毛燕龍，王作斌

(長(zhǎng)春理工大學(xué) 納米測(cè)量與制造技術(shù)中心，長(zhǎng)春 130022)

原子力納米操作系統(tǒng)的信號(hào)檢測(cè)技術(shù)研究

毛燕龍，王作斌

(長(zhǎng)春理工大學(xué) 納米測(cè)量與制造技術(shù)中心，長(zhǎng)春 130022)

原子力納米操作系統(tǒng)通過(guò)檢測(cè)探針與被測(cè)樣品表面之間的作用力信號(hào)來(lái)獲取被測(cè)樣品的表面形貌特征。為了研究不同濃度人參水提物對(duì)VERO細(xì)胞的影響，本文在分析了原子力探針懸臂形變反饋信號(hào)檢測(cè)原理的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了懸臂形變反饋信號(hào)檢測(cè)系統(tǒng)，獲得了VERO細(xì)胞表面形貌圖像以及表面高度參數(shù)。實(shí)驗(yàn)表明，原子力納米操作系統(tǒng)通過(guò)檢測(cè)探針與被測(cè)細(xì)胞表面之間的作用力信號(hào)來(lái)獲取被測(cè)細(xì)胞表面參數(shù)是可行的。

信號(hào)檢測(cè);探針懸臂;VERO細(xì)胞

0 引言

原子力納米操作系統(tǒng)在掃描樣品的過(guò)程中，通過(guò)探針的微懸臂來(lái)實(shí)時(shí)感知探針針尖與被測(cè)樣品之間的作用力，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)被測(cè)樣品的表面形貌成像［1］。目前，原子力納米操作系統(tǒng)掃描樣品表面形貌的縱向分辨率可達(dá)到0.01nm。由于AFM所測(cè)樣品很少需要前期處理，可在溶液中進(jìn)行觀測(cè)活的生物樣品及其動(dòng)態(tài)生理過(guò)程，因此在對(duì)生物細(xì)胞的檢測(cè)中占據(jù)了獨(dú)特地位［2］。在AFM接觸模式下對(duì)細(xì)胞進(jìn)行掃描檢測(cè)，為了避免傷害細(xì)胞，探針與細(xì)胞表面之間的垂直方向作用力在10-30nN之間［3］，該作用力的存在，使得探針的懸臂發(fā)生微小的形變。因此，為了得到高分辨率的樣品表面形貌圖像以及高度參數(shù)，對(duì)探針懸臂形變的反饋信號(hào)檢測(cè)顯得尤為重要。

由于探針懸臂的形變量十分微小，無(wú)法直接檢測(cè)，因此采用間接檢測(cè)的方法。常用的間接檢測(cè)方法有STM法、電容檢測(cè)法、光學(xué)干涉法、光束偏轉(zhuǎn)法等。其中，光束偏轉(zhuǎn)法原理簡(jiǎn)單，容易實(shí)現(xiàn)，檢測(cè)精度高，是目前應(yīng)用最為廣泛的一種檢測(cè)方法。

為了研究不同濃度人參水提物對(duì)VERO細(xì)胞的影響，本文在分析了原子力探針懸臂形變反饋信號(hào)檢測(cè)原理的基礎(chǔ)上，采用光束偏轉(zhuǎn)法設(shè)計(jì)了懸臂形變反饋信號(hào)檢測(cè)系統(tǒng)，獲得了VERO細(xì)胞表面形貌圖像以及高度參數(shù)。

