CN104502303A - 用于快速帧检细菌的亚太赫兹纳米生物传感器及其检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了用于快速帧检细菌的亚太赫兹纳米生物传感器及其检测方法，属于传感器技术领域，所述传感器包括微流体单元和狭槽纳米天线所组成的样本检测池，所述微流体单元包括至少一个呈管状结构的微流本体、设置在微流本体细胞入口端的正压发生装置、设置在微流本体细胞出口端的负压发生装置。本发明还公开了该传感器的检测方法，先将细菌标本液充分稀释再通过微流体样本池进行太赫兹光谱检测。本发明通过在微流本体内产生足够的负压，让待测细胞只能单个或少数通过管径很小的微流本体，从而有效提高检测的特异性，另外，通过狭槽纳米天线对单细胞的信号进行放大，彻底解决单细胞检测的灵敏度问题，从而将不同性状的细菌细胞进行区分和识别。

Description

用于快速帧检细菌的亚太赫兹纳米生物传感器及其检测方法

技术领域

本发明属于传感器技术领域，具体涉及一种用于快速帧检细菌的亚太赫兹纳米生物传感器及其检测方法。

背景技术

目前，巴斯德和科赫在19世纪建立的细菌培养与鉴定仍然是临床微生物检验的主流技术与方法。由于细菌培养周期长，细菌种属鉴定和药敏试验往往需要耗时一周左右。此外，还存在培养基质差异、培养时间过长(如：结核杆菌需近1个月的培养时间)、难于培养和分离(如：流感嗜血杆菌)等诸多问题。近20年来，为了克服上述弊端，出现了系列分子生物学技术与方法，主要包括实时荧光PCR、数字PCR、基因芯片、生物传感器、细菌质谱、第二代测序技术等，部分技术或方法已经在临床常规开展。尽管部分技术和方法(如：实时荧光PCR)可以避开细菌培养，但往往只能检测几种有限的常见致病菌，并且无法区分死菌与活菌。基质辅助激光解吸电离-飞行时间质谱尽管号称“以分钟计的革命性微生物鉴定”，但该技术的检测灵敏度低(即：10⁴～10⁵CFU)，细菌培养获得纯菌仍然是其必不可少的前期步骤，同时，设备昂贵，维护成本高，难以鉴别某些细菌种属和变异体(如：大肠杆菌和志贺氏菌)。可见，“摒除细菌培养环节，直接定性和定量检测不同性状细菌(种属、生长状态、耐药性)”是细菌快速侦检必须解决的关键科学问题。由于现有分子生物学技术几乎无法解决该问题，因此，有必要寻求能够有效解决上述技术瓶颈的跨学科检测理论与技术。

太赫兹是频率在0.1～10THz的电磁波，生物大分子间弱的相互作用包括氢键和范德华力、骨架振动和偶极子旋转等低频振动吸收均位于太赫兹频段内,当太赫兹波通过生物大分子时，激发其低频振动模式，引起能级跃迁，根据吸收光谱上不同的吸收峰位置和强度的“THz指纹特征”实现物质的表征。早期太赫兹检测技术主要运用于固体物质，通过特有吸收峰和吸收系数进行物质的单一鉴定。这主要是水中大量氢键的存在对太赫兹波具有大量吸收。太赫兹波直接测量液相标本中的生物大分子时，由于水分子的大量吸收，可检测信号较弱且重复性较差严重限制其医学领域运用。特别是水溶液中溶质表面的水分子层，水分子紧密结合、结构复杂，氢键大量存在对溶质的太赫兹吸收光谱产生强烈影响，严重干扰溶液中标本的表征。近年来，亚太赫兹波段，即频率低于1THz的太赫兹波，越发引起了人们的兴趣。Globus等人发现，在此波段内液相检测物质所受到水背景干扰非常小，可清楚显现溶液中生物大分子内低频振动模式所引起的各种共振。在亚太赫兹波段范围内，水分子的吸收与红外和远红外波段相比至少降低了2.5个数量级，使得待测物质本身的光谱特征得以表达。在亚太赫兹范围内，他们又提出10cm^-1到25cm^-1的频率区域可灵敏得显示细菌在不同环境下光谱特征的差异，可足够敏感得验证不同种类菌体之间的区别，这为后续实验光谱结果分析时频率范围的选择提供了重要参考。近两年多篇以大肠杆菌为模式生物的研究结果表明，克服了水敏感性的亚太赫兹传感技术能够通过细菌整个菌体的亚太赫兹振动光谱直接区分大肠杆菌和枯草芽孢杆菌。为了验证亚太赫兹技术的表征能力，本实验室采用有效频率为0.2-3太赫兹，波长1000-1500um的太赫兹时域光谱仪，检测标本浓度为10⁸CFU/ml的大肠埃希菌和金黄色葡萄球菌的菌液，检测装置为内径为100um的石英比色皿，结果显示两者的吸收光谱表现出明显差异，充分证实了亚太赫兹传感技术用于细菌直接检测的理论与技术可行性。亚太赫兹传感技术有效解决了“水敏感性”问题，具备直接定性和定量检测不同性状细菌的物理特征和独特优势。

