專利名稱：微懸臂傳感器測(cè)量液體中痕量物質(zhì)的方法和裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及環(huán)保檢測(cè)領(lǐng)域中測(cè)量液體中痕量物質(zhì)的方法，特別是涉及一種微懸臂傳感器在測(cè)量液體中痕量物質(zhì)的方法。
背景技術(shù)：
在經(jīng)濟(jì)高速發(fā)展的同時(shí)，環(huán)境污染也在日益加劇。生態(tài)環(huán)境的平衡不斷地遭到破壞，正威脅著人類的生存和持續(xù)的經(jīng)濟(jì)發(fā)展，因此加強(qiáng)生態(tài)環(huán)境保護(hù)和建設(shè)，推動(dòng)經(jīng)濟(jì)持續(xù)快速協(xié)調(diào)健康發(fā)展是我國(guó)新時(shí)期的主要任務(wù)之一。水質(zhì)的好壞，直接關(guān)系到一個(gè)國(guó)家國(guó)民的身體健康，也是國(guó)家進(jìn)步的標(biāo)志之一。我們國(guó)家的用水目標(biāo)，應(yīng)該從“村村通自來(lái)水”，逐步進(jìn)展到“人人喝高質(zhì)量的飲用水”。專家認(rèn)為飲水的污染是導(dǎo)致癌癥，心臟病和鉛中毒的第一號(hào)威脅，身體的吸收導(dǎo)致了種種的慢性病。水污染不僅影響我們的健康，還能腐蝕用具，弄臟和腐蝕衣物和用具，使食物和飲水變味，以及使頭發(fā)逐漸變色。在很多地表水中，除常規(guī)的污染因子外，還有很多微量的有毒有害物質(zhì)(痕量物質(zhì))，包括“三致”(致癌、致畸、致突變)物質(zhì)。痕量物質(zhì)難降解，高毒性，通過(guò)食物鏈能在人體內(nèi)蓄積，能夠在大氣環(huán)境中長(zhǎng)距離遷移，其對(duì)人體和環(huán)境帶來(lái)的危害已成為近幾年世界各國(guó)關(guān)注的環(huán)境焦點(diǎn)問(wèn)題，并引起世界各地決策者和科學(xué)家的關(guān)注。
但是目前的監(jiān)測(cè)方法和監(jiān)測(cè)儀器遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足實(shí)際需求，環(huán)境監(jiān)測(cè)儀器作為儀器儀表學(xué)科中的新的分支，與其它學(xué)科儀器相比還處于比較落后的狀態(tài)。先進(jìn)的工業(yè)國(guó)家從上世紀(jì)80年代開(kāi)始，就在空氣、水質(zhì)、海洋及生態(tài)等環(huán)境領(lǐng)域投入了大量的資金與人力，進(jìn)行環(huán)境檢測(cè)的基礎(chǔ)研究和儀器系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)。并相繼有先進(jìn)成熟的產(chǎn)品推向市場(chǎng)，形成了環(huán)保儀器的新興產(chǎn)業(yè)。國(guó)內(nèi)的環(huán)境事業(yè)起步較晚，滯后了十多年，總體上還比較落后。國(guó)家和各省建設(shè)的重要流域的100多個(gè)自動(dòng)水質(zhì)監(jiān)測(cè)站的在線儀器幾乎全部采用進(jìn)口儀器。據(jù)有關(guān)資料報(bào)導(dǎo)，引進(jìn)的環(huán)境監(jiān)測(cè)儀器和裝備已高達(dá)近20億元。因此目前國(guó)內(nèi)高水平的環(huán)境監(jiān)測(cè)儀器的巨大市場(chǎng)被國(guó)外公司占領(lǐng)?，F(xiàn)有的水質(zhì)檢測(cè)方法有很多化學(xué)耗氧量法，生物耗氧量法，庫(kù)侖滴定法，分光光度法，比色法，氣相色譜法，液相色譜法，質(zhì)譜法等，但它們都存在這樣或那樣的缺點(diǎn)，如操作步驟多、過(guò)程繁雜、監(jiān)測(cè)周期長(zhǎng)，不易實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)野外監(jiān)測(cè)，精度不高，達(dá)不到精確監(jiān)控的要求。