CN103512861A

CN103512861A - 表面等离子体谐振图像检测芯片、系统及其使用方法

Info

Publication number: CN103512861A
Application number: CN201210210534.8A
Authority: CN
Inventors: 蔡浩原; 崔大付; 李辉; 陈兴; 张璐璐; 孙建海; 任艳飞
Original assignee: Institute of Electronics of CAS
Current assignee: Institute of Electronics of CAS
Priority date: 2012-06-20
Filing date: 2012-06-20
Publication date: 2014-01-15

Abstract

本发明公开了一种表面等离子体谐振图像检测芯片、系统及其使用方法。其中，表面等离子体谐振图像检测芯片包括：透明基底；敏感膜阵列，包含至少两个分离的敏感膜单元，至少两分离的敏感膜单元中的每一敏感膜单元包括：金属膜和敏感材料；检测池阵列，为具有厚度的材料，包含贯穿检测池阵列的、与至少两个分离的敏感膜单元分别对应的至少两个分离的检测池单元，其中：检测池阵列上除至少两个分离的检测池单元之外的区域与透明基底紧密结合，形成密封；至少两个分离的检测池单元中的每一检测池单元，其面积大于或等于对应敏感膜单元的面积，从而将该敏感膜单元围设于其底部。本发明无需外接的流通系统，大大降低了仪器的制造成本。

Description

表面等离子体谐振图像检测芯片、系统及其使用方法

技术领域

本发明涉及应用表面等离子体谐振原理进行生物和化学分析的技术领域，尤其涉及一种表面等离子体谐振图像检测芯片、系统及其使用方法。

背景技术

表面等离子体谐振(Surface Plasmon Resonance，简称SPR)是发生在平面金属膜界面的一种物理光学现象。SPR对平面金属膜界面附近的折射率变化非常灵敏。利用SPR原理可以检测发生在平面金属膜界面处100多nm范围内的生物分子相互作用。SPR检测方法具有灵敏度高、无需标记、可获得反应动力学过程等优点。

表面等离子体谐振图像检测技术(Surface Plasmon Resonance Imaging，简称SPRI)为采用图像的检测方式，可以获得平面金属膜上多个位点发生的生物分子相互作用信息，可实现多参数并行检测(Hickel et al.1989；Rothenhausler&Knoll 1988；Brockman et al.2000)。

美国专利第US7670556号公开了一种表面等离子体谐振图像的检测方法。图1A为现有技术表面等离子体谐振图像检测系统的工作示意图。具有横磁(Transverse Magnetic，简称TM)偏振的平行入射光通过棱镜耦合，照射在传感芯片上，入射光与传感芯片表面的金属膜的表面等离子体波发生谐振，在棱镜的另一侧采用图像检测装置检测出射光的图像。在金属膜的表面，制备有敏感膜(如抗体、DNA、受体等分子)。微流通道覆盖在传感芯片的表面，用于引入待测样品。当待测样品中含有与敏感膜发生特异性反应的物质时，出射光的图像会发生改变。通过检测出射光图像不同区域的光强变化，可以对多个参数进行并行检测。

图1B为图1A所示表面等离子体谐振图像检测系统的流通系统工作原理图。三种不同的蛋白质A，B和C首先被固定到金膜的表面，然后在垂直方向上，待测样品在外部流通驱动系统的作用下，沿着微流路依次流过固定有蛋白质A，B和C的敏感膜单元的表面。如果待测样品中含有与蛋白质A，B和C发生特异性反应的物质，就会引起SPR信号的变化。通过同时监测图像上的多个敏感膜单元，就可实现多参数并行检测。

如上所述，现有技术表面等离子体谐振图像检测技术均需要配备一路或者多路流通系统，仪器较为复杂，使用步骤繁琐，对操作人员要求较高，从而限制了表面等离子体谐振图像检测技术应用于现场快速检测。

发明内容

(一)要解决的技术问题

为解决上述的一个或多个问题，本发明提供了一种表面等离子体谐振图像检测芯片、系统及其使用方法，以无需配备流通系统即可实现多参数检测，简化使用步骤，降低使用成本。

(二)技术方案

根据本发明的一个方面，提供了一种表面等离子体谐振图像检测芯片、系统及其使用方法。其中，表面等离子体谐振图像检测芯片，包括：透明基底；敏感膜阵列，包含至少两个分离的敏感膜单元，至少两分离的敏感膜单元中的每一敏感膜单元包括：金属膜和敏感材料；检测池阵列，为具有厚度的材料，包含贯穿检测池阵列的、与至少两个分离的敏感膜单元分别对应的至少两个分离的检测池单元，其中：检测池阵列上除至少两个分离的检测池单元之外的区域与透明基底紧密结合，形成密封；至少两个分离的检测池单元中的每一检测池单元，其面积大于或等于对应敏感膜单元的面积，从而将该敏感膜单元围设于其底部。

