楊曉昆，張正平，張 燦

(貴州大學(xué)大數(shù)據(jù)與信息工程學(xué)院，貴州貴陽(yáng) 550000)

0 引言

當(dāng)浩瀚的宇宙無(wú)法阻止人類探索未知的腳步，學(xué)者們又將無(wú)限的熱情投入到更為復(fù)雜的微觀世界納米級(jí)的研究。量子點(diǎn)的研究方向長(zhǎng)期以來(lái)都處于科研領(lǐng)域的最前沿，但量子點(diǎn)復(fù)雜的制配過(guò)程和繁瑣的檢測(cè)方法，一直是該領(lǐng)域探索道路上的攔路虎[1]。所以，文章設(shè)計(jì)出了一種新型的專門針對(duì)量子點(diǎn)檢測(cè)的一種半自動(dòng)化儀器設(shè)備，該設(shè)備將大幅減少研究人員檢驗(yàn)量子點(diǎn)所需時(shí)間，可以把工作重心轉(zhuǎn)移到更加有意義的科研之中。為了更好地協(xié)助科研人員對(duì)蛋白質(zhì)量子點(diǎn)的研究，實(shí)驗(yàn)組研究設(shè)計(jì)并優(yōu)化了這套半自動(dòng)化的量子點(diǎn)檢測(cè)系統(tǒng)。

量子點(diǎn)芯片檢測(cè)技術(shù)一直是一項(xiàng)學(xué)科交叉性強(qiáng)，檢測(cè)繁瑣，集成度高的高端技術(shù)，是很難通過(guò)一個(gè)單位或者研究部門獨(dú)立完成的項(xiàng)目。所以，本套系統(tǒng)經(jīng)過(guò)大量的資料翻閱，實(shí)際檢測(cè)，最終匯總分析才得出最終的結(jié)論。

量子點(diǎn)的檢測(cè)首先要理解熒光偏振的原理，是根據(jù)光偏振的概念衍生出來(lái)的。因?yàn)楣馐怯蓸O小的波所構(gòu)成的，并可以在任一平面上均勻運(yùn)動(dòng)，當(dāng)光通過(guò)某些特殊處理過(guò)的平面時(shí)，光波受到影響，其振動(dòng)平面發(fā)生了改變，這一現(xiàn)象稱為光的偏振。

光的這一偏振特性經(jīng)常用于化學(xué)檢驗(yàn)之中，當(dāng)偏振光穿過(guò)含有某些特定的透明物時(shí)，其振動(dòng)性質(zhì)將發(fā)生相應(yīng)的變化，結(jié)合光的偏振特性，美國(guó)耶魯大學(xué)的物理學(xué)家成功制備出一種納米級(jí)半導(dǎo)體并將其命名為量子點(diǎn)，又稱為納米晶。當(dāng)對(duì)特定的量子點(diǎn)施加某一光或者電場(chǎng)時(shí)，它們將改變光的偏振方向。通過(guò)對(duì)被測(cè)物體結(jié)果的觀測(cè)，可以得出實(shí)驗(yàn)環(huán)境中是否已經(jīng)成功合成目標(biāo)量子點(diǎn)。

根據(jù)這一思路，實(shí)驗(yàn)室設(shè)計(jì)了一套可以對(duì)量子點(diǎn)進(jìn)行分析的納米量子點(diǎn)檢測(cè)系統(tǒng)。該檢測(cè)儀的設(shè)計(jì)可以大幅減少實(shí)驗(yàn)人員觀測(cè)所需時(shí)間。

1 檢測(cè)系統(tǒng)原理和結(jié)構(gòu)

納米量子點(diǎn)檢測(cè)儀設(shè)計(jì)的基本原理是根據(jù)量子點(diǎn)反應(yīng)Perrin公式[2]來(lái)確定的：

(1)

式中：Rg為已知理想氣體常數(shù)；P0為熒光偏振的理論最值；P為溶液中的熒光偏振；η為溶液黏度；V為熒光分子黏度；τ為平均壽命；T為量子點(diǎn)所在熒光液的反應(yīng)時(shí)間。

