СИСТЕМА ДЛЯ ВЫСОКОЧУВСТВИТЕЛЬНОГО ВЗВЕШИВАНИЯ Российский патент 2012 года по МПК G01G3/08 B82B1/00 

Изобретение относится к области систем, позволяющих проводить высокочувствительное взвешивание (диапазон измерений 10^-6-10^-21 г), принцип действия которых основан на определении присоединенной массы по изменению резонансной частоты колебаний кантилевера. Такие системы могут быть использованы для качественного и количественного изучения сорбции атомов или молекул, для определения химических соединений и биологических объектов, способных специфически связываться с рецепторами, иммобилизованными на поверхности кантилевера, в том числе биологических материалов: комплементарных молекул нуклеиновых кислот, клеток и клеточных рецепторов.

Известна система для высокочувствительного взвешивания, состоящая из кантилевера с отражательной поверхностью, источника света и фотодетектора, регистрирующего падающий на него свет, отраженный от кантилевера (Патент США №US 2008/0136291 A1, 2008).

Известна система для высокочувствительного взвешивания, состоящая из кантилевера, представляющего собой гибкое основание с отражательной поверхностью, источника света и фотодетектора, регистрирующего падающий на него свет, отраженный от кантилевера (Патент США №US 2002/0092340 A1, 2002).

Наиболее близкой к заявляемой является известная система для высокочувствительного взвешивания, состоящая из кантилевера, источника света (SEL-лазера - лазер с поверхностным излучением), расположенного на подвижной части кантилевера, и позиционно чувствительного устройства для регистрации светового излучения, идущего от источника света (Патент США №5982009, 1999, см. описание столбец 8, строка 15 и Фиг.6) - прототип.

Недостатком известного технического решения является относительно невысокая чувствительность системы, обусловленная ограничениями геометрических размеров кантилевера, вызванными конечными размерами SEL-лазера, расположенного на подвижной части кантилевера. Недостатком также является низкая точность измерений, обусловленная неизбежной побочной интерференционной картиной, образованной на устройстве для регистрации светового излучения из-за побочного рассеяния лазерного излучения, идущего от источника света, на окружающих объектах.

Задачей изобретения является создание системы для высокочувствительного взвешивания, лишенной вышеуказанных недостатков.

Техническим результатом изобретения является повышение чувствительности системы и точности взвешиваний.

Предварительно были проведены эксперименты, в результате которых было установлено, что указанный технический результат достигается только тогда, когда в известной системе для высокочувствительного взвешивания, состоящей из кантилевера, источника света, расположенного на подвижной части кантилевера, и позиционно чувствительного устройства для регистрации светового излучения, идущего от источника света, система дополнительно содержит внешний источник энергии, а в качестве источника света система содержит метку, способную излучать в световом диапазоне в результате воздействия внешнего источника энергии.

В предлагаемом техническом решении кантилевер может быть выполнен из различных материалов, например из металла, из кремния, из пластика и т.д. Кантилевер может быть выполнен в виде разных геометрических фигур, например, таких как параллелепипед, цилиндр, трубка и т.д. Размеры кантилевера могут варьироваться в широких пределах от макро- до наноразмеров. В предлагаемом изобретении кантилевер обязательно должен быть закреплен в системе так, что одна из его частей должна быть подвижной, т.е. способной совершать колебательные движения.

В предлагаемом изобретении в качестве источника света система содержит нанесенную на подвижную часть кантилевера метку, способную излучать в световом диапазоне в результате воздействия внешнего источника энергии. В качестве такой метки система может содержать, например, квантовую точку, флуоресцентный белок, люминесцирующие соединения лантаноидов, сульфид цинка и т.д. Размеры метки могут варьироваться в широких пределах в зависимости решаемой задачи, размеров и формы кантилевера. В зависимости от решаемой задачи и типа используемой метки она в результате воздействия на нее внешнего источника энергии способна излучать в различных световых диапазонах (ультрафиолетовое, и/или видимое, и/или инфракрасное излучение). При воздействии внешнего светового источника энергии метка может излучать в диапазоне, отличном от диапазона излучения источника.

В зависимости от типа используемой метки система может содержать различные источники энергии, например ультрафиолетовую лампу, азотный лазер (ЛГИ-505), лампу накаливания «Narva-100», источники рентгеновского излучения, источники альфа-, бета-, гамма-излучения, энергию химической реакции и т.д. Источник энергии должен иметь возможность для передачи энергии к метке.

В предлагаемом изобретении устройство для регистрации светового излучения, идущего от метки, обязательно должно быть позиционно чувствительным, чтобы определять изменение положения метки и быть способным регистрировать диапазон излучения, идущего от метки. В качестве такого устройства система может содержать, например, оптический микроскоп, многосекционный фотодиод либо несколько фотодиодов, ПЗС камеру, детектор положения луча непрерывного типа и т.д. Каждый из этих приборов может быть различных марок. Устройство для регистрации светового излучения может состоять как из одного, так и нескольких регистрирующих элементов. Устройства для регистрации светового излучения, не обладающие позиционной чувствительностью, не могут быть использованы в предлагаемом изобретении. Устройство для регистрации светового излучения всегда должно быть расположено так, чтобы на него попадало световое излучение от метки, расположенной на кантилевере.

Устройство регистрации светового излучения позволяет определять характер движения и колебаний метки, расположенной на подвижной части кантилевера. Путем компьютерной обработки определяют частоту колебаний метки, которая соответствует резонансной частоте колебаний кантилевера. Таким образом, определяют резонансную частоту колебаний кантилевера до и после помещения на него взвешиваемого объекта. Колебания кантилевера можно аппроксимировать моделью физического маятника, по резонансной частоте которого можно определить его массу. Аналогичным образом определяют массу кантилевера до и после помещения на него взвешиваемого объекта. Масса взвешиваемого объекта равна разности вышеуказанных значений масс.

