專利名稱:一種利用微懸臂梁進(jìn)行生化檢測(cè)的方法及裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及利用微懸臂梁進(jìn)行生化檢測(cè)的方法及裝置。
背景技術(shù)：
探測(cè)各種生物和化學(xué)物質(zhì)分子的生物傳感器的基本原理是被分析分子在生化敏感層上的物理或化學(xué)吸附，通過(guò)換能器轉(zhuǎn)化為電信號(hào)?，F(xiàn)有的生化傳感器多設(shè)計(jì)為膜片式，由于信號(hào)轉(zhuǎn)換器件靈敏度限制，使生物傳感器的靈敏度亦受到限制。
掃描探針顯微鏡SPM(Scanning Probe Microscope)，是一種以物理學(xué)為基礎(chǔ)，集多種現(xiàn)代技術(shù)為一體的新型表面分析儀器。它是納米技術(shù)研究的主要工具，是世界上分辨率最高的顯微鏡。原子力顯微鏡(AFM)是掃描探針顯微鏡SPM家族中眾多成員之一，它能夠在接近原子尺度上觀察絕緣體表面的微觀形貌。原子力顯微鏡(AFM)的工作原理是使微懸臂梁上的針尖趨近樣品表面并與表面輕輕接觸，由于針尖尖端原子與樣品表面原子之間存在著微弱的庫(kù)侖排斥力并使微懸臂梁微微彎曲。當(dāng)針尖進(jìn)行掃描時(shí)，可通過(guò)反饋系統(tǒng)控制壓電陶瓷掃描管伸縮來(lái)保持原子間的作用力恒定，帶有針尖的微懸臂將隨著樣品表面的起伏而顫動(dòng)，利用一束激光照射到微懸臂梁的背面，微懸臂梁將激光束反射到位置靈敏檢測(cè)器上，位置靈敏檢測(cè)器不同象限接收的激光強(qiáng)度差值與微懸臂梁的形變量呈一定比例關(guān)系，由此得到樣品表面形貌圖像。由于微懸臂梁對(duì)力的變化非常敏感，因此原子力顯微鏡可以高分辨率對(duì)材料表面形貌成像，研究表面性質(zhì)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)的缺點(diǎn)，提供一種利用微懸臂梁進(jìn)行生化檢測(cè)的方法及裝置，本發(fā)明靈敏度高，可作為生化傳感器用于檢測(cè)微量生化分子。
本發(fā)明采取以下技術(shù)方案本發(fā)明以涂鍍特殊生化敏感層的硅制成的微懸臂梁作為生化分子的探測(cè)元件，當(dāng)被測(cè)物質(zhì)進(jìn)入生物敏感層后，微懸臂梁的響應(yīng)頻率或表面應(yīng)力發(fā)生變化。當(dāng)敏感層吸附被測(cè)物質(zhì)分子，使得測(cè)物質(zhì)分子與敏感層分子發(fā)生力的相互作用，使微懸臂梁產(chǎn)生表面應(yīng)力，微懸臂梁表面應(yīng)力的改變將使微懸臂梁彎曲。微懸臂梁的微小彎曲用光杠桿法進(jìn)行檢測(cè)。在光杠桿法檢測(cè)系統(tǒng)中，一束激光經(jīng)微懸臂梁背面反射，反射的激光束被位置靈敏探測(cè)器(PSD)接收，微懸臂梁的形變將使激光光斑在位置靈敏檢測(cè)器上產(chǎn)生位移，位置靈敏檢測(cè)器將光信號(hào)位移量轉(zhuǎn)化為電信號(hào)，通過(guò)數(shù)據(jù)采集卡把這些信號(hào)存入計(jì)算機(jī)用圖像表示。
本發(fā)明包括激光管、第一反射鏡、透鏡、微懸臂梁、導(dǎo)流管、第二反射鏡、位置靈敏檢測(cè)器、樣品池、恒溫控溫裝置。
所述微懸臂梁為長(zhǎng)100～500μm，寬10～100μm，厚100～5000nm的矩形。
所述微懸臂梁固定在支撐芯片上，芯片為長(zhǎng)3mm，寬1.5mm，厚0.3mm矩形。
所述生化敏感層包圍整個(gè)微懸臂梁。
