CN104730038A - 一种手持式高通量生物传感器 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种手持式高通量生物传感器，包括壳体、LD照明光源、孔径光阑、计算芯片成像传感平台，壳体内部形成暗室结构，LD照明光源、孔径光阑、计算芯片成像传感平台在暗室中依次排列构成传感系统，计算芯片成像传感平台包括表面等离子芯片和CCD图像传感器，表面等离子芯片是由玻璃基底的金属膜层上制作的至少一个微阵列像素组成，每个微阵列像素由周期的金属纳米线阵列组成，每个微阵列像素的在X方向和Y方向均为分立单元，表面等离子芯片作为传感芯片，CCD图像传感器作为探测元件，CCD图像传感器贴装在表面等离子芯片的玻璃基底的背面，用来记录微阵列像素的衍射图像，通过分析衍射图像得到被测蛋白质膜层的浓度或分子间相互作用的信息。

Description

一种手持式高通量生物传感器

技术领域

本发明涉及用于疾病筛查和流行病的预防领域的生物传感器，特别涉及一种利用表面等离子模式的手持式高通量生物传感器。

背景技术

有效的诊断和检查对于疾病筛查和流行病的预防是至关重要的。目前大多数的医疗检查手段都是耗时且伴随价格昂贵的化学过程，尤其在发展中国家，急切需要一种有效的、易操作的检测手段。

生物传感器(biosensor)是对生物物质敏感并将其浓度转换为电信号进行检测的仪器，是由生物敏感材料作识别元件(如酶、抗体、核酸等生物活性物质)与适当的理化换能器(如氧电极、光敏管等)及信号放大装置构成的分析工具或系统。

但是，目前，生物传感器的广泛应用仍面临着一些困难，如活性强、选择性高的生物传感元件的选择；信号检测器的使用寿命的提高；信号转换器的使用寿命的提高；生物响应的稳定性和生物传感器的微型化、便携式等问题。

本发明利用表面等离子谐振技术，无需复杂、耗时、昂贵的化学反应过程，解决了利用化学反应的生物传感器的一系列难题。

发明内容

本发明提供一种手持式高通量生物传感器，该传感器系统由周期金属纳米线阵列组成大视场表面等离子体芯片，具有高吞吐量、紧凑、重量轻的特点，无需专业人员即可操作。

本发明通过以下技术方案实现：

一种手持式高通量生物传感器，包括壳体、LD照明光源、孔径光阑、计算芯片成像传感平台，所述的壳体内部形成暗室结构，所述的LD照明光源、孔径光阑、计算芯片成像传感平台在暗室中依次排列构成传感系统，所述的计算芯片成像传感平台包括表面等离子芯片和CCD图像传感器，所述的表面等离子芯片是由玻璃基底的金属膜层上制作的至少一个微阵列像素组成，所述的微阵列像素上面可附着被测的单层或双层蛋白质膜层，每个微阵列像素由周期的金属纳米线阵列组成，每个微阵列像素的在X方向和Y方向均为分立单元，相邻的微阵列像素单元间无金属膜间隔，所述的表面等离子芯片作为传感芯片，CCD图像传感器作为探测元件，CCD图像传感器直接贴装在表面等离子芯片的玻璃基底的背面，CCD图像传感器用来记录微阵列像素的金属纳米线结构的衍射图像，通过分析衍射图像得到被测蛋白质膜层的浓度或分子间相互作用的信息。

所述的壳体为分体式，包括端盖、筒体、压板，底板，所述的端盖、筒体、压板、底板各部分采用销连接或螺纹连接在一起，内部形成暗室；所述的LD照明光源和孔径光阑安装在端盖内，筒体的中部为圆形空腔，底板设有容纳凹槽，压板将计算芯片成像传感平台固定在容纳凹槽内，压板中部开设有与圆形空腔大小的通孔，照明光源发出的光透过孔径光阑，通过圆形空腔、通孔照在计算芯片成像传感平台上。