现有亚太赫兹传感技术尽管具备直接检测细菌能力，但要达到检测单细胞的灵敏度，还必须解决两个关键问题：单个细胞通过太赫兹光源探测处；具备可识别单细胞的信噪比。

针对问题一：解决的方案可以是将微流体的管径设置与细胞大小相同或略大一些，可确保只能一个细胞通过微流体，但由于微流体管径太小，管内壁对细胞阻力的增加使得细胞不能正常通过，导致检测无法进行，同时也无法进行加工制造；

针对问题二：可以用提高检测灵敏度的方法来解决识别单细胞信噪比的问题，但现阶段还没有将更高灵敏度的检测仪器与微流体匹配的惯用方法。

所以，有必要针对上述问题研发一种能使单个或少数细胞通过微流体、且具备可识别单细胞光谱信号能力的亚太赫兹纳米生物传感器，并研发该传感器的检测方法，使检测细胞是单个通过微流体和以确定的数量存在于微流体内，彻底解决单细胞检测的问题。

本发明拟在原有的亚THz传感技术基础之上，拟分别采用改良后的微流体和狭槽纳米天线技术解决上述两个关键技术问题，并将整合了微流体和狭槽纳米天线技术的亚THz传感技术称之为亚THz纳米生物传感器。微流体是指在微观尺寸下控制、操作和检测复杂流体的技术，本发明将微流体通道直径从传统的50um缩小到5um左右,并在微流本体细胞入口端和出口端分别设置的正压发生装置和负压发生装置。改良后的微流体样本制备池主要是用于分离和制备单细胞菌液，使THz光源探测处待检细菌的细胞单一得通过检测池，解决检测体系特异性的问题。狭槽纳米天线是金属纳米颗粒组成的纳米狭槽结构，具备光谱信号的极端放大能力。当狭槽纳米天线的纳米金属颗粒受到亚THz辐射后，其特有的非对称电磁场环境能够极大地增强纳米狭槽的局域表面等离子体共振，使狭槽内介质分子光谱吸收横截面增加10³～10⁵倍以上，吸收系数也极端增加至10⁶～10⁷cm^-1，最终使介质分子的检测灵敏度提高10³～10¹²倍。亚THz传感技术检测细菌的现有灵敏度(10²～10³CFU)无法达到单细胞检测水平，使用狭槽纳米天线可使检测光谱信号放大1000倍以上。将狭槽纳米天线整合到微流体微腔道中，就能够使亚THz纳米生物传感器具备直接检测细菌单个细胞的灵敏度，实现细菌直接检测。相对于现有的细菌实验室检测技术，真正实现单细胞检测的亚太赫兹纳米生物传感器是“以分钟计的革命性微生物检测新技术与新方法”，具有无需细菌培养、无需标记、无需试剂、实时检测、简便快速(2～3分钟)、混合感染标本直接定性和定量检测等诸多优点。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种用于快速帧检细菌的亚太赫兹纳米生物传感器及其检测方法，以解决现有技术中无法实现单个细胞通过太赫兹光源探测处和无法识别单细胞的光谱信号的问题，提供如下技术方案：

本发明的目的之一的技术方案：

用于快速帧检细菌的亚太赫兹纳米生物传感器，包括微流体单元、狭槽纳米天线，所述微流体单元包括至少一个呈管状结构的微流本体、设置在微流本体细胞入口端的正压发生装置、设置在微流本体细胞出口端的负压发生装置，所述狭槽纳米天线设置有贯穿天线本体的狭长槽，所述微流本体一一对应穿过狭长槽。