第一反射鏡固定在激光管前，鏡面與激光入射線成一定角度，以保證激光經(jīng)第一反射鏡可反射到透鏡上。透鏡為一圓柱體，圓柱體的下平面從中線位置以與下平面成一定夾角向上方向切出一個(gè)斜面，微懸臂梁支撐芯片的后二分之一部分固定在斜面中線上，微懸臂梁和支撐芯片的前二分之一部分處于透鏡下水平面下。樣品池底面下裝有恒溫控制器，用來(lái)保證檢測(cè)時(shí)的溫度控制。裝有微懸臂梁的透鏡置于樣品池里，透鏡的上水平面與空氣接觸，下水平面與樣品液體接觸，即樣品液面不能高于透鏡的上水平面，透鏡的作用是使樣品液面的波動(dòng)不影響激光的整個(gè)光路。第二反射鏡與激光管以及第一反射鏡在同一垂直平面內(nèi)并且高度一致，以保證第二反射鏡接受到微懸臂梁反射的激光束，第二反射鏡把激光反射到位置靈敏檢測(cè)器上。
激光管發(fā)出一束激光經(jīng)過(guò)反射鏡穿過(guò)透鏡，在透鏡下裝有微懸臂梁，激光光束穿過(guò)透鏡射在微懸臂梁上，微懸臂梁再把激光入射到透鏡，透鏡射出的激光入射到反射鏡上，反射鏡反射出的激光到位置靈敏檢測(cè)器上。在恒溫控制器保證溫度恒定時(shí)，當(dāng)被測(cè)物質(zhì)通過(guò)導(dǎo)流管流到樣品池，涂鍍生化敏感層的微懸臂梁與被測(cè)物接觸時(shí)，微懸臂梁產(chǎn)生表面應(yīng)力發(fā)生彎曲，使得位置靈敏檢測(cè)器的激光光斑發(fā)生變化，位置靈敏檢測(cè)器測(cè)量到這些變化量，再通過(guò)數(shù)據(jù)采集卡采集到這些變化量，把這些變化量的數(shù)據(jù)存入計(jì)算機(jī)，用圖形表現(xiàn)出這些變化量。
本發(fā)明具有以下積極效果1、以微懸臂梁作為生化分子的探測(cè)元件，具有很高的靈敏度，可以測(cè)量到分子量級(jí)的微量變化。
2、可以進(jìn)行動(dòng)態(tài)檢測(cè)，從幾分鐘至連續(xù)幾十小時(shí)不間斷的連續(xù)測(cè)量。
3、具有穩(wěn)定的機(jī)械支持機(jī)構(gòu)。
4、加入了恒溫控制裝置，保證了生化反應(yīng)時(shí)對(duì)溫度的要求。
5、光杠桿法檢測(cè)微懸臂梁的形變具有很高的靈敏度，垂直分辨率可達(dá)到0.1埃，操作簡(jiǎn)便。
6、透鏡下裝有微懸臂梁，可保證利樣品液面的波動(dòng)不影響激光的整個(gè)光路。



圖1為微懸臂梁4的放大圖，圖中4微懸臂梁，12支撐芯片。
圖2為本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖；圖中1激光管，2第一反射鏡，3透鏡，4微懸臂梁，5導(dǎo)流管，6樣品池，7第二反射鏡，8位置靈敏檢測(cè)器，9恒溫控溫裝置。
圖3為本發(fā)明方法和裝置所作樣品測(cè)試示意圖。
圖4為本發(fā)明具體實(shí)施例的檢測(cè)結(jié)果曲線圖。
具體實(shí)施方式
下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施方式
對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的說(shuō)明。
如圖1所示，微懸臂梁4為矩形，固定在支撐芯片12上。