1 探針懸臂形變反饋信號(hào)檢測(cè)原理

采用光束偏轉(zhuǎn)法來(lái)測(cè)量探針懸臂的形變量。來(lái)自激光二極管的一束激光投射到探針懸臂的末端，經(jīng)反射被四象限光電探測(cè)器接收［4］。針尖受力之后，懸臂末端發(fā)生彎曲，微小的位移量經(jīng)光束偏轉(zhuǎn)之后，在四象限光電探測(cè)器的光敏面上進(jìn)行了放大，輸出與懸臂末端激光照射點(diǎn)到四象限光電探測(cè)器光敏面上的距離與探針懸臂長(zhǎng)度之比相關(guān)［5］。光斑在四象限光電探測(cè)器的光敏面上移動(dòng)，輸出不同的電壓信號(hào)，經(jīng)過(guò)AD轉(zhuǎn)換后，反饋系統(tǒng)通過(guò)比較探測(cè)信號(hào)和參考信號(hào)，不斷調(diào)整探針與樣品之間的距離，保持兩者之間的作用力恒定。計(jì)算機(jī)通過(guò)軟件編程對(duì)探測(cè)信號(hào)進(jìn)行處理，獲得樣品表面形貌圖像以及相應(yīng)的物理量。

2 反饋信號(hào)檢測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。探針懸臂的形變信號(hào)經(jīng)四象限光電探測(cè)器檢測(cè)之后，變?yōu)槟M電壓信號(hào)，通過(guò)DSP模塊向AD轉(zhuǎn)換模塊發(fā)出控制信號(hào)，對(duì)模擬電壓信號(hào)進(jìn)行采集、存儲(chǔ)，并通過(guò)USB通信接口電路傳輸給計(jì)算機(jī)進(jìn)行處理和分析。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

由于四象限光電探測(cè)器具有很高的靈敏度、光譜范圍寬、響應(yīng)速度快、分辨率高等優(yōu)點(diǎn)，所以被廣泛的應(yīng)用在納米操作系統(tǒng)中［6］。本文選用上海歐光公司的QP50-6SD2型四象限光電探測(cè)器，它是由四個(gè)光電二極管按直角坐標(biāo)系的要求排列而成的光電探測(cè)器。通過(guò)電流-電壓轉(zhuǎn)換、放大電路，對(duì)四個(gè)象限的光電流進(jìn)行電壓轉(zhuǎn)換和放大，增益為104。最后輸出Bottom-Top、Left-Right差信號(hào)以及經(jīng)過(guò)四個(gè)象限上光電二極管產(chǎn)生的信號(hào)相加而成的Sum信號(hào)，三路信號(hào)的電壓輸出范圍在-9V～+9V之間，當(dāng)入射激光波長(zhǎng)為650nm時(shí)，探測(cè)器靈敏度為0.38A/W。

由于四象限光電探測(cè)器輸出的是三路模擬信號(hào)，因此選用TI公司生產(chǎn)的6通道16位同步AD轉(zhuǎn)換器，ADS8556。參考電壓為2.5V，模擬電壓輸入范圍為±10V。采用并行接口模式進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，各通道采樣速率為630KSPS。由于信號(hào)檢測(cè)的實(shí)時(shí)性，選用TI公司推出的32位定點(diǎn)DSP芯片TMS320F2812控制ADS8556進(jìn)行信號(hào)采集。該芯片CPU主頻最高可達(dá)到150MHz，時(shí)鐘周期為6.67ns。選用USB2.0接口控制芯片為Cypress Semiconductor公司的EZ-USB FX2系列芯片中的CY7C68013A，它集成了480MBit/s的收發(fā)器、SIE串行接口引擎、增強(qiáng)的8051微控制器和可編程的外圍接口，具有很好的兼容性［7］。計(jì)算機(jī)通過(guò)VC++軟件編程，將探針掃描樣品每一個(gè)點(diǎn)的電壓值作為圖像的灰度值進(jìn)行RGB處理獲得樣品表面形貌圖像，以及表面高度參數(shù)。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

在氣相條件下，分別對(duì)人參水提物濃度為20mg/ml和80mg/ml作用下的VERO細(xì)胞進(jìn)行掃描檢測(cè)，獲得了VERO細(xì)胞的表面形貌圖像如圖2(a)和(b)所示。

圖2 人參水提物濃度為20mg/ml和80mg/ml的VERO細(xì)胞表面形貌圖像

圖2(a)是人參水提物濃度為20mg/ml的VERO細(xì)胞表面形貌圖像，圖2(b)是人參水提物濃度為80mg/ml的VERO細(xì)胞表面形貌圖像。掃面范圍均為80μm×80μm，圖像分表率為256×256。

