原子力納米操作系統的信號檢測技術研究

毛燕龍，王作斌

(長春理工大學 納米測量與制造技術中心，長春 130022)

原子力納米操作系統的信號檢測技術研究

毛燕龍，王作斌

(長春理工大學 納米測量與制造技術中心，長春 130022)

原子力納米操作系統通過檢測探針與被測樣品表面之間的作用力信號來獲取被測樣品的表面形貌特征。為了研究不同濃度人參水提物對VERO細胞的影響，本文在分析了原子力探針懸臂形變反饋信號檢測原理的基礎上，設計了懸臂形變反饋信號檢測系統，獲得了VERO細胞表面形貌圖像以及表面高度參數。實驗表明，原子力納米操作系統通過檢測探針與被測細胞表面之間的作用力信號來獲取被測細胞表面參數是可行的。

信號檢測;探針懸臂;VERO細胞

0 引言

原子力納米操作系統在掃描樣品的過程中，通過探針的微懸臂來實時感知探針針尖與被測樣品之間的作用力，進而實現被測樣品的表面形貌成像［1］。目前，原子力納米操作系統掃描樣品表面形貌的縱向分辨率可達到0.01nm。由于AFM所測樣品很少需要前期處理，可在溶液中進行觀測活的生物樣品及其動態生理過程，因此在對生物細胞的檢測中占據了獨特地位［2］。在AFM接觸模式下對細胞進行掃描檢測，為了避免傷害細胞，探針與細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，對探針懸臂形變的反饋信號檢測顯得尤為重要。

由于探針懸臂的形變量十分微小，無法直接檢測，因此采用間接檢測的方法。常用的間接檢測方法有STM法、電容檢測法、光學干涉法、光束偏轉法等。其中，光束偏轉法原理簡單，容易實現，檢測精度高，是目前應用最為廣泛的一種檢測方法。

為了研究不同濃度人參水提物對VERO細胞的影響，本文在分析了原子力探針懸臂形變反饋信號檢測原理的基礎上，采用光束偏轉法設計了懸臂形變反饋信號檢測系統，獲得了VERO細胞表面形貌圖像以及高度參數。

1 探針懸臂形變反饋信號檢測原理

采用光束偏轉法來測量探針懸臂的形變量。來自激光二極管的一束激光投射到探針懸臂的末端，經反射被四象限光電探測器接收［4］。針尖受力之后，懸臂末端發生彎曲，微小的位移量經光束偏轉之后，在四象限光電探測器的光敏面上進行了放大，輸出與懸臂末端激光照射點到四象限光電探測器光敏面上的距離與探針懸臂長度之比相關［5］。光斑在四象限光電探測器的光敏面上移動，輸出不同的電壓信號，經過AD轉換后，反饋系統通過比較探測信號和參考信號，不斷調整探針與樣品之間的距離，保持兩者之間的作用力恒定。計算機通過軟件編程對探測信號進行處理，獲得樣品表面形貌圖像以及相應的物理量。

2 反饋信號檢測系統結構設計

系統的結構框圖如圖1所示。探針懸臂的形變信號經四象限光電探測器檢測之后，變為模擬電壓信號，通過DSP模塊向AD轉換模塊發出控制信號，對模擬電壓信號進行采集、存儲，并通過USB通信接口電路傳輸給計算機進行處理和分析。

圖1 系統結構框圖

由于四象限光電探測器具有很高的靈敏度、光譜范圍寬、響應速度快、分辨率高等優點，所以被廣泛的應用在納米操作系統中［6］。本文選用上海歐光公司的QP50-6SD2型四象限光電探測器，它是由四個光電二極管按直角坐標系的要求排列而成的光電探測器。通過電流-電壓轉換、放大電路，對四個象限的光電流進行電壓轉換和放大，增益為104。最后輸出Bottom-Top、Left-Right差信號以及經過四個象限上光電二極管產生的信號相加而成的Sum信號，三路信號的電壓輸出范圍在-9V～+9V之間，當入射激光波長為650nm時，探測器靈敏度為0.38A/W。

由于四象限光電探測器輸出的是三路模擬信號，因此選用TI公司生產的6通道16位同步AD轉換器，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行數據傳輸，各通道采樣速率為630KSPS。由于信號檢測的實時性，選用TI公司推出的32位定點DSP芯片TMS320F2812控制ADS8556進行信號采集。該芯片CPU主頻最高可達到150MHz，時鐘周期為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的收發器、SIE串行接口引擎、增強的8051微控制器和可編程的外圍接口，具有很好的兼容性［7］。計算機通過VC++軟件編程，將探針掃描樣品每一個點的電壓值作為圖像的灰度值進行RGB處理獲得樣品表面形貌圖像，以及表面高度參數。

3 實驗結果分析

在氣相條件下，分別對人參水提物濃度為20mg/ml和80mg/ml作用下的VERO細胞進行掃描檢測，獲得了VERO細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細胞表面形貌圖像

圖2(a)是人參水提物濃度為20mg/ml的VERO細胞表面形貌圖像，圖2(b)是人參水提物濃度為80mg/ml的VERO細胞表面形貌圖像。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胞的表面特征，通過對檢測信號的進一步處理獲得了在兩種不同濃度人參水提物作用下的VERO細胞的高度參數，如表1所示。

表1 兩種不同濃度培養液中的VERO細胞表面高度參數

通過對表1中VERO+G200和VERO+G800兩組高度數據的比較，可以看出，人參水提物濃度為80mg/ml的VERO細胞的表面最大高度要高于人參水提物濃度為20mg/ml的VERO細胞的表面最大高度。這說明，濃度為80mg/ml的人參水提物對VERO細胞表面高度的影響要強于濃度為20mg/ml的人參水提物。

4 結語

本文通過分析探針懸臂形變反饋信號檢測的原理，設計了探針懸臂形變反饋信號檢測系統。為研究不同濃度人參水提物對VERO細胞表面高度的影響應用該檢測方法，在氣相條件下，分別對人參水提物濃度為20mg/ml和80mg/ml作用下的VERO細胞進行了掃描，獲得了VERO細胞表面形貌圖像以及表面高度參數。實驗表明，原子力納米操作系統通過檢測探針與被測細胞表面之間的作用力信號來獲取被測細胞表面參數是可行的。原子力納米操作系統的信號檢測技術研究將有助于生物醫學領域的探索和發展。

［1］田孝軍，王越超，董再勵，等.基于AFM的機器人化納米操縱系統綜述［J］.機械工程學報，2009，45(6):14-23.

［2］朱杰，郭連紅，王國棟，等.原子力顯微鏡在細胞與生物大分子超微結構和力學研究中的應用［J］.醫用生物力學，2012，27(3):355-360.

［3］David P.Allison，Ninell P.Mortensen，Claretta J.Sullivan，et al.Atomic force microscopy of biological samples［J］.WIREs Nanomedicine and Nanobiotechnology，2010(2):618-628.

［4］Hui Xie，Julien Vitard，Dogan Sinan Haliyo，et al.Enhanced accuracy of force application for AFM nanomanipulation using nonlinear calibration of optical levers［J］.IEEE Sensors Journal，2008(8):1478-1484.

［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.

［6］趙馨，佟首峰，劉云清，等.基于四象限光電探測器的光斑檢測跟蹤技術［J］.中國激光，2010，37(7):1756-1761.

［7］簡毅，廖聲沖.基于DSP和USB2.0的聲音信號采集系統設計［J］.現代科學儀器，2012(2):54-57.

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，吉林長春人，碩士研究生，主要從事光電傳感與光電探測技術研究。

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

責任編輯:

吳旭云