(三)有益效果

从上述技术方案可以看出，本发明表面等离子体谐振图像检测芯片、系统及其使用方法具有以下有益效果：

(1)无需外接流通系统。本发明利用微加工工艺，加工制备成阵列化的检测池，并与SPR基底组装在一起，形成表面等离子体谐振图像检测芯片。该检测池可以让使用者直接的、可靠的将不同种类的微量(例如小于20微升)待测样品滴加到芯片的表面，进行阵列化的检测。由于无需外接的流通系统，大大降低了仪器的制造成本，简化了使用步骤；

(2)使得抛弃型的SPR检测芯片成为可能。本发明由于采用了新型的阵列化检测池设计，并提出了以阶段SPR向应值作为检测结果的新方法，使得SPR检测芯片与检测池阵列集成在一起，避免了现有方法需要对微流通道和芯片表面进行清洗和再生的后续维护步骤，使得SPR检测芯片能够实现一次性使用，简化了使用步骤，也降低了交叉污染的风险。

附图说明

图1A为现有技术表面等离子体谐振图像检测系统的俯视图；

图1B为图1A所示表面等离子体谐振图像检测系统的工作示意图；

图2为本发明实施例表面等离子体谐振图像检测芯片的结构示意图；

图3为本发明实施例表面等离子体谐振图像检测芯片敏感膜单元的结构示意图；

图4为本发明实施例表面等离子体谐振图像检测系统的结构示意图；

图5多参数检测的反应动力学曲线与检测结果确定方法示意图。

【主要元件符号说明】

100-表面等离子体谐振图像检测芯片

101-透明基底 102敏感膜阵列

103-检测池阵列 104-敏感膜单元

105-金属膜； 106-敏感材料；

107-检测池单元； 201-光源；

202-滴管； 203-棱镜；

204-图像接收装置。

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。

需要说明的是，在附图或说明书描述中，相似或相同的部分都使用相同的图号。且在附图中，以简化或是方便标示。再者，附图中未绘示或描述的实现方式，为所属技术领域中普通技术人员所知的形式。另外，虽然本文可提供包含特定值的参数的示范，但应了解，参数无需确切等于相应的值，而是可在可接受的误差容限或设计约束内近似于相应的值。

图2为本发明实施例表面等离子体谐振图像检测芯片的结构示意图。如图3所示，本实施例表面等离子体谐振图像检测芯片100包括：透明基底101、敏感膜阵列102和检测池阵列103。透明基底101，由对入射光透明的材料制备而成，用来耦合入射光和作为敏感膜阵列的基底。敏感膜阵列，由至少两个分离的敏感膜单元组成，每一敏感膜单元包括：金属膜，沉积在透明基底上；敏感材料，通过物理吸附或者化学键共价连接的方式结合到所述金属膜上，用于与被测物质发生特异反应。检测池阵列，为具有厚度的材料，包含多个贯穿检测池阵列的检测池单元，该检测池单元与敏感膜单元相对应，其面积大于或等于敏感膜单元的面积，检测池阵列上除检测池单元之外的区域与透明基底紧密结合，形成密封，从而将每一个敏感膜单元围设于检测池单元的底部。

透明基底101一般情况下采用光学玻璃材料制成，例如BK7光学玻璃。优选的，该玻璃基底的厚度为0.1mm，尺寸大小为20mm×20mm；玻璃基底的折射率与棱镜的折射率一致。

敏感膜阵列102位于玻璃基底101的一个表面，将该表面定义为玻璃基底101的检测面。敏感膜阵列102可以采用光刻、溅射等半导体加工方法，在玻璃基底101的检测面形成规则排列的图形。敏感膜阵列102包括至少一个敏感膜单元104。

图3为本发明实施例表面等离子体谐振图像检测芯片敏感膜单元的结构示意图。如图3所示，敏感膜单元104由特定厚度的金属膜105以及覆盖于金属膜之上的敏感材料106构成。根据入射光波长的不同，金属膜105可以选择金、银、铝或者铜作为制备材料。作为一种例子，金属膜105的材料为金，它的厚度精确的控制在50nm。敏感材料106为某种能够对被测物质能够发生特异性反应的材料，包括但不限于蛋白质、抗体、DNA、多肽和配体。它们通过物理吸附或者化学键共价连接的方式结合到所述金属膜上面。当待测样品中存在着与敏感材料发生特异性反应的物质的时候，就会引起该敏感膜单元对应的SPR信号的变化。例如，可以选择羊抗人IgG抗体固定作为敏感材料106，制备在金属膜105上，当待测样品中包含有人IgG分子时，抗原分子与抗体就会发生特异性的反应。