痕量物質(zhì)的濃度非常低，從ppm(part-per-million)到ppb(part-per-billion)甚至ppt(part-per-trillion)數(shù)量級(jí)，這種微少含量的物質(zhì)很難用常規(guī)傳感檢測(cè)方法進(jìn)行測(cè)量。因此迫切需要研究開(kāi)發(fā)高靈敏度、高精度、高選擇性的痕量物質(zhì)檢測(cè)技術(shù)和監(jiān)測(cè)儀器。
1982掃描隧道顯微鏡出現(xiàn)；1986年，Binnig等人利用掃描隧道顯微鏡測(cè)量近10-18N的表面力，將掃描隧道顯微鏡與探針式輪廓儀相結(jié)合，發(fā)明了原子力顯微鏡(AFM)，在空氣中測(cè)量，達(dá)到橫向精度3nm和垂直方向0.1nm的分辨率。California大學(xué)S.Alexander等人利用光杠桿實(shí)現(xiàn)的原子力顯微鏡首次獲得了原子級(jí)分辨率的表面圖像。以STM和AFM為基礎(chǔ)發(fā)展的顯微鏡，可統(tǒng)稱為掃描探針顯微鏡(SPM)。它們大都能觀測(cè)到納米尺度，以它們?yōu)榛A(chǔ)進(jìn)行適當(dāng)?shù)母脑欤蛇M(jìn)行納米測(cè)量，如以后出現(xiàn)的激光力顯微鏡、磁力顯微鏡、靜電力顯微鏡、彈導(dǎo)電子發(fā)射顯微鏡、掃描離子電導(dǎo)顯微鏡、掃描近場(chǎng)光學(xué)顯微鏡、光子掃描隧道顯微鏡、掃描熱顯微鏡等，都是利用探針與樣品的不同相互作用來(lái)探測(cè)表面或界面在納米尺度上表現(xiàn)出來(lái)的物理和化學(xué)性質(zhì)。它們的非接觸式探針的直徑非常小，從而極大地提高了測(cè)量分辨率。
目前，國(guó)內(nèi)外AFM和STM主要應(yīng)用在研究高分辨率檢測(cè)與表面和微結(jié)構(gòu)之間的物理相互作用，從而給出微形貌、形狀和尺寸的測(cè)量。表面吸附感應(yīng)的研究起步卻只是近十年的事。此外，由于納米材料和器件的特征長(zhǎng)度很小，測(cè)量時(shí)產(chǎn)生很大擾動(dòng)，以至產(chǎn)生的信息并不能完全代表其本身特性。這些都是限制納米測(cè)量技術(shù)通用化和應(yīng)用化的瓶頸，因此，納米尺度下的測(cè)量無(wú)論是在理論上，還是在技術(shù)和設(shè)備上都需要深入研究和發(fā)展。
以微懸臂(micro-cantilever)探針為基礎(chǔ)的AFM也開(kāi)始從微形貌測(cè)量轉(zhuǎn)向環(huán)境檢測(cè)及生物學(xué)中迅速發(fā)展，其優(yōu)勢(shì)在于(1)樣品制備簡(jiǎn)單，無(wú)需對(duì)樣品進(jìn)行特殊處理，因此，其破壞性較其它常用技術(shù)(如電子顯微鏡)要小得多；(2)能在多種環(huán)境(包括空氣、液體和真空)中運(yùn)作，生物分子可在生理?xiàng)l件下直接成像，也可對(duì)活細(xì)胞進(jìn)行實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)觀察；(3)能提供生物分子和生物表面的分子/亞分子分辨率的三維圖像；(4)能以納米尺度的分辨率觀察局部的電荷密度和物理特性，測(cè)量分子間(如微懸臂和水中離子，受體和配體)的相互作用力；(5)能對(duì)單個(gè)生物分子進(jìn)行操縱；另外，由AFM獲得的信息還能與其它的分析技術(shù)和顯微鏡技術(shù)互補(bǔ)。
