【摘要】：原子力顯微鏡(AFM)綜合運用微弱信號檢測、高速數據采集、數字信號處理、自動控制、精密機械等現(xiàn)代科技成果,能夠實現(xiàn)原子尺度成像、表面功能研究、原子間力測量以及可控原子(分子)操作等功能,是目前納米科技的核心支撐技術之一。在納米生物學領域,AFM也是細胞生物學和分子生物學研究的重要工具,它不僅可以在生理條件下以納米尺度的分辨率對單個活細胞進行表面成像,而且能夠實現(xiàn)對活細胞納米力學特性的定量測試研究。然而,現(xiàn)有的商用AFM系統(tǒng)普遍具有掃描速度低、激勵帶寬窄、容易損傷生物樣品等缺陷,無法滿足細胞及亞細胞生物學前沿研究領域的需求。針對以上問題,論文對基于AFM的活性生物樣品寬帶納米力學特性測量技術展開了深入研究,提出并改進了AFM中基于迭代學習的前饋-反饋控制技術及實時信號處理技術,對活細胞寬帶黏彈性動態(tài)特征演變規(guī)律的研究結果證明了方法的有效性,同時也為相關納米生物學課題的進一步深入提供了新的思路。論文的主要研究內容及成果包括以下幾個部分:1.討論了一種適用于活性生物樣本的、基于控制的寬帶納米壓痕(CBN)精確測量方法。該方法基于改進的數據驅動無模型逆系統(tǒng)迭代控制(MIIC)技術,利用硬參照樣品很好地克服了懸臂探針的相對加速度效應,并最大限度地減小了樣品流體動力效應對測量的影響,能夠在寬帶激勵力頻率(如從0.1Hz到100Hz高達四個數量級范圍變化的情況)下實現(xiàn)準確的壓痕量化測量,同時保證細胞的生理活性,因而改善了活性生物樣品AFM壓痕測量的頻率帶寬和測量速度(也即時間分辨率)。2.提出了一種基于寬帶動態(tài)頻率響應的細胞彈性及黏彈性時變分析方法。該方法采用帶限白噪聲激勵力,能夠高速(相同頻率覆蓋范圍內測量時間更短)完成寬頻(1Hz~100Hz)、深壓痕(可達幾百nm)的活細胞納米力學特性測量,通過可靠捕獲細胞骨架對于外界刺激的動態(tài)反應,實現(xiàn)了對活細胞彈性模量、損耗模量等多種納米力學動態(tài)特性的實時監(jiān)測與定量分析,為生命科學領域相關問題的研究提供了新的思路。3.優(yōu)化了一種面向在線實時反饋控制系統(tǒng)的高速數值計算框架。該框架采用最優(yōu)時分FFT/時分IFFT算法(OTD-FFT/TD-IFFT)對經典FFT/IFFT的在線計算效率進行了改進,通過將數據序列的FFT/IFFT計算分配到不同采樣周期,在有效減少單位采樣周期計算復雜度的同時保持計算時延和性能不變,從而能夠在相同的硬件平臺上實現(xiàn)更短的閉環(huán)采樣周期。系統(tǒng)采樣頻率的提升改善了在線實時反饋控制系統(tǒng)的速度與精度,基于新算法框架的實驗AFM系統(tǒng)跟蹤800Hz高速三角波軌跡時相對誤差僅為5.44%(比經典FFT+IFFT算法系統(tǒng)低4倍以上)。該算法框架能夠有效改善頻率域迭代學習算法的實時運行效率,提高活細胞納米力學特性實時寬帶監(jiān)測實驗中硬參考樣本上懸臂偏移軌跡跟蹤環(huán)節(jié)的效率。論文將上述方法應用于納米生物課題“高膽固醇對細胞納米力學特性的影響研究”以及“細胞寬帶黏彈性動態(tài)特征的刻畫與表征方法研究”,發(fā)現(xiàn)并得到以下結論:1.高膽固醇對細胞納米力學特性的影響:測試驗證與數據分析結果表明,與未添加膽固醇的人類臍靜脈內皮細胞(EA.hy926)相比,高膽固醇環(huán)境下EA.hy926細胞的楊氏模量及復模量均增加了30%以上,彈性及黏彈性振動周期不變(約200秒)、幅度增加了70%以上。膽固醇濃度對楊氏模量產生影響的原因可能是高膽固醇破壞了細胞膜的完整性,而膽固醇對細胞肌球蛋白活性的影響則導致了振動參數的變化。該實驗結果揭示了在膽固醇濃度增加的情況下,膽固醇與細胞中肌球蛋白及膜下細胞骨架組織的關聯(lián)關系,同時證明了論文方法的有效性。2.肌球蛋白對細胞納米力學特性的影響:實時監(jiān)測結果表明,人類前列腺腫瘤細胞(PC-3)的力學參數均符合指數規(guī)律,黏彈性振動周期為約為200秒,且該振動的幅度與細胞內的鈣離子(Ca~(2+))密度及NMⅡ類馬達蛋白活性強相關。該實驗在包含較高頻的寬頻條件下對細胞黏彈性的動態(tài)演變規(guī)律進行了刻畫與表征,為揭示細胞中肌球蛋白活性與細胞組織運動之間的關聯(lián)關系提供了新的研究思路,并為未來的疾病及藥物研究提供了很好的實驗數據。
【學位授予單位】：電子科技大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2019
【分類號】：TB383.1
【圖文】：

