专利名称：振荡器、质量测量系统以及质量测量方法
技术领域：
本发明涉及一种冲展荡器、质量测量系统以及质量测量方法，并 且特别地，本发明涉及一种可在流体环境中测量微小物体的质量的 振荡器、质量测量系统以及质量测量方法。
背景技术：
近年来，由于獨M^电、纳米以及生物^支术的进步，各种樣t才几电
各界所重视。并且由于现今科技趋向微小化，对于新材料的研究除 了研究其宏观的性质外，其微观的性质也是研究的重点议题。以微 观而言，对于物质的基本性质的测量，例如质量、电性或是材料机 才成特性的测量等，并不如宏》见时容易测量，因此新材并牛的特性往往 难以掌握。因此，微测量技术在微科技发展中扮演重要的角色。
以质量而言，在现有技术中，美国专利第6722200号提出一种 可测量单一原子质量的石圭材并牛感测才支术。该^L有4支术以高频纳米才几 械共振器的表面在高真空环境下吸附原子，并根据其振动频率的变 化计算吸附在共振器表面的原子的质量。
上述的美国专利第6722200号所披露的技术是在真空环境下进 行而可忽略阻尼效应，使高频纳米机械共振器可以保持自然共振。 另外，由于现有技术的测量方法用复杂度高的机械结构来进行，其 成本较高，并且由于其测量方法的参数均与所设计的机械结构有关，因此计算其质量时必须套用各种复杂的机械模型。然而，生物
或化学4企测往往是大量^r测并且在流体环境下进^f于，上述的现有才支 术由于成本过高、计算所套用的模型复杂以及只在真空环境下进 4亍，所以不适用于生物或4b学4企测。
发明内容
因此，本发明的目的在于冲是供一种利用线状蛋白质结构体构成 的振荡器，该振荡器可用来计算待测物质量，以解决上述问题。
根据具体实施例，本发明的振荡器包含线状蛋白质结构体以及 负载物。线状蛋白质结构体的两端分别固定于基座上。负载物附着 于线状蛋白质结构体上的附着位置，此附着位置至线状蛋白质结构 体的两端的距离在本具体实施例中大体上相等。
在本具体实施例中，当线状蛋白质结构体振动时，其振动频率 与负载物的质量相关。负载物的表面上可以涂布反应层，通过此反
应层可以吸附或4匕学4建结的方式结合4寺测物。当4寺测物净皮吸附或键: 结在负载物上时，负载物的重量变化将会改变原本的振动频率。因 此，根据线状蛋白质结构体的弹性系数以及负载物吸附待测物后线 状蛋白质结构体的振动频率变化，可计算获得待测物的质量。
根据本发明的振荡器，在具体实施例中，线状蛋白质结构体位 于孩吏生物的表面上。
根据本发明的振荡器，在具体实施例中，该线状蛋白质结构体
是鞭毛(flagellum)或纤毛(线毛，pili )。
才艮据本发明的振荡器，在具体实施例中，其中纤毛选自由第一 型纤毛、第三型纤毛以及P型纤毛组成的组。才艮据本发明的l展荡器，在具体实施例中，该负载物的表面上涂 布有反应层，用来结合待测物，并且待测物选自由病毒、微生物、 细胞、蛋白质分子以及核酸分子组成的组。
根据本发明的振荡器，在具体实施方式
中，该负载物的表面上 涂布有反应层，用来与4寺测物产生化学反应。
根据本发明的振荡器，在具体实施例中，该线状蛋白质结构体 的两端分别通过辅助物固定在基座上。
根据本发明的振荡器，在具体实施例中，该辅助物通过激光镊
夹(optical tweezer )将线状蛋白质结构体的两端固定于基座上，并 且负载物通过激光镊夹固定于线状蛋白质结构体。
根据本发明的振荡器，在具体实施例中，该负载物由聚苯乙烯 材料以及磁性材料制成。
根据本发明的振荡器，在具体实施例中，该线状蛋白质结构体 通过光学驱动系统驱动而振动。
