球膜光学微纳牛力检测方法与系统技术方案

本发明专利技术的球膜光学微纳牛力检测方法与系统，涉及微纳牛力检测技术领域。该方法在球膜干涉效应下，通过变化球膜的直径、厚度，由检测的干涉谱变化量，实现作用在球膜上的微纳牛力的检测。该系统包括微操作平台、微粒子加载机构、点光源、光纤传感器、光谱分析仪、数据处理系统等几大部分；还包括一次性球膜发生机构或用于重复性球膜的球膜支架。本发明专利技术可为我国生物医学、分子化学等微力检测领域带来巨大的经济效益和技术支持。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及微纳牛力检测技术，更具体的说，是一种利用球膜光学干涉原理 检测微纳牛力的方法及系统。
技术介绍
随着微纳米技术和生物医学技术的发展，微生物体、细胞、分子簇等领域 nN级微力测量越来越受到人们的关注，微力传感器的研究已成为一个新的研究 热点。国内外微力传感器的研究大多基于硅片悬臂梁、Zn0压电薄膜、PZT压电 双晶梁等作为敏感元件，测量精度可以达到-级，这种量级的力测量对微观摩 擦现象观测、液体表面张力分析等具有一定的作用，然而对于生物体微组织力测 量、细胞重量分类、分子簇重力测量就有点力不从心了，因为这种测量的力一般 在10~ 800nN级。生物医学上，对nN力测量当前主要采用石英晶体生物传感器，该传感器将 压电效应与生物技术相结合，利用生物材料的高选择性和压电传感器的高灵敏度 进行测量，然而石英晶体生物传感器存在着很大缺陷a. 固定化技术比较困难，制备工艺复杂，成品率低，难以进行批量生产；b. 传感器使用的稳定性、 一致性和可靠性低，传感器使用寿命一般只有几 次，且测量精密度偏低；c. 测定环境比较严格，传感器抗干扰能力存在问题。细胞的分类方法当前只能通过生理外形(脱水状态和正常生理状态)及细胞 的体积大小进行判断，对于同为病理状态或生理状态下体积相似的细胞就无法进 行准确分类。肿瘤主要疗法之一的基因治疗法就是对细胞分子进行分类，依据病 理细胞外形的表征判断细胞类型，但病理外形相似的肿瘤细胞，因分类困难而导 致临床治疗无法进行。临床观察发现，不同病理细胞族群的密度是不一样的，此 时如能准确称量出这种nN级别的病理细胞重力，将能很好地对肿瘤分子进行分类，进而有效对症治疗。除了肿瘤分子需要分类，医学上的其他微细组织如酶、 抗体、微生物、病菌等都需要进行分类。在传统微力传感器达不到测量精度，传 统分类方法不能完全分类时，需要找到一种新的分类方法解决细胞分子的分类问 题，而这一问题也一直困扰着国内外的生物学家和医疗研究工作者。
技术实现思路
本专利技术的目的在于，提供一种利用球膜光学干涉原理检测微纳牛力的方法及 系统，实现对微纳牛力的检测。一种球膜光学微力检测系统，其特征在于包括显微镜、利用吹气活塞进给 量控制球膜尺寸的一次性球膜发生机构、用于在球膜上加载微粒子的微粒子加载 机构、置于球膜检测点位置的光纤传感器、经过光谱干涉仪与光纤传感器U06) 相连的数据处理模块。一种釆用上述系统的球膜光学微力检测方法，其特征在于包括以下过程 (1)、该方法采用的球膜为一次性球膜，由一次性球膜发生机构产生， 一次性球 膜尺寸通过控制吹气活塞的进给量来控制；(2)、进行球膜无载荷预检测，得到 无载荷情况下球膜的光学干涉谱宽度；(3)、在显微镜下，利用微粒子加载机构 加载微纳牛级别的微粒子到球膜上；(4 )、试验获得的球膜厚度一般在50 ~ 700nm 范围，在感受微力作用后，球膜产生变形，光纤传感器对应的检测点位置的球膜 厚度发生改变，且检测点位置发生微小滑移，导致检测出的干涉谱宽度发生变化； (5)、光谱干涉仪检测出干涉谱宽度的变化，并把检测结果传输到数据处理模块， 而这种微小变化反映的就是加载的微纳牛级微粒子重力大小；(6)、在具体微纳 级力检测前，需先设计正交试验，调整球膜厚度、球膜直径，加载10 1000纳 牛标准微粒子，检测得到的对应的干涉谱变化量，从而建立微作用力、球膜厚度、球膜直径、干涉谱变化量之间的关系方程Ax = /(F,&^0。上述系统还可以包括一次性球膜消膜机构。检测结東后利用一次性球膜消膜 机构对一次性球膜进行消膜处理，避免球膜检测结束后爆裂而污染检测环境。