CN102735654A - 一种反射式局域表面等离子体共振增强生化检测仪 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种反射式局域表面等离子体共振增强生化检测仪，包括光源***、光学探测***、数据采集与处理***、金属纳米结构传感阵列***及微流体进样控制***，其中该光源***发出的光经该光学探测***垂直照射到该金属纳米结构传感阵列***中的集成微流控金属纳米结构传感芯片，在该集成微流控金属纳米结构传感芯片中被该微流体进样控制***注入有待测样品；入射光照射到该待测样品后被反射，反射光再经该光学探测***进入该数据采集与处理***，由该数据采集与处理***进行数据采集与处理。本发明装置结构简单，成本低，携带方便，多组份、高通量、并行检测。可以满足医学、卫生、食品、环境等领域的生化探测需要，便于推广。
Description
技术领域
本发明涉及生化传感检测技术领域，尤其涉及一种反射式局域表面等离子体共振(LSPR)增强生化检测仪。
背景技术
基于局域表面等离子体光学传感与微流控的集成技术研究是目前国际微流控光学传感技术的前沿和热点问题，在医学、卫生、食品、环境科学领域有着广泛的应用和明确的产业化前景。
传统生化传感技术通常需要标记，主要使用放射性同位素、酶或荧光等作为标识物，安全性差和稳定性差，同时，***体积大、灵敏度低、过程繁琐、效率低，不能满足快速、灵敏、特效、高通量检测的需求。近年来，无标记生化检测方法得到迅速发展，特别是表面等离子体共振(SPR)传感技术，其工作原理是采用棱镜耦合加上高精度角度扫描、强度和相位检测方式进行信号探测，能够实时监测生物分子间的相互作用，已被广泛应用于蛋白质组学、药物研发、临床诊断、食品安全和环境监测等领域，并且提高了检测效率。
但是，传统SPR分析仪售价高达几百万，仪器体积较大，复杂，折射率检测动态范围较低，并且由于受到表面等离子体激元传播长度的限制，空间分辨率较低，很难在单一芯片上实现高密度的传感阵列单元集成，达到高通量传感检测的目的，根本无法实现普及应用和满足外场探测的需求。同时，目前芯片只能从Biacore公司购买，价格昂贵，导致很多仪器利用率低下，资源处于闲置状态。
随着电子束曝光技术等微纳加工技术迅速发展，为这类金属纳米传感单元加工提供了便利，特别是纳米压印技术的发展使得高效批量制作金属纳米传感单元成为可能，大大降低金属纳米结构的加工成本。同时，等离子体光学和微纳流体技术最前沿的研究成果应用于生化传感检测***领域中，使微流控光学等离子体传感***在生化传感检测等领域会产生无穷多的新应用，具有体积小、重量轻、成本低、防污染、所需样品和试剂少、高通量、多组份、高精度等诸多优点。特别是探测单分子在金属表面吸附过程中，LSPR(Localized Surface Plasmon Resonance)光谱变化用来确定分子结合与反应过程，这无疑为LSPR在生物分子的构象、分子界面行为和性质、分子与标记金属微粒表面的相互作用奠定了良好的基础。并与微流体相结合可以从分子水平上研究生命活动的规律、疾病的发生与发展、药物与机体的相互作用等，这种基于局域表面等离子体集成微流控的传感***可以采用波长检测方式，检测光路为正入射共轴光路，这样简化了传感***结构，大大降低了设备所需成本并有利于设备的小型化及可靠性，在生化检测中有很大吸引力，将会加快基于等离子体微流控光学传感***的研发与应用。
发明内容
(一)要解决的技术问题
有鉴于此，本发明的主要目的在于提供一种反射式局域表面等离子体传感***、生物传感芯片及其加工方法，以解决传统SPR生化传感技术***复杂、成本高、分析时间长、受温度影响明显、灵敏度低、低通量、传感芯片昂贵、样品消耗量大等缺点。
(二)技术方案
为达到上述目的，本发明提供了一种反射式局域表面等离子体共振增强生化检测仪，包括光源***1、光学探测***2、数据采集与处理***3、金属纳米结构传感阵列***4及微流体进样控制***5，其中：该光源***1发出的光经该光学探测***2垂直照射到该金属纳米结构传感阵列***4中的集成微流控金属纳米结构传感芯片，在该集成微流控金属纳米结构传感芯片中被该微流体进样控制***5注入有待测样品；入射光照射到该待测样品后被反射，反射光再经该光学探测***2进入该数据采集与处理***3，由该数据采集与处理***3进行数据采集与处理。