本发明的另 一 目的在于提供一种利用线状蛋白质结构体的质 量测量系统来测量4寺测物的质量，来解决上述问题。
才艮据具体实施例，本发明的质量测量系统用来在流体环境中测 量待测物的质量，其包含流道、线状蛋白质结构体、驱动装置、测 量装置以及处理装置。流道可用来容纳流体。线状蛋白质结构体的 两端分别固定于流道的内壁上，并且线状蛋白质结构体上的附着位 置上附着负载物，此负载物可用来吸附待测物，此外，附着位置至 两端的距离大体上相等。
7在本具体实施例中，质量测量系统的驱动装置可驱动线状蛋白 质结构体进行振动，并且，测量装置可以测量其l展动频率。当线状 蛋白质结构体的附着位置上^义有负载物而未吸附4寺测物时，测量装 置根据测量出的振动频率产生关于此振动频率的参考频率测量信
号；当负载物吸附待测物后，测量装置则才艮据测量出的振动频率产 生关于此振动频率的实验频率测量信号。接着，处理装置可以根据 参考频率测量信号以及实验频率测量信号，计算待测物质量。
根据本发明的质量测量系统，在具体实施例中，进一步包含 回々贵装置，用来4是供外力至该负载物，以大体上4氐消流体对负载物 施加的流体阻力。
根据本发明的质量测量系统，其中测量装置进一 步测量负载物 的速度，并且产生关于该速度的速度测量信号，并且该回馈装置根 据速度测量信号以及流体的动态黏滞系数提供外力至负载物。
根据本发明的质量测量系统，在具体实施例中，其中该外力 为电力或》兹力。
根据本发明的质量测量系统，在具体实施例中，进一步包含 激光4聂夹，用来协助线状蛋白质结构体的两端分别通过辅助物固定 于内壁上，并且激光镊夹能镊夹负载物至线状蛋白质结构体上的附 着位置，使得负载物附着于线状蛋白质结构体上。
才艮据本发明的质量测量系统，在具体实施例中，该驱动装置为 光学驱动装置。
根据本发明的质量测量系统，在具体实施例中，该测量装置 为光学测量装置。本发明的另 一 目的在于提供 一 种利用线状蛋白质结构体的质 量测量方法来测量^f寺测物的质量，来解决上述问题。
才艮据具体实施例，本发明的质量测量方法用来在流体环境中测
量待测物的质量，其包含下列步骤首先提供容纳流体的流道；将
线状蛋白质结构体两端分别固定于流道内壁，并且在线状蛋白质结 构体上与两端距离大体相等的附着位置上附着负载物；驱动具有负
载物的线状蛋白质结构体进行振动并测量其振动频率以产生关于 振动频率的参考频率测量信号；负载物吸附待测物；驱动具有负载 物以及待测物的线状蛋白质结构体进4亍4展动并测量其振动频率以 产生关于振动频率的实验频率测量信号；根据参考频率信号以及实 验频率信号计算待测物的质量。
根据本发明的质量测量方法，在具体实施例中，进一步包含下 列步骤提供外力至负载物，以大体上抵消流体对负载物施加的流 体阻力。
根据本发明的质量测量方法，在具体实施例中，进一步包含下 列步骤测量负载物的速度，并且产生关于该速度的速度测量信号； 以及根据该速度测量信号以及流体的动态黏滞系数提供外力至负 载物。
才艮据本发明的质量测量方法，在具体实施例中，该外力为电力 或磁力。
根据本发明的质量测量方法，在具体实施例中，进一步包含下 列步骤分别将辅助物固定至线状蛋白质结构体的两端；以及将线 状蛋白质结构体的两端分别通过辅助物固定于内壁上。
9关于本发明的优点与精神可以通过以下的发明详述及附图得 到进一步的了解。
图1A示出了根据本发明的一个具体实施例的振荡器的上视图。
图1B示出了图1A的4^荡器的侧3见图。
图1C示出了图1A的负载物吸附-降测物的示意图。
图2A示出了根据本发明的一个具体实施例的质量测量系统的 示意图。