從圖像上可以清晰的看到細(xì)胞的表面特征，通過(guò)對(duì)檢測(cè)信號(hào)的進(jìn)一步處理獲得了在兩種不同濃度人參水提物作用下的VERO細(xì)胞的高度參數(shù)，如表1所示。

表1 兩種不同濃度培養(yǎng)液中的VERO細(xì)胞表面高度參數(shù)

通過(guò)對(duì)表1中VERO+G200和VERO+G800兩組高度數(shù)據(jù)的比較，可以看出，人參水提物濃度為80mg/ml的VERO細(xì)胞的表面最大高度要高于人參水提物濃度為20mg/ml的VERO細(xì)胞的表面最大高度。這說(shuō)明，濃度為80mg/ml的人參水提物對(duì)VERO細(xì)胞表面高度的影響要強(qiáng)于濃度為20mg/ml的人參水提物。

4 結(jié)語(yǔ)

本文通過(guò)分析探針懸臂形變反饋信號(hào)檢測(cè)的原理，設(shè)計(jì)了探針懸臂形變反饋信號(hào)檢測(cè)系統(tǒng)。為研究不同濃度人參水提物對(duì)VERO細(xì)胞表面高度的影響應(yīng)用該檢測(cè)方法，在氣相條件下，分別對(duì)人參水提物濃度為20mg/ml和80mg/ml作用下的VERO細(xì)胞進(jìn)行了掃描，獲得了VERO細(xì)胞表面形貌圖像以及表面高度參數(shù)。實(shí)驗(yàn)表明，原子力納米操作系統(tǒng)通過(guò)檢測(cè)探針與被測(cè)細(xì)胞表面之間的作用力信號(hào)來(lái)獲取被測(cè)細(xì)胞表面參數(shù)是可行的。原子力納米操作系統(tǒng)的信號(hào)檢測(cè)技術(shù)研究將有助于生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的探索和發(fā)展。

［1］田孝軍，王越超，董再勵(lì)，等.基于AFM的機(jī)器人化納米操縱系統(tǒng)綜述［J］.機(jī)械工程學(xué)報(bào)，2009，45(6):14-23.

［2］朱杰，郭連紅，王國(guó)棟，等.原子力顯微鏡在細(xì)胞與生物大分子超微結(jié)構(gòu)和力學(xué)研究中的應(yīng)用［J］.醫(yī)用生物力學(xué)，2012，27(3):355-360.

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［5］Hans-Jurgen Butt，Brunero Cappella，Michael Kappl.Force measurements with the atomic force microscope:Technique，interpretation and applications［R］.Surface Science Reports，2005，59:28.

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Research on the Signal Detection Technology in the Atomic Force Nanomanipulation System

MAO Yan-long，WANG Zuo-bin
(Centre for Nano Metrology and Manufacturing，Changchun University of Science and Technology，Changchun 130022，China)

The atomic force nanomanipulation system obtains the surface morphology of samples by detecting the force signal between the probe and sample surface.In order to study the effect of ginseng aqueous extract with different concentrations on VERO cells，this paper designs a feedback signal detection system of cantilever deformation based on the analysis of the theory of feedback signal detection of atomic force cantilever deformation，obtains the surface topography image and surface height parameters of VERO cells.The experiments show that it is feasible for the atomic force nanomanipulation system to obtain the surface parameter of cells by the force signal between the detecting probe and the cell surface.

signal detection;cantilever;VERO cell

TN247

A

1009-3907(2013)12-1583-02

2013-09-28

毛燕龍(1988-)，男，吉林長(zhǎng)春人，碩士研究生，主要從事光電傳感與光電探測(cè)技術(shù)研究。

王作斌(1960-)，男，黑龍江，哈爾濱人，教授，博士生導(dǎo)師，主要從事納米測(cè)量與制造技術(shù)研究。

責(zé)任編輯:

吳旭云