CN105548011A - 一种基于光纤阵列的微悬臂梁阵列生化传感装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于光纤阵列的微悬臂梁阵列生化传感装置及方法，相关装置包括：半导体激光器、光导纤维、V型槽、透镜组、微梁阵列、生化反应池、光电位置敏感探测器PSD和数据处理设备；其中：所述光导纤维与半导体激光器一对一耦合连接，所述光导纤维与半导体激光器的数量相同且数量大于2；所述V型槽对其与固定各光导纤维的末端，并对准透镜组，使光导纤维末端发出激光刚好汇聚至设置在生化反应池内的微梁阵列各悬臂梁尖端；所述PSD的靶面在微梁阵列的反射光的光路上，PSD的信号输出端连接数据处理设备的信号输入端。本发明公开的装置及方法，其探测光路结构简单，容易实现；并且，扫描过程中没有机械传动，精度较高。

Description

一种基于光纤阵列的微悬臂梁阵列生化传感装置及方法

技术领域

本发明涉及生化传感技术领域，尤其涉及一种基于光纤阵列的微悬臂梁阵列生化传感装置及方法。该装置和方法可应用于食品安全、环境污染、生物医学、科学研究和生产制造等领域的监控和检测。

背景技术

基于表面应力检测的微悬臂梁生化传感技术的近年来出现的一种新兴传感技术，其原理是：把探针(抗原或抗体)分子用直接或间接的方式固定到微悬臂梁的一侧(镀金层或非镀金层)，当被检测样品液中的靶分子与微悬臂梁表面上修饰的探针分子发生特异性结合反应时，会使微悬臂梁表面应力发生改变，从而导致微悬臂梁弯曲变形，通过光学或电学方法检测这种变形的过程，即可得生化反应的实时信息。与传统的免疫传感方法相比，该方法无需使用酶标、荧光物质和放射物质作为反映示踪剂，消除了标记过程的影响，灵敏度高(比酶联免疫方法高数倍)，还可以通过检测微悬臂梁变形来实时、定量的监测抗原抗体的反应过程，得到更丰富的免疫生化反应信息。由于微悬臂梁的尺寸厚度仅为微米量级，对悬臂梁表面生化反应导致的应力变化极为敏感，其检测极限可达ppb以下。经过这些年的发展，微悬臂梁传感被作为一种新兴技术，已被用于检测有毒有害气体分子、重金属离子、残留药物、DNA以及细菌病毒等微生物，还被用于分子构象转变等方面的研究。

在单微悬臂梁检测系统基础上，为进一步消除环境温漂、溶液折射率变化等背景噪声影响、实现多种靶标疯子的快速并行检测，微梁传感技术正逐步向阵列检测方向发展。已报道的实现微梁阵列传感研究的方法主要有：(1)利用扩束后的面光源照射微梁阵列，用CCD记录微梁阵列变形前后的图像，通过计算得到微梁变形量实现对微梁的变形检测。然而，由于微梁尖端的弯曲会使图像产生弥散，严重影响光斑位移的检测质量，导致其检测灵敏度不高。(2)利用单个激光器移动扫描微梁阵列，在利用PSD对各微梁的偏转信号进行接收检测。然而，微梁检测是高灵敏度的检测，任意的位移移动都可能带来很大的噪声，甚至导致错误信号，即使要完成这种方法也需要严格控制的精密位移平台，增加了微梁传感平台制作的难度。

如何利用简单的光路结果设计出方便实用的传感系统，实现微梁阵列高灵敏度、快速、并行的变形检测，研制出微梁阵列传感装置，并将阵列免疫传感器应用于食品安全药物多残留和环境污染多种重金属离子并行实时原位检测，一直是生化检测领域关注的焦点。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于光纤阵列的微悬臂梁阵列生化传感装置及方法，其探测光路结构简单，容易实现；并且，扫描过程中没有机械传动，精度较高。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

