一种亚纳米光学检测系统及其检测方法技术方案

本发明专利技术公开了一种亚纳米光学检测系统及其检测方法，该系统包括控制单元、样品池、光输送单元和成像单元；控制单元包括永磁铁和电机，电机驱动永磁铁旋转及移动；样品池盛放的单分子样品一端连接有盖玻片上，另一端连接有磁珠；光输送单元包括光源、弯头光纤、准直器、分束器和物镜，光源的光束依次经过弯头光纤、准直器及分束器后，形成反射光与折射光，使单分子样品的磁珠形成多个衍射环；成像单元包括研究级相机和计算模块，研究级相机采集单分子样品的磁珠图像并传输至计算模块，计算模块将采集的磁珠图像转化为二维光强分布，进而转化为磁珠的实时三维位置，得出被测磁珠的Z轴数值。本实施例实现了亚纳米级别精度的成像效果。

【技术实现步骤摘要】
一种亚纳米光学检测系统及其检测方法
本专利技术涉及单分子力谱性质测量
，具体涉及一种亚纳米光学检测系统及其检测方法。
技术介绍
单分子运动研究和力谱技术已广泛用于研究生物学过程，例如RNA翻译，转录，分子马达运动，蛋白质-DNA互作、重组。此类实验一般依赖于单分子探针的使用。例如DNA，RNA或蛋白质被连接在磁珠上，然后通过磁珠的运动来获取被测生物分子状态变化的信息。在众多单分子测量方法中，光镊，磁镊和原子力显微镜(AFM)是广泛使用的技术。近期一个世界性的技术难点在于测量精度的提升，需要达到纳米乃至亚纳米(埃)的精度。与光镊和AFM相比，磁镊特异性强，无需预热，实验效率和力稳定性高，具有独特的优势。磁性镊子不仅无需执行反馈控制，还具有出色的力稳定性，可以长时间进行实验而不会发生力漂移。此外，可以使用参考磁珠消除任何干扰分子延伸测量的机械漂移。这些特性使磁镊成为了在生理状态下长时间研究生物分子(蛋白、DNA等)的力响应与机械性能的一项强大技术。目前，超高精度显微技术依赖衍射环成像。提高衍射环数量及质量的通用方法是购买成套的显微镜进行成像，此种方法不仅价格高昂、系统改装的灵活性差，因此，研究一个低成本、高精度、易于组装、改装及维护的光学检测系统具有十分重要的意义。
技术实现思路
为了克服现有技术存在的缺陷与不足，本专利技术提供一种亚纳米光学检测系统及其检测方法，使用数个光学器件以及支撑件进行组装的光学系统，提高单分子装置微珠的衍射环的清晰度和数量，进而提高测量精度，达到亚纳米精度，应用于磁镊设备的光路系统，能够呈现高质量的图像。为了达到上述目的，本专利技术采用以下技术方案：本专利技术提供一种亚纳米光学检测系统，包括：控制单元、样品池、光输送单元和成像单元；所述控制单元包括永磁铁和电机，所述电机带动永磁铁旋转及移动；所述样品池用于盛放单分子样品，单分子样品溶液置于环境溶液中并形成样品腔，单分子样品一端连接有样品池的盖玻片，另一端连接有磁珠；所述光输送单元包括光源、弯头光纤、光处理单元和物镜，所述光处理单元包括准直器和分束器；所述光源的光束经过弯头光纤后射入准直器，准直器将射入的光转变为平行光后射入分束器，分束器将射入的平行光分为光强相同的反射光与折射光，形成全反射光路，反射光竖直照射样品池上，使单分子样品的磁珠形成多个衍射环；所述成像单元包括研究级相机和计算模块，所述研究级相机采集单分子样品的磁珠图像，并传输至计算模块，所述计算模块将研究级相机采集的磁珠图像转化为二维光强分布，转化为磁珠的实时三维位置，得出被测磁珠的Z轴数值。作为优选的技术方案，所述永磁铁还连接有承载零件，所述承载零件另一端连接有支撑杆，所述电机包括第一电机与第二电机，所述第一电机控制支撑杆沿中心轴旋转，所述第二电机控制支撑杆沿样品池竖直方向移动。作为优选的技术方案，所述单分子样品的一端与样品池的盖玻片化学连接，另一端与磁珠化学连接。作为优选的技术方案，所述光源采用环形LED光纤照明器。作为优选的技术方案，所述弯头光纤的光纤口径设置0.5cm以上。作为优选的技术方案，所述分束器采用50/50分束器。作为优选的技术方案，所述物镜的位置采用准焦螺旋进行粗调，压电陶瓷进行微调，所述物镜采用放大倍数为100的油镜。作为优选的技术方案，所述光输送单元与研究级相机之间采用T型管进行排列及固定。本专利技术还提供一种根据权利要求1-8所述亚纳米光学检测系统的检测方法，包括下述步骤：将研究级相机采集的磁珠实时图像转化为二维光强分布，即图像中每一个像素点的光强数值，然后再将光强数值转化为磁珠的实时三维位置；对被测磁珠不同的Z轴位置建参考库，将实时采集的图像与参考库中的磁珠图像进行对比，选出一个与当前被测磁珠图像最相近的图像，得出其关联的Z位置，输出被测磁珠的Z轴数值。作为优选的技术方案，所述对被测磁珠不同的Z轴位置建参考库，具体步骤包括：采用固定步长移动物镜，采集不同Z轴位置上被测磁珠的图像。本专利技术与现有技术相比，具有如下优点和有益效果：(1)本专利技术所采集得到的磁珠图像具有十分连续的光环与数量众多的衍射环，这些完整、清晰的环形图案对提高磁镊装置的精度起到重要的作用。(2)本专利技术的光学器件小巧轻便、灵活度很高，可以组装在任意磁镊系统上而不会改变其他结构、影响其他功能，并且可以采用多种方式进行组装与固定，易于更换与检修。(3)本专利技术所采用的大口径弯头光纤相较于同种类光纤，其最大优点是采用45°输入接头，无论输出接头竖直或水平，都能使得光纤的弯曲损耗减少，使光在运输过程的损耗大大减少，并易于安装连接。(4)本专利技术所采用的光源在设计时考虑了显微镜应用，能够支持并完全照亮环形光纤，适合进行单分子实验；其次，还拥有低放热、低功率、低排放的优点及支持多种电源和光纤的强大通用性。(5)本专利技术采用了T型管作为支撑、数个光学器件为核心组装成一个成像系统，解决了以往磁镊系统过于依赖昂贵的研究级显微镜作为成像单元、成像精度不高导致后续的数据误差过大的技术问题，达到了实现亚纳米级别精度的成像效果。附图说明图1为本实施例的亚纳米光学检测系统的结构示意图；图2为本实施例大口径弯头光纤的结构示意图；图3为本实施例磁珠实时图像及转化后的二维光强数组；图4为本实施例磁珠部分实时Z坐标。1-永磁铁、2-样品池、3-物镜、4-50/50分束器、5-研究级相机、6-准直器、7-大口径弯头光纤、8-光源、9-大口径输入端口、10-光纤主体、11-输出端口。具体实施方式为了使本专利技术的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本专利技术进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本专利技术，并不用于限定本专利技术。实施例如图1所示，本实施例提供一种亚纳米光学检测系统，包括：控制单元、样品池2、光输送单元和成像单元，光输送单元将光源发出的光经过处理后投送到样品上，成像单元用于采集并分析样品中磁珠的图像数据；控制单元包括永磁铁1与电机，通过电机带动永磁铁旋转，改变永磁铁的位置及旋转，以此改变磁珠所受的竖直方向上的力及水平方向上的力矩；在本实施例中，永磁铁优选的设置方式为：穿过样品的磁力线在水平方向。磁铁改变距离，样品受力变化；磁场旋转，样品受力矩作用。本实施例设计一种承载零件，该承载零件能承载块状与片状的小磁铁，底部设有能和支撑杆固定的凹槽。该支撑杆由两个不同的电机控制，其中一个控制磁铁的竖直位置，另一个控制支撑杆的旋转，此旋转是沿支撑杆的中心轴旋转，磁极方向不断变化，这两个电机均由计算机控制。样品池用于盛放单分子样品；其中，单分子样品溶液置于环境溶液中并形成一个样品腔，单分子样品通过化学连接一端连接在样品池的盖玻片上，另一端连接在磁珠上。本实施例的化学连接是通过在样品腔的上下任意一端孵育本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种亚纳米光学检测系统，其特征在于，包括：控制单元、样品池、光输送单元和成像单元；/n所述控制单元包括永磁铁和电机，所述电机带动永磁铁旋转及移动；/n所述样品池用于盛放单分子样品，单分子样品溶液置于环境溶液中并形成样品腔，单分子样品一端连接有样品池的盖玻片，另一端连接有磁珠；/n所述光输送单元包括光源、弯头光纤、光处理单元和物镜，所述光处理单元包括准直器和分束器；/n所述光源的光束经过弯头光纤后射入准直器，准直器将射入的光转变为平行光后射入分束器，分束器将射入的平行光分为光强相同的反射光与折射光，形成全反射光路，反射光竖直照射样品池上，使单分子样品的磁珠形成多个衍射环；/n所述成像单元包括研究级相机和计算模块，所述研究级相机采集单分子样品的磁珠图像，并传输至计算模块，所述计算模块将研究级相机采集的磁珠图像转化为二维光强分布，转化为磁珠的实时三维位置，得出被测磁珠的Z轴数值。/n