微懸臂傳感器，正如它在AFM中所展示的那樣，完全可以作為物理、生化性質(zhì)的實(shí)時(shí)在線測(cè)量的有利工具。由于吸附感應(yīng)力引起微懸臂的極微小偏轉(zhuǎn)，由于所吸附分子質(zhì)量不同而引起共振頻率變化，這些極其敏感的變化完全可以達(dá)到ppb到ppt的靈敏度。由參考文獻(xiàn)看來(lái)，國(guó)外對(duì)這方面的研究已經(jīng)在開(kāi)展，國(guó)內(nèi)也有部分生物醫(yī)學(xué)納米技術(shù)專業(yè)的科研人員進(jìn)行AFM測(cè)量生物分子間相互作用的研究。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種微懸臂傳感器在測(cè)量液體中痕量物質(zhì)的方法和裝置。從微懸臂的精密傳感出發(fā)，結(jié)合AFM技術(shù)，將之應(yīng)用于液體中痕量物質(zhì)檢測(cè)，利用微懸臂傳感器實(shí)時(shí)、在線、精確測(cè)量水中的痕量物質(zhì)含量。
本發(fā)明的上述目的是通過(guò)以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的一、一種微懸臂傳感器在測(cè)量液體中痕量物質(zhì)的方法(1)水泵分別經(jīng)待測(cè)液體和標(biāo)準(zhǔn)液體經(jīng)通道，通過(guò)一個(gè)轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)，將樣品打入液體池；(2)底面為透明材料液體池中放置微懸臂，用一束激光打在微懸臂反光面，用一個(gè)位置敏感的二維光電探測(cè)器探測(cè)反射光來(lái)得知微懸臂的位移；(3)轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)有三檔通道，即關(guān)閉、開(kāi)通待測(cè)液體通道和開(kāi)通標(biāo)準(zhǔn)液體通道，當(dāng)待測(cè)液體經(jīng)過(guò)時(shí)，由于其間物質(zhì)的吸附作用，微懸臂會(huì)有起伏現(xiàn)象，于是激光束的反射也就隨之起伏；(4)位置敏感光電探測(cè)器將反射激光信號(hào)接收，經(jīng)計(jì)算的控制電路放大、處理，和標(biāo)準(zhǔn)液體用同樣方式所得信號(hào)進(jìn)行比對(duì)，即可獲得代表離子濃度的信息。
二、一種微懸臂傳感器在測(cè)量液體中痕量物質(zhì)的裝置水泵經(jīng)通道分別接標(biāo)準(zhǔn)液體和待測(cè)液體，再分別接轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)，轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)出口接底面為透明材料的液體池，液體池中設(shè)置微懸臂，激光束從液體池底面進(jìn)入經(jīng)微懸臂底面反射至探測(cè)器，探測(cè)器與計(jì)算機(jī)電連接。
本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有的有益效果是從痕量物質(zhì)的精密檢測(cè)出發(fā)，將AFM技術(shù)應(yīng)用于水污染檢測(cè)，利用微懸臂傳感器吸附感應(yīng)，實(shí)時(shí)、在線、精確測(cè)量水中的微量離子含量，本發(fā)明有利于快速實(shí)時(shí)的水污染檢測(cè)。


圖1為本發(fā)明的微懸臂原理示意圖；圖1a微懸臂俯視圖，圖1b吸附作用前微懸臂側(cè)視圖，圖1c吸附引起微懸臂彎曲；圖2為本發(fā)明的測(cè)量方法裝置的示意圖。
圖中1、水泵，2、標(biāo)準(zhǔn)液體，3、待測(cè)液體，4、轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)，5、液體池，6、微懸臂，7、激光，8、探測(cè)器，9、計(jì)算機(jī)，10、液體出口。
具體實(shí)施例方式
下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說(shuō)明。
