生物微样品测量系统的制作方法
【专利摘要】本实用新型涉及一种精密测量仪器的制作【技术领域】，更具体地，涉及一种生物微样品测量系统，包括力学加载模块、电测量模块、显微成像模块、计算机控制模块，所述的力学加载模块、电测量模块、显微成像模块分别与计算机控制模块电连接。本实用新型力学加载模块、电测量模块、显微成像模块分别与计算机控制模块电连接的设置是为了用计算机来控制所述的力学加载模块、电测量模块、显微成像模块快速精确完成操作以及进行自动修正，节省时间，且生物微样品测量系统测量范围大，测量精度高，操作简单，使用方便，集测量与显微成像与一体，具有很高的经济效益和社会效益。
【专利说明】生物微样品测量系统
【技术领域】
[0001]本实用新型涉及一种精密测量仪器的制作【技术领域】，更具体地，涉及一种生物微样品测量系统。
【背景技术】
[0002]生物力学刺激细胞分化、诱导生长、生物电传导等课题的研究是当今科研界的研究热点，对于如何在体外模拟细胞骨架所受到的微力刺激、以及将所受的力学刺激产生的生物电信号实时测量是科研界目前面临的一大难题。生物医学科研领域的微力操作及生物电测量仪器可以解决这一难题。国内高校和科研院如中国科学院、中国科技大学、重庆大学、浙江大学等单位在微观力测量方面也进行了很多理论和应用研究，但是基本上都处于理论的研究阶段，仪器的设计与制造很欠缺。
[0003]目前国外也有微样品测量的研究，例如原子力显微镜、纳米压痕仪以及微力测试系统。原子力显微镜虽然可以进行微样品的测量，但是主要是对微样品微观形貌的检测且其最大工作载荷只能达到lmN。纳米压痕仪也可以进行微样品的测量，但是主要是对材料表面力学性质检测且最大工作载荷只能达到12.6mN。微力测试系统可以对样品进行微米级测量，但是不具备微米级样品试验所需要的显微成像、微操作、生物电测量等综合功能。
实用新型内容
[0004]本实用新型为克服上述现有技术所述的至少一种缺陷，提供一种生物微样品测量系统，生物微样品测量系统测量范围大，测量精度高，操作简单，使用方便，且集测量与显微成像与一体，具有很高的经济效益和社会效益。
[0005]为解决上述技术问题，本实用新型采用的技术方案是:
[0006]提供一种生物微样品测量系统，包括力学加载模块、电测量模块、显微成像模块、计算机控制模块，所述的力学加载模块、电测量模块、显微成像模块分别与计算机控制模块电连接。
[0007]本实用新型生物微样品测量系统上设置有力学加载模块、电测量模块、显微成像模块、计算机控制模块，具体为力学加载模块、电测量模块、显微成像模块分别与计算机控制模块电连接。力学加载模块、电测量模块、显微成像模块分别与计算机控制模块电连接是为了用计算机来控制所述的力学加载模块、电测量模块、显微成像模块完成测量成像操作以及进行自动修正，使所述的力学加载模块、电测量模块、显微成像模块能够快速精确的完成操作，且节省时间。
[0008]改进之一，所述力学加载模块包括夹具模块、定位模块、微力加载模块，所述夹具模块、定位模块、微力加载模块分别与计算机控制模块电连接。夹具模块的设置是为了用来对样品进行夹持，以便后续测量的进行。定位模块的设置是为了对样品进行快速精确的定位，便于微力加载模块的进行。微力加载模块的设置是为了对生物微样品进行力学加载，使生物微样品受到力的刺激作用。计算机控制模块的设置是为了使夹具模块、定位模块、微力加载模块一体化完成，同时使这三大模块相互制约，更加准确的完成操作。
[0009]优选地，所述的夹具模块设有套环夹具位、磁铁夹具位、薄膜夹具位、培养皿夹具位，套环夹具位、磁铁夹具位、薄膜夹具位、培养皿夹具位分别位于夹具模块的四个方位。夹具模块设置四个夹具位是为了完成对不同生物样品的夹持。其中套环夹具位和磁铁夹具位是用于对纤维、微血管等一维样品的夹持，薄膜夹具位是用于对明胶薄膜、水凝胶薄膜等二维样品的夹持，培养皿夹具位是用于对块状等三维样品的夹持。套环夹具位、磁铁夹具位、薄膜夹具位、培养皿夹具分别位于夹具模块的四个方位是为了便于区别不同生物样品放置的位置。