所以，當(dāng)檢測(cè)制備完成的待測(cè)量子點(diǎn)時(shí)，應(yīng)當(dāng)將量子點(diǎn)的階梯性反應(yīng)時(shí)間考慮在內(nèi)。又因?yàn)椋瑱z測(cè)量子點(diǎn)需一特定波長(zhǎng)的激光，若直接將其暴露于自然光中，會(huì)對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果產(chǎn)生極大的干擾。并且，為了避免人為手動(dòng)操作造成的誤差，所以為排除對(duì)待測(cè)樣本所有可能光干擾，最終采用全密閉式黑域結(jié)構(gòu)[3]。其主體外部結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 檢測(cè)儀主體結(jié)構(gòu)

檢測(cè)儀的結(jié)構(gòu)主體部分由軟件solidwork繪制完成，如圖1所示整個(gè)檢測(cè)儀主體結(jié)構(gòu)長(zhǎng)、寬、高分別為520 mm±0.5 mm、255 mm±0.5 mm、120 mm±0.5 mm，鋁制結(jié)構(gòu)，完全工作狀態(tài)質(zhì)量為15 kg。該結(jié)構(gòu)在前幾代的基礎(chǔ)之上將體積和外觀上做了進(jìn)一步改善，將原有檢測(cè)儀的質(zhì)量進(jìn)一步減小，并在儀器左右兩邊增添了耳朵扶手結(jié)構(gòu)，使該檢測(cè)儀器具有更好的可移動(dòng)性，可以在更加多樣的環(huán)境中與PC機(jī)進(jìn)行配合。并且對(duì)樣本量子點(diǎn)的觀測(cè)、定位等功能進(jìn)行了改進(jìn)。

在圖1所示的檢測(cè)儀主體結(jié)構(gòu)中，孔洞區(qū)域A預(yù)置量子點(diǎn)光路結(jié)構(gòu)，內(nèi)部孔洞結(jié)構(gòu)起到了固定元件的作用。所需放置設(shè)備元件有偏振片電機(jī)、分光元件、

CCD相機(jī)和光譜儀等光學(xué)、圖像處理設(shè)備。

儀器中，左下角所標(biāo)記的區(qū)域B為放置待測(cè)樣本的移動(dòng)滑臺(tái)，滑臺(tái)最終移動(dòng)方案將由區(qū)域C控件部分提供?；_(tái)下方開(kāi)口，由一塊MEMS微鏡負(fù)責(zé)激光源的輸出與處理[4]。

區(qū)域C是檢測(cè)儀器設(shè)備的核心部分，由1塊STM32控制PCB板及一塊保護(hù)PCB板構(gòu)成，其作用是通過(guò)接收PC上位發(fā)出的命令或數(shù)據(jù)進(jìn)行內(nèi)部處理，對(duì)區(qū)域B中的滑臺(tái)結(jié)構(gòu)以及區(qū)域A中的偏振片電機(jī)進(jìn)行控制和定位，而保護(hù)PCB板則起到了對(duì)整個(gè)電路系統(tǒng)的保護(hù)和監(jiān)測(cè)作用。所以，包括圖1中主體部分后，整套納米量子點(diǎn)檢測(cè)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。

圖2 檢測(cè)儀結(jié)構(gòu)分布圖

2 下位機(jī)平臺(tái)搭建

如果將整套系統(tǒng)與人體做類比的話，位于檢測(cè)儀主體結(jié)構(gòu)區(qū)域C接收來(lái)自PC上位機(jī)命令并執(zhí)行的下位機(jī)無(wú)異于是類似人類軀干的存在。在該結(jié)構(gòu)區(qū)域中由一塊實(shí)驗(yàn)室自主設(shè)計(jì)、專門針對(duì)新一代納米量子點(diǎn)檢測(cè)儀器設(shè)備的STM32控制板及保護(hù)電路所構(gòu)成，因考慮到實(shí)驗(yàn)環(huán)境及第三方實(shí)際需求，本文最終選用了高性能動(dòng)態(tài)低能耗的Cortex-M3系列內(nèi)核的單片機(jī)進(jìn)行開(kāi)發(fā)。一組對(duì)應(yīng)電機(jī)控制命令格式如表1所示。

