步详细说明。
如图1所示，一种用于测量分子间作用力的力谱仪，包括数据分析装置1、采集控 制电路2、定位台3、弹性悬臂4、激光发生器51、第一镜面52、第二镜面53、激光检测器54、 LED灯61、CXD成像装置62。弹性悬臂4为一端固定端，另一端为动态端。弹性悬臂4动 态端的底下安装有针尖41，针尖41为氮化硅材料制成，动态端的上面为一镜面，用于反射 激光。弹性悬臂4的固定端固定在电动马达42上。电动马达42固定在机架7上。定位台 3是压电陶瓷定位器，即根据逆压电效应，通过控制加载在压电陶瓷上的电压控制压电陶瓷 的伸缩而制造的定位器。本发明的力谱仪是通过测量放置在定位台3上的生物分子材料31 与放置在弹性悬臂4的针尖41上的分子材料之间的作用力的装置，测量的方法是通过测试 弹性悬臂4的弯曲形变，再根据胡克定理计算作用力大小。而测量弹性悬臂4的形变则是通 过悬臂形变放大装置实现。上述的激光发生器51、第一镜面52、第二镜面53、激光检测器54 构成了悬臂形变放大装置。由激光发生器51产生的激光，经第一镜面52的反射射到弹性 悬臂动态端，再经弹性悬臂动态端的反射，激光射入第二镜面53，再经第二镜面53反射进 入激光检测器54。激光检测器中激光的位置是由悬臂形变程度放大，从而测量悬臂形变变 成了测量激光的位置，只要测得激光的位置即能测量悬臂形变，进而计算分子间的作用力。 为了精确控制，激光发生器51、第一镜面52、第二镜面53、激光检测器54都安装了相应电动 机动装置，可以在有限的范围内变换角度和位置，其相应的电动机动装置通过采集控制电 路2控制。LED灯即由发光二极管为发光源的灯。CXD成像装置即以电荷耦合器件(CXD) 作为光敏感器和光电转换器的成像设备。LED灯用于为弹性悬臂4动态端以及放置在定位 台3上的生物分子材料31提供照明，LED灯与CXD成像装置的结合，可以方便地自动把激 光聚焦到弹性悬臂4动态端上面的镜面上。本发明中所用的激光为830纳米红外激光，因 此LED灯的光源优选蓝光或绿光，以避免对红外激光产生干扰，同时C⑶成像装置前必须增 加对红光的滤光片。弹性悬臂4的固定端固定在电动马达42上，可以通过操控电动马达42 完成自动下针的操作。采集控制电路2实现模拟信号的采集、高频噪音的过滤、信号的模数 转化、实验指令的数模转化等功能，通过FPGA芯片编程以及电子元件完成。。采集控制电路 2包含了一比例积分微分电路，该电路实现了时域有限差分算法，可以自动地对采集到的光 检测信号去噪。
权利要求
1.一种用于测量分子间作用力的力谱仪，包括测力部、采集控制电路、数据分析装置； 测力部包括:弹性悬臂、定位台、悬臂形变放大装置；弹性悬臂一端为固定端，另一端为动 态端；弹性悬臂动态端的下面为针尖；定位台为压电陶瓷定位器；悬臂形变放大装置包括: 激光发生器、第一镜面、第二镜面、激光检测器；由激光发生器产生的激光，经第一镜面的反 射射到弹性悬臂动态端，再经弹性悬臂动态端的反射，激光射入第二镜面，再经第二镜面反 射进入激光检测器；采集控制电路连接所述的定位台、激光发生器、激光检测器；数据分析 装置连接采集控制电路；其特征在于:所述的测力部还安装有电动马达、LED灯、CCD成像装 置；所述的弹性悬臂固定端连接电动马达。
2.如权利要求1所述的用于测量分子间作用力的力谱仪，其特征在于，所述的数据采 集控制电路还包括比例积分微分控制电路。
全文摘要
本发明公开了一种用于测量分子间作用力的力谱仪，包括测力部、采集控制电路、数据分析装置；测力部包括弹性悬臂、定位台、悬臂形变放大装置、电动马达、LED灯、CCD成像装置；弹性悬臂一端为固定端，另一端为动态端；弹性悬臂动态端的下面为针尖；弹性悬臂固定端连接电动马达；定位台为压电陶瓷定位器；悬臂形变放大装置包括激光发生器、第一镜面、第二镜面、激光检测器；采集控制电路连接所述的定位台、激光发生器、激光检测器；数据分析装置连接采集控制电路；采集控制电路包括比例积分微分控制电路。本发明消除了悬臂热扰动；变手动下针为自动下针，极大地降低操作难度；并且悬臂发生热漂移后能够自动进行反馈补偿。
文档编号G01L1/04GK103207035SQ20131017727
公开日2013年7月17日 申请日期2013年5月14日 优先权日2013年5月14日
发明者曹毅, 秦猛, 邹大维 申请人:曹毅