进一步，所述微流本体为平行设置或Y型设置或U型设置。

进一步，所述微流本体管内径为4-6μm，所述狭长槽的槽宽与微流体管内径匹配设置。

进一步，所述正压发生装置包括压力腔I、溶液腔I，所述压力腔I、溶液腔I之间设置有隔离推板I，所述压力腔内设置有进出风口I，所述溶液腔I设置有一个进液口I和与微流本体连通且数量相同的出液口I。

进一步，所述进液口I上设置有单向控制阀。

进一步，所述正压发生装置为微型泵。

进一步，所述负压发生装置包括压力腔II、溶液腔II，所述压力腔II、溶液腔II之间设置有隔离推板II所述压力腔II内设置有进出风口II，所述溶液腔II设置有出液口II和与微流本体连通且数量相同的进液口II。

进一步，所述出液口II上设置有单向控制阀。

进一步，所述负压发生装置为蠕动泵。

本发明的有益效果在于：本发明通过设置微流体单元，并利用在微流体本体两端设置的正压、负压发生装置，可在微流本体内产生足够的负压，让待测细胞只能单个或少数通过，从而有效提高检测的特异性，另外，通过设置在微流本体上的狭槽纳米天线对单细胞的信号进行极端放大，有效提高了检测的灵敏度，将不同性状的细胞进行区分和识别，真正实现用亚太赫兹传感技术直接定性和定量检测不同性状细菌，有利于摒除细菌培养环节和减少原始标本液量，从而提高检测效率和质量。

本发明的目的之二的技术方案：

一种如上述用于快速帧检细菌的亚太赫兹纳米生物传感器的检测方法，其操作步骤：

1)将标本液进行充分稀释；

2)将步骤1)制得的标本稀释液用微型泵抽进微流体单元；

3)微流体单元内正、负压发生装置启动，将标本稀释液送进微流本体内；

4)确认标本稀释液内的细胞是否以单个细胞通过狭槽纳米天线，是，往下进行，否则，

重复1)、2)；

5)待微流本体内充满稀释液后进行统计，确认狭槽纳米天线内的细胞数量是否为1-10个，

是，开始检测，否则，重复步骤1)至4)；

6)将稀释液里的检测细胞的信号经狭槽纳米天线放大后输出。

本发明的有益效果在于：本发明通过先将标本液充分稀释，并通过在微流体本体两端设置的正压、负压发生装置，可使待测细胞只能单个通过微流本体，并通过限制停留在每一微流本体内的细胞数量，使检测的灵敏度更加精确，另外，通过设置在微流本体上的狭槽纳米天线对单细胞的信号进行放大，将不同性状的细胞进行区分和识别，彻底解决单细胞检测的灵敏度和特异性问题。相对于现有的细菌实验室检测技术，真正实现单细胞检测的亚太赫兹纳米生物传感器是“以分钟计的革命性微生物检测新技术与新方法”，具有无需细菌培养、无需标记、无需试剂、实时检测、简便快速(2～3分钟)、混合感染标本直接定性和定量检测的优点。

本发明的其他优点、目标和特征在某种程度上将在随后的说明书中进行阐述，并且在某种程度上，基于对下文的考察研究对本领域技术人员而言将是显而易见的，或者可以从本发明的实践中得到教导。本发明的目标和其他优点可以通过下面的说明书来实现和获得。

附图说明

为了使本发明的目的、技术方案和有益效果更加清楚，本发明提供如下附图：

图1为本发明的亚太赫兹纳米生物传感器第一实施例的结构示意图；

图2为本发明的亚太赫兹纳米生物传感器第一实施例正压发生装置的结构示意图；

图3为本发明的亚太赫兹纳米生物传感器第一实施例负压发生装置的结构示意图；

图4为本发明的亚太赫兹纳米生物传感器第二实施例的结构示意图；

图5为本发明的亚太赫兹纳米生物传感器第三实施例的结构示意图。

具体实施方式

以下将参照附图，对本发明的优选实施例进行详细的描述。应当理解，优选实施例仅为了说明本发明，而不是为了限制本发明的保护范围。

一、本发明之一亚太赫兹纳米生物传感器：

实施例1

如图1至图3所示，本发明之一的用于快速帧检细菌的亚太赫兹纳米生物传感器包括微流体单元、狭槽纳米天线4，所述微流体单元包括至少一个呈管状结构的微流本体1、设置在微流本体1细胞入口端的正压发生装置2、设置在微流本体细胞出口端的负压发生装置3，正压发生装置产生正向压力，负压发生装置产生负压，在正负压力共同作用下，将细胞溶液的细胞推进微流本体1内，实现检测，所述狭槽纳米天线4设置有贯穿天线本体的狭长槽5，所述微流本体1一一对应穿过狭长槽5，当待测细胞从微流体通过狭长槽时将信号时行放大。