表1 電機(jī)控制命令格式表

16 bit幀頭后，CMD是命令字，需由PC上位機(jī)向串口填寫(xiě)基本的控制、命令、警告等信息；將被控制電機(jī)等設(shè)備編號(hào)，以ID形式記錄，DIST/ANGLE所儲(chǔ)存的是滑臺(tái)電機(jī)和偏振片電機(jī)運(yùn)動(dòng)距離和角度，CW/CCW是被控制器件運(yùn)動(dòng)方向，1 bit STOP停止位，6 bit預(yù)留位，結(jié)尾由16 bit幀尾填充。由此構(gòu)成了一段完整的命令/數(shù)據(jù)格式。

考慮到控制板在上電工作之后需要時(shí)刻接收來(lái)自PC上位機(jī)發(fā)送的命令和數(shù)據(jù)，所以對(duì)控制板的通信模塊采用如圖3所示設(shè)計(jì)。

圖3 控制板通信模塊

其中，TX1/RX1為數(shù)據(jù)或命令的收發(fā)功能部分，TX2/RX2為更新控制板功能接口，起到了程序擦、寫(xiě)的作用。同時(shí)為了增強(qiáng)PC上位機(jī)與下位機(jī)的通信效率，特別對(duì)收發(fā)數(shù)據(jù)或者命令設(shè)計(jì)了一套專用的接口標(biāo)準(zhǔn)。其串口參數(shù)基礎(chǔ)配置：波特率為115 200 baud；據(jù)長(zhǎng)度為8 bit；停止位為2 bit；奇偶校驗(yàn)位無(wú)；數(shù)據(jù)幀頭為0xAA,0x55；數(shù)據(jù)幀尾為0xFD,0xDF。

根據(jù)式(1)可知，當(dāng)量子點(diǎn)制備完成之后，在正常壽命之內(nèi)，熒光液反應(yīng)時(shí)間T決定了偏振光P的效率[5]。所以，針對(duì)該儀器設(shè)備，提出的檢測(cè)方案為將同一期制備的量子點(diǎn)按照時(shí)間先后順序，均勻涂抹于3×3格的載玻片上，又因?yàn)榻邮請(qǐng)D像的CCD相機(jī)，在確定最佳視距之后，只能觀測(cè)到一個(gè)量子點(diǎn)所在簇，所以，還需將量子點(diǎn)簇所在載玻片置于如圖4所示的2.4 mm×2.4 mm可移動(dòng)距離滑臺(tái)之上。

圖4 移動(dòng)滑臺(tái)

為了可以準(zhǔn)確獨(dú)立地對(duì)該平臺(tái)進(jìn)行位移以便尋找量子點(diǎn)簇，其電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊做出如圖5所示設(shè)計(jì)。

電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊中，左側(cè)部分由上到下分別為X電機(jī)控制部分、Y電機(jī)控制部分以及偏振片電機(jī)控制部分。又因?yàn)樵撘苿?dòng)滑臺(tái)自帶的光耦開(kāi)關(guān)結(jié)構(gòu)，為了防止滑臺(tái)電機(jī)的磨損，設(shè)計(jì)了如圖5中右側(cè)部分所示的警告位。

在搭建好所需移動(dòng)滑臺(tái)控制系統(tǒng)之后，X、Y軸的定位方案受到實(shí)驗(yàn)室測(cè)量環(huán)境的限制，傳統(tǒng)的刻度式測(cè)距已經(jīng)無(wú)法在可移動(dòng)范圍只有2.4 mm的距離長(zhǎng)度中進(jìn)行精確定位。因此，本文為滑臺(tái)的精確定位提出了一種新型算法，并命名為數(shù)值邊界定位算法[6]。

電機(jī)的驅(qū)動(dòng)原理是當(dāng)檢測(cè)儀區(qū)域C中的STM32電機(jī)控制引腳向電機(jī)發(fā)出一定的周期脈沖時(shí)，電機(jī)會(huì)帶動(dòng)滑臺(tái)移動(dòng)一個(gè)與之對(duì)應(yīng)的距離。所以文中將此對(duì)應(yīng)距離定義為一個(gè)單位距離。通過(guò)滑臺(tái)自帶的光耦開(kāi)關(guān)結(jié)構(gòu)，多次對(duì)2.4 mm長(zhǎng)度進(jìn)行脈沖測(cè)距，得出滑臺(tái)位移距離對(duì)應(yīng)的脈沖次數(shù)為4 439，并將其記為DisMax。所以，可得脈沖次數(shù)與滑臺(tái)單位距離的關(guān)系如式(2)所示：

s(x)=x,0

(2)