在本发明的一个优选实施例中，敏感膜阵列中的其中之一的敏感膜单元被对被测物质不敏感的钝化材料修饰。该单元称为参比单元，可以通过该参比单元的表面等离子体谐振特性对敏感膜阵列中除该参比单元之外的敏感膜单元的表面等离子体谐振特性进行校正，例如通过将不同敏感膜单元的RU值与参比单元的RU值相减，可以去除样品本底折射率对检测结果的影响。

检测池阵列103为一块表面平整的材料，包含至少两个检测池单元107。检测池单元107为贯穿检测池阵列103两个表面的结构。检测池阵列103的一个表面与玻璃基底101的检测面紧密结合，形成密封。每一个检测池单元107与每一个敏感膜单元104对准，敏感膜单元104位于检测池单元107的池底。

检测池单元107的截面形状可以任意的形状。如圆形、正方形、矩形、椭圆形等等。优选的，检测池单元107的截面形状为圆形，直径为5mm，因此，每个检测池单元的容积约为19μL。

检测池阵列的材料可以选择树脂、硅胶或者塑料。例如聚二甲基硅氧烷(Polydimethylsiloxane，简称PDMS)。PDMS是一种高分子有机硅化合物。具有光学透明，惰性，无毒，不易燃等特性。固化的PDMS为一种硅胶，通过表面处理以后，可以和玻璃基底101形成可逆或者不可逆的密封。优选的，该检测池的厚度为1mm。

图4为本发明实施例表面等离子体谐振图像检测系统的结构示意图。如图4所示，该表面等离子体谐振图像检测系统包括：棱镜；表面等离子体谐振图像检测芯片100，放置于棱镜203的表面，可采用折射率匹配液保证两个界面的良好的光学耦合。光源201，位于棱镜的一侧，用于发出准直的光束经过棱镜照射在表面等离子体谐振图像检测芯片100的下表面，图像接收装置204，位于棱镜的另一侧，用于接收光束经过所述表面等离子体谐振图像检测芯片100的表面后反射的经过棱镜的出射光。

本实施例中，光源优选为激光器。当然也可以为具有起偏器输出能力的发光二极管光源或者超亮发光二极管光源。棱镜为三角形棱镜或圆柱形棱镜。

根据本发明的另一个方面，还提供了一种上述表面等离子体谐振图像检测系统的使用方法。请参照图4，该使用方法包括：

步骤S402，使用滴管202在至少两个检测池单元中滴加待测样品；

步骤S404，并行记录该至少两个敏感膜单元对应的表面等离子体谐振信号的变化，以某个特定的截止时间对应的信号值，作为每个敏感膜单元对应的表面等离子体谐振信号值(Response Unit，RU)；

步骤S406，根据每个敏感膜单元对应的RU值，计算得到每个敏感膜单元对应的待测物质的浓度(Ci，i＝1，2，...N，N为敏感膜单元数)。

优选地，所述步骤S402之前还包括：在检测池单元中分别滴加已知浓度的标准样品，如0，C₀，2C₀...，记录每个敏感膜单元对应的RU值，获得样品浓度Cx和表面等离子体信号值RU的校准曲线。所述步骤S406包括：利用该校准曲线，根据每个敏感膜单元对应的RU值，计算得到每个敏感膜单元对应的待测物质的浓度。

优选地，当敏感膜阵列中的其中之一敏感膜单元被对被测物质不敏感的钝化材料修饰时，所述步骤S404之后还包括：利用参比单元的表面等离子体谐振信号值对其他敏感膜单元的表面等离子体谐振信号值进行校正。

图5为多参数检测的反应动力学曲线与检测结果确定方法示意图。如图5所示，每条反应曲线分别代表S1，S2，S3和S4敏感膜单元的SPR响应值的动态过程。以反应时间T0为反应截止时间，根据每个敏感膜单元对应的RU值，计算得到每个敏感膜单元对应的待测物质的浓度(Ci，i＝1，2，3，4)。