图2B示出了图2A的线状蛋白质结构体的负载物受外力作用 的示意图。
图3A示出了才艮据本发明的一个具体实施例的质量测量方法的 步骤流禾呈图。
图3B示出了才艮据本发明的另一具体实施例的质量测量方法的 步骤流程图。
具体实施例方式
参考图1A以及图1B,图1A示出了才艮据本发明的一个具体实 施例的振荡器l的上视图；图1B示出了图1A的振荡器1的侧视图。 如图1A以及图1B所示，振荡器1包含线状蛋白质结构体10、负 载物12以及辅助物14。辅助物14用来将线状蛋白质结构体10的 两端固定于基座(未在图中示出)上，负载物12则设置在线状蛋白质结构体10上并且与固定的两端之间的距离大体上相等。请注
意，在实践中，振荡器也可以其它适当方式固定于基座上，而不受 限于本il明书所列举的具体实施例中以辅助物固定的方式。
在本具体实施例中，线状蛋白质结构体10可4立于孩t生物16的 表面上，也就是，在实践中可直接利用樣i生物16 (例如，但不受限 于细菌、藻类或单细月包动物)的l便毛或纤毛作为本具体实施例的线 状蛋白质结构体10。在现有技术中，孩i生物的纤毛已净皮研究出具有 良好的机械特性，例如，具有良好的杨氏模数。在实践中，线状蛋 白质结构体10可以选自，一f旦不受限于，具有良好才A4成特性的第一 型纤毛、第三型纤毛或是P型纤毛。
此外，在实践中，若直接利用微生物16的鞭毛或纤毛作为本 具体实施例的线状蛋白质结构体10,可先固定该樣史生物，再以上述 方式固定其鞭毛或纤毛。并且该纟鼓生物可能是死的或活的。
在本具体实施例中，线状蛋白质结构体10的质量相对于负载 物12的质量是可忽略的，因此，当振荡器1进行自然共振时，其 自然共振频率大体上与负载物12的质量相关，而可忽略线状蛋白 质结构体10的质量影响。进一步地说，当振荡器l进行自然共振 时，其自然共才展频率大体上与负载物12的质量以及线状蛋白质结 构体10的弹性系^t相关。
此外，参考图1C,图1C示出了图1A的负载物12吸附4寺测物 18的示意图。如图1C所示，当负载物12吸附4寺测物18后，其整 体作用于线状蛋白质结构体10的质量将会产生变化，因此，当振 荡器l进行自然共振时，其自然共振频率也会产生变化。才艮据振荡 系统的自然共振模型的推导，可获得下列公式<formula>formula see original document page 12</formula>
上述/>式中，Am为振荡系统的质量变化量，也就是本具体实 施例的;f寺测物18的质量。w为吸附前的质量，也就是本具体实施 例的负载物12的质量。w，则为吸附后的质量。f&为吸附前的自然 共振频率，『'为吸附后的自然共振频率，并且A『'为自然共振频率 变化量。由上述/〉式可知，4艮据自然共振频率的变化量可计算得到 4寺测物18的质量。
在实践中，负载物12可用聚苯乙烯以及》兹性材并牛形成，并且 在负载物12表面涂布反应层，可进一步结合待测物18或是与4寺测 物18产生4匕学反应。举例而言，负栽物12可通过反应层结合3口病 毒、微生物、细胞、蛋白质分子或是核酸分子等，再通过计算振动 频率来获得这些待测物18的质量，因此，振荡器l可用于生物检 测。另一方面，若负载物12上的反应层可与待测物18产生化学反 应导致负载在线状蛋白质结构体10上的质量有所增减，可进一步 通过计算振动频率而获得其质量变化，由此观察该化学反应的动态 反应过程。