式中x為STM32輸出脈沖的周期數(shù)。

同時(shí)，電機(jī)的移動(dòng)方向由STM32方向引腳輸出的電壓所決定，這里將電機(jī)移動(dòng)方向與電壓關(guān)系定義如式(3)所示：

(3)

式中x為相應(yīng)引腳輸出的電壓，而數(shù)值1對(duì)應(yīng)于表1中的方向CW，數(shù)值-1對(duì)應(yīng)于表1中的負(fù)方向CCW。

將式(2)、式(3)合并，構(gòu)造新的函數(shù)式(4)：

fi(x1,x2)=di(x1)si(x2)

(4)

式中i為PC上位機(jī)第i次發(fā)出的系統(tǒng)距離命令數(shù)據(jù)。

圖5 控制板電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊

將上述式子合并整理，最終得出同時(shí)適用于X、Y軸的數(shù)值邊界定位算法，如式(5)所示：

(5)

式中：x、y為從x軸和y軸得到的方向與距離數(shù)據(jù)，z(m,n) 的值域?yàn)閇0,1]，若超過(guò)范圍，滑臺(tái)電機(jī)的光耦警告位會(huì)向STM32下位機(jī)發(fā)出警告信號(hào),再由控制板做出相應(yīng)反饋處理。

在下位機(jī)移動(dòng)滑臺(tái)中應(yīng)用此算法可在不使用傳統(tǒng)度量衡的基礎(chǔ)之上將定位范圍精確度提高至μm級(jí)別，并且，通過(guò)修改A4988驅(qū)動(dòng)保護(hù)芯片的細(xì)分關(guān)系，可以進(jìn)一步提高或者降低精確度以到達(dá)實(shí)際實(shí)驗(yàn)需求。

3 上位機(jī)控制臺(tái)測(cè)試

在PC上位機(jī)中，實(shí)驗(yàn)室所選用的編譯工具是QT編譯軟件[7]。其軟件功能是將STM32控制板、MEMS微鏡、光譜儀、CCD相機(jī)等硬件的源碼部分進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)，集成主要功能為收集、處理、反饋下位機(jī)以及數(shù)據(jù)收集元件的信息的功能。最終軟件工作狀態(tài)使用界面如圖6所示。

圖6 PC軟件使用界面

圖6中，左上框所包圍區(qū)域?yàn)檎麄€(gè)檢測(cè)系統(tǒng)上位機(jī)控制區(qū)域，控制對(duì)象包括滑臺(tái)電機(jī)、偏振片電機(jī)、MEMS微鏡、光譜儀以及CCD相機(jī)。右下框所圍區(qū)域?yàn)楣ぷ鳡顟B(tài)區(qū)，實(shí)時(shí)反映以上元器件的工作狀態(tài)，以及量子點(diǎn)檢測(cè)狀態(tài)。中間部分為檢測(cè)系統(tǒng)工作區(qū)域，將以波長(zhǎng)-強(qiáng)度的對(duì)應(yīng)關(guān)系形式實(shí)時(shí)反饋量子點(diǎn)的檢測(cè)數(shù)據(jù)。

3.1 光譜儀信號(hào)處理

當(dāng)量子點(diǎn)檢測(cè)儀器開(kāi)始工作之后，光譜儀便啟動(dòng)并接收光譜數(shù)據(jù)，并將波長(zhǎng)與強(qiáng)度對(duì)應(yīng)關(guān)系保存于特定數(shù)組之中。根據(jù)激光透過(guò)量子點(diǎn)簇會(huì)發(fā)生偏振這一現(xiàn)象設(shè)計(jì)出偏振片結(jié)合旋轉(zhuǎn)電機(jī)的配置。

