CN102636462A - 一种在线净化的多模式传导表面等离子共振谱仪 - Google Patents

Abstract

一种在线净化多模式传导表面等离子共振谱仪，其特征在于：包括自动进样系统、微型膜透析系统、棱镜型传感系统、光纤型传感系统、微流体处理系统、信号处理系统和自动控制系统。微型膜透析系统采用嵌入式在线微型膜透析组件，组件可为简易压力透析模式、吸附/解析模式和离子透析模式之一或组合。采用波长调制方式，根据样品检出限量需求选取棱镜型传感系统和光纤型传感系统中的一种。其中，配合光纤传感组件的传感元件为多探头阵列，可同时对多个样品或样品中多个组分进行测定，并设计了专用的微流控样品池。多模式传导的表面等离子共振谱仪具有微量样品的在线自动净化，能快速完成海量样品的超灵敏、高通量、低成本检测。

Description

一种在线净化的多模式传导表面等离子共振谱仪

技术领域

本发明涉及一种高通量超灵敏的危害因子分析测量设备，特别是关于一种在线净化的多模式传导表面等离子共振谱仪。

背景技术

表面等离子共振谱仪(Surface Plasmon Resonance，SPR)，也称分子相互作用谱仪，作为一种超灵敏快速检测技术，在食品安全、分析化学、生物分子相互作用分析、临床诊断、环境检测等领域呈现出巨大的应用前景。SPR 检测过程无需标记样品，保持了分子活性，且检测过程方便快捷，具有高灵敏、高精度等特点，被国外大型仪器公司普遍看好，并已开始进行大规模研发。目前绝大多数商品化SPR主要用于实验室基础研究，特别是生物大分子的相互作用研究，一般适用于较为纯净的、组分简单的样品。众所周知，食品、环境和临床诊断等样品的预处理过程是一个重要环节，约占据整个分析测试时间的三分之二。尤其是在样品的纯化、富集以及干扰物选择性去除方面，包括膜分离在内的前处理方法在处理批量样品仍存在操作繁琐、容易引入误差等问题，且需要消耗一定量的有机溶剂。然而，现有的商品化SPR 没有样品净化功能、缺少与有机小分子作用的核心传感器件，且无法满足海量样品与多组分样品的测定，因此不适于食品安全、消费品安全等公共安全中危害因子的检测。

膜析法（Membrane Processes，MP）是在外力的作用下，被分离的溶液以一定的流速沿着膜表面流动，溶液中溶剂和低分子量物质、无机离子从高压侧透过滤膜进入低压侧，并作为滤液而排出，而溶液中高分子物质、胶体微粒及微生物等被超滤膜截留，溶液被浓缩并以浓缩形式排出。微流控（Microfluidics）是一种精确控制和操控微流尺度的流体，尤其是特指亚微米结构的技术，通过对于微米尺度下流体的控制，具有样品用量少、速度快、效率高等特点，且能够实现几束流体并行时没有混合，在微进样技术方面得到了发展。将微流控技术应用于膜析法，即采用官能化接枝纤维与中控纤维材料制备功能性透析膜，利用常规压力透析、离子透析、吸附/解析等多种膜析净化组件，可实现微量样品的膜析净化与浓缩。采用开发嵌入式微型膜透析器件，可降低样品使用量，完成在线微量样品净化处理和浓缩。

表面等离子共振谱仪将光波与表面等离子体耦合并使其发生共振，通常使用的耦合器件为棱镜、光纤和光栅等。现有商品化的 SPR 仪器主要采用单通道或双通道检测模式，光学传感系统为棱镜和光纤两种。棱镜型SPR 系统开发时间最早，研究较多，为BIAcore 等系列所采用，主要优点是精度很高，但测试费用较高、难集成；而光纤型SPR，即将SPR 传感器中的耦合器件改成采用光纤，虽然精度有所降低，但是体积微小、测试样品价格低廉、易集成。由于在食品安全、检验检疫、消费品安全、生物安全等领域，样品数量巨大且日益增长，样品浓度、组成千差万别，因此，迫切需要能实现样品的快速筛查与超灵敏确证检测的多模式传导检测，以及超灵敏、高通量检测的新型表面等离子共振谱仪。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：克服单独使用棱镜型SPR或光纤型SPR不具备样品前处理功能，且不能满足样品数量多、浓度组成差异大的检测技术不足，提供一种具有微量样品的在线自动净化功能、组合棱镜和光纤传感的多模式传导组件的表面等离子共振谱仪，具有超灵敏、高通量、低成本检测的特点，仪器模块化程度高，传感元件可移植性强。

