CN105300931A - 基于智能手机的便携式表面等离子体共振生化检测装置、及其便携式手机配件和应用 - Google Patents

Abstract

本发明公开了基于智能手机的便携式表面等离子体共振生化检测装置、及其便携式手机配件和应用，具体地说，利用光栅耦合的表面等离子体共振的光学技术和生物传感原理，设计开发体积微小便携式的手机传感器，包括：依照光路顺序连接的一智能手机的闪光灯，一偏光片，一滤光镜（仅光路校准时使用），一光栅耦合的金属纳米结构传感芯片，一衍射光盘和同一智能手机的CCD相机系统。本发明的生物传感器具有设备结构简单，操作方便，智能化程度高，成本低等特点，解决了设备的微型化，并有助于实现家庭个性化诊疗。本发明实现了检测内毒素（LPS）的检测限为32.5ng/ml。

Description

基于智能手机的便携式表面等离子体共振生化检测装置、及其便携式手机配件和应用

技术领域

本发明涉及一种便携式生化检测装置。具体地说，利用光栅耦合的表面等离子体共振（SPR）的光学技术和生物传感的原理，设计开发基于智能手机的便携式生化检测装置，同时提供一种基于智能手机的便携式生化检测装置的便携式手机配件，从而实现生物分子的检测，属于生化传感检测技术领域。

背景技术

近年来，随着生物科学、信息科学和材料科学发展成果的推动，生物传感器在化学工艺、环境监测、食品工程、临床医学、军事及家庭医疗等方面得到了深度重视和广泛应用。但目前，生物传感器的应用仍面临困难和挑战，主要包括：制备活性强、选择性高、稳定性好的生物传感元件；提高检测器和信号转换器的使用寿命；开发微型便携式生物传感器；实现可实时分子检测的传感器以及具有智能互联网特性的生物传感器等。

因此，低成本、高灵敏、简易便携的生物传感器是目前亟待开发的设备。基于表面等离子体共振（SPR）的光学检测原理的生化检测装置越来越受到人们的青睐。目前已有部分体积较小易于携带的表面等离子体共振生化检测设备，但是这些设备依然需要连接电脑来实现数据读取和处理。而另一方面，现有的智能手机具有高分辨率摄像头、闪光灯、触摸屏和强大的CPU等配件，可以实现理想的光学传感和数据存储和处理功能，因此，有必要对此进行利用，以研发便携的表面等离子体共振生化检测设备。

内毒素是革兰氏隐形细菌细胞壁中的一种成分，又叫脂多糖，由特异性多糖、核心多糖和脂类A组成，借疏水键与外膜相连。LPS对动物体有正反两方面的作用：一方面，它是动物机体的免疫刺激剂，可增强机体的免疫抵抗力；另一方面，LPS为受细菌感染的宿主带来热源反应等毒害作用，并使病原菌躲避动物体补体的攻击，使病原菌成功感染宿主。当LPS注入动物和人体内时，可以引起严重的热源反应，会引起休克、发烧、白细胞减少、高血糖、血管内血凝固以及其它生物效应，严重者会导致死亡。LPS易在针管等注射器以及饮用水中出现。因此，实现LPS的定量检测在给药安全，食品安全等领域发挥着重要的作用。

发明内容

本发明的目的是为了克服现有技术存在的缺点和不足，而提供一种基于智能手机的便携式表面等离子体共振生化检测装置，以解决传统SPR生物传感器技术复杂、成本高、设备庞大等缺点，同时也解决了当前SPR传感检测设备的微型化，并逐步走向家庭的个性化诊断。

本发明的第二个目的是提供一种上述基于智能手机的便携式表面等离子体共振生化检测装置的便携式手机配件，通过该便携式手机配件能够将普通的智能手机结合数据处理的应用软件就能实现SPR传感检测。