因精確度限制偏振片容錯(cuò)角度為±2°，所以設(shè)置偏振片電機(jī)的每次旋轉(zhuǎn)角度為2°。如果令旋轉(zhuǎn)電機(jī)以一勻速工作一圈，不僅無(wú)法在量子點(diǎn)最大偏振角處獲得準(zhǔn)確數(shù)據(jù)，還會(huì)在尋找到偏振角后繼續(xù)做無(wú)用功，以致會(huì)浪費(fèi)大量有效時(shí)間。為此，本文為旋轉(zhuǎn)電機(jī)提出了一種新型算法，不僅可以提高尋找最大偏振角的精確度。同時(shí)，對(duì)同一量子點(diǎn)檢測(cè)減少一半左右的時(shí)間。

首先，經(jīng)過(guò)反復(fù)試驗(yàn)，找出并記錄可接受范圍內(nèi)所檢測(cè)量子點(diǎn)的最弱與最強(qiáng)時(shí)刻的波長(zhǎng)與強(qiáng)度數(shù)值。

可接受最弱、最強(qiáng)量子點(diǎn)信號(hào)所在簇CCD成像如圖7、圖8所示。

圖7 量子點(diǎn)所在簇最弱CCD成像圖

圖8 量子點(diǎn)所在簇最強(qiáng)CCD成像圖

將圖中最弱與最強(qiáng)信號(hào)數(shù)據(jù)以波長(zhǎng)對(duì)強(qiáng)度積分，分別記為Qmin與Qmax。并將單位時(shí)間內(nèi)光譜儀捕獲強(qiáng)度數(shù)據(jù)記為q(n)，該數(shù)據(jù)受到光譜儀積分時(shí)間影響而不同，且對(duì)單位時(shí)間內(nèi)的強(qiáng)度進(jìn)行求和運(yùn)算[8]，記為式(6)：

(6)

式中λΔ為光譜儀可識(shí)別波長(zhǎng)范圍。

并根據(jù)強(qiáng)度數(shù)據(jù)構(gòu)造關(guān)系式(7)：

d(n)=q(n)-q(n-1)-[q(n-1)-q(n-2)]

(7)

定義為強(qiáng)度增強(qiáng)速度。

同時(shí)，設(shè)置判決函數(shù)式(8)：

(8)

所以最終得出的函數(shù)關(guān)系式(9)：

(9)

因?yàn)間(x)判決關(guān)系式(8)的影響，f(n)只有在Q(n)的值位于Qmin與Qmax之間時(shí)才有意義。當(dāng)f(n)的值減小時(shí)，說(shuō)明光譜儀已接近偏振值，則減緩旋轉(zhuǎn)電機(jī)速率[9]。最終，在得到有效數(shù)據(jù)并記錄之后，判決偏振片工作角度若小于180°則原路徑返回，若大于180°則繼續(xù)旋轉(zhuǎn)，直至歸零。偏振光波長(zhǎng)-強(qiáng)度關(guān)系如圖9所示。

圖9 量子點(diǎn)波長(zhǎng)強(qiáng)度關(guān)系圖

3.2 系統(tǒng)工作流程

在結(jié)構(gòu)、上位機(jī)、下位機(jī)搭建完成基礎(chǔ)之上，整個(gè)程序可以開(kāi)始運(yùn)行。將制備的量子點(diǎn)均勻涂抹于3×3的載玻片上，置放于滑臺(tái)之上，量子點(diǎn)檢測(cè)儀便可以開(kāi)始工作，其工作流程如圖10所示。

圖10 檢測(cè)儀工作流程圖

4 結(jié)論

整個(gè)工程從立項(xiàng)到研發(fā)再到投入使用一共歷時(shí)3年，4次改版，最終確定了當(dāng)前的樣式，雖然已達(dá)到驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)，但后期將機(jī)器學(xué)習(xí)功能相繼融合，盡工作組最大努力，將該半自動(dòng)納米量子點(diǎn)檢測(cè)儀器向全自動(dòng)方向繼續(xù)完善。最終，該半自動(dòng)納米量子點(diǎn)檢測(cè)儀實(shí)物圖如圖11所示。

圖11 納米量子點(diǎn)檢測(cè)儀工作圖