需要说明的是，上述对各元件的定义并不仅限于实施方式中提到的各种具体结构或形状，本领域的普通技术人员可对其进行简单地熟知地替。

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

1.一种表面等离子体谐振图像检测芯片，包括：

透明基底；

敏感膜阵列，包含至少两个分离的敏感膜单元，所述至少两分离的敏感膜单元中的每一敏感膜单元包括：

金属膜，沉积在所述透明基底上；

敏感材料，通过物理吸附或者化学键共价连接的方式结合到所述金属膜上；

检测池阵列，为具有厚度的材料，包含贯穿检测池阵列的、与所述至少两个分离的敏感膜单元分别对应的至少两个分离的检测池单元，其中：

检测池阵列上除所述至少两个分离的检测池单元之外的区域与所述透明基底紧密结合，形成密封；

所述至少两个分离的检测池单元中的每一检测池单元，其面积大于或等于对应敏感膜单元的面积，从而将该敏感膜单元围设于其底部。

2.根据权利要求1所述的表面等离子体谐振图像检测芯片，其中，所述检测池阵列的材料选自以下材料中的一种：树脂、硅胶和塑料。

3.根据权利要求1所述的表面等离子体谐振图像检测芯片，其中，所述检测池阵列的材料为固化的聚二甲基硅氧烷。

4.根据权利要求2所述的表面等离子体谐振图像检测芯片，其中，所述检测池阵列中检测池单元的的截面形状为以下形状中的一种：圆形、正方形、矩形和椭圆形。

5.根据权利要求4所述的表面等离子体谐振图像检测芯片，其中，所述检测池阵列中检测池单元的的截面形状为圆形。

6.根据权利要求5所述的表面等离子体谐振图像检测芯片，其中，所述检测池阵列中检测池单元的直径为5mm，深度为1mm。

7.根据权利要求1所述的表面等离子体谐振图像检测芯片，其中，所述敏感膜阵列敏感膜单元中：

金属膜的材料选自于以下材料中的一种：金、银、铝和铜；

敏感材料选自于以下材料中的一种：蛋白质、抗体、DNA、多肽和配体。

8.根据权利要求7所述的表面等离子体谐振图像检测芯片，其中，所述金属膜的材料为金，其厚度为50nm。

9.根据权利要求1至8中任一项所述的表面等离子体谐振图像检测芯片，其中，所述至少两个分离的敏感膜单元中至少一敏感膜单元被对被测物质不敏感的钝化材料所修饰，将该敏感膜单元作为参比单元。

10.根据权利要求1至8中任一项所述的表面等离子体谐振图像检测芯片，其中，所述透明基底由光学玻璃材料制备。

11.一种包括权利要求1至10中任一项所述表面等离子体谐振图像检测芯片的表面等离子体谐振图像检测系统，还包括：

棱镜；放置于所述表面等离子体谐振图像检测芯片的下方，其上表面与所述表面等离子体谐振图像检测芯片透明基底的下表面通过耦合液耦合；

光源，位于棱镜的一侧，用于发出准直的光束经过棱镜照射在表面等离子体谐振图像检测芯片的下表面；

图像接收装置，位于棱镜的另一侧，用于接收光束经过所述表面等离子体谐振图像检测芯片的下表面后反射的经过棱镜的出射光。

12.根据权利要求11所述的表面等离子体谐振图像检测系统，其中，所述光源为激光器或发光二极管。

13.根据权利要求11所述的表面等离子体谐振图像检测系统，其中，所述棱镜为三角棱镜或圆珠棱镜。

14.一种采用权利要求1至10中任一项所述表面等离子体谐振图像检测芯片进行检测的方法，包括：

在所述至少两个检测池单元中滴加待测样品；

并行记录所述至少两个敏感膜单元对应的表面等离子体谐振信号的变化，以特定的截止时间对应的信号值，作为每个敏感膜单元对应的表面等离子体谐振信号值；

对于每个敏感膜单元，根据该敏感膜单元对应的表面等离子体谐振信号值，计算得到该敏感膜单元对应的待测物质的浓度。

15.根据权利要求14所述的方法，其中，

所述在至少两个检测池单元中滴加待测样品的步骤之前还包括：在多个检测池单元中分别滴加已知浓度的标准样品；记录每个敏感膜单元对应标准样品的表面等离子体谐振信号值；获得样品浓度和表面等离子体信号值的校准曲线；

所述根据该敏感膜单元对应的表面等离子体谐振信号值，计算得到该敏感膜单元对应的待测物质的浓度包括：利用所述样品浓度和表面等离子体信号值的校准曲线，根据每个敏感膜单元对应的表面等离子体信号值，计算得到每个敏感膜单元对应的待测物质的浓度。

16.根据权利要求14或15所述的方法，其中，当敏感膜阵列中的其中之一敏感膜单元被对被测物质不敏感的钝化材料修饰，作为参比单元时，所述以特定的截止时间对应的信号值，作为每个敏感膜单元对应的表面等离子体谐振信号值的步骤之后还包括：

利用参比单元的表面等离子体谐振信号值对其他敏感膜单元的表面等离子体谐振信号值进行校正。