此外，在实践中，由于振荡器l的尺寸过小，因此可以激光4聂 夹方式协助辅助物14移动至线状蛋白质结构体10的两端来将其固 定在基座上，同样地，负载物12也可通过激光4聂夹方式移动至线 状蛋白质结构体IO上固定。此外，线状蛋白质结构体10可通过光 学驱动系统驱动而进行振动，并且在实践中，此光学驱动系统可以 激光镊夹技术配合声光偏转器构成。
参考图2A,图2A示出了根据本发明的一个具体实施例的质量 测量系统2的示意图。质量测量系统2可用来在流体环境中测量待测物质量，如图2A所示，质量测量系统2包含流道20、线状蛋白 质结构体22、驱动装置24、测量装置26以及处理装置28。
在本具体实施例中，流道20可用来容纳流体，例如液体或空 气。线状蛋白质结构体22的两端分别固定于流道20的内壁中，并 且在线状蛋白质结构体22上与两端的距离大体上相等的位置设置 负载物220。驱动装置24可用来驱动线状蛋白质结构体22进行振 动，测量装置26则可用来测量线状蛋白质结构体22的振动频率并 且产生关于此振动频率的频率测量信号。处理装置28耦4妄于测量 装置26，可用来"t妄收频率测量信号并且通过频率测量信号的变化计 算4寺测物质量。
在本具体实施例中，驱动装置24先驱动蛋白质结构体22进行 振动，并且测量装置26才艮据其振动频率产生参考频率测量信号传 送至处理装置28。 *接着，流体中加入4寺测物，其在流道20中流动 并且附着于负载物220上。在负载物220吸附待测物后，驱动装置 24再驱动蛋白质结构体22进4亍4展动，测量装置26则再4艮据其振动 频率产生实验频率测量信号传送至处理装置28。处理装置28可以 根据参考频率测量信号、实验频率测量信号以及线状蛋白质结构体 22的弹性系数计算而获得负载物220以及吸附的待测物的总质量， 并将总质量与负载物220的质量比较即可获得待测物的质量。
请注意，在本具体实施例中，当驱动装置24驱动线状蛋白质 结构22振动并通过测量装置测量振动频率时，流道20中的流体保 持不流动的状态。当4寺测物加入流体中，流体在流道20内流动以 妨、助4寺测物附着至负载物220，并且当4寺测物附着至负载物220后， 流体则保持不动，接着再驱动并测量线状蛋白质结构22的振动行 为。
13在实践中，驱动装置24可为激光镊夹配合声光偏转器所构成 的光学驱动装置，同时激光镊夹也可用来^t聂夹负载物220至线状蛋 白质结构体22并镊夹辅助物以协助线状蛋白质结构体22的两端固 定于流道20的内壁。另外，测量装置26在实践中可以光学测量装 置配合四象限光电探测器进行测量。
此外，本具体实施例的质量测量系统2进一步包含回々贵装置 30。由于线状蛋白质结构体22是在流体环境中进4亍振动，流体阻 力将会对此振荡系统形成阻尼而使线状蛋白质结构体22无法保持 自然共振，导致其计算所获得的待测物质量产生误差。因此，回馈 装置30可用来提供与流体阻力方向相反并且大小大体上相同的外 力至负载物220以大体上抵消流体阻力。在实践中，回馈装置30 才是供的外力可为，^旦不受限于，电力或》兹力。
在本具体实施例中，测量装置26可测量负载物220在流体中 的运动速度，并且产生关于此运动速度的速度测量信号传送至回馈 装置30。由于负载物220在流体中运动所受到的流体阻力与其运动 速度以及流体的动态黏滞系数有关，因此，回馈装置30可根据运 动速度以及流体的动态黏滞系数产生与流体阻力大体上相同的外 力来抵消流体阻力，使振荡系统降低其阻尼影响而大体上保持自然 共振。