所述的LD照明光源为半导体激光器LD照明光源，激光为TM偏振模式。

所述的半导体激光器LD照明光源的峰值控制在638nm，带宽为12nm。

所述的半导体激光器LD照明光源采用的为中心波长638nm的发光二极管，慢轴发散角为7.5度，快轴剩余发散角10度，所述的孔径光阑的孔径d1＝2mm，与半导体激光器LD照明光源的激光发光面的距离L1＝10mm，所述的孔径光阑与表面等离子芯片的距离达L2＝4cm，当半导体激光器LD照明光源的激光传输10mm的距离到达2mm孔径光阑时，慢轴光完全通过，快轴光发射角较大的部分被遮住，只有中心部分通过，当再传输4cm到达表面等离子芯片时，照明光斑约为直径为d2＝7mm的圆形区域，均匀有效的照明区域为6mm×5mm。

所述的表面等离子芯片的微阵列像素在X方向为一维像素阵列，Y方向为多个此一维像素阵列的排列。

所述的表面等离子芯片周期阵列衍射图样采用SP(-1，0)表面等离子模式，CCD图像传感器记录的表面等离子模式即为SP(-1，0)模式的衍射图案。

所述的表面等离子芯片是由厚H＝1mm的玻璃基底12和厚h＝50nm金属膜层上制作的至少一个微阵列像素，每个微阵列像素尺寸长L×宽D＝100μm×100μm，由线宽d＝150nm、周期T＝300nm的金属纳米线阵列组成，所述的LD照明光源的峰值控制在638nm，带宽为12nm。

本发明制作的微阵列像素是分立的金属纳米线结构，限制热传导，提高纳米结构的光热效应；光热效应产生的特定温度梯度场，在进行蛋白质膜层样本分析时，结合金属纳米线阵列结构的光学作用力和热作用力，提高纳米粒子的操控效率，能够探测的分子层厚度可小到纳米量级。本生物传感系统还具有结构紧凑、重量轻、无透镜集成芯片成像、无化学反应过程、无标记探测的特点。

附图说明：

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细说明。

图1是本发明的表面等离子体芯片立体示意图；

图2是本发明的表面等离子体芯片横截面示意图(A-A)；

图3是本发明的表面等离子体芯片阵列结构平面示意图；

图4是本发明的表面等离子体芯片阵列结构立体示意图；

图5是本发明的表面等离子体芯片纳米线周围温度梯度横截面示意图；

图6是本发明的表面等离子体芯片纳米线周围温度梯度平面示意图；

图7是本发明的无透镜计算芯片成像传感平台原理图；

图8是本发明的手持式高通量生物传感器的分解图；

图9是本发明的手持式高通量生物传感器的照明原理图。

具体实施方式

表面等离子体(Surface Plasmons，SPs)是指在金属表面存在的自由振动的电子与光子相互作用产生的沿着金属表面传播的电子疏密波。

表面等离子体共振是一种物理光学现象。它利用光在玻璃与金属薄膜界面处发生全内反射时渗透到金属薄膜内的消逝波，引发金属中的自由电子产生表面等离子体，在入射角或波长为某一适当值的条件下，表面等离子体与消逝波的频率与波数相等，二者将发生共振，入射光被吸收，使反射光能量急剧下降，在反射光谱上出现反射强度最低值，此即为共振峰。吸收的光子能一部分转换为金属离子的内能，从而产生了光热效应。

光热效应是由于金属对光的吸收作用，当金属吸收光后，部分会转换为焦耳热，从而光能转换为热能，即光热效应。光热效应引起的纳米线周期温度场。这一温度场将使纳米粒子产生特定运动。通过设计特定的纳米结构和分析纳米结构的温度梯度及温度梯度下纳米粒子运动规律，将有助于纳米粒子的探测和操控。

在进行蛋白质膜层样本分析时，传统的对纳米粒子的操控的研究主要利用为光学作用力，而热作用力却被忽略。光学作用力是指光与金属纳米线结构的相互作用发生谐振后产生的力。热作用力则是指金属纳米线结构强烈吸收光后，产生的热效应。因为热效应产生的温度变化通常只有几度，所以常被忽略。

但近期研究发现，在微纳范围内，由于金属对光的吸收产生的热效应对粒子的布朗运动有很大的影响，因此，光热效应对粒子操控的效率和准确度影响是可观的，忽略热效应将对粒子分析和操控精度产生较大影响。更重要的是，光学作用力与粒子的体积有关，当粒子体积小时，光学诱捕力变小，粒子很容易逃逸。热作用力与光学作用力结合，有利于这些体积小粒子的诱捕力增加和提高诱捕效率，基于此研究成果，从而提出本发明的表面等离子芯片。