本发明的基本构思是：采用嵌入式微型膜透析组件，将微型膜透析和表面等离子共振在线联用，实现微量样品的在线自动净化，微型膜透析组件内部是由表面官能团功能化的中空纤维膜组成，有简易压力透析模式、吸附/解析模式和离子透析模式可供选择，根据危害因子物性而选择相应的模式。在线净化处理后的样品进入多模式传导检测系统，包括棱镜和光纤两种检测系统，采用波长调制方式，根据样品检出限量需求选取棱镜或光纤传感系统。其中，配合光纤传感组件的传感元件为多探头阵列，可同时对多个样品或样品中多个组分进行测定。多模式传导的表面等离子共振谱仪采用嵌入式微型膜透析组件、组合棱镜和光纤两种传感系统，具有微量样品的在线自动净化，快速完成海量样品的超灵敏、高通量、低成本检测等特点。

本发明的技术方案为：一种在线净化的多模式传导表面等离子共振谱仪，其特征在于：包括自动进样系统、嵌入式微型膜透析系统、多模式传导检测系统、微流体处理系统、信号处理系统、自动控制系统；所述的自动进样系统与嵌入式微型膜透析系统相连，由液体传送泵完成样品和流动相的传输；所述的嵌入式微型膜透析系统，其内部是由表面官能团功能化的中空纤维膜组成，有简易压力透析模式、吸附/解析模式和离子透析模式供选择，完成微量样品净化与浓缩；流出嵌入式微型膜透析系统的样品进入微流体处理系统的微流控样品池，后进入多模式传导检测系统；多模式传导检测系统包括棱镜型和光纤型两种传感检测系统，采用波长调制方式，根据样品检出限量需求选取棱镜型或光纤型传感系统；信号处理系统包括光传感器、数据采集模块和系统控制模块，完成检测信号采集和传输；自动控制系统实现自动进样系统、多模式传导检测系统、微流体处理系统和信号处理系统的控制；

所述的自动进样系统中，液体传送泵分为样品传送泵和流动相传送泵，样品传送泵负责自动进样系统中的样品传送，流动相传送泵负责保持稳定流速的流动相流过传感芯片或多探头阵列表面。

所述的嵌入式微型膜透析系统包含微型膜透析净化组件，微型膜透析净化组件与待测样品对应，每增加一个样品，则需对应增加一个样品传送泵和微型膜透析组件。

所述的微流体处理系统的核心组件是微流控样品池，通过样品池所配置的带样品环的多流道进样系统，对多组样品进行检测；

所述的多模式传导检测系统包括光源、棱镜/光纤传感组件、光强/波长检测仪；光源采用卤钨光源；棱镜传感组件为柱形棱镜，其横截面为等腰三角形，底面镀有平面的金属反射膜，腰面分别镀有入射高反射膜和出射高反射膜；自动控制系统根据检测需求手动或自动选取棱镜或光纤传感组件其中的一组对样品进行测试；其中，配合光纤传感组件的传感元件为多探头阵列，同时对多个样品或样品中多个组分进行测定，并对应相应的微流控样品池。

所述的光纤传感组件为终端反射光纤传感器，由一条或多条光纤集成完成样品检测。

所述的信号处理系统包括数据采集模块和系统控制模块，系统控制模块通过对数据采集模块实时所接受的信号进行处理和数据存储，同时对传送泵的制动元件进行控制。与现有技术相比，本发明具有如下优点：

（1）将微流膜透析与表面等离子共振谱仪在线联用，实现微量样品前处理和检测同步进行，缩短了分析时间，无需单独进行样品前处理，避免了一般离线膜析法前处理操作繁琐、耗时多、溶剂消耗量大等缺点；

（2）组合棱镜和光纤传感多模式传导组件，根据样品检出限量需求选取棱镜或光纤传感组件，打破了使用单一棱镜感测单元或光纤感测单元单独使用的界线，可根据样品检出限量需求选取棱镜或光纤传感组件，适用于浓度差异大的样品在线检测分析；