本发明的第三个目的是提供一种基于智能手机的便携式表面等离子体共振生化检测装置的应用。

为实现本发明的第一个目的，本发明的技术方案是一种基于智能手机的便携式表面等离子体共振生化检测装置，其特征在于包括有智能手机和便携式手机配件，该智能手机包括有光学图像传感器、闪光灯、触控显示屏和中央处理器，所述的便携式手机配件包括有与智能手机可拆卸固定配合的配件框体，该配件框体内设置有依次同轴于闪光灯的入射光路上的偏光片和滤光镜(仅光路校准时使用)，在滤光镜后端沿着闪光灯的入射光路还设置有光栅耦合的等离子体共振传感芯片，该闪光灯的入射光与等离子体共振传感芯片存在入射角（θ），闪光灯的入射光在等离子体共振传感芯片上反射所形成的反射光入射到光学图像传感器上，所述的等离子体共振传感芯片与光学图像传感器之间的反射光光路上还设置有衍射分光光栅；所述的便携式手机配件中还包括有样品支架，等离子体共振传感芯片固定在样品支架上；

光学图像传感器根据等离子体共振传感芯片射入到其内的反射光获得表面等离子体共振光谱图，智能手机根据该表面等离子体共振光谱图结合标准表面等离子体共振光谱图进行比对数据分析，获得生化检测数据。

进一步设置是等离子体共振传感芯片包括纳米金属层和基底，该基底通过以下工序制备：基底材料为镧玻璃、BK7玻璃、普通玻璃或塑料基底的一种，在该基底材料上加工一层或几层有机材料，有机材料是紫外光固化聚合物NOA72、NOA73、NOA65的一种或者几种，经过有纳米结构的聚二甲基硅氧烷（PDMS）的印压，并利用波长范围为300～380nm的紫外光照射2～5h后取掉PDMS，形成的光栅周期范围是400～900nm，深度是20～100nm。

进一步设置是所述的等离子体共振传感芯片的纳米金属层通过蒸镀加工于基底上，蒸镀的第一层是2nm的铬金属，第二层金属材料是金、银、铜中的一种或者两种，总厚度为60～80nm。

进一步设置是所述的衍射分光光栅为刻有等距光栅条纹的透光片。

为实现本发明的第二个目的，该便携式手机配件包括有与智能手机可拆卸固定配合的配件框体，该配件框体内设置有依次同轴设置于智能手机闪光灯的入射光路上的偏光片和滤光镜（仅光路校准时使用），在滤光镜的后端沿着智能手机闪光灯的入射光路还设置有光栅耦合的等离子体共振传感芯片，该智能手机闪光灯的入射光与等离子体共振传感芯片存在入射角（θ），智能手机闪光灯的入射光在等离子体共振传感芯片上反射所形成的反射光入射到智能手机的光学图像传感器上，所述的等离子体共振传感芯片与光学图像传感器之间的反射光路上还设置有衍射分光光栅。

本发明的第三个目的是将其用于内毒素（LPS）含量的检测，包括以下步骤：

（1）将样品支架上放入反光镜片，记录智能手机闪光灯的自身反射率光谱图I₀(λ)，并保存在手机软件中备用；

（2）将修饰过特异性受体的等离子体共振传感芯片固定在样品支架上，事先用水冲洗吹干，插入到配件框体的对应位置，记录样品的反射率光谱图（I₁(λ)），并通过手机软件计算样品的SPR光谱图R=I₁(λ)/I₀(λ)，拟合光谱曲线得到SPR反射率最小值对应的波长(共振波长)为λ₁；

（3）其中检测样品，用水相溶剂分别配制不同浓度的内毒素（LPS）溶液，将不同浓度的LPS标准溶液按照由低到高浓度顺序分别进行以下操作：在检测每个浓度的内毒素（LPS）之前，先将内毒素（LPS）标准溶液滴在等离子体共振传感芯片表面（修饰有特异性结合LPS的多肽分子）静置20min，接着用水冲洗吹干后固定在样品支架上并插入配件框体对应位置中检测，记录反射率光谱并保存不同浓度标准溶液的色带谱图，得到不同浓度内毒素（LPS）标准溶液的SPR共振波长为λ_n，n代表不同浓度的内毒素（LPS）标准溶液；

其中所述水相溶剂均为同一种溶剂，水相溶剂为去离子水、超纯水、蒸馏水、PBS缓冲溶液或磷酸盐缓冲溶液中的一种或两种；

（4）利用SPR反射率光谱图，计算各浓度内毒素（LPS）标准溶液结合芯片表面后的共振波长为λ_n，相对共振波长λ₁的波长位移值为Δλ，Δλ=λ_n-λ₁，然后以Δλ为纵坐标，以内毒素（LPS）标准溶液的浓度为横坐标绘制标准曲线，得出检测内毒素（LPS）的检测限。该标准曲线可以保存在手机软件中作为实际样品检测分析使用。