[0010]优选地，所述磁铁夹具位、薄膜夹具位、培养皿夹具位分别位于夹具模块上表面其中三个方位，套环夹具位位于夹具模块的第四方位的侧壁。套环夹具位设置在夹具模块的第四方位的侧壁是为了便于对环形样品的夹持。
[0011 ] 优选地，所述定位模块包括直线电机和压电陶瓷促进器两个驱动元件，所述直线电机和压电陶瓷器电连接计算机控制模块，所述直线电机完成粗定位，所述压电陶瓷器完成精定位。直线电机和压电陶瓷促进器的设置是为了完成微生物样品的定位，便于后续工作的进行。利用计算机控制模块来控制直线电机与压电陶瓷促进器来完成对生物微样品的定位，压电陶瓷促进器内置感应装置用来反馈定位信息，然后再通过计算机控制模块来控制定位模块进行样品定位的修正。
[0012]优选地，所述微力加载模块包括直线电机、压电陶瓷促进器、微力传感器、数据采集卡、控制单元。所述直线电机、压电陶瓷促进器、微力传感器与控制单元电连接，控制单元与计算机控制模块电连接，所述压电陶瓷促进器内部设置有感应装置，所述微力传感器用来进行加载力的测量，所述控制单元控制装置的力学加载。微力加载模块的设置是为了完成生物微样品受力刺激的过程。利用直线电机与压电陶瓷促进器完成向生物微样品的移动定位过程，压电陶瓷促进器可以带动微力传感器运动，微力传感器可以感应所加载的力学信号然后反馈到控制单元，最后在计算机上显示加载的力学信息。数据采集卡及控制单元根据设定的数据(如恒应力加载等)控制压电陶瓷促进器向下运动对生物微样品施加力的作用，同时压电陶瓷内部位移传感器和压电陶瓷促进器下端的微力传感器会反馈位移和力学信息给数据采集卡及控制单元。
[0013]改进之二，所述电测量模块包括用来对生物样品细胞进行电测量的生物微针电极与用来对测量的信号进行采集存储的信号采集卡，所述生物微针电极、信号采集卡与计算机控制模块电连接。电测量模块的设置是为了完成生物样品的细胞受到加载力刺激所产生的电信号的测量，实现细胞水平上对生物电信号的测量。在力学加载模块对生物微样品实施力学加载时，电测量模块的生物微针电极插到生物样品细胞的附近或插入细胞体内，产生的生物电信号会通过微电极反馈回来，用信号采集卡来采集细胞群或单个细胞的生物电信号，然后传输到计算机上进行显示。信号采集卡及计算机控制模块控制生物微针电极，使生物微针电极插入生物微样品目的位置，当生物微样品受到微力加载时，产生的生物电信号会通过生物微针电极反馈回数据采集卡及计算机控制单元。
[0014]改进之三，所述显微成像模块包括用来对生物微样品进行放大装置、用于采集经放大装置放大后的生物微样品的相机、图像采集卡、伺服电机，伺服电机驱动相机实现调焦，所述放大装置、相机、图像采集卡、伺服电机与计算机控制模块电连接。显微成像模块的设置是为了搜集生物样品细胞的图像信号与微力传感器探头的图像信号，然后通过计算机显示，对比出微力传感器探头和生物样品细胞在高度上的位置关系，然后进行参数设置，控制伺服电机的移动，以便对微力传感器探头精确定位，准确测量加载力。
[0015]与现有技术相比，本实用新型的有益效果是:
[0016]本实用新型生物微样品测量系统上设置有力学加载模块、电测量模块、显微成像模块、计算机控制模块，力学加载模块、电测量模块、显微成像模块分别与计算机控制模块电连接。电连接设置是为了用计算机来控制所述的力学加载模块、电测量模块、显微成像模块完成操作以及进行自动修正，使所述的力学加载模块、电测量模块、显微成像模块能够快速精确的完成操作，节省时间，且生物微样品测量系统测量范围大，测量精度高，操作简单，使用方便，集测量与显微成像与一体，具有很高的经济效益和社会效益。
【专利附图】
【附图说明】
[0017]图1为生物微样品测量系统的结构示意图。
[0018]图2为生物微样品测量系统的使用流程图。
[0019]图3为夹具模块示意图。
[0020]图4为样品定位台示意图。
[0021]图5为微力加载模块示意图。
[0022]图6为微力加载模块功能实现电路框图。
[0023]图7为电测量模块功能实现电路框图。