（3）配合光纤传感组件的传感元件为多探头阵列，可同时对多个样品或样品中多个组分进行测定，并设计了专用的微流控样品池，实现海量样品的超灵敏、高通量、快速检测；

（4）设置微流体处理系统，采用微流控样品池，配置了带定量环的多流道进样系统，既可以实现精确定量检测，又可以同时检测多种样品，提高表面等离子共振谱仪的检测效率，实现高通量测试。

附图说明

图1 在线净化的多模式传导表面等离子共振谱仪连接方式示意图。

图2 在线净化的多模式传导表面等离子共振谱仪连接简图。

图3 在线净化的多模式传导表面等离子共振谱仪多模式传导检测系统示意图。

图4 在线净化的多模式传导表面等离子共振谱仪终端反射光纤传感器示意图。

以上附图中的标号名称：1.样品，2.样品传送泵，3.进样阀，4.流动相，5.流动相传送泵，6.自动进样系统，7.连接组件，8.进样接口，9.微型膜透析系统，10.微流体处理系统，11.传感芯片或多探头光纤阵列，12.信号处理系统（含光谱仪），13.多模式传导检测系统（棱镜和光纤耦合器件），14.自动控制系统，15.微型膜透析废液瓶，16.微流控样品池废液瓶，131.棱镜传感组件，132.光纤传感组件，1311.棱镜传感组件光源，1312.透镜1，1313.透镜2，1314.偏振片，1315.棱镜，1316.金属层（即金属反射膜），1317.透镜3，1318.光纤，1321.光纤传感组件光源，1322.P型偏振片，1323.Y型光纤耦合器，1324.耦合器接头，1325.传感光纤，1326.终端反射式光纤表面等离子传感器，13261.微反射镜，13262. 纤芯，13263.金属层，13264.特异性探针固定膜。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步描述：

实施例1：

参见附图1所示，一种在线净化的多模式传导表面等离子共振谱仪，包括自动进样系统6、微型膜透析系统9、多模式传导检测系统13、微流体处理系统10、信号处理系统12、自动控制系统14。自动进样系统前端为进样阀3，后端为进样接口8，进样阀3前端为样品传送泵2，样品传送泵2负责自动进样系统中的样品1传送，流动相传送泵5负责保持稳定流速的流动相4流过传感芯片或多探头光纤阵列11表面。流动相和样品组成的混合液体经自动进样系统6输送至微型膜透析系统9前端的进样接口8。微型膜透析系统9有简易压力透析模式、吸附/解析模式和离子透析模式可供选择，在样品分析测试前完成微量样品净化与浓缩，去除干扰物，提高仪器的灵敏度、准确性和检测效率，且适用于微量样品的检测。微型膜透析样品净化组件与待测样品对应，每增加一个样品，则需对应增加一个样品传送泵和微型膜透析组件，与设定仪器的检测通道数和传导模式选择相关；微型膜透析废液进入微型膜透析废液瓶15。微流体处理系统10的核心为微流控样品池，配置了带样品环的多流道进样系统，既可以实现精确定量检测，又可以同时检测多种样品，提高表面等离子共振谱仪的检测效率，实现高通量测试。经微型膜透析系统9净化后的微量样品进入微流体处理系统10，进入系统的核心组件——微流控样品池，通过样品池所配置的带样品环的多流道进样系统，即可以实现精确定量检测，又可以同时检测多种样品，提高表面等离子共振谱仪的检测效率，实现高通量测试，微流体处理系统废液进入微流控样品池废液瓶16。随后，通过棱镜/光纤多模式传导检测系统13进行检测分析，可获得单样品精确检测或多样品高通量检测。