本实施例通过设置微流体单元，并利用在微流体本体两端设置的正压、负压发生装置，可在微流本体内产生足够的负压，让待测细胞只能单个或少数通过，从而有效提高检测的灵敏度，另外，通过设置在微流本体上的狭槽纳米天线对单细胞的信号进行放大，将不同性状的细胞进行区分和识别，真正实现用亚太赫兹传感技术直接定性和定量检测不同性状细菌，有利于摒除细菌培养环节和减少原始标本液量，从而提高检测效率和质量。

本实施例中，所述微流本体管内径为4-6μm，优选为5μm，所述狭长槽的槽宽与微流体管内径匹配设置，方便将微流本体置入入狭长槽内，利用在微流体本体两端增加正压、负压发生装置，可在微流本体内产生足够的负压，让待测细胞只能单个或少数通过，从而有效提高检测的灵敏度，满足用亚太赫兹传感技术直接定性和定量检测不同性状细菌的特异性要求。

本实施例的所述微流本体采用相互平行的方式进行设置，这样可以对单个微流本体进行生产，加工更容易，存活率高，有利于降低制造成本。

本实施例中，所述微流本体直径在能够加工制造的前提下，比细胞大小略大即可，但管径越小其对细胞阻力越大，导致细胞不容易通过，本实施例优选微流本体直径为5μm，在此条件下再增加正负压发生装置的效果最好。

本实施例中，所述正压发生装置可以为微型泵、马达等，本实施例优选的正压发生装置包括压力腔I 201、溶液腔I 202，所述压力腔I 201、溶液腔I 202之间设置有隔离推板I 203，所述压力腔内设置有进出风口I 204，所述溶液腔设置有一个进液口I 205和与微流本体连通且与微流体数量相同的出液口I 206，所述进液口I205上设置有单向控制阀I 207。当溶液腔I 201内装入足够多的细胞溶液后，进出风口I 204进入压缩空气，推动隔离推板I203缩小溶液腔I202的容积，从而增大其细胞溶液的液压力，使其进入微流本体内，同时，设置单向控制阀I207可以阻止溶液倒流保证溶液腔I2023的内压力。本实施例中，也可为微型泵

本实施例中，所述正压发生装置可以为蠕动泵、马达等，本实施例优选的负压发生装置包括压力腔II 301、溶液腔II 302，所述压力腔II 301、溶液腔II 302之间设置有隔离推板II 303，所述压力腔II 301内设置有进出风口II 304，所述溶液腔II 302设置有与微流本体连通且与微流体数量相同的进液口II 305和出液口II 306，所述出液口II 306上设置有单向控制阀II 307。当需检测时，在正压发生装置2工作时，负压发生装置3也同时启动，进出风口II 304排出压缩空气，溶液腔II 302形成负压，推动隔离推板II 304增大溶液腔II 302的容积，从而减小其压力产生负压，将细胞溶液吸入微流本体1内，实现检测，同时，设置单向控制阀II 307可以阻止溶液倒流降低溶液腔II的内压力。

另外，正压、负压发生装置的压力介质也可以是液体。

实施例2

如图4所示，为本发明之一的用于快速帧检细菌的亚太赫兹纳米生物传感器的实施例2，与实施例1不同的是将微流本体1设置为Y型结构，即将述微流本体在负压发生装置3连通前合并为统一通道，方便将多个微流本体1的管道集中处理，形成负压结构，细胞溶液更易进入微流本体1，效果更佳。其他结构与实施例1相同，这里不同敖述。

实施例3

如图5为实施例3，与实施例1不同的是将微流本体1设置为U型结构，这种结构可以增加微流本体的长度，更容易将确定数量的待检细胞分散，有利于细胞溶液进入微流本体1，效果更佳。其他结构与实施例1相同，这里不再敖述。