如圖2所示，本發(fā)明包括激光管1、第一反射鏡2、透鏡3、微懸臂梁4、導(dǎo)流管5、第二反射鏡7、位置靈敏檢測(cè)器8、樣品池6、恒溫控溫裝置9。第一反射鏡2固定在激光管1前，第一反射鏡2的鏡面與激光入射線成一定角度，以保證激光經(jīng)第一反射鏡7可反射到透鏡3上，透鏡3為一圓柱體，圓柱體的下平面從中線位置以與下平面成一定夾角向上方向切出一個(gè)斜面，微懸臂梁4支撐芯片的后二分之一部分固定在斜面中線上，微懸臂梁4支撐芯片的前二分之一部分處于透鏡3下水平面下。樣品池6底面下裝有恒溫控制裝置9，用來(lái)保證檢測(cè)時(shí)的溫度恒定。裝有微懸臂梁4的透鏡3放在樣品池6里，透鏡3的上水平面與空氣接觸，下水平面與樣品液體接觸，即樣品液面不能高于透鏡3的上水平面，透鏡3的作用是使樣品液面的波動(dòng)不影響激光的整個(gè)光路。第二反射鏡7與激光管1以及第一反射鏡2在同一垂直平面內(nèi)并且高度一致，以保證第二反射鏡7接受到微懸臂梁4反射出經(jīng)透鏡3透出的激光，第二反射鏡7把激光反射到位置靈敏檢測(cè)器8上。
當(dāng)激光管1發(fā)出一束激光經(jīng)過(guò)反射鏡2穿過(guò)透鏡3，在透鏡3下裝有微懸臂梁，激光光束穿過(guò)透鏡3射在微懸臂梁4上，微懸臂梁4再把激光反射到透鏡3，透鏡3射出的激光投射到反射鏡7上，反射鏡7反射出的激光到位置靈敏檢測(cè)器8上。恒溫控制裝置9保證溫度恒定。當(dāng)被測(cè)物質(zhì)通過(guò)導(dǎo)流管5流到樣品池6，涂鍍生化敏感層的微懸臂梁4與被測(cè)物接觸時(shí)，微懸臂梁4的敏感層吸附被測(cè)分子，被測(cè)分子與敏感層分子發(fā)生力的相互作用，將使微懸臂梁產(chǎn)生表面應(yīng)力，微懸臂梁表面應(yīng)力的改變將使其彎曲，激光光斑位置發(fā)生變化，位置靈敏檢測(cè)器8測(cè)量到這些變化量，再通過(guò)數(shù)據(jù)采集卡采集到這些變化量，把這些變化量的數(shù)據(jù)存入計(jì)算機(jī)，用圖形表現(xiàn)出這些變化量。
圖3所示應(yīng)用本發(fā)明方法和裝置所做樣品測(cè)試試驗(yàn)。微懸臂梁4用硅材料制成，在微懸臂梁4上鍍有金屬膜，膜厚約20nm，反復(fù)用硫酸與雙氧水3∶7的配比比例配比出的溶液沖洗微懸臂梁4，將微懸臂梁4裝在透鏡3下置于樣品池6中，激光管1發(fā)出一束激光如圖3實(shí)線箭頭所示，經(jīng)過(guò)反射鏡2穿過(guò)透鏡3，在透鏡3下裝有微懸臂梁，激光光束穿過(guò)透鏡3射在微懸臂梁4上，微懸臂梁4再把激光反射到透鏡3，透鏡3出射的激光入射到反射鏡7上，反射鏡7反射出的激光到位置靈敏檢測(cè)器8上。將含有單鏈DNA的PPS緩沖液從導(dǎo)流管5注入樣品池6中，當(dāng)溶于PPS緩沖液的單鏈DNA和涂鍍?cè)谖冶哿?上的金屬原子發(fā)生吸附時(shí)，微懸臂梁由于應(yīng)力發(fā)生彎曲，位置靈敏檢測(cè)器8上激光光斑位置隨著微懸臂梁發(fā)生彎曲有所改變，如圖3中虛線箭頭所示，位置靈敏檢測(cè)器8檢測(cè)到光斑的位移，數(shù)據(jù)采集卡連續(xù)采集到變化的位移在計(jì)算機(jī)上繪出測(cè)試結(jié)果如圖4，點(diǎn)1處為未加入單鏈DNA前的激光光斑在位置靈敏檢測(cè)器8的位置，當(dāng)溶于PPS緩沖液的單鏈DNA加入到樣品池6中，單鏈DNA和涂鍍?cè)谖冶哿?上的金原子發(fā)生吸附作用，造成微懸臂梁由于應(yīng)力變化發(fā)生彎曲經(jīng)過(guò)十幾秒鐘激光光斑在位置靈敏檢測(cè)器8的位置挪動(dòng)到點(diǎn)2處，并達(dá)到平衡。點(diǎn)1和點(diǎn)2在Y方向的位置差ΔY就是微懸臂梁的形變，根據(jù)ΔY可以計(jì)算出微懸臂梁4吸附多少個(gè)單鏈DNA。
通過(guò)本發(fā)明可以使人們從溶液中捕獲微量生物分子，對(duì)提高生物傳感器的靈敏度有著重要的意義。本發(fā)明可以在生物研究、生物醫(yī)學(xué)等各方面廣泛應(yīng)用。