本发明与现有技术相比所具备的优点是：

本发明的生物传感器设备结构简单，不需额外的光源和复杂的光学器件，利用智能手机的闪光灯作为光源系统，同一智能手机的CCD相机作为信号接收系统，与外挂件构成传感器检测系统，具有小型化、重量轻、便于携带、成本低等特点；

本发明的生物传感器利用光栅耦合的SPR技术，不需要荧光标记，便可实现高灵敏度，高选择性和高稳定性的检测生物分子。

本发明的生物传感器操作方便，具有智能化程度高，易控制特点；

本发明的生物传感器有助于实现家庭个性化诊疗。

本发明的智能手机生物传感器能够实现对血液，尿液，汗液以及水中细菌等的分析检测。

这里，介绍了其中一种用途，即应用此光栅耦合的SPR智能手机生物传感器检测内毒素（LPS）。

下面结合说明书附图和具体实施方式对本发明做进一步介绍。

附图说明

图1本发明的装置原理示意图；

图2本发明的便携式手机配件与手机的配合示意图；

图3修饰过KC-13多肽的光栅传感芯片分别结合浓度为0，10ng/ml，100ng/ml和1000ng/mlLPS的SPR反射光谱图；

图4修饰过KC-13多肽的光栅传感芯片结合浓度为0～10μg/mlLPS的SPR标准曲线。

具体实施方式

下面通过实施例对本发明进行具体的描述，只用于对本发明进行进一步说明，不能理解为对本发明保护范围的限定，该领域的技术工程师可根据上述发明的内容对本发明作出一些非本质的改进和调整。

请参阅图1-2所示，本发明提供了一种基于智能手机的便携式表面等离子体共振生化检测装置，包括有智能手机a和便携式手机配件b，该智能手机包括有光学图像传感器6、闪光灯1、触控显示屏7和中央处理器，所述的便携式手机配件包括有与智能手机可拆卸固定配合的配件框体，该配件框体内设置有依次同轴于闪光灯的入射光路上的偏光片2和滤光镜3（仅光路校准时使用），在滤光镜3的后端沿着闪光灯的入射光路还设置有光栅耦合的等离子体共振传感芯片4，该闪光灯的入射光与等离子体共振传感芯片存在入射角（θ），闪光灯的入射光在等离子体共振传感芯片上反射所形成的反射光入射到光学图像传感器上，所述的等离子体共振传感芯片与光学图像传感器之间的反射光路上还设置有衍射分光光栅5；等离子体共振传感芯片固定于样品支架，其中等离子体共振传感芯片的基底材料为透明的BK7玻璃片。

其中所述的基底材料上加工一层或者几层有机材料，有机材料是紫外光固化聚合物NOA72，经过具有光栅结构的PDMS印压，并用波长为365nm的紫外光照射2h后取掉PDMS，接着在其上蒸镀金属材料，第一层是2nm的铬膜，第二层金属是厚度为70nm的金膜；

其中所述的SPR芯片的光栅周期是500nm，光栅深度是50nm；

其中所述的等离子体共振传感芯片中的金属纳米层是将其中所述的金膜用氧气等离子体清洗机清洗3min，在水中结合50μMKC-13氨基酸4h；最后用超纯水清洗金膜表面并用氮气吹干备用。

其中所述的智能手机平台包括闪光灯，CCD照相机（分辨率是800万像素），触控显示屏，智能手机数据处理软件，手机的中央处理器CPU为双核以上，并且主频为1.5GHz以上，手机操作系统可以是AndroidOS2.3或iOS8.0及以上版本的操作系统，手机上的数据记录软件可以实时记录检测过程的光谱信号，并实时处理；