上述方案中，所述光源***1由光源、功率控制器及光纤耦合器件构成，其中该功率控制器控制输入电压进而起到调节光源的发光功率，使光源能够发出波长200-2000nm的宽光谱白光，发出的宽光谱白光经该光纤耦合器件进入该光学探测***2。所述光源***1采用的光源为LED、卤素灯、钠灯或汞灯，其光谱范围在200-2000nm。
上述方案中，所述光学探测***2包括光纤和透镜，该光纤包括六芯径入射光纤和一芯径反射光纤，其中该六芯径入射光纤和该一芯径反射光纤构成七芯径入射/反射式探头，且该一芯径反射光纤位于该七芯径入射/反射式探头的中心，该六芯径入射光纤均匀分布在该一芯径反射光纤周围；该透镜位于该七芯径入射/反射式探头的前端，用于汇集光斑。所述七芯径入射/反射式探头与所述透镜位于共轴光路上，采用反射式探测。
上述方案中，所述数据采集与处理***3包括相互连接的光谱仪和计算机，且在该计算机上安装有数据采集软件和数据处理软件，该光谱仪采集反光光谱并传送至该计算机，安装于该计算机上的数据采集软件对该光谱仪传送来光谱信号进行记录，并利用安装于该计算机上的数据处理软件对光谱信号进行数据处理。
上述方案中，所述金属纳米结构传感阵列***4包括微流体通道、金属纳米结构传感芯片和芯片支架，该金属纳米结构传感芯片被封装在该微流体通道内形成该集成微流控金属纳米结构传感芯片，且该集成微流控金属纳米结构传感芯片固定于该芯片支架上。所述金属纳米结构传感芯片的基底材料为透明或不透明材料，在该基底材料上加工有金属纳米结构。
上述方案中，所述微流体进样控制***5由多路注射泵构成，能够程序化设置参数，从而实现对样品的精确控制；所述微流体进样控制***5利用塑料导管将该多路注射泵与该集成微流控金属纳米结构传感芯片相连接，待测样品通过注射泵被注入到该集成微流控金属纳米结构传感芯片中。
上述方案中，该反射式局域表面等离子体共振增强生化检测仪用于探测病毒、细菌、蛋白质或癌症标记物。
(三)有益效果
本发明与现有技术相比所具有的优点是：
(1)本发明的生化检测仪设备结构简单、无需标记可进行直接、实时探测的设备；
(2)本发明的生化检测仪采用反射式探测，其灵敏度高；
(3)本发明的生化检测仪可以实现多通道、高通量、并行检测，提高了探测的效率：
(4)本发明的生化检测仪操作方便、智能化程度高；
(5)本发明的生化检测仪的进样***具有高精度、易控制特点；
(6)本发明的生化检测仪同时还具有小型化、重量轻、便于携带等优点；
(7)本发明的生物传感芯片是多单元、阵列结构；
(8)本发明的生物传感芯片是与微流控技术相结合，实现微流控光学传感***的集成。
附图说明
图1是本发明提供的低成本、高灵敏度反射式局域表面等离子体共振增强生化检测仪的结构示意图；
图2是本发明提供的低成本、高灵敏度反射式局域表面等离子体共振增强生化检测仪的测试过程示意图；
图3是图2所示实施例1中的测试结果。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。
本发明提供了一种反射式局域表面等离子体共振增强生化检测仪，是一种基于光谱分析技术的生化传感检测设备，包括光源***1、光学探测***2、数据采集与处理***3、金属纳米结构传感阵列***4及微流体进样控制***5，其中：该光源***1发出的光经该光学探测***2垂直照射到该金属纳米结构传感阵列***4中的集成微流控金属纳米结构传感芯片，在该集成微流控金属纳米结构传感芯片中被该微流体进样控制***5注入有待测样品；入射光照射到该待测样品后被反射，反射光再经该光学探测***2进入该数据采集与处理***3，由该数据采集与处理***3进行数据采集与处理。
其中，所述光源***1由光源、功率控制器及光纤耦合器件构成，其中该功率控制器控制输入电压进而起到调节光源的发光功率，使光源能够发出波长200-2000nm的宽光谱白光，发出的宽光谱白光经该光纤耦合器件进入该光学探测***2。所述光源***1采用的光源为LED、卤素灯、钠灯或汞灯，其光谱范围在200-2000nm。