如圖2所示，水泵1經(jīng)通道分別接標(biāo)準(zhǔn)液體2和待測(cè)液體3，再分別接轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)4，轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)4出口接底面為透明材料的液體池5，液體池中設(shè)置微懸臂6，激光束從液體池5底面進(jìn)入經(jīng)微懸臂7底面反射至探測(cè)器8，探測(cè)器8與計(jì)算機(jī)9電連接，10為液體池的液體出口。
微懸臂(如圖1a所示)在原子力顯微鏡中已經(jīng)顯示了它作為一個(gè)非常靈敏的力傳感器的巨大威力。同樣，微懸臂也可以作為生化傳感器來(lái)測(cè)量表面壓力生化樣品在微懸臂(如圖1b所示)表面的吸附作用會(huì)產(chǎn)生表面壓力，從而引起微懸臂的彎曲(如圖1c所示)。它可測(cè)量10-4N/m的壓力變化，而化學(xué)鍵約在10-9～10-11N之間?？梢?jiàn)離子吸附作用引起的彎曲和微懸臂的彈性常數(shù)在同一量級(jí)。
假設(shè)微懸臂的長(zhǎng)度為L(zhǎng)，寬為w，厚為t，并且有L＞＞w＞＞t。吸附引起的微懸臂彎曲半徑為R(如圖1所示)。
微懸臂表面壓力g和表面自由能γ之間的關(guān)系，可以用Shuttleworth公式來(lái)表示g=γ+∂γ∂ϵ]]>表面張力ε定義為表面面積的變化∂ϵ=dAA]]>微懸臂引起的彎曲和它的長(zhǎng)度比起來(lái)非常小?？梢院雎员砻鎻埩π?yīng)，認(rèn)為微懸臂自由能的變化等于其表面壓力的變化。
Stoney公式描述了彎曲后的微懸臂的位移(Δz)和表面壓力的變化，或者說(shuō)自由能的變化(δg)的關(guān)系Δz=3(1-v)L2Et2δg]]>v是Poisson系數(shù)，E是楊氏模量。這樣，可以測(cè)出微懸臂的位移來(lái)得知其表面壓力的變化。而微懸臂表面壓力是和痕量物質(zhì)的濃度密切相關(guān)，即微懸臂的位移和痕量物質(zhì)的濃度密切相關(guān)。
具體實(shí)施方案，如圖2所示(1)微型水泵經(jīng)通道(包括待測(cè)液體和標(biāo)準(zhǔn)液體)，通過(guò)一個(gè)轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)，將樣品緩慢打入液體池，最后通過(guò)液體池另一側(cè)的出口排出；
(2)液體池底面用透明材料制成，在其中放置微懸臂。用一束波長(zhǎng)680nm，功率10mW的半導(dǎo)體激光打在微懸臂反光面，用一個(gè)位置敏感的二維光電探測(cè)器(如濱松公司S1743型號(hào))探測(cè)反射光來(lái)得知微懸臂的位移。由于液面的抖動(dòng)將影響激光光路的走向，導(dǎo)致嚴(yán)重的誤差，特設(shè)計(jì)激光從底面進(jìn)入，將液體流動(dòng)造成的影響降至最低；(3)轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)有3檔關(guān)閉，開(kāi)通待測(cè)液體通道和開(kāi)通標(biāo)準(zhǔn)液體通道。當(dāng)待測(cè)液體經(jīng)過(guò)時(shí)，由于其間物質(zhì)的吸附作用，微懸臂會(huì)有起伏現(xiàn)象，于是激光束的反射也就隨之起伏；(4)位置敏感光電探測(cè)器將反射激光信號(hào)接收，輸出電流信號(hào)。經(jīng)控制電路放大，轉(zhuǎn)化為電壓信號(hào)，最終由A/D接口采集進(jìn)電腦進(jìn)行處理，得到微懸臂的形變量大小。由和標(biāo)準(zhǔn)液體(純水)用同樣方式所得信號(hào)進(jìn)行比對(duì)，即可獲得代表離子濃度等方面的信息；(5)微懸臂由一個(gè)100～500μm長(zhǎng)和大約500nm～5μm厚的硅片或氮化硅片制成。微懸臂頂端有一個(gè)尖銳針尖，用來(lái)檢測(cè)樣品一針尖間的相互作用力。微懸臂有一定的規(guī)格，如長(zhǎng)度、寬度、彈性系數(shù)以及針尖的形狀，依照樣品的特性選擇不同類型的探針。