其中所述该光栅耦合的SPR智能手机生物传感器能够实现光谱衍射的波长范围为430～650nm。

光信号传播过程是：结合图1所示，将利用3D技术打印制得的配件框体，同时此配件框体具有一个样品支架。智能手机的闪光灯1发出的光经过偏光片2，滤光镜3（仅光路校准时使用）到达光栅耦合的等离子体共振传感芯片4发生反射，反射光再经过衍射分光光栅5分光，到达同一智能手机的光学图像传感器6，最后由手机上的软件实时进行数据采集、处理与存储，图像显示在智能手机的触控显示屏7。

其中检测LPS含量的步骤如下：

（1）将本发明所述的样品支架上放入反光镜片，记录智能手机闪光灯的反射率光谱图I₀(λ)，并保存在手机软件中备用；

（2）将本发明所述的修饰过特异性受体的（如KC-13多肽）光栅传感芯片固定在样品支架上，事先用水冲洗吹干，插入附配件框体的样品槽中，记录样品的反射率光谱图（I₁(λ)），并通过手机软件计算样品的SPR光谱图R=I₁(λ)/I₀(λ)，并拟合光谱曲线得到SPR反射率最小值对应的波长(共振波长)为λ₁=581.5nm；

（2）用超纯水分别配制不同浓度的LPS溶液，浓度分别为：10ng/ml，50ng/ml，100ng/ml，500ng/ml，1μg/ml，5μg/ml和10μg/ml，然后按照由低到高浓度顺序分别进行以下操作：在检测每个浓度的LPS之前，先将LPS标准溶液滴在传感芯片表面（修饰有特异性结合LPS的多肽分子）静置20min，接着用超纯水冲洗吹干后固定在样品支架上并插入配件框体的样品槽中检测，记录样品的反射率光谱并保存不同浓度的标准溶液的色带谱图，通过手机软件计算得到样品的SPR反射率谱图如图3所示（图3仅列出浓度为0ng/ml，10ng/ml，100ng/ml和1μg/ml的LPS的SPR共振谱图），从而得到不同浓度LPS标准溶液的共振波长为λ_n，n代表不同浓度的LPS标准溶液；

（3）利用SPR反射光谱图，计算每种浓度LPS标准溶液的共振波长为λ_n，相对于超纯水中的共振波长λ₁的波长位移值为Δλ，Δλ=λ_n-λ₁，具体数值见表1，然后以Δλ为纵坐标，以LPS标准溶液的浓度为横坐标绘制标准曲线，得到相关系数为R=0.98466，如图4所示。同时，通过标准曲线计算得到LPS的检测限为32.5ng/ml。

（4）当检测水中LPS含量时，将样品液滴在芯片表面静置20min，水洗吹干，接着将芯片置于芯片支架上并插入配件框体的样品槽中检测，通过手机软件计算得到此实际样品的波长位移值，对照标准曲线图4，得到水中的LPS含量。

表1不同浓度LPS标准溶液的共振波长变化值

LPS浓度（ng/ml）	λn	Δλ
			10	582.96	1.46
50	583.82	2.32
			100	584.7	3.21
500	585.66	4.16
			1000	586.5	5
5000	587.16	5.66
			10000	587.21	5.71

Claims (8)

1.一种基于智能手机的便携式表面等离子体共振生化检测装置，其特征在于包括有智能手机和便携式手机配件，该智能手机包括有光学图像传感器、闪光灯、触控显示屏和中央处理器，所述的便携式手机配件包括有与智能手机可拆卸固定配合的配件框体，该配件框体内设置有同轴于闪光灯入射光路上的偏光片，在偏光片后端沿着闪光灯的入射光路还设置有光栅耦合的等离子体共振传感芯片，该闪光灯的入射光与等离子体共振传感芯片存在入射角（θ），闪光灯的入射光在等离子体共振传感芯片上反射所形成的反射光入射到光学图像传感器上，所述的等离子体共振传感芯片与光学图像传感器之间的反射光路上还设置有衍射分光光栅；所述的便携式手机配件中还包括有样品支架，等离子体共振传感芯片固定在样品支架上；

光学图像传感器根据等离子体共振传感芯片射入到其内的反射光获得表面等离子体共振光谱图，智能手机根据该表面等离子体共振光谱图结合标准表面等离子体共振光谱图进行比对数据分析，获得生化检测数据。