参考图2B,图2B示出了图2A的线状蛋白质结构体22的负载 物220受外力作用的示意图。如图2B所示，线4犬蛋白质结构体22 的负载物220沿运动方向N运动，因此负载物220将会受到流体阻 力Fl的作用，Fl的方向与运动方向N相反。此夕卜，回馈装置30 所提供的外力F2与流体阻力Fl的大小大体上相同，并且两者的方 向相反以相互抵消。通过回馈装置30，可使线状蛋白质结构体22 大体上不受流体造成的阻尼所影响，而^f呆持自然共振。参考图3A，图3A示出了根据本发明的一个具体实施例的质量
测量方法的步骤流程图。本具体实施例的质量测量方法用来在流体
环境内测量4寺测物的质量，^口图3A所示，其包含下列步骤在步
骤S40中，提供可用来容纳流体的流道；在步骤S42中，分别将线
状蛋白质结构体的两端固定于流道的内壁上，并且在线状蛋白质结 构体上与两端距离大体上相同的附着位置上附着负载物；在步骤
S44中，驱动具有负载物的线状蛋白质结构体进4亍振动，并且测量 线状蛋白质结构体的振动频率以产生关于此振动频率的参考频率 测量信号；在步骤S46中，将待测物吸附在该负载物上；在步骤S48 中，驱动具有负载物以及待测物的线状蛋白质结构进行振动，并且 测量线状蛋白质结构体的振动频率以产生关于此振动频率的实-睑 频率测量信号；在步骤S50中，根据参考频率测量信号以及实验频 率测量信号计算4寺测物的质量。
在本具体实施例中，线状蛋白质结构体可通过辅助物固定其两 端至流体内壁。此外，在实践中，待测物的质量可才艮据参考频率测 量信号、实验频率测量信号以及线状蛋白质结构体的弹力系数计算 而获得。
参考图3B，图3B示出了4艮据本发明的另一具体实施例的质量 测量方法的步骤流程图。如图3B所示，本具体实施例与上一个具 体实施例不同处，在于本具体实施例的质量测量方法进一步包含下 列步骤在步骤S60中，测量负载物的速度，并且根据测量出的速 度产生速度测量信号；在步骤S62中，4艮据速度测量信号以及流体 的动态黏滞系凝j是供外力至负载物。请注意，步艰《S60以及步骤S62 在实践中可在驱动线性蛋白质结构体振动时进行，由此来大体上抵 消流体对负载物施加的流体阻力，进而降低振荡系统中的阻尼影响 而使线性蛋白质结构体保持自然共振。相比于现有才支术，本发明的振荡器、质量测量系统以及质量测 量方法利用线状蛋白质结构体作为振荡器在流体中进行振动，根据 待测物附着于线状蛋白质结构体的负载物前后所测量而得的振动 频率变化可以计算而得到4寺测物质量。线状蛋白质结构体可4吏用4效 生物的纤毛或鞭毛，并且进一步地，利用激光^^聂夹将纤毛或鞭毛设 置成振荡系统。此外，通过对线状蛋白质结构体的负载物提供外力 来抵消流体阻力，可降低振荡系统的阻尼效应以维持自然共振。综 上所述，本发明的振荡器、质量测量系统以及质量测量方法适用于 流体环境中测量微小质量，并且其制造成本较低，可用于生物或化 学方面的大量4全测。
通过以上优选具体实施例的详述，希望能更加清楚描述本发明 的特征与精神，而并非以上述所披露的优选具体实施例来对本发明 的范围加以限制。相反地，其目的是希望能涵盖各种改变及等同替 代在本发明所欲申请的权利要求的范围内。因此，本发明所申请的 权利要求的范围应该根据上述的说明作最宽广的解释，以致使其涵 盖所有可能的改变以及等同替^。
主要组件符号说明
1: 振荡器
10、 22:线状蛋白质结构体
12、 220:负载物 16:微生物 2:质量测量系统j 24:驱动装置 28:处理装置
14:寿甫助物
18: 4寺测物 20:流道 26:测量装置 30:回々贵装置N:运动方向 Fl: -荒体阻力
F2:夕卜力
S40 S50:流程步骤 S60 S62:流程步骤。
权利要求
