CN101929956A - 一种基于表面等离子体共振与生物传感的水芯片 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于表面等离子体共振与生物传感的水芯片，沿光线方向依次设有光源、扩束镜、起偏器、等腰直角棱镜、四分之一波片、检偏器、成像透镜和面阵CCD，等腰直角棱镜的斜边面镀有金膜，通过在金膜上进行生物修饰形成能与待测水溶液中的杂质发生特异性吸附的生物敏感膜，将杂质对待测水溶液的折射率变化转化为反射光光强变化，通过金膜与等腰直角棱镜的界面处发生的SPR效应来检测出折射率变化，从而检测出溶液中的物质浓度。本发明可以一次性检测出水体中多种不同物质成分的浓度，简化了光路和机械结构，提高水体检测效率。
Description
技术领域
本发明涉及工业测试技术领域，尤其涉及一种基于表面等离子体共振与生物传感的水芯片。
背景技术
表面等离子体共振(Surface Plasmon resonance，SPR)技术是一种高精度检测技术。SPR的基本原理是入射的p光在棱镜与金属薄膜交界面发生全内反射，产生的倏逝波会引起金属薄膜表面自由电子产生表面等离子，当倏逝波和表面等离子波的频率和波数相等时两者会发生共振。共振发生时，入射光的能量急剧下降，反射光谱上出现最小光强值。SPR共振发生的条件与金属薄膜另一面的介质折射率有关，通过检测反射光谱可精确测得金属薄膜另一面的介质折射率。捷克人Homola于1998年在《Sensors and Actuators》上发表的文章“Novel polarization control scheme for spectral surface plasmon resonance sensors”中提出了一种包括光发射组件、光反射组件、光偏振态调制组件和光接收组件的表面等离子体共振传感器，并用不同折射率介质验证了这种偏振调制方法和理论数值的契合度。
如果金属薄膜另一面的介质是一种溶液，并针对溶液中某种杂质或生物分子对金属膜表面进行相应的化学生物修饰，使杂质与修饰层发生反应，改变溶液的折射率，从而改变反射光谱。通过表面等离子体共振传感器检测此反射光谱则可精确测得该种杂质或生物分子的浓度。SPR相对于其他检测技术，具有灵敏度高、所需样品少、样品无需标记和快速检测的优点，因此被广泛应用于生物、化学、医学、环境监测等领域。
目前，可短时间内分析大量样本的高通量SPR检测方法有光强调制法和相位调制法。相位调制法具有很高的灵敏度，它通过观察干涉图样的变化来测定相位的变化，从而测定样品的折射率。但是这种方法中实现波面相位的高精度实时检测较困难，并且系统的光路复杂，机械精度要求较高，制作困难。普通的光强检测法采用入射角固定的平行光入射，通过监视反射光强的变化分布来测定样品的折射率。这种方法系统结构简单，测量算法简便，但是测量精度低。
在现今的水质检测分析项目中，经常涉及到检测水样品中某几种特定物质的含量。现有的分析方法大多是化学方法，需要在实验室条件下完成，从取样到获得数据耗时较长，且一次只能检测出一种指标，无法满足快速精确、多参数测量的水体检测需求。
发明内容
本发明针对水体检测中无法快速测试出水体中多种杂质浓度的问题，提供一种基于表面等离子体共振与生物传感的水芯片，采用特定的生物化学修饰层和SPR原理，能够同时检测出水体中多种杂质的浓度。
一种基于表面等离子体共振与生物传感的水芯片，包括光发射组件、光反射组件、光偏振态调制组件、光接收组件；