【技术特征摘要】
1.一种亚纳米光学检测系统，其特征在于，包括：控制单元、样品池、光输送单元和成像单元；
所述控制单元包括永磁铁和电机，所述电机带动永磁铁旋转及移动；
所述样品池用于盛放单分子样品，单分子样品溶液置于环境溶液中并形成样品腔，单分子样品一端连接有样品池的盖玻片，另一端连接有磁珠；
所述光输送单元包括光源、弯头光纤、光处理单元和物镜，所述光处理单元包括准直器和分束器；
所述光源的光束经过弯头光纤后射入准直器，准直器将射入的光转变为平行光后射入分束器，分束器将射入的平行光分为光强相同的反射光与折射光，形成全反射光路，反射光竖直照射样品池上，使单分子样品的磁珠形成多个衍射环；
所述成像单元包括研究级相机和计算模块，所述研究级相机采集单分子样品的磁珠图像，并传输至计算模块，所述计算模块将研究级相机采集的磁珠图像转化为二维光强分布，转化为磁珠的实时三维位置，得出被测磁珠的Z轴数值。


2.根据权利要求1所述的亚纳米光学检测系统，其特征在于，所述永磁铁还连接有承载零件，所述承载零件另一端连接有支撑杆，所述电机包括第一电机与第二电机，所述第一电机控制支撑杆沿中心轴旋转，所述第二电机控制支撑杆沿样品池竖直方向移动。


3.根据权利要求1所述的亚纳米光学检测系统，其特征在于，所述单分子样品的一端与样品池的盖玻片化学连接，另一端与磁珠化学连接。


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【专利技术属性】
技术研发人员：肖波涛，刘洋，
申请(专利权)人：华南理工大学，
类型：发明
国别省市：广东;44