[0024]图8为显微成像模块示意图。
[0025]图9为显微成像模块功能实现电路框图。
【具体实施方式】
[0026]下面结合【具体实施方式】对本实用新型作进一步的说明。其中，附图仅用于示例性说明，表示的仅是示意图，而非实物图，不能理解为对本专利的限制；为了更好地说明本实用新型的实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；对本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。
[0027]本实用新型实施例的附图中相同或相似的标号对应相同或相似的部件；在本实用新型的描述中，需要理解的是，若有术语“上”、“下”、“左”、“右”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此附图中描述位置关系的用语仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。
[0028]实施例1
[0029]如图1至图9所示为本实用新型生物微样品测量系统第一实施例。如图1至图2所示，生物微样品测量系统包括力学加载模块1、电测量模块2、显微成像模块3、计算机控制模块4，力学加载模块1、电测量模块2、显微成像模块3分别与计算机控制模块4电连接。具体的，力学加载模块I包括夹具模块11、定位模块12、微力加载模块13，夹具模块11、定位模块12、微力加载模块13分别与计算机控制模块4电连接。力学加载模块1、电测量模块2、显微成像模块3分别与计算机控制模块4电连接是为了用计算机来控制所述的力学加载模块1、电测量模块2、显微成像模块3完成测量成像操作以及进行自动修正，使所述的力学加载模块1、电测量模块2、显微成像模块3能够快速精确的完成操作，且节省时间。夹具模块11的设置是为了用来对样品进行夹持，以便后续测量的进行。定位模块12的设置是为了对样品进行快速精确的定位，便于微力加载模块13的进行。微力加载模块13的设置是为了对生物微样品进行力学加载，使生物微样品受到力的刺激作用。本实施例中选用的生物微样品是荧光染料染细胞核后的骨髓间充质干细胞群。
[0030]其中，如图3所示，夹具模块11设有套环夹具位111、磁铁夹具位112、薄膜夹具位113、培养皿夹具位114，夹具位不同是用于对不同样品的夹持，本实施例中选用培养皿夹具位114。磁铁夹具位112、薄膜夹具位112、培养皿夹具114位分别位于夹具模块11上表面其中三个方位，套环夹具位111位于夹具模块的第四方位的侧壁。本实施例中生物样品位于夹具模块11的上表面。
[0031]如图5所示，定位模块12包括直线电机121和压电陶瓷促进器122两个驱动元件，直线电机121和压电陶瓷器122电连接计算机控制模块4，直线电机121完成粗定位，压电陶瓷促进器122完成精定位。直线电机121和压电陶瓷促进器122的设置是为了完成微生物样品的定位，便于后续工作的进行。利用计算机控制模块4控制直线电机121与压电陶瓷促进器122完成生物微样品的定位，压电陶瓷促进器122内置感应装置用来反馈定位信息，然后再通过计算机控制模块4控制定位模块12进行样品定位的修正。如图4所示，定位模块12正下方设置的是样品定位台，样品定位台上设置有XYZ手动滑台A、XY微米定位台B、XY纳米定位台C，利用XYZ手动滑台A将样品粗调到压电陶瓷促进器122以及微力传感器133的正下方，通过计算机控制XY微米定位台B以及XY纳米定位台C将样品细调到目的位置，工作台上设置有倒置荧光显微镜，可以利用其观测微样品水平方向的位置，通过计算机控制模块4来控制XY微米定位台B以及XY纳米定位台C完成XY轴方向的定位；利用计算机控制模块4控制直线电机121的运动完成Z轴的定位。实施例中定位模块12的参数为快速定位步距为50 μ m，快速定位速度为100 μ m/s，精确定位步距为200 nm，精确定位速度为200nm/s，位移与力信号采集通道采样频率为2 KHz0