二、本发明之二：一种使用上述用于快速帧检细菌的亚太赫兹纳米生物传感器的检测方法，其操作步骤：

1)将标本液充分稀释；

2)将步骤1)制得的标本稀释液用微型泵抽进微流体单元；

3)微流体单元内正、负压发生装置启动，将标本稀释液送进微流本体内；

4)确认标本稀释液内的细胞是否以单个细胞通过微流本体，是，往下进行，否则，重复1)、2)；

5)待微流本体内充满稀释液后进行统计，狭槽纳米天线内的细胞数量是否为1-10个，是，开始检测，否则，重复步骤1)至4)；

6)将稀释液里的检测细胞的信号经狭槽纳米天线放大后输出。

本实施例通过先将标本液充分稀释，后通过在微流体本体两端设置的正压、负压发生装置，将待测细胞通过微流本体，由于微流本体的内径仅为4-6μm，优选为5μm，在无限稀释的情况下，可保证是单个细胞通过，实现对单个细胞进行检测，同时，通过限制停留在每一微流本体内的细胞数量，使检测的灵敏度更加精确，最后，通过设置在微流本体上的狭槽纳米天线对单细胞的信号进行放大，将不同性状的细胞进行区分和识别，彻底的解决了单细胞检测的灵敏度和特异性问题，相对于现有的细菌实验室检测技术，真正实现亚太赫兹纳米生物传感器是“以分钟计的革命性微生物检测新技术与新方法”，具有无需细菌培养、无需标记、无需试剂、实时检测、简便快速(2～3分钟)、混合感染标本直接定性和定量检测的优点。

最后说明的是，以上优选实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管通过上述优选实施例已经对本发明进行了详细的描述，但本领域技术人员应当理解，可以在形式上和细节上对其作出各种各样的改变，而不偏离本发明权利要求书所限定的范围。

Claims (8)

1.用于快速帧检细菌的亚太赫兹纳米生物传感器，包括微流体单元，其特征在于：还包括狭槽纳米天线，所述微流体单元包括至少一个呈管状结构的微流本体、设置在微流本体细胞入口端的正压发生装置、设置在微流本体细胞出口端的负压发生装置，所述狭槽纳米天线设置有贯穿天线本体的狭长槽，所述微流本体一一对应穿过狭长槽。

2.根据权利要求1所述的用于快速帧检细菌的亚太赫兹纳米生物传感器，其特征在于：所述微流本体为平行设置或Y型设置或U型设置。

3.根据权利要求1所述的用于快速帧检细菌的亚太赫兹纳米生物传感器，其特征在于：所述微流本体管内径为4-6μm，所述狭长槽的槽宽与微流体管内径匹配设置。

4.根据权利要求1所述的用于快速帧检细菌的亚太赫兹纳米生物传感器，其特征在于：所述正压发生装置包括压力腔I、溶液腔I，所述压力腔I、溶液腔I之间设置有隔离推板I，所述压力腔内设置有进出风口I，所述溶液腔设置有一个进液口I和与微流本体连通且数量相同的出液口I。

5.根据权利要求1所述的用于快速帧检细菌的亚太赫兹纳米生物传感器，其特征在于：所述进液口I上设置有单向控制阀。

6.根据权利要求1所述的用于快速帧检细菌的亚太赫兹纳米生物传感器，其特征在于：所述负压发生装置包括压力腔II、溶液腔II，所述压力腔II、溶液腔II之间设置有隔离推板II所述压力腔II内设置有进出风口II，所述溶液腔II设置有出液口II和与微流本体连通且数量相同的进液口II。

7.根据权利要求1所述的用于快速帧检细菌的亚太赫兹纳米生物传感器，其特征在于：所述出液口II上设置有单向控制阀。

8.一种如权利要求1-7任一所述的用于快速帧检细菌的亚太赫兹纳米生物传感器的检测方法，其操作步骤：

1)根据标本液中细胞浓度进行充分稀释；

2)将步骤1)制得的标本稀释液用微型泵抽进微流体单元；

3)微流体单元内正、负压发生装置启动，将标本稀释液送进微流本体内；

4)通过瞬时响应速度，保证精确控制微流体通道内液体的压力及流速，从而制备出稳定的单细胞标本液；

5)待微流本体内充满稀释液后进行统计，确认狭槽纳米天线内的细胞数量是否为1-10个，是，开始检测，否则，重复步骤1)至4)；

6)将稀释液里的检测细胞的信号经狭槽纳米天线放大后输出，通过透射式太赫兹时域光谱仪进行单细胞信号的有效捕获。