2.根据权利要求1所述的一种基于智能手机的便携式表面等离子体共振生化检测装置，其特征在于：所述的配件框体相对于偏光片和等离子体共振传感芯片之间可插拔设置有与闪光灯入射光路同轴的滤光镜。

3.根据权利要求1所述的一种基于智能手机的便携式表面等离子体共振生化检测装置，其特征在于：等离子体共振传感芯片包括纳米金属层和基底，该基底通过以下工序制备：基底材料为镧玻璃、BK7玻璃、普通玻璃或塑料基底的一种，在该基底材料上加工一层或几层有机材料，有机材料是紫外光固化聚合物NOA72、NOA73、NOA65的一种或者几种，经过有纳米结构的聚二甲基硅氧烷（PDMS）的印压，并利用波长范围为300～380nm的紫外光照射2～5h后取掉PDMS，形成的光栅周期范围是400～900nm，深度是20～100nm。

4.根据权利要求3所述的一种基于智能手机的便携式表面等离子体共振生化检测装置，其特征在于：所述的等离子体共振传感芯片的纳米金属层通过蒸镀加工于基底上，蒸镀的第一层是2nm的铬金属，第二层金属材料是金、银、铜中的一种或者两种，总厚度为60～80nm。

5.根据权利要求1-4之一所述的一种基于智能手机的便携式表面等离子体共振生化检测装置，其特征在于：所述的衍射分光光栅为刻有等距光栅条纹的透光片。

6.一种基于智能手机的便携式表面等离子体共振生化检测装置的便携式手机配件，其特征在于：该便携式手机配件包括有与智能手机可拆卸固定配合的配件框体，该配件框体内设置有同轴于智能手机闪光灯的入射光路上的偏光片，在偏光片的后端沿着闪光灯的入射光路还设置有光栅耦合的等离子体共振传感芯片，该智能手机闪光灯的入射光与等离子体共振传感芯片存在入射角（θ），智能手机闪光灯的入射光在等离子体共振传感芯片上反射所形成的反射光入射到智能手机的光学图像传感器上，所述的等离子体共振传感芯片与光学图像传感器之间的反射光光路上还设置有衍射分光光栅。

7.一种如权利要求1所述的基于智能手机的便携式表面等离子体共振生化检测装置的应用，其特征在于：将其用于内毒素（LPS）含量的检测。

8.根据权利要求1所述的基于智能手机的便携式表面等离子体共振生化检测装置的应用，其特征在于包括以下步骤：

（1）将样品支架上放入反光镜片，记录智能手机闪光灯的自身反射率光谱图I₀(λ)，并保存在手机软件中备用；

（2）将修饰过特异性受体的等离子体共振传感芯片固定在样品支架上，事先用水冲洗吹干，插入到配件框体的对应位置，记录样品的反射率光谱图（I₁(λ)），并通过手机软件计算样品的SPR光谱图R=I₁(λ)/I₀(λ)，拟合光谱曲线得到SPR反射率最小值对应的波长(共振波长)为λ₁；

（3）其中检测样品，用水相溶剂分别配制不同浓度的内毒素（LPS）溶液，将不同浓度的内毒素（LPS）标准溶液按照由低到高浓度顺序分别进行以下操作：在检测每个浓度的内毒素（LPS）之前，先将内毒素（LPS）标准溶液滴在等离子体共振传感芯片表面，用于修饰有特异性结合LPS的多肽分子，静置20min，接着用水冲洗吹干后固定在样品支架上并插入配件框体中检测，记录反射率光谱并保存不同浓度标准溶液的色带谱图，得到不同浓度内毒素（LPS）标准溶液的SPR共振波长为λ_n，n代表不同浓度的内毒素（LPS）标准溶液；

其中所述水相溶剂均为同一种溶剂，水相溶剂为去离子水、超纯水、蒸馏水、PBS缓冲溶液或磷酸盐缓冲溶液中的一种或两种；

（4）利用SPR反射率光谱图，计算各浓度内毒素（LPS）标准溶液结合芯片表面后的共振波长为λ_n，相对共振波长λ₁的波长位移值为Δλ，Δλ=λ_n-λ₁，然后以Δλ为纵坐标，以内毒素（LPS）标准溶液的浓度为横坐标绘制标准曲线，得出检测内毒素（LPS）的检测限。