[0032]如图5所示，微力加载模块13包括直线电机121、压电陶瓷促进器122、微力传感器133、数据采集卡、控制单元。直线电机121、压电陶瓷促进器122、微力传感器133、采集卡电连接控制单元，压电陶瓷促进器122内部设置有感应装置位移传感器可以感应位移的变化，微力传感器133用来进行加载力的测量，数据采集卡用于对位移变化信号和加载力信号的采集，控制单元用于控制装置的力学加载。微力加载模块13的设置是为了完成生物微样品受力刺激与测量的过程。利用直线电机121与压电陶瓷促进器122完成向生物微样品的移动定位过程，压电陶瓷促进器122可以带动微力传感器133运动，微力传感器133可以感应所加载的力学信号然后经过数据采集卡采集反馈到控制单元可以进行样品加载力的控制，实现恒速、恒应力、恒应变、恒加速、疲劳等各种力学加载模式，最后在计算机上显示加载的力学信息与位移信息，反应生物微样品的力学特征。如图6所示，数据采集卡及控制单元根据设定的数据(如恒应力加载等)控制压电陶瓷促进器122向下运动对生物微样品施加力的作用，同时压电陶瓷内部位移传感器和压电陶瓷促进器下端的微力传感器133会反馈位移和力学信息给数据采集卡及控制单元。[0033]另外，如图7所示，电测量模块2包括生物微针电极21与信号采集卡，生物微针电极21用来对生物样品细胞进行电测量，信号采集卡用来对测量的信号进行采集。电测量模块2的设置是用于对生物样品的细胞受到加载力刺激所产生的电信号进行测量，实现细胞水平上对生物电信号的测量。在力学加载模块I对生物微样品实施力学加载时，电测量模块2的生物微针电极21插到生物样品细胞的附近或插入细胞体内，用信号采集卡来采集细胞群或单个细胞的生物电信号，然后传输到计算机上进行显示。信号采集卡及计算机控制模块4控制生物微针电极21，使生物微针电极21插入生物微样品目的位置，当生物微样品受到微力加载时，产生的生物电信号会通过生物微针电极21反馈回数据采集卡及计算机控制模块4。
[0034]如图8至图9所示，显微成像模块3由放大装置31、相机32、图像采集卡、伺服电机。放大装置31用来对生物微样品进行放大，相机32用来对生物样品进行图像采集，图像采集卡用来对采集的图像信号进行处理，伺服电机用来对显微成像模块进行移动定位。显微成像模块3的设置是为了搜集生物样品细胞的图像信号与微力传感器133探头的图像信号，然后通过计算机显示出微力传感器133的探头和生物样品细胞在高度上的位置关系，最后进行参数设置，控制伺服电机的移动，以便对微力传感器133探头精确定位，准确测量加载力。图9中，执行系统是伺服电机，光学系统是放大装置31，CCD为相机32的感光器。
[0035]本实用新型的具体实施方法如下:首先将荧光染料染细胞核后的骨髓间充质干细胞群放入夹具模块11的培养皿夹具位114里并放置水平。
[0036]其次在计算机控制面板上设置定位参数，设定快速定位步距为50 μ m,快速定位速度为100 μ m/s，精确定位步距为200 nm，精确定位速度为200nm/s，位移与力信号采集通道采样频率为2 KHz，还需设置生物样品的测试环境参数，温度设定为37°C，二氧化碳浓度设定为5%，湿度为95%。然后调节外界设备倒置荧光显微镜的操纵杆使与显微镜载物台相连的夹具模块11中的细胞群样品位于显微镜视野中央，通过显微镜机身的各项操作按钮调节物镜距离、透射照明等参数，使计算机显示清晰的细胞样品图像。
[0037]然后根据荧光显微镜反馈的图像信息进行定位，在计算机控制面板中轴选择选项中选择X、Y轴，根据倒置荧光显微镜反馈的图像信息，点击界面的“快进”或“慢进”调节定位模块12，使微力传感器133探头在X轴、Y轴两个方向与细胞群微样品重合；在轴选择选项中选择Z轴，点击界面的“快进”或“慢进”调节定位模块12，使微力传感器133尽量在Z轴方向与细胞群微样品接近，但不接触。