实施例2：

参见图2和图3所示，多模式传导检测系统13包括光源1311和1321、棱镜传感组件131、光纤传感组件132和光传感器12，其中光传感器12为棱镜传感组件131和光纤传感器132共用；棱镜传感组件光源1311和光纤传感组件光源1321使用卤钨光源；棱镜传感组件131为柱形棱镜1315，其横截面为等腰三角形，底面镀有平面的金属反射膜1316，腰面分别镀有入射高反射膜和出射高反射膜；光纤传感组件132包括光纤传感组件光源1321经P型偏振片1322与Y型光纤耦合器1323的输入端相连，Y型光纤耦合器的输出端通过耦合器接头1324连接于传感光纤1325，该传感管线1325末端是终端反射式光纤表面等离子传感器1326，通过Y型光纤耦合器1323实现终端反射光纤的信号向信号处理系统12中光传感器的传输。光传感器可为任何种类，其较佳的为二极管传感器或电荷耦合传感器。自动控制系统14分别与自动进样系统6、微型膜透析系统9、微流体处理系统10和多模式传导检测系统13连接。信号处理系统12包括光传感器（光谱仪）、数据采集模块和系统控制模块，系统控制模块通过对数据采集模块实时所接受的信号进行处理和数据存储，同时对传送泵的制动元件进行控制。

实施例3：

参见图4所示，多模式传导表面等离子共振谱仪终端反射光纤传感器1326，包括纤芯13262、微反射镜13261、金属层13263以及金属层13263外层的特异性探针固定膜13264。从光纤传感组件光源1321发出的光经P型偏振片，后由Y型光纤耦合器的输入端传输至传感光纤1325的终端反射光纤表面等离子传感器13261，在金属层13263和纤芯13262界面处发生表面等离子共振，共振光传输至微反射镜面13261处沿来路被反射回去。 

Claims (7)

1.一种在线净化的多模式传导表面等离子共振谱仪，其特征在于：包括自动进样系统、嵌入式微型膜透析系统、多模式传导检测系统、微流体处理系统、信号处理系统、自动控制系统；所述的自动进样系统与嵌入式微型膜透析系统相连，由液体传送泵完成样品和流动相的传输；所述的嵌入式微型膜透析系统，其内部是由表面官能团功能化的中空纤维膜组成，有简易压力透析模式、吸附/解析模式和离子透析模式供选择，完成微量样品净化与浓缩；流出嵌入式微型膜透析系统的样品进入微流体处理系统的微流控样品池，后进入多模式传导检测系统；多模式传导检测系统包括棱镜型和光纤型两种传感检测系统，采用波长调制方式，根据样品检出限量需求选取棱镜型或光纤型传感系统；信号处理系统包括光传感器、数据采集模块和系统控制模块，完成检测信号采集和传输；自动控制系统实现自动进样系统、多模式传导检测系统、微流体处理系统和信号处理系统的控制。

2.根据权利要求1所述的在线净化的多模式传导表面等离子共振谱仪，所述的自动进样系统中，液体传送泵分为样品传送泵和流动相传送泵，样品传送泵负责自动进样系统中的样品传送，流动相传送泵负责保持稳定流速的流动相流过传感芯片或多探头阵列表面。

3.根据权利要求1所述的在线净化的多模式传导表面等离子共振谱仪，所述的嵌入式微型膜透析系统包含微型膜透析净化组件，微型膜透析净化组件与待测样品对应，每增加一个样品，则需对应增加一个样品传送泵和微型膜透析组件。

4.根据权利要求1所述的在线净化的多模式传导表面等离子共振谱仪，所述的微流体处理系统的核心组件是微流控样品池，通过样品池所配置的带样品环的多流道进样系统，对多组样品进行检测。

5.根据权利要求1所述的在线净化的多模式传导表面等离子共振谱仪，所述的多模式传导检测系统包括光源、棱镜/光纤传感组件、光强/波长检测仪；光源采用卤钨光源；棱镜传感组件为柱形棱镜，其横截面为等腰三角形，底面镀有平面的金属反射膜，腰面分别镀有入射高反射膜和出射高反射膜；自动控制系统根据检测需求手动或自动选取棱镜或光纤传感组件其中的一组对样品进行测试；其中，配合光纤传感组件的传感元件为多探头阵列，同时对多个样品或样品中多个组分进行测定，并对应相应的微流控样品池。

6.根据权利要求5所述的在线净化的多模式传导表面等离子共振谱仪，所述的光纤传感组件为终端反射光纤传感器，由一条或多条光纤集成完成样品检测。

7.根据权利要求1所述的在线净化的多模式传导表面等离子共振谱仪，所述的信号处理系统包括数据采集模块和系统控制模块，系统控制模块通过对数据采集模块实时所接受的信号进行处理和数据存储，同时对传送泵的制动元件进行控制。

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