一、表面等离子芯片及制备

如图1、图2、图3、图4所示，本发明中表面等离子芯片1的基底为光学玻璃，由LIL方法制备。为了增加衍射图像透过率，首先在玻璃基底12上沉积三层介质，分别为抗反射薄膜、二氧化硅薄膜和光刻胶薄膜。然后，在这些膜层上面利用电子束汽化方法沉积50nm的金膜层。最后，将多余的金膜层从抗反射薄膜层除去，留下宽150nm、周期300nm的金膜线阵结构。

如图1、图2、图3、图4所示，表面等离子芯片1由厚H＝1mm的玻璃基底12和厚h＝50nm金属膜层11上制作的微阵列像素13组成，在微阵列像素13上面可附着被测的单层或双层蛋白质膜层，每个微阵列像素13尺寸长L×宽D＝100μm×100μm，由线宽d＝150nm、周期T＝300nm的金属纳米线14阵列组成，每个微阵列像素13的在X方向和Y方向均为分立单元，相邻的微阵列像素13单元间有1μm的无金属膜间隔15、16。每个微阵列像素13大在X方向一维像素阵列，Y方向为多个此一维像素阵列的排列，如图3、图4所示，同一玻璃基底12上制作X方向的一维像素阵列(X方向延展)，而在Y方向是将这些制作好的一维像素的排列(Y方向延展)。

在以往的表面等离子周期结构设计中，都尽量的避免光热效应的影响，因此用到的金属结构都为连续结构，利用金属的良好热传导而将光热效应引起的局部热量传递出去，即忽略光热效应的影响。

然而本发明的表面等离子芯片1的若干微阵列像素中，采用隔离的块状周期结构，即独立的微阵列像素，使光热效应引起的热量局域在一定范围，并在该局域范围通过热传导完成热量传递，形成特定温度场，蛋白质分子将在此温度场下做特定运动，并与光学效应相结合，增强了探测效率。

所述的纳米结构光热效应为：当等离子共振发生时，入射光被强烈吸收，吸收的光子能一部分产生谐振，另一部分转换为金属离子的内能，产生热量向周围介质扩散。不同强度I的入射光被吸收的效率由吸收截面σ_abs决定。为了容易理解，我们从焦耳热效应出发，得到产生热源的密度p(r)表示为

$p\left(r\right)=\frac{1}{2}[{J_s}^{*}E+J_s{E}^{*}]={\mathrm{\ω\ϵ}}_0\mathrm{Jm}\left[{\mathrm{\ϵ}}_r\left(\mathrm{\ω}\right)\right]{\left|E\right|}^2$

这里J_s是电流密度。ω为光频率，ε₀，ε_r分别为基底和金属纳米结构的相对介电常数。Jm[]指虚部。在一定体积的纳米粒子V上对p(r)积分，可以得到产生的热量功率Q，

Q＝∫_Vp(r)dr

由该热量导致的表面等离子结构的温度变化T(r，t)可由以下热扩散方程得到，

${\mathrm{\ρc}}_{\mathrm{\ω}}\frac{\∂T(r,t)}{\∂t}-\▿\·[K\left(r\right)\▿T(r,t)]=p(r,t)$

公式中，ρ是质量密度，c_ω是热容量，K为热导率。

由以上分析我们可以知道，当光被吸收后，由于金属的焦耳热效应，使得部分光能转换为热能，转换的多少与金属的介电常数及体积或结构有关，热量扩散后产生的温度梯度也由金属结构的性质决定。

如图5所示，当激光光束照射到表面等离子芯片1的金属纳米线14阵列(即多个微阵列像素)时，激光发生衍射，并激发表面等离子体谐振模，使电磁场局限在金属纳米线14的边缘，如图5中的电场等势线18。如图6所示周期的金属纳米线14结构周围因光热效应而产生的从中心向边缘扩散特定的温度梯度分布17，在得知纳米粒子电场强度的情况下，运用光热效应公式可以求出纳米粒子产生的热量

$q\left(r\right)=\frac{1}{2}{\mathrm{\ω\ϵ}}_0\mathrm{Im}\left\{{\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{\γ}}\right\}{E\left(r\right)|}^2---\left(11\right)$