一种基于光纤阵列的微悬臂梁阵列生化传感装置，包括：半导体激光器、光导纤维、V型槽、透镜组、微梁阵列、生化反应池、光电位置敏感探测器PSD和数据处理设备；其中：

所述光导纤维与半导体激光器一对一耦合连接，所述光导纤维与半导体激光器的数量相同且数量大于2；

所述V型槽对其与固定各光导纤维的末端，并对准透镜组，使光导纤维末端发出激光刚好汇聚至设置在生化反应池内的微梁阵列各悬臂梁尖端；

所述PSD的靶面在微梁阵列的反射光的光路上，PSD的信号输出端连接数据处理设备的信号输入端。

进一步的，该装置还包括：

信号发生器，用于控制所述激光器的输入电压，使激光器周期亮灭。

进一步的，该装置还包括：

与所述激光器连接温控片A，用于稳定所述激光器输出；

与所述生化反应池连接的温控片B，用于调节反应池中温度从而适应所述反应池中检测生物分子与靶分子的反应。

进一步的，该装置还包括：

安装在生化反应池激光入射口一侧的显微镜，用于观测微梁阵列各悬臂梁上光束照射位置。

进一步的，所述V型槽由硅刻蚀制作完成，槽制作整齐一致，槽尺寸便于固定光导纤维，各槽中心间距与所述微梁阵列各悬臂梁中心间距一致。

一种基于光纤阵列的微悬臂梁阵列生化传感方法，包括：

将2个以上光导纤维分别与相应数量的半导体激光器一对一耦合，光导纤维末端对齐固定在间距与微梁阵列梁间距相同的V型槽内，光导纤维末端发出的激光通过透镜汇聚至悬臂梁尖端位置，通过对激光器提供时序控制的电压信号来实现对微梁阵列的时序扫描；

利用光电位置敏感探测器PSD接收通过光杠杆原理放大的激光光点位移变化信号，再利用数据处理设备将激光光点位移变化信号转换为对应悬臂梁的弯曲位移信号，从而实现实时监测各微梁上的生化反应过程信息。

进一步的，该方法还包括：

利用一信号发生器控制激光器的输入电压，使激光器周期亮灭。

进一步的，该方法还包括：

在每一个激光器上均安装一温控片，来稳定所述激光器输出；

在所述生化反应池上安装温控片，来调节反应池中温度从而适应所述反应池中检测生物分子与靶分子的反应。

进一步的，该方法还包括：

在生化反应池激光入射口上方安装一显微镜，来观测微梁阵列各悬臂梁上光束照射位置。

一种检测待测样品中的靶分子的方法，该方法基于前述的装置实现，其包括如下步骤：

将能够与待测样品中的靶分子特异性结合的检测生物分子及对照分子分别固定至微梁阵列中的不同微梁上，每个微梁上固定一种分子；

将微梁阵列固定在反应池中，并在反应池中注入缓冲液，并使缓冲液在反应池中流动；开启与反应池连接的温控器，使反应池内温度适宜所述靶分子与微梁上检测生物分子进行反应；

启动半导体激光器，并启动与激光器连接的温控器，使各激光器工作温度稳定，保证激光器输出恒定；

通过信号发生器控制所述激光器的周期亮灭，从而使激光能够周期扫描所述微梁阵列的各悬臂梁，同时利用显微镜观测调节激光光点在悬臂梁上的位置；

通过光电位置敏感探测器PSD接收由所述微梁阵列反射的激光光点，从而产生每个微悬臂梁的偏转位移信号，并输出；

数据处理设备接收并处理由所述PSD输出的每个微梁的偏转位移信号，基于固定有对照分子的微梁的位移数据获得固定有检测生物分子的每个微梁弯曲的数据；

根据预设的弯曲量阈值判断待测样品中是否包含靶分子。

由上述本发明提供的技术方案可以看出，利用密排的与激光器耦合的光导纤维束作为光源，实现了多光束对微梁阵列周期扫描探测，扫描过程中无任何机械移动，可以实现对微梁阵列上生化反应信息的高灵敏度、快速、实时、并行检测。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域的普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他附图。