所述的光发射组件由光源、扩束镜组成，光源发出的光线经扩束镜后变为平行光线；
所述的光反射组件包括等腰直角棱镜及其斜边面上的金膜，金膜的反光面朝向等腰直角棱镜，厚度一般为几十纳米；
所述的光偏振态调制组件包括位于扩束镜与等腰直角棱镜入射直角面之间的起偏器和位于等腰直角棱镜出射直角面之后的四分之一波片、检偏器；
所述的光接收组件包括位于检偏器之后的成像透镜和面阵CCD；
所述的金膜的非反光面上设有生物敏感膜，生物敏感膜上设置镂空薄膜，镂空区域形成若干个反应池。
所述的镂空薄膜由聚二甲基硅氧烷(PDMS)制备，这种材料透光、无毒、廉价，具有一定的化学惰性，不会与溶液中的杂质反应而干扰测试结果。
所述的生物敏感膜由在反应池底部的金膜上进行特异性抗原或抗体的生物修饰制备，其上表面为能与待测水溶液中的生物杂质发生特异性吸附的抗原或抗体，其下表面为将上表面的抗原或抗体与金膜通过共价键偶联在一起的基质层物质。例如，检测水溶液中的微囊藻毒素(MC-LR)，生物敏感膜上表面为与微囊藻毒素发生特异性吸附的微囊藻毒素抗体。为了使得微囊藻毒素抗体与金膜紧密连接，需要基质层物质将微囊藻毒素抗体与金膜偶联起来，基质层物质可选用牛血清蛋白(BSA)。
所述的光源采用740nm的红光光源，采用这种光源可增大整个水芯片系统的测量灵敏度。在测量时，在反应池内滴入待测溶液后，调整所述的起偏器的起偏角度、四分之一波片的快轴方向和检偏器的检偏角度组合使经过金膜反射后的光线在面阵CCD上出现消光点，当出现消光点时，表示水芯片系统对所滴入的待测溶液的折射率具有最大的灵敏度。一旦调整好光学元件的角度组合之后，只要待测溶液的折射率变化不大，则无需再调整系统也会出现消光点。这些光学元件的角度组合并不唯一，但为了简化光路结构和调整过程，可将光源发出的光线设置为垂直入射于所述的扩束镜、起偏器、等腰直角棱镜、四分之一波片、检偏器、成像透镜和面阵CCD。
由光源发出的光线，经扩束镜发散成平行光，此平行光束经起偏器起振后，变成同时包含p光和s光的线偏振光，线偏振光从等腰直角棱镜的入射直角面入射，被等腰直角棱镜折射至等腰直角棱镜斜边面上的金膜的反光面。由于在金膜和等腰直角棱镜的交界面发生了表面等离子体共振，p光和s光有着不同的相位变化和反射率，经过金膜反射后的反射光成为偏振态可知的椭圆偏振光，此椭圆偏振光从等腰直角棱镜的出射直角面出射，调整四分之一波片，使得四分之一波片的快轴方向与此椭圆偏振光的长轴方向一致，则经过四分之一波片后，此椭圆偏振光变成为线偏振光，再经过与此线偏振光正交放置的检偏器，则可以在面阵CCD上得到消光点。
在消光点附近，存在着一段近似线性的折射率-反射光强曲线，反应池中的溶液里待测物质与生物敏感膜发生反应导致溶液折射率改变，将改变之后的曲线与标准折射率-反射光强曲线比对即可得到此反应池中溶液的折射率，再与物质浓度-折射率标准曲线对比即可得到溶液中此物质的浓度。
每个反应池底部所镀的生物敏感膜不同，经过不同反应池的光线形成不同的光路通道，不同反应池内溶液折射率的改变量不同，使每路光路通道所携带的信息不同，通过检测每路光路通道可以检测出水体里多种不同物质的浓度。
为了进一步提高系统检测灵敏度，减小光源光强波动，及等腰直角棱镜、金膜表面缺陷对检测结果的影响，可以将所有反应池内为空(即不滴入待测溶液)时的测量结果作为校准数据，同时在对样品溶液进行测量时保留一个反应池为空，这个反应池的测试数据作为参比通道数据。则校准数据与参比通道数据含有两次测量时光源光强波动误差，通过归一化可以减小两次测量时光源光强波动的影响。其他装有样品溶液的反应池所测得的结果与这些反应池的校准数据都携带有等腰直角棱镜及金膜的表面缺陷等信息，通过归一化方法便可消除上述因素对检测结果的影响，可提高测试精度。