式子(11)中q(r)为所要求的热量，ω为入射光波的频率，ε₀为真空的介电常数，Im(ε_r)为纳米粒子的介电常数的虚部，E_r为纳米粒子所在的电场强度。

本发明表面等离子芯片1通过设置和研究金属纳米线14结构周围温度场的分布和纳米粒子在温度场中的布朗运动，将有助于提高粒子检测效率。蛋白质分子在温度场中做特定运动，提高检测效率。

因此，本发明表面等离子芯片1结构采用分离的金属纳米线阵列结构，结合金属纳米线阵列结构的光学作用力和热作用力，使得光热效应产生的热量不因金属的热传导被扩散，而是按一定温度梯度分布在金属纳米线周围，通过金属纳米线周围温度梯度的统计分析，从而掌握纳米粒子的运动规律，利用这一运动规律提高纳米粒子的操控效率，综合利用近场光学作用和纳米结构光热效应，提高了分析样本的效率和可靠性。

二、利用上述表面等离子芯片组成的计算芯片成像生物传感平台

如图3、图4、图5、图7所示，计算芯片成像传感平台5，包括上述的表面等离子芯片1和CCD图像传感器2，表面等离子芯片1作为传感芯片，CCD图像传感器2作为探测元件，CCD图像传感器2直接贴装在表面等离子芯片1的玻璃基底12的背面，CCD图像传感器2用来记录微阵列像素13的金属纳米线14结构的衍射图像，通过分析衍射图像得到被测蛋白质膜层的分子间相互作用的信息。

其原理为：蛋白质膜层的附着在微阵列像素13单元上，增加了微阵列像素13的表面的局部折射率，产生的表面等离子体谐振的共振波长将向长波移动，通过解调照明光源的谐振峰值波长移动范围及调制后谐振波长的强度变化，从而可探测不同浓度蛋白质的分子键联事件。

首先，利用95％硫磺酸和5％过氧硫酸溶入过氧化氢和水的溶液清洗表面等离子芯片1，消除表面污染。然后，通过分子打印机等超微尺度分配系统将蛋白质溶液定位在表面等离子芯片1的微阵列像素13的金膜表面上。在微阵列像素13上面可附着单层或双层蛋白质膜层，分别是0.5mg mL^-1的A/G蛋白质和0.5mg mL^-1的IgG蛋白质。附着的蛋白质膜层增加了传感器表面的局部折射率，表面等离子模式向长波移动，本发明的计算芯片成像传感平台5的CCD图像传感器2记录表面等离子模式的衍射图样，通过计算芯片由图样的强度变化和光谱范围解调出谐振峰值的光谱位移，当蛋白质分子折射率变化时，将改变谐振条件，从而产生探测到的光谱和光强不同，通过光谱分析仪解调，谐振中心波长移动的多少表征分子键联情况。

本发明表面等离子芯片1的金属纳米线14阵列的衍射图样采用SP(-1，0)表面等离子模式，CCD图像传感器2记录的表面等离子模式即为SP(-1，0)模式的衍射图案，采用SP(-1，0)模式传输强度较高，易于探测。

这里的SP(-1，0)表面等离子模式指的是表面等离子光栅级次，对周期为P的栅线结构，入射光子与表面等离子基元需满足下列条件：

是表面等离子波矢，是入射光子波矢在平行于金属表面的分量，和是与光栅级次(i，j)有关的栅格矢量，其中因此，在一定光谱范围内，满足传输共振的光谱应满足的条件为：这里，ε_d和ε_m分别为基底介质和金属层的介电常数。本发明只有X方向的周期栅线，因此j＝0。而在设计中选择传输强度最大的X＝-1级即SP(-1，0)表面等离子模式，其传输强度较高，易于探测。

本发明表面等离子芯片1与CCD图像传感器2间由1mm玻璃基底12填充，即满足了表面等离子激发条件，又保证了CCD图像传感器2接收的衍射图样处于远场区域，瞬逝波可忽略，原理如下：