(6)用含有不同濃度或痕量物質(zhì)種類的已知樣品，及不同類型的微懸臂做測(cè)試，建立相應(yīng)的數(shù)據(jù)庫(kù)，存入計(jì)算機(jī)軟件中。即可檢測(cè)未知樣品。
權(quán)利要求
1.一種微懸臂傳感器測(cè)量液體中痕量物質(zhì)的方法，其特征在于該方法的步驟如下(1)水泵分別經(jīng)待測(cè)液體和標(biāo)準(zhǔn)液體經(jīng)通道，通過(guò)一個(gè)轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)，將樣品打入液體池；(2)底面為透明材料的液體池中放置微懸臂，用一束激光打在微懸臂反光面，用一個(gè)位置敏感的二維光電探測(cè)器探測(cè)反射光來(lái)得知微懸臂的位移；(3)轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)有三檔通道，即關(guān)閉、開(kāi)通待測(cè)液體通道和開(kāi)通標(biāo)準(zhǔn)液體通道，當(dāng)待測(cè)液體經(jīng)過(guò)時(shí)，由于其間物質(zhì)的吸附作用，微懸臂會(huì)有起伏現(xiàn)象，于是激光束的反射也就隨之起伏；(4)位置敏感光電探測(cè)器將反射激光信號(hào)接收，經(jīng)計(jì)算的控制電路放大、處理，和標(biāo)準(zhǔn)液體用同樣方式所得信號(hào)進(jìn)行比對(duì)，即可獲得代表離子濃度的信息。
2.一種微懸臂傳感器測(cè)量液體中痕量物質(zhì)的裝置，其特征在于水泵(1)經(jīng)通道分別接標(biāo)準(zhǔn)液體(2)和待測(cè)液體(3)，再分別接轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)(4)，轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)(4)出口接底面為透明材料的液體池(5)，液體池中設(shè)置微懸臂(6)，激光束從液體池(5)底面進(jìn)入經(jīng)微懸臂(7)底面反射至探測(cè)器(8)，探測(cè)器(8)與計(jì)算機(jī)(9)電連接。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種微懸臂傳感器在測(cè)量液體中痕量物質(zhì)的方法和裝置。水泵分別經(jīng)待測(cè)液體和標(biāo)準(zhǔn)液體經(jīng)通道將樣品打入液體池；液體池中放置微懸臂，激光打在微懸臂反光面，用的二維光電探測(cè)器探測(cè)反射光來(lái)得知微懸臂的位移；關(guān)閉、開(kāi)通待測(cè)液體通道和開(kāi)通標(biāo)準(zhǔn)液體通道，當(dāng)待測(cè)液體經(jīng)過(guò)時(shí)，由于其間物質(zhì)的吸附作用，微懸臂會(huì)有起伏現(xiàn)象，于是激光束的反射也就隨之起伏；位置敏感光電探測(cè)器將反射激光信號(hào)接收，經(jīng)計(jì)算的控制電路放大、處理，和標(biāo)準(zhǔn)液體用同樣方式所得信號(hào)進(jìn)行比對(duì)，即可獲得代表離子濃度的信息。本發(fā)明從痕量物質(zhì)的精密檢測(cè)出發(fā)，將AFM技術(shù)應(yīng)用于水污染檢測(cè)，利用微懸臂傳感器吸附感應(yīng)，實(shí)時(shí)、在線、精確測(cè)量水中的微量離子含量。
文檔編號(hào)G01N21/17GK1987416SQ200610155510
公開(kāi)日2007年6月27日 申請(qǐng)日期2006年12月27日 優(yōu)先權(quán)日2006年12月27日
發(fā)明者吳蘭, 朱韌, 徐向東, 王世明, 嚴(yán)小青, 丁志華, 盛浩斌 申請(qǐng)人:浙江大學(xué)