所述光学探测***2包括光纤和透镜，该光纤包括六芯径入射光纤和一芯径反射光纤，其中该六芯径入射光纤和该一芯径反射光纤构成七芯径入射/反射式探头，且该一芯径反射光纤位于该七芯径入射/反射式探头的中心，该六芯径入射光纤均匀分布在该一芯径反射光纤周围；该透镜位于该七芯径入射/反射式探头的前端，用于汇集光斑。所述七芯径入射/反射式探头与所述透镜位于共轴光路上，采用反射式探测。
所述数据采集与处理***3包括相互连接的光谱仪和计算机，且在该计算机上安装有数据采集软件和数据处理软件，该光谱仪采集反光光谱并传送至该计算机，安装于该计算机上的数据采集软件对该光谱仪传送来光谱信号进行记录，并利用安装于该计算机上的数据处理软件对光谱信号进行数据处理。
所述金属纳米结构传感阵列***4包括微流体通道、金属纳米结构传感芯片和芯片支架，该金属纳米结构传感芯片被封装在该微流体通道内形成该集成微流控金属纳米结构传感芯片，且该集成微流控金属纳米结构传感芯片固定于该芯片支架上。所述金属纳米结构传感芯片的基底材料为透明或不透明材料，在该基底材料上加工有金属纳米结构。
所述微流体进样控制***5由多路注射泵构成，能够程序化设置参数，从而实现对样品的精确控制；所述微流体进样控制***5利用塑料导管将该多路注射泵与该集成微流控金属纳米结构传感芯片相连接，待测样品通过注射泵被注入到该集成微流控金属纳米结构传感芯片中。
该反射式局域表面等离子体共振增强生化检测仪可以用于探测病毒、细菌、蛋白质或癌症标记物等。
图1中，光源***1用于提供功率可调的宽光谱白光光源；白光光源发出的光经光纤耦合器件进入光学探测***2(反射式探头和透镜)，然后白光光源发出的光被垂直照射到集成微流控金属纳米结构传感芯片上，入射光由集成微流控金属纳米结构传感芯片反射，反射光再经过光学探测***的反射式探头，经过光纤进入数据采集与处理***的光谱仪，光谱仪与数据采集与处理***的计算机相连，该计算机对光谱仪输入的光谱信号进行数据处理，并显示在电脑屏幕上。
光学探测***2可以接收被集成微流控金属纳米结构传感芯片反射回来的光，并改变入射点位置处光斑的大小。在该集成微流控金属纳米结构传感芯片中金属纳米结构是传感单元，待测样品是通过微流控进样控制***进行注样，加载到该集成微流控金属纳米结构传感芯片中。
基于图1所示的反射式局域表面等离子体共振增强生化检测仪的结构示意图，图2示出了本发明高灵敏度LSPR生化检测仪测试过程示意图。先将制备好的集成微流控金属纳米结构传感芯片安装在传感芯片支架上，并与微流体进样控制***连接，开启光源和数据采集与处理***，调节光源功率和光谱处理软件的参数，避免数据饱和。然后，关闭光源，采集暗光谱；开启光源，采集参考光谱，再利用微流体进样控制***将样品注入到集成微流控金属纳米结构传感芯片的微腔中，根据不同测试样品，进行不同的光谱测试。最后，利用***的最末端的数据处理***分析、处理暗光谱、参考光谱和测试样品光谱，判断相应的传特性。
在本发明的一个具体实施例中，利用本发明反射式局域表面等离子体共振增强的生化检测仪，用于检测不同折射率的样品。所选择的光源***中的光源是光谱范围在200～1100nm，电流500mA，电压12VDC，输出功率：6.5瓦的卤素灯，经光纤和反射式探头(Ocean Optics，QR400-7-UV-VIS)后出射光束经透镜后，光照射在传感***中的采用石英作为基底的金纳米结构传感单元。集成微流控传感单元固定在一个传感芯片固定架上。光谱分析***选用Ocean Optics公司的QE65000型光谱分析仪，光通过探测芯片反射后，由一个反射式探头收集信号，再被后端的光谱分析仪所探测，所采集的数据通过USB2.0接口与计算机***进行数据通信，数据处理软件可以包括用户界面、探测、控制和数据处理及输出显示几个功能模块。
利用所加工的集成微流控传感单元与本发明公布的生化传感***进行测试，测试样品为：空气、NaCl(20％)、丙三醇。经分析软件处理得到的数据结果如图3所示。