權(quán)利要求
1.一種利用微懸臂梁進(jìn)行生化檢測(cè)的方法，其特征在于，以涂鍍生化敏感層的硅材料制成的微懸臂梁[4]作為生化分子的探測(cè)元件；當(dāng)被測(cè)物質(zhì)進(jìn)入生物敏感層后，生化敏感層吸附被測(cè)物質(zhì)分子，被測(cè)物質(zhì)分子與敏感層分子發(fā)生力的相互作用，使微懸臂梁[4]產(chǎn)生表面應(yīng)力，微懸臂梁[4]表面應(yīng)力的改變將使微懸臂梁[4]彎曲；一束經(jīng)微懸臂梁[4]背面反射的激光束被位置靈敏探測(cè)器[8]接收，微懸臂梁[4]的形變將使光點(diǎn)在位置靈敏檢測(cè)器[8]上產(chǎn)生位移，位置靈敏檢測(cè)器[8]將光信號(hào)位移量轉(zhuǎn)化為電信號(hào)，通過(guò)數(shù)據(jù)采集卡把信號(hào)存入計(jì)算機(jī)用圖像表示。
2.應(yīng)用權(quán)利要求
1所述的利用微懸臂梁進(jìn)行生化檢測(cè)方法的裝置，其特征在于，包括激光管[1]、第一反射鏡[2]、透鏡[3]、微懸臂梁[4]、導(dǎo)流管[5]、第二反射鏡[7]、位置靈敏檢測(cè)器[8]、樣品池[6]、恒溫控溫裝置[9]；第一反射鏡[2]固定在激光管[1]前，第一反射鏡[2]的鏡面與激光入射線成一定角度，以保證激光經(jīng)第一反射鏡[7]可反射到透鏡[3]上，透鏡[3]為一圓柱體，圓柱體的下平面從中線位置以與下平面成一定夾角向上方向切出一個(gè)斜面，微懸臂梁[4]的后二分之一部分固定在斜面中線上，微懸臂梁[4]的前二分之一部分處于透鏡[3]下水平面下；樣品池[6]底面下裝有恒溫控制裝置[9]；裝有微懸臂梁[4]的透鏡[3]放在樣品池[6]里，透鏡[3]的上水平面與空氣接觸，下水平面與樣品液體接觸，即樣品液面不能高于透鏡[3]的上水平面；第二反射鏡[7]與激光管[1]以及第一反射鏡[2]在同一垂直平面內(nèi)并且高度一致，第二反射鏡[7]把激光反射到位置靈敏檢測(cè)器[8]上。
3.按照權(quán)利要求
2所述的利用微懸臂梁進(jìn)行生化檢測(cè)方法的裝置，其特征在于，微懸臂梁[4]為矩形，其上涂鍍生化敏感層，固定在支撐芯片上。
專利摘要
一種利用微懸臂梁進(jìn)行生化檢測(cè)的方法和裝置，以涂鍍生化敏感層的硅制成的微懸臂梁[4]作為生化分子的探測(cè)元件。當(dāng)被測(cè)物質(zhì)進(jìn)入生物敏感層后，生化敏感層吸附被測(cè)物質(zhì)分子，使得被測(cè)物質(zhì)分子與敏感層分子發(fā)生力的相互作用，使微懸臂梁產(chǎn)生表面應(yīng)力，微懸臂梁表面應(yīng)力的改變將使微懸臂梁彎曲，一束經(jīng)微懸臂梁[4]背面反射的激光束被位置靈敏探測(cè)器[8]接收，微懸臂梁[4]的形變將使光點(diǎn)在位置靈敏檢測(cè)器[8]上產(chǎn)生位移，位置靈敏檢測(cè)器[8]將光信號(hào)位移量轉(zhuǎn)化為電信號(hào)，通過(guò)數(shù)據(jù)采集卡把信號(hào)存入計(jì)算機(jī)用圖像表示。本發(fā)明靈敏度高，可作為生化傳感器用于檢測(cè)微量生化分子。
文檔編號(hào)G01Q60/28GKCN1796989SQ200410103903
公開(kāi)日2006年7月5日 申請(qǐng)日期2004年12月30日
發(fā)明者左燕生, 林云生, 趙惠斌, 韓立 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院電工研究所導(dǎo)出引文BiBTeX, EndNote, RefMan