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1、华中科技大学 硕士学位论文 显微物镜Z轴微位移控制仪的研制 姓名：郑昱 申请学位级别：硕士 专业：生物医学工程 指导教师：瞿安连 20080601 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 摘摘 要要 荧光显微成像法是细胞生物学和生物物理学的重要研究方法之一。深入研究囊 泡胞内转运和胞吐过程不仅有助于了解细胞生命活动的机理，也有助于为疾病治疗 提供新的思路和途径。随着荧光显微技术和荧光探针技术的发展，直观观察和研究 囊泡的胞内转运和胞吐过程已经成为新的研究手段。近年来，华中科技大学生物物 理与生物化学研究所提出用反卷积算法得到细胞内部囊泡的
2、运动轨迹。然而，该方 法也存在局限性，由于只能离线跟踪，所以只能得到囊泡在细胞内某个特定区域的 运动轨迹。研究活体细胞内部单微粒跟踪方法，将大大弥补这个缺陷。 Z 轴控制仪是荧光显微检测系统中的重要部分， 使用压电晶体式微操纵仪能够提 供最稳定的性能。根据实验控制和系统安全需要，设计了一套压电晶体 Z 轴控制仪， 系统分为电源、驱动、单片机控制及控制软件几部分。 高压直流稳压电源由分立器件和集成电路组成，使用 LM317 构成悬浮式稳压电 路，并附加过流保护电路。驱动电路采用运放后接 MOSFET 功率输出电路，可以输 出 0-115V 的电压驱动压电晶体。为提高物镜位移精度和线性度，采用比例
3、积分原理 的闭环控制。使用线性可变差分变压器（LVDT）作为位移传感器，将位移转化为电 压信号。 在开发单片机控制部分时，首先使用 SST89E516 单片机和编码器完成对于输入 编码信号和输出电压的转换，然后把整体程序移植到具有 USB 通信协议的单片机 EZ-USB FX2 中，同时实现了 PC 与控制仪的通信。 关键词：关键词：荧光显微，压电晶体，LVDT，SST89E516 I 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 Abstract The fluorescence microscopy is one of the main m
4、ethods for cell biology and biophysics research. Further research of the exocytosis and cellular process is not only helping us to understand the mechanism of cells activities but also providing diseases cure and therapy. With the improvement of the fluorescence microscopy and fluorescent probe, dir
5、ect observation of the vesicles trafficking and exocytosis has become popular. In recently years, the Institute of Biophysics and Biochemistry of Huazhong University of Science and Technology has put forward deconvolution algorithm to acquire the intracellular and transmembrance cargo transportation
6、 by vesicles. However, this method has its disadvantage. It could only record the movement track of the vesicle within a very limited scope. To improve this, the new method of single-particle tracking in active cells is applied. Z axis micro-displacement controller is an important sector of fluoresc
7、ent microscopy. And for Z axis driver, employing piezo-based micromanipulator is able to ensure the steadiest performance. In order to meet the needs of experiment control and system security, a set of Z axis positioning control is designed. This system is divided into the voltage regulator, driver,
8、 MCU control and software control. The DC regulated power supply consists of separate devices and integrated circuits, which is based on LM317 suspension structure, and the current-limited circuit is also included. Driving circuit produces continuous adjustable voltage output from 0 to 115V by emplo
9、ying the structure of a normal operational amplifier driving a power MOSFET. To improve the displacement accuracy and linearity, the closed loop control part that is based on proportion integral circuit is used. The displacement sensor was accomplished by LVDT, which converts the displacement into t
10、he voltage signal The part of MCU control firstly used the SST89E516 and encoder to accomplish the II 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 III transform from input code signal to voltage output, and then the entire programme has been transplanted to EZ-USB FX2 with USB protocol. This achi
11、eves communication between the PC and controller communication. Key words ： fluorescence microscopy, piezo-based micromanipulator, LVDT, SST89E516 独创性声明独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。尽我所知，除文中已经标明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或 集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，均已在 文中以明确方式标明。本人完全意识到，本声明的法律结果由本人承担。
12、学位论文作者签名： 日期： 年 月 日 学位论文版权使用授权书学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。 本人授权华中科技大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 保密 ，在_年解密后适用本授权书。 本论文属于 不保密。 （请在以上方框内打“” ） 学位论文作者签名： 指导教师签名： 日期： 年 月 日 日期： 年 月 日 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 华 中 科 技 大 学
13、 硕 士 学 位 论 文 1 绪绪 论论 1.1 引言引言 1878 年阿贝设计制造成第一台油浸显微镜，揭开了现代光学显微镜的发展史。 1575 年， 西班牙内科医生和植物学家莫纳德（N. Monardes）第一次记录了荧光现象。 不过，光学显微技术和荧光技术的结合直到二十世纪初才开始崭露头角，并逐渐形 成了荧光显微技术，应用于组织学、细胞学和微生物学等领域1。 在全细胞范围内对单个分子的实时跟踪，对生物物理学研究和观察单个分子在 细胞内部的运动情况提供了一个全新可靠而方便的手段。进而对某些疾病（如型 糖尿病）的致病机理进行更深刻的研究。 1.2 课题背景和意义课题背景和意义 使用荧光显微镜进
14、行细胞范围内单分子跟踪，需要有稳定的聚焦成像能力，在此 过程中，我们需要一种可精密控制的为操纵仪，控制物镜位移。在聚焦过程中，微 操纵仪应该使得物镜具有稳定，精确地运动。 在实验完毕后，下次重新实验时，需要能够让物镜首先保持在上次实验的位置， 给实验带来便利性。因此，我们需要设计一套稳定的 Z 轴控制器，控制物镜的稳定 地运行。 作为荧光成像系统中的聚焦部分， Z 轴控制器的自行设计， 将大大降低实验成本， 应用于各科研机构电生理实验室。 1.3 国内外研究概况国内外研究概况 Z 轴的微操纵仪主要是基于石英晶体的压电效应原理实现微位移操纵仪的。 下面 以 PI(Physic Instrumen
15、te GmbH 56:187213 2 Physik Instrumente. Datasheet: P-720 High-Speed Microscope Nanofocusing Objective Z-Drivers. Karlsruhe: Physik Instrumente (PI) GmbH & Co. KG, 2005. 3 Physik Instrumente. Datasheet: E-665 LVPZT Piezo Amplifier/Servo-Controller with Fast RS-232 Interface. Karlsruhe: Physik Instrum
16、ente (PI) GmbH & Co. KG, 2005. 4 Physik Instrumente. Datasheet: P-725 Long-Range High-Speed Microscope Nanofocusing Z-Drivers with Direct Metrology. Karlsruhe: Physik Instrumente (PI) GmbH & Co. KG, 2005. 5 Physik Instrumente. Datasheet: P-721 High-Speed Microscope Nanofocusing Z-Drivers with Direct Metrology. Karlsruhe: Phy