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种反射式局域表面等离子体共振增强生化检测仪，其特征在于，包括光源***(1)、光学探测***(2)、数据采集与处理***(3)、金属纳米结构传感阵列***(4)及微流体进样控制***(5)，其中：
该光源***(1)发出的光经该光学探测***(2)垂直照射到该金属纳米结构传感阵列***(4)中的集成微流控金属纳米结构传感芯片，在该集成微流控金属纳米结构传感芯片中被该微流体进样控制***(5)注入有待测样品；入射光照射到该待测样品后被反射，反射光再经该光学探测***(2)进入该数据采集与处理***(3)，由该数据采集与处理***(3)进行数据采集与处理。
2.根据权利要求1所述的反射式局域表面等离子体共振增强生化检测仪，其特征在于，所述光源***(1)由光源、功率控制器及光纤耦合器件构成，其中该功率控制器控制输入电压进而起到调节光源的发光功率，使光源能够发出波长200-2000nm的宽光谱白光，发出的宽光谱白光经该光纤耦合器件进入该光学探测***(2)。
3.根据权利要求2所述的反射式局域表面等离子体共振增强生化检测仪，其特征在于，所述光源***(1)采用的光源为LED、卤素灯、钠灯或汞灯，其光谱范围在200-2000nm。
4.根据权利要求1所述的反射式局域表面等离子体共振增强生化检测仪，其特征在于，所述光学探测***(2)包括光纤和透镜，该光纤包括六芯径入射光纤和一芯径反射光纤，其中该六芯径入射光纤和该一芯径反射光纤构成七芯径入射/反射式探头，且该一芯径反射光纤位于该七芯径入射/反射式探头的中心，该六芯径入射光纤均匀分布在该一芯径反射光纤周围；该透镜位于该七芯径入射/反射式探头的前端，用于汇集光斑。
5.根据权利要求4所述的反射式局域表面等离子体共振增强生化检测仪，其特征在于，所述七芯径入射/反射式探头与所述透镜位于共轴光路上，采用反射式探测。
6.根据权利要求1所述的反射式局域表面等离子体共振增强生化检测仪，其特征在于，所述数据采集与处理***(3)包括相互连接的光谱仪和计算机，且在该计算机上安装有数据采集软件和数据处理软件，该光谱仪采集反光光谱并传送至该计算机，安装于该计算机上的数据采集软件对该光谱仪传送来光谱信号进行记录，并利用安装于该计算机上的数据处理软件对光谱信号进行数据处理。
7.根据权利要求1所述的反射式局域表面等离子体共振增强生化检测仪，其特征在于，所述金属纳米结构传感阵列***(4)包括微流体通道、金属纳米结构传感芯片和芯片支架，该金属纳米结构传感芯片被封装在该微流体通道内形成该集成微流控金属纳米结构传感芯片，且该集成微流控金属纳米结构传感芯片固定于该芯片支架上。
8.根据权利要求7所述的反射式局域表面等离子体共振增强生化检测仪，其特征在于，所述金属纳米结构传感芯片的基底材料为透明或不透明材料，在该基底材料上加工有金属纳米结构。
9.根据权利要求1所述的反射式局域表面等离子体共振增强生化检测仪，其特征在于，所述微流体进样控制***(5)由多路注射泵构成，能够程序化设置参数，从而实现对样品的精确控制；所述微流体进样控制***(5)利用塑料导管将该多路注射泵与该集成微流控金属纳米结构传感芯片相连接，待测样品通过注射泵被注入到该集成微流控金属纳米结构传感芯片中。
10.根据权利要求1所述的反射式局域表面等离子体共振增强生化检测仪，其特征在于，该反射式局域表面等离子体共振增强生化检测仪用于探测病毒、细菌、蛋白质或癌症标记物。
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| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C02 | Deemed withdrawal of patent application after publication (patent law 2001) | ||
| WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication |
Application publication date: 20121017 |