1.一种振荡器，包含线状蛋白质结构体，其两端分别固定在基座上；以及负载物，附着于所述线状蛋白质结构体上的附着位置，并且所述附着位置至所述两端的距离大体上相等；其中，当所述线状蛋白质结构体振动时，其振动频率与所述负载物的质量相关。
2. 根据权利要求1所述的振荡器，其中所述线状蛋白质结构体位 于微生物的表面上。
3. 根据权利要求2所述的振荡器，其中所述线状蛋白质结构体是 鞭毛或纤毛。
4. 根据权利要求3所述的振荡器，其中所述纤毛选自由第一型纤 毛、第三型纤毛以及P型纤毛组成的组。 ，
5. 根据权利要求1所述的振荡器，其中所述负载物的表面上涂布 有反应层，用来结合待测物，并且所述待测物选自由病毒、凝: 生物、细胞、蛋白质分子以及核酸分子组成的组。
6. 根据权利要求1所述的振荡器，其中所述负载物的表面上涂布 有反应层，用来与4寺测物产生4匕学反应。
7. 根据权利要求1所述的振荡器，其中所述线状蛋白质结构体的 两端分别通过辅助物固定在所述基座上。
8. 根据权利要求7所述的振荡器，其中所述辅助物通过激光^l夹 将所述线状蛋白质结构体的所述两端固定于所述基座上，并且 所述负载物通过所述激光镊夹固定于所述线状蛋白质结构体。
9. 一种质量测量系统，用来在流体中测量4寺测物的质量，所述质 量测量系统包含流道，用来容纳所述流体；线状蛋白质结构体，其两端分别固定于所述流道的内壁 上，并且所述线状蛋白质结构体的附着位置上附着负载物，用 来吸附所述4寺测物，其中所述附着位置至所述两端的距离大体 上相等；驱动装置，用来驱动所述线状蛋白质结构体进行振动；测量装置，用来在所述负载物吸附所述4寺测物前后分另'J 测量所述线状蛋白质结构体的振动频率，所述测量装置在负载 物p及附所述纟寺测物前测量所述l展动频率并产生关于所述4展动 频率的参考频率测量信号，并且所述测量装置在负载物吸附所述;f寺测物后测量所述振动频率并产生关于所述振动频率的实 验频率测量信号；以及处理装置，耦接所述测量装置，用来接收所述参考频率 测量信号以及所述实 一验频率测量信号，并且才艮据所述参考频率 测量信号以及所述实-验频率测量信号计算所述4寺测物的质量。
10. —种质量测量方法，用来在流体内测量4寺测物的质量，所述质 量测量方法包含下列步骤4是供流道用来容纳所述流体；将线状蛋白质结构体的两端分别固定于所述流道的内壁 上，并且将负载物附着于所述线状蛋白质结构体上的附着位 置，其中所述附着位置至所述两端的距离大体上相等；驱动附着有所述负载物的所述线状蛋白质结构体进4亍振 动，并且测量所述线状蛋白质结构体的振动频率，以产生关于所述振动频率的参考频率测量信号；将所述待测物吸附于所述负载物上；驱动附着有所述负载物及所述4寺测物的所述线状蛋白质 结构体进4亍振动，并且测量所述线状蛋白质结构体的振动频 率，以产生关于所述振动频率的实验频率测量信号；以及根据所述参考频率测量信号以及所述实验频率测量信号 计算所述^f寺测物的质量。
全文摘要
本发明披露了一种振荡器，其包含线状蛋白质结构体以及负载物。该线状蛋白质结构体的两端分别固定在基座上。该负载物附着于该线状蛋白质结构体上的附着位置，其中，该附着位置至该线状蛋白质结构体的两端的距离大体上相等。当线状蛋白质结构体振动时，其振动频率与该负载物的质量相关。因此，可通过该线状蛋白质结构体测量微小物体的质量。
文档编号G01G9/00GK101576404SQ20081009701
公开日2009年11月11日 申请日期2008年5月8日 优先权日2008年5月8日
发明者刘承贤, 周忠诚, 琅 徐, 杨裕雄, 威 王, 陈丰荣 申请人:瑞鼎科技股份有限公司