入射光λ的孔径光阑的远场区域是夫琅和费距离，定义为d_f＝2D²/λ，这里D是孔径的最大尺寸，λ是波长。对于λ＝638nm的激光波长，100μmx 100μm的方形像素，d_f是30mm。因此，远没有达到夫琅和费距离，仍处于近场区域。但在孔径的近场区，在某个距离d_fr以内，消逝波不能忽略，此时，电磁场是不可预测的；而在距离d_fr以外，电场和磁场虽然与远场性质不同，但却是可预测的，近似认为电磁场处于远场。这个距离我们定义为：d_fr＝0.62(D³/λ)^1/2。

对于本发明的表面等离子像素来说，d_fr约为0.75mm。因此，我们选择玻璃基底12为1mm，保证衍射图样在可预测的近似远场区，成像光学系统无分立光学透镜，不需透镜成像。当微阵列像素13吸收光能产生谐振后，依据不同的折射率产生不同的吸收谐振光谱和电场增强，CCD图像传感器2能够记录其光强变化，不需任何透镜即可记录表面等离子体谐振模式衍射图样。

三、利用上述计算芯片成像传感平台组装成手持式高通量生物传感器

如图7、图8所示，一种手持式高通量生物传感器6，包括壳体4、LD照明光源3、孔径光阑31、计算芯片成像传感平台5，计算芯片成像传感平台5包括表面等离子芯片1和CCD图像传感器2，壳体4内部形成暗室结构，LD照明光源3、孔径光阑31、表面等离子芯片1和CCD图像传感器2在暗室中依次排列构成传感系统。

如图7、图8所示，壳体4为分体式，包括端盖41、筒体42、压板43，底板46，所述的端盖41、筒体42、压板43、底板46各部分采用销连接或螺纹连接在一起，内部形成暗室；所述的LD照明光源3和孔径光阑31安装在端盖41内(图未示出)，筒体42的中部为圆形空腔48，底板46设有容纳凹槽47，压板43将计算芯片成像传感平台5固定在容纳凹槽47内，压板43中部设有开设有与圆形空腔48大小的通孔45，LD照明光源3发出的光透过孔径光阑31，通过圆形空腔48、通孔45照在计算芯片成像传感平台5上。本发明暗室中光学器件按顺序排列，每一部分的位置都已由机械结构固定，只需按要求加工安装，所需间距由机械结构固定，无需微调节装置。

如图9所示，为了可靠的探测LD照明光源3典型峰值的光谱红移，所述的LD照明光源3为半导体激光器LD照明光源，峰值应该很好的控制在638nm，带宽为12nm，激光为TM偏振模式。本半导体激光器LD照明光源采用的为中心波长638nm的发光二极管，慢轴32发散角为7.5度，快轴33剩余发散角10度，d1＝2mm孔径光阑31与半导体激光器LD照明光源3的激光发光面的距离L1＝10mm，当激光传输10mm的距离到达2mm孔径光阑31时，慢轴32光完全通过，快轴33光发射角较大的部分被遮住，只有中心部分通过。当到达L2＝4cm处的表面等离子芯片1时，照明光斑约为直径为d2＝7mm的圆形区域，均匀有效的照明区域为6mm×5mm，满足照明面积要求。

本发明中LD照明光源3的638nm中心波长的光束与所设计的表面等离子芯片1的表面等离子体模式谐振波长相近。不同的等离子纳米结构具有不同的等离子共振频率，通常用ω_sp表示纳米结构的等离子共振频率

${\mathrm{\ω}}_{\mathrm{sp}}=\sqrt{(\frac{{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{ep}}^2}{1+{\mathrm{\κ\ϵ}}_s^r}+{\mathrm{\ω}}_{e0})}$

κ是纳米结构的几何形状因子，ε_s ^r是周围介质介电常数，是自由电子的等离子体频率，N是等离子材料的自由电子密度，m_e是电子相对质量。

从上面公式可知，纳米结构的共振频率与纳米结构形状、周围介质介电常数及金属材料性质有关。不同形状和参数的纳米结构，产生共振的频率不同，即要选择合适的光波长，以满足谐振条件。本发明的表面等离子芯片1纳米结构和产生满足的共振频率在638nm附近。