本发明利用SPR检测技术及生物修饰技术实现了一次性测量水体中多种不同含量成分浓度的功能，将SPR对光线产生的偏振态变化转化为光强变化，实现测量的高灵敏度，简化了测量方式和测量过程，简化了光路和机械结构，便于水质检测分析项目中的现场实时检测。
附图说明
图1为本发明的结构示意图；
图2为本发明反应池的结构示意图；
图3为实验测得的微囊藻毒素-LR抗体溶液的浓度-光强曲线；
图4为实验测得的OA抗体溶液的浓度-光强曲线。
具体实施方式
实施例1
如图1所示，本发明一种基于表面等离子体共振与生物传感的水芯片，包括光发射组件、光反射组件、光偏振态调制组件、光接收组件；
光发射组件由光源1、扩束镜2组成，光源1采用波长为740nm的红光光源，光源1发出的光线经扩束镜后变为平行光线；
光反射组件包括等腰直角棱镜4及其斜边面上的金膜5，金膜5的反光面朝向等腰直角棱镜4，金膜5的厚度约为50nm；
光偏振态调制组件包括位于扩束镜2与等腰直角棱镜4的入射直角面14之间的起偏器3、位于等腰直角棱镜4的出射直角面15之后的四分之一波片7和检偏器8；
光接收组件包括位于检偏器8之后的成像透镜9和面阵CCD10。
将98％(质量百分比)的浓硫酸和30％(质量百分比)的双氧水按照浓硫酸∶双氧水＝7∶3的体积比配置成混合溶液，将等腰直角棱镜4斜边面上的金膜5在混合溶液中浸泡12小时，以去除金膜5表面的杂质。取MC-LR-BSA溶液(微囊藻毒素-LR-牛血清蛋白溶液，该溶液采用北京伊普瑞斯科技有限公司微囊藻毒素Microcystin ELISA试剂盒)滴到金膜5表面，反应24小时，使MC-LR-BSA通过巯基(-SH)与金膜5表面的金原子形成牢固的Au-S共价键，在金膜表面形成自组装单分子层，从而形成一层覆盖金膜5的生物敏感膜11。
将聚二甲基硅氧烷的镂空薄膜12放置在生物敏感膜11上，由于聚二甲基硅氧烷自身具有一定的重量和粘性，可以粘附在生物敏感膜11上。薄膜被镂空的区域形成了反应池13，反应池13组成6×6的矩阵形状。如图2所示。生物敏感膜11通过镂空薄膜12上被镂空的区域与待测溶液发生反应。同时，生物敏感膜11也作为金膜5的保护层，防止镂空薄膜12对金膜5的破坏。
本实施例中镂空薄膜的制备方法为：
取Dow Corning Corp公司的Sylgard184型套件产品，其中包括PDMS预聚体和固化剂，将PDMS预聚体和固化剂按照10∶1的质量比混合均匀，室温下在真空干燥箱中脱气10min后，浇注在黄铜模具上，形成5mm的液层，在75°的温度下加热固化1h，然后从模具中取出，即制得所需的PDMS镂空薄膜。
实际测量时，先用折射率为1.33的去离子水校准仪器。在某个反应池13内滴入去离子水，调整起偏器3、四分之一波片7和检偏器8，使得面阵CCD10上达到消光。本实施例测量待测溶液的折射率范围为1.33～1.38，由于表面等离子体共振具有很高的精度，只要滴入反应池13中待测溶液折射率在此范围内，无需再调整光路，简化了测量过程。