所述的一次性球膜可以为有机液化膜，该球膜用于生物医学中无需回收的细 胞、细菌等的微纳牛力检测。比如肥皂泡。一种球膜光学微力检测系统，其特征在于包括显微镜、球膜支架、用于在 球膜上加载微粒子的微粒子加载机构、置于球膜检测点位置的光纤传感器、经过 光谱干涉仪与光纤传感器相连的数据处理模块。一种采用上述系统的球膜光学微力检测方法，其特征在于包括以下过程 (l)、该方法釆用的球膜为重复性球膜；(2)、进行球膜无载荷预检测，得到无 载荷情况下球膜的光学干涉谱宽度；(3)、将某一直径的球膜放置到球膜支撑机 构上；(4)、在显微镜下，利用微粒子加载机构加载微纳牛级别的微粒子到球膜 上；(5)、球膜厚度在50 700nm,在感受微力作用后，球膜产生变形，光纤传 感器对应的检测点位置的球膜厚度发生改变，且检测点位置发生微小滑移，导致 检测出的干涉谱宽度发生变化；(6)、光谱干涉仪检测出干涉谱宽度的变化，并 把检测结果传输到数据处理模块，而这种微小变化反映的就是加载的微纳牛级微 粒子重力大小；(7)、在具体微纳级力检测前，需先设计正交试验，调整球膜厚 度、球膜直径，加载10-iooo纳牛标准微粒子，检测得到的对应的干涉谱变化 量，从而建立微作用力、球膜厚度、球膜直径、干涉谱变化量之间的关系方程Ax = /CP,W)。所述的重复性球膜可以为高反射膜，它可将入射可见光波段能量的80%以 上反射回去，减少能量损失，提高光学检测的精度，该球膜用于分子簇、微细血 管流动压力等的微纳牛力检测。针对生物医学中微纳牛力测量这一问题，本专利技术提出了球膜光学微力传感器 的研究方法和测量思想，建立一套全新的球膜光学微力传感器设计与检测方法与 系统。设计正交试验，调整球膜厚度、球膜直径，加载10 - 1000纳牛标准微粒 子，检测得到的对应的千涉谱变化量，从而建立微作用力、球膜厚度、球膜直径、 干涉谱变化量之间的关系方程Ax = /(F,&c/)。利用该关系方程，最终实现微纳级力检测的目的。与现有技术相比较，本专利技术采用球膜作为检测微纳牛力的传 感元件，通过球膜的变形导致的球膜干涉谱的变化量来反映被检测的微纳牛力大 小，实现了实时可靠地检测微纳牛力。传统薄膜检测微纳牛力的方法利用薄膜的 压电效应、微应变、气敏特性等进行检测，研制的薄膜微力传感器存在一些共同 的缺点制备工艺复杂，成品率低；抗干扰性不强，检测精度偏低；对环境要求 高，使用稳定性、可靠性低，寿命短等。球膜传感器综合利用了球膜的微应变与光学特性，可克服MEMS薄膜微力传感器的缺陷，且实现高精度测量。釆用的一 次性球膜无需回收，对于待检测的微粒子如微生物、细胞、DNA等一次性检测微 粒子，检测结東后由消膜机构进行消膜即可；对重复性球膜检测结東后需要对球 膜进行浸泡、清洗，整个检测过程非常方便。附图说明图l是本专利技术的球膜光学微纳牛力检测装置图l中标号名称101-显微镜、102-微操作平台、103-—次性球膜消膜机构、 104-微粒子加载机构、105-球膜、106-光纤传感器、107-—次性球膜发生机构、 108-光谱干涉仪、109-数据处理模块。具体实施例方式下面结合附图对本专利技术球膜光学微纳牛力检测方法和系统进行说明。 如图l所示，本专利技术的球膜光学微纳牛力检测方法和系统包括 显微镜101,装载在微操作平台上，在加载微粒子时用于放大观察； 微操作平台102,整个检测过程都在微操作平台上进行，图中的微操作平台主要指微操作平台的物理架构，用于装载显微镜，作为微驱动机构和微粒子夹持机构的刚体物理平台；一次性球膜消本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种球膜光学微力检测系统，其特征在于包括：显微镜（１０１）、利用吹气活塞进给量控制球膜尺寸的一次性球膜发生机构（１０７）、用于在球膜上加载微粒子的微粒子加载机构（１０４）、置于球膜检测点位置的光纤传感器（１０６）、经过光谱干涉仪（１０８）与光纤传感器（１０６）相连的数据处理模块（１０９）。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：陆永华，赵东标，刘凯，
申请(专利权)人：南京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：84[中国|南京]