NNI）”，隨后又在 2005 年 5 月啟動了“十年納米醫(yī)學路線圖倡議”。2002年開始，日本政府將納米技術與材料作為重點領域放入了《科學技術基本計劃》（第二期）。歐盟則在第六框架計劃（2002-2007）中開始將納米技術和科學列為優(yōu)先重點支持領域之一[1]。我國的納米科技發(fā)展幾乎與世界同步，繼 2001 年發(fā)布《國家納米科技發(fā)展綱要》之后，2006 年又在《國家中長期科學和技術發(fā)展規(guī)劃》中將納米科學列入基礎科學研究的四個主要方向之一。經過近二十年的迅猛發(fā)展，今天的納米技術就如同 20 世紀 50 年代的晶體管和集成電路技術，已經成為國家科技競爭力的代表，是全球范圍內規(guī)模最大和最具有競爭力的研究領域之一。納米科技可用于在介觀（介于微觀和宏觀之間，如圖 1-1 所示）尺度上對約0.1nm（10-10m）至 100nm（10-7m）大小的物質進行探索和控制[2]。在這一尺度下，由于物質的表面積與體積之比迅速增加，表面能迅速增大，物質會呈現(xiàn)出迥異于宏觀物體和微觀粒子的奇異特性。將納米技術與傳統(tǒng)學科進行融合、交叉、滲透，可以衍生出納米生物學、納米測量學、納米電子學、納米材料學、納米機械學等新興學科，從而形成一張全新的復雜學科網絡。

電子科技大學博士學位論文要探索和控制納米尺度的介觀世界，首先必須要能對其結構和性能進行觀測量�；陔姶泡椛浼斑\動粒子束與物質相互作用的物理效應所建立的各種與檢測方法是納米科技的重要組成部分（如圖 1-2 所示），如用于外觀形貌分各種顯微技術、用于力學性能分析的納米壓痕測量技術、用于物相結構分析光拉曼光譜分析技術以及用于化學成分分析的原子熒光光譜分析技術等等。，各種各樣的顯微技術就是觀察和認識介觀世界最基本也是最重要的手段之

關的物理、化學性質。STM 的發(fā)明標志著納米技術研究的興起認為 20 世紀 80 年代世界十大科技成就之一，格爾德和海因里了 1986 年的諾貝爾物理學獎。 的組成結構及工作原理如圖 1-3 所示。STM 主要由帶有極細針于三維掃描驅動的壓電陶瓷管、用于遠程反饋的掃描控制器、示器等幾個部分組成。與傳統(tǒng)的各種光學顯微鏡和電子顯微鏡理是利用量子理論中的隧道效應：將原子線度的極細探針（針nm 的原子組成）和被測樣品表面作為兩個電極，當針尖與樣品于 1nm），通過施加偏置電壓就可以在針尖和樣品表面之間形成電流[1]： ，I 表示隧道電流，Vb表示針尖與樣品表面之間的偏置電壓，Ψ 為常數（真空條件下約等于 1）， 為針尖與樣品的平均樣品表面之間的距離（通常為 0.3~1nm）。

【參考文獻】

相關期刊論文 前5條

1 董曉坤;方勇純;張雪波;;原子力顯微鏡系統(tǒng)廣義預測控制與成像[J];控制理論與應用;2015年08期

2 朱燁;張宇輝;陳明;;原子力顯微鏡測量心肌細胞楊氏模量的研究現(xiàn)狀[J];中國生物醫(yī)學工程學報;2014年01期

3 謝平;張磊;劉坤;鄒清澤;;基于迭代學習控制的材料黏彈性納米測量[J];納米技術與精密工程;2012年02期

4 彭超;徐紅兵;張健;;掃描探針顯微鏡的控制技術綜述[J];控制理論與應用;2011年03期

5 方勇純;張玉東;賈寧;;適用于原子力顯微鏡先進掃描模式的學習控制系統(tǒng)[J];控制理論與應用;2010年05期

相關碩士學位論文 前2條

1 范嘉文;掃描探針顯微鏡的先進控制技術研究[D];電子科技大學;2018年

2 張曉鳳;基于神經網絡PID控制方法的研究[D];東北大學;2013年

本文編號：2783988