Преимущества предлагаемой системы иллюстрируют следующие примеры.

Пример 1.

В опыте используют систему для высокочувствительного взвешивания, схематически изображенную на чертеже. Система содержит кантилевер 1, представляющий собой многослойную нанотрубку, закрепленную с одного конца (диаметр нанотрубки 60 нм, длина 2 мкм). Система также содержит метку 2, расположенную на подвижном конце нанотрубки, в качестве которой использован зеленый флуоресцентный белок, способный излучать в зеленом диапазоне с пиком флуоресценции на 498 нм под воздействием ультрафиолетового света, идущего от внешнего источника энергии 3, в качестве которого система содержит ультрафиолетовую лампу, расположенную над флуоресцентной меткой. Система также содержит позиционно чувствительное устройство 4, в качестве которого использована CCD-камера марки Gated ICCD Camera (С7972-11) производства Hamamatsu (Япония), соединенная с персональным компьютером, обеспечивающим обработку данных эксперимента и не показанном на чертеже. CCD-камера расположена на оси симметрии многослойной нанотрубки и направлена регистрирующим элементом по направлению к нанотрубке. Система является настроенной и готова к проведению эксперимента. В ходе эксперимента изучают сорбцию газообразного 1,1-дифторэтана на поверхности полиметилметакрилата. Поверхность нанотрубки за исключением той области, на которой расположена метка, покрывают пленкой полиметилметакрилата толщиной 10 нанометров, затем производят определение резонансной частоты нанотрубки, покрытой полиметилметакрилатом. После чего многослойную нанотрубку подвергают воздействию газа 1,1-дифторэтана, в результате уменьшается резонансная частота нанотрубки. По изменению резонансной частоты нанотрубки определяют массу адсорбированного 1,1-дифторэтана. Чувствительность системы составляет 10^-21 г. Точность взвешивания равна 12%.

Пример 2.

Опыт проводят аналогично примеру 1, однако в качестве кантилевера система содержит кремниевую пластину (длина пластины 10 мкм, ширина пластины 2 мкм, толщина 1 мкм), покрытую слоем золота, в качестве метки система содержит квантовую точку CdSe/ZnS (шар с диаметром 350 нм) с пиком излучения на 772 нм, в качестве внешнего источника энергии система содержит лазер марки ЛГИ-505 производства ОАО "ПЛАЗМА" (РФ) с длиной волны излучения 337,1 нм, а в качестве позиционно чувствительного устройства для регистрации светового излучения система содержит высокоскоростную видеосистему Fastcam SA5 производства Photron USA, Inc (США). В ходе эксперимента определяют адсорбированную массу паров меди, осевших на пленке золота, покрывающей поверхность кантилевера. Чувствительность системы составляет 10^-20 г. Точность взвешивания равна 11%.

Пример 3.

Опыт проводят аналогично примеру 1, однако в качестве кантилевера система содержит углеродный цилиндр (диаметр цилиндра 500 нм, длина цилиндра 5 мкм), на поверхность которого вблизи подвижного конца напылен слой сульфида цинка, который выступает в качестве источника света за счет своей способности к радиолюминесценции под воздействием внешнего источника энергии, в качестве которого система содержит источник бетта-излучения на основе трития, а в качестве позиционно чувствительного устройства для регистрации светового излучения система содержит КМОП-камеру марки Phantom v12.1 производства AMETEK Company (США). Кроме того, устройство для регистрации светового излучения расположено перпендикулярно к оси симметрии углеродного цилиндра и направлено детектирующим элементом к метке. В ходе эксперимента определяют массу паров золота, осевших на поверхности кантилевера. Чувствительность системы составляет 10^-20 г. Точность взвешивания равна 10%.

Пример 4 (контрольный, по прототипу).

Опыт проводят аналогично примеру 2, однако в качестве источника света система содержит SEL-лазер производства Optowell Co., Ltd с длиной волны излучения 670 нм, закрепленный на подвижном конце кантилевера, в качестве которого система содержит прямоугольную кремниевую пластину (длина пластины 100 мкм, ширина пластины 30 мкм, толщина 4 мкм). Чувствительность системы составляет 10^-13 г. Точность взвешивания равна 20%.

Таким образом, из приведенных примеров видно, что предложенная система для высокочувствительного взвешивания действительно имеет на 7 порядков более высокую чувствительность и позволяет повысить точность взвешивания с 20% (прототип) до 10-12%.

Изобретение относится к области весоизмерительной техники и направлено на повышение чувствительности и точности взвешивания, что обеспечивается за счет того, что система для высокочувствительного взвешивания включает кантилевер, источник света, расположенный на подвижной части кантилевера, и позиционно чувствительное устройство для регистрации светового излучения, идущего от источника света. При этом согласно изобретению система дополнительно содержит внешний источник энергии, а в качестве источника света система содержит метку, способную излучать в световом диапазоне в результате воздействия внешнего источника энергии. 1 ил.

Система для высокочувствительного взвешивания, состоящая из кантилевера, источника света, расположенного на подвижной части кантилевера, и позиционно чувствительного устройства для регистрации светового излучения, идущего от источника света, отличающаяся тем, что система дополнительно содержит внешний источник энергии, а в качестве источника света система содержит метку, способную излучать в световом диапазоне в результате воздействия внешнего источника энергии.