标定MC-LR(微囊藻毒素-LR)抗体的浓度-光强标准曲线。标定方法为：配置不同浓度的MC-LR抗体溶液，分别滴入不同的反应池13的中，在面阵CCD10上得到不同浓度溶液所对应的不同亮度，一般浓度越大，折射率越大，对应的光强亮度越大。由此测量结果可以绘制出定MC-LR抗体的浓度-光强的标准曲线。如图3所示，横轴表示MC-LR抗体溶液中MC-LR抗体的浓度，纵轴表示不同浓度的溶液所对应的光强。实验中以一个基准光强作为参照，测得不同浓度溶液的相对光强。可以看出，溶液的浓度越大，对应的光强越大。
将含有MC-LR抗体的待测溶液样品进行沉降分离，用蒸馏水稀释(稀释倍数视样品溶液的具体情况而定，使稀释后的溶液的折射率落在测量范围1.33～1.38之间)，滴入反应池13中未使用过的通道，在面阵CCD10上得到相应的光强，与绘制出的标准浓度-光强曲线比对即可得到此时溶液中MC-LR抗体的浓度，按稀释倍数换算即可得到原样品溶液的MC-LR抗体浓度。
实施实例2
本实施例的结构与实施例1相同，本实施例中生物敏感膜的成分与实施例1不同。将98％(质量百分比)的浓硫酸和30％(质量百分比)的双氧水按照浓硫酸∶双氧水＝7∶3的体积比配置成混合溶液，将等腰直角棱镜4斜边面上的金膜5在混合溶液中浸泡12小时，以去除金膜5表面的杂质。取10mmol/L的11-巯基十一烷酸溶液滴在金膜5表面，反应3分钟，使11-巯基十一烷酸通过巯基(-SH)与金膜5表面的金原子形成牢固的Au-S共价键，在金膜表面形成自组装单分子层，作为基质层。取N-羟基琥珀酰亚胺(NHS)和二氯乙烷(EDC)的混合溶液50uL滴在基质层上，NHS在混合液中的浓度为50mmol/L，EDC在混合液中的浓度为200mmol/L，反应5h，活化11-巯基十一烷酸的羧基。将冈田酸(OA)溶液(美国Sigma公司产品)20uL滴在芯片表面，使得11-巯基十一烷酸的羧基与OA的氨基偶联，从而形成一层覆盖基质层的OA生物敏感膜，它能够与待测水溶液中的冈田酸抗体发生特异性吸附，从而检测出待测水溶液中的冈田酸抗体浓度。实验中测出的OA抗体溶液的浓度-光强曲线如图4所示，由图可看出，与实施例1检测MC-LR抗体的结果类似，OA抗体溶液浓度越大，对应的光强越大。
Claims (5)
1.一种基于表面等离子体共振与生物传感的水芯片，其特征在于：
包括光发射组件、光反射组件、光偏振态调制组件、光接收组件；
所述的光发射组件由光源、和位于光源之后的扩束镜组成；
所述的光反射组件包括等腰直角棱镜及其斜边面上的金膜，金膜的反光面朝向等腰直角棱镜；
所述的光偏振态调制组件包括位于扩束镜与等腰直角棱镜入射直角面之间的起偏器、位于等腰直角棱镜出射直角面之后的四分之一波片和检偏器；
所述的光接收组件包括位于检偏器之后的成像透镜和面阵CCD；
所述的金膜的非反光面上设有生物敏感膜，生物敏感膜上设有镂空薄膜，镂空区域形成若干个反应池；
所述的生物敏感膜的下表面通过共价键与金膜偶联，生物敏感膜的上表面为与待测生物杂质发生特异性吸附的抗原或抗体。
2.如权利要求1所述的水芯片，其特征在于，所述的镂空薄膜为聚二甲基硅氧烷材料。
3.如权利要求1所述的水芯片，其特征在于，所述的光源采用740nm的红光光源。
4.如权利要求3所述的水芯片，其特征在于，所述的起偏器的起偏角度、四分之一波片的快轴方向和检偏器的检偏角度组合使经过金膜反射后的光线在面阵CCD上出现消光点。
5.如权利要求4所述的水芯片，其特征在于，由光源发出的光线对所述的扩束镜、起偏器、等腰直角棱镜、四分之一波片、检偏器、成像透镜和面阵CCD均为垂直入射。
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