[0038]还需在控制面板中设置微力加载模块13中的一些参数，设定力学加载速度为200nm/s，加载距离为50 μ m，点击“开始加载”，力学加载极限为IN。压电陶瓷促进器122带动微力传感器133按照设定加载参数向细胞群样品接近，在微力传感器133接触细胞样品瞬间，产生力学信号突变，此时表示测试正式开始。加载一直持续，直到达到设定距离或超过力学加载极限或人工点击“加载停止”键，结束对细胞样品的力学加载。压电陶瓷促进器122内置的位移传感器测量位移信号，微力传感器133测量力学信号。然后通过数据采集卡进行位移与受力信号的数据采集并传输到计算机上显示。
[0039]同时，根据计算机控制面板上的数据参数调节电测量模块2的生物微针电极21，使生物微针电极21准确插入细胞群样品附近或者直接插入细胞内。在微力加载模块13对细胞样品施加微力加载的同时将生物微针电极21准确插入细胞群样品附近或者直接插入细胞内，利用信号采集卡对所测得电信号进行数据采集并保存数据，然后传输到计算机上显不O
[0040]最后，显微成像模块3中放大装置31的高倍放大镜对微力传感器133探头与细胞样品进行光学放大，相机32将放大后的光学信号转化为数字图像信号，图像采集卡对图像信号进行预处理，计算机利用图像清晰度评价函数对图像信号作进一步处理并根据处理结果驱动伺服电机调整镜头使其定位在最佳成像位置，计算机将显示具有高清晰度的微力传感器133探头和细胞样品在高度方向的位置关系。
[0041]显然，本实用新型的上述实施例仅仅是为清楚地说明本实用新型所作的举例，而并非是对本实用新型的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本实用新型的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本实用新型权利要求的保护范围之内。
【权利要求】
1.一种生物微样品测量系统，其特征在于，包括力学加载模块、电测量模块、显微成像模块、计算机控制模块，所述的力学加载模块、电测量模块、显微成像模块分别与计算机控制丰吴块电连接。
2.根据权利要求1所述的生物微样品测量系统，其特征在于，所述力学加载模块包括夹具模块、定位模块、微力加载模块，所述夹具模块、定位模块、微力加载模块分别与计算机控制模块电连接。
3.根据权利要求2所述的生物微样品测量系统，其特征在于，所述夹具模块设有套环夹具位、磁铁夹具位、薄膜夹具位、培养皿夹具位，套环夹具位、磁铁夹具位、薄膜夹具位、培养皿夹具位分别位于夹具模块的四个方位。
4.根据权利要求3所述的生物微样品测量系统，其特征在于，所述磁铁夹具位、薄膜夹具位、培养皿夹具位分别位于夹具模块上表面其中三个方位，套环夹具位位于夹具模块的第四方位的侧壁。
5.根据权利要求2所述的生物微样品测量系统，其特征在于，所述定位模块包括直线电机和压电陶瓷促进器两个驱动元件，所述直线电机和压电陶瓷促进器与计算机控制模块电连接。
6.根据权利要求2所述的生物微样品测量系统，其特征在于，所述微力加载模块包括直线电机、压电陶瓷促进器、微力传感器、数据采集卡、控制单元；所述直线电机、压电陶瓷促进器、微力传感器与控制单元电连接，所述压电陶瓷促进器内部设置有感应装置，所述微力传感器用来进行加载力的测量，所述控制单元控制测量系统的力学加载。
7.根据权利要求1所述的生物微样品测量系统，其特征在于，所述电测量模块包括用来对生物样品细胞进行电测量的生物微针电极与用来对测量的信号进行采集存储的信号采集卡，所述生物微针电极、信号采集卡与计算机控制模块电连接。
8.根据权利要求1所述的生物微样品测量系统，其特征在于，所述显微成像模块包括用来对生物微样品进行放大的放大装置、用于采集经放大装置放大后的生物微样品的相机、图像采集卡、伺服电机，伺服电机驱动相机实现调焦，所述放大装置、相机、图像采集卡、伺服电机与计算机控制模块电连接。
【文档编号】G01N35/00GK203432983SQ201320587459
【公开日】2014年2月12日 申请日期:2013年9月23日 优先权日:2013年9月23日
【发明者】蒋庆, 蒋乐伦, 陈珂云, 凌金田, 潘程枫 申请人:中山大学