本发明的手持式高通量生物传感器6不需要体积大的分立光学器件和机械微调结构，由于这一安装特点，使本发明的计算芯片生物传感器与已有的多元生物探测系统不同，具有极其紧凑的特点和重量轻的特点(小于10cm高)，具有手持、操作方便等特点，这些特点使它非常适合于医学领域和诊断的需要，可作现场护理和诊断工具，可提供实时检测结果，不需专业医护人员。本发明的的计算芯片生物传感器能够探测无任何标签的、小到3nm厚的蛋白质单或双分子层，探测下限可小到ng mL^-1，能够定量分析较宽范围浓度的生物分子中蛋白质分子键联情况。

Claims (8)

1.一种手持式高通量生物传感器，其特征在于：包括壳体、LD照明光源、孔径光阑、计算芯片成像传感平台，所述的壳体内部形成暗室结构，所述的LD照明光源、孔径光阑、计算芯片成像传感平台在暗室中依次排列构成传感系统，所述的计算芯片成像传感平台包括表面等离子芯片和CCD图像传感器，所述的表面等离子芯片是由玻璃基底的金属膜层上制作的至少一个微阵列像素组成，所述的微阵列像素上面可附着被测的单层或双层蛋白质膜层，每个微阵列像素由周期的金属纳米线阵列组成，每个微阵列像素的在X方向和Y方向均为分立单元，相邻的微阵列像素单元间无金属膜间隔，所述的表面等离子芯片作为传感芯片，CCD图像传感器作为探测元件，CCD图像传感器直接贴装在表面等离子芯片的玻璃基底的背面，CCD图像传感器用来记录微阵列像素的金属纳米线结构的衍射图像，通过分析衍射图像得到被测蛋白质膜层的浓度或分子间相互作用的信息。

2.根据权利要求1所述的一种手持式高流量生物传感器，其特征在于：所述的壳体为分体式，包括端盖、筒体、压板，底板，所述的端盖、筒体、压板、底板各部分采用销连接或螺纹连接在一起，内部形成暗室；所述的LD照明光源和孔径光阑安装在端盖内，筒体的中部为圆形空腔，底板设有容纳凹槽，压板将计算芯片成像传感平台固定在容纳凹槽内，压板中部开设有与圆形空腔大小的通孔，照明光源发出的光透过孔径光阑，通过圆形空腔、通孔照在计算芯片成像传感平台上。

3.根据权利要求1所述的一种手持式高流量生物传感器，其特征在于：所述的LD照明光源为半导体激光器LD照明光源，激光为TM偏振模式。

4.根据权利要求3所述的一种手持式高流量生物传感器，其特征在于：所述的半导体激光器LD照明光源的峰值控制在638nm，带宽为12nm。

5.根据权利要求3所述的一种手持式高流量生物传感器，其特征在于：所述的半导体激光器LD照明光源采用的为中心波长638nm的发光二极管，慢轴发散角为7.5度，快轴剩余发散角10度，所述的孔径光阑的孔径d₁＝2mm，与半导体激光器LD照明光源的激光发光面的距离L₁＝10mm，所述的孔径光阑与表面等离子芯片的距离达L2＝4cm，当半导体激光器LD照明光源的激光传输10mm的距离到达2mm孔径光阑时，慢轴光完全通过，快轴光发射角较大的部分被遮住，只有中心部分通过，当再传输4cm到达表面等离子芯片时，照明光斑约为直径为d2＝7mm的圆形区域，均匀有效的照明区域为6mm×5mm。

6.根据权利要求1所述的一种手持式高通量生物传感器，其特征在于：所述的表面等离子芯片的微阵列像素在X方向为一维像素阵列，Y方向为多个此一维像素阵列的排列。

7.根据权利要求1所述的一种手持式高通量生物传感器，其特征在于：所述的表面等离子芯片周期阵列衍射图样采用SP(-1，0)表面等离子模式，CCD图像传感器记录的表面等离子模式即为SP(-1，0)模式的衍射图案。

8.根据权利要求1所述的一种手持式高通量生物传感器，其特征在于：所述的表面等离子芯片是由厚H＝1mm的玻璃基底12和厚h＝50nm金属膜层上制作的至少一个微阵列像素，每个微阵列像素尺寸长L×宽D＝100μm×100μm，由线宽d＝150nm、周期T＝300nm的金属纳米线阵列组成，所述的LD照明光源的峰值控制在638nm，带宽为12nm。