图1为本发明实施例提供的一种基于光纤阵列的微悬臂梁阵列生化传感装置的结构示意图；

图2为本发明实施例提供的光导纤维固定排列在V型槽阵列示意图；

图3为本发明实施例提供的温度激励下五根悬臂梁的位移曲线图；

图4为本发明实施例提供的利用微梁阵列检测铜离子抗原抗体的特异性结合各悬臂梁响应曲线图；

图5为本发明实施例提供的利用微梁阵列检测铜离子抗原抗体的特异性结合各悬臂梁平均响应曲线图；

图6为本发明实施例提供的利用微梁阵列检测瘦肉精抗原抗体的特异性结合参考梁与实验梁响应曲线图；

图7为本发明实施例提供的利用微梁阵列检测瘦肉精抗原抗体的特异性结合参考梁响应平均与实验梁响应平均的差异信号曲线图。

具体实施方式

下面结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。

本发明实施例提供一种基于光纤阵列的微悬臂梁阵列生化传感装置的结构示意图。如图1所示，其主要包括：

半导体激光器7、光导纤维6、V型槽5、透镜组4、微梁阵列3、生化反应池2、光电位置敏感探测器PSD9和数据处理设备1；其中：

所述光导纤维6与半导体激光器7一对一耦合连接，所述光导纤维6与半导体激光器7的数量相同且数量大于2；

所述V型槽5对其与固定各光导纤维6的末端(固定方式如图2所示)，并对准透镜组4，使光导纤维6末端发出激光刚好汇聚至设置在生化反应池2内的微梁阵列3各悬臂梁尖端；

所述PSD9的靶面在微梁阵列3的反射光的光路上，PSD9的信号输出端连接数据处理设备1的信号输入端。

进一步的，该装置还包括：

信号发生器，用于控制所述激光器的输入电压，使激光器周期亮灭。本发明实施例中，所述信号发生器可以集成在如图1所示的数据处理设备1中。

进一步的，该装置还包括：如图1所示的温控片A、B，具体为：

与所述激光器连接温控片A，用于稳定所述激光器输出；

与所述生化反应池连接的温控片B，用于调节反应池中温度从而适应所述反应池中检测生物分子与靶分子的反应。

进一步的，该装置还包括：

安装在生化反应池激光入射口一侧的显微镜8，用于观测微梁阵列各悬臂梁上光束照射位置，方便调节激光照射到各悬臂梁上的光点位置。

本发明实施例中，所述V型槽由硅刻蚀制作完成，槽制作整齐一致，槽尺寸便于固定光导纤维，各槽中心间距与所述微梁阵列各悬臂梁中心间距一致。

本发明另一实施例还提供一种基于光纤阵列的微悬臂梁阵列生化传感方法，其主要包括：

将2个以上光导纤维分别与相应数量的半导体激光器一对一耦合，光导纤维末端对齐固定在间距与微梁阵列梁间距相同的V型槽内，光导纤维末端发出的激光通过透镜汇聚至悬臂梁尖端位置，通过对激光器提供时序控制的电压信号来实现对微梁阵列的时序扫描；

利用光电位置敏感探测器PSD接收通过光杠杆原理放大的激光光点位移变化信号，再利用数据处理设备将激光光点位移变化信号转换为对应悬臂梁的弯曲位移信号，从而实现实时监测各微梁上的生化反应过程信息。

进一步的，该方法还包括：

利用一信号发生器控制激光器的输入电压，使激光器周期亮灭。

进一步的，该方法还包括：

在每一个激光器上均安装一温控片，来稳定所述激光器输出；

在所述生化反应池上安装温控片，来调节反应池中温度从而适应所述反应池中检测生物分子与靶分子的反应。

进一步的，该方法还包括：

在生化反应池激光入射口上方安装一显微镜，来观测微梁阵列各悬臂梁上光束照射位置。

本发明另一实施例还提供一种检测待测样品中的靶分子的方法，该方法基于前述的装置实施例实现，其包括如下步骤：

将能够与待测样品中的靶分子特异性结合的检测生物分子及对照分子分别固定至微梁阵列中的不同微梁上，每个微梁上固定一种分子；

将微梁阵列固定在反应池中，并在反应池中注入缓冲液，并使缓冲液在反应池中流动；开启与反应池连接的温控器，使反应池内温度适宜所述靶分子与微梁上检测生物分子进行反应；

启动半导体激光器，并启动与激光器连接的温控器，使各激光器工作温度稳定，保证激光器输出恒定；

通过信号发生器控制所述激光器的周期亮灭，从而使激光能够周期扫描所述微梁阵列的各悬臂梁，同时利用显微镜观测调节激光光点在悬臂梁上的位置；

通过光电位置敏感探测器PSD接收由所述微梁阵列反射的激光光点，从而产生每个微悬臂梁的偏转位移信号，并输出；

数据处理设备接收并处理由所述PSD输出的每个微梁的偏转位移信号，基于固定有对照分子的微梁的位移数据获得固定有检测生物分子的每个微梁弯曲的数据；

根据预设的弯曲量阈值判断待测样品中是否包含靶分子。

以上为本发明实施例所提供各个方案的主要技术内容，下面结合具体的示例做进一步说明。

示例1、对温度变化的响应测量

将清洗过的一商品化微梁阵列(德国Micromotive公司，微梁尺寸：长500μm、宽90μm、厚1μm，表面独有20nm厚金层，相邻微梁中心间距为250μm)固定在图1所示系统反应池中；

通过显微镜观察，调节激光束照射到悬臂梁尖端位置，通过时序控制使激光周期扫描各悬臂梁并采集位移信号。打开温控器，设置初始温度为24.0℃；在微梁位移信号稳定后，利用温控器将微梁阵列所在反应池温度从24.0℃逐步升至32.0℃，每步间隔2℃，所得数据曲线如图3所示。从图3中可以看出在升温8℃后，除梁5外，其余四根梁最后位移差异最大为19nm左右，误差为4.4％(差异量19nm除以总的变形量430nm)，各悬臂梁响应在同一温度变化激励下基本保持一致。由于微梁传感技术对生化反应的检测主要是针对分子间的特异性结合，因此只要能准确的测量出这种特有的反应信息，PSD靶面测得的微梁弯曲信号误差在10％左右是不影响检测结果的。

示例2、对铜离子的并行检测

实验试剂：

铜离子抗体，铜离子标准样品(以上2中样品均由中国农业大学农学与生物技术学院提供)；活化剂：N-(3-dimethylaminopropyl)-N'-ethylcarbodiimidehydrochloride(EDC)，N-hydroxysuccinimide(NHS)；硫醇HS-CH2-COOH(以上3中试剂购于Sigma-Aldrich)；PBS(4.0gNaCl+0.1gKH2PO4+1.48gNa2HPO4·H2O+500mL去离子水)；TPBS(PBS+0.5％吐温-20)；乙二胺四乙酸EDTA；98％浓硫酸；30％双氧水；无水乙醇，均为分析纯。

微梁阵列上铜离子抗体的修饰：

将微梁阵列用30％双氧水与98％浓硫酸混合溶液(V/V＝1:3)浸泡5min除去表面杂质，用去离子水清洗3次，每次10min；将清洗过的梁在室温环境下在硫醇中浸泡12h，此过程使硫醇的巯基(-SH)组装到微悬臂梁的镀金表面，之后将悬臂梁阵列用乙醇和去离子水各清洗2次，每次5min；随后用EDC和NHS活化修饰在微梁表面硫醇的羧基(-COOH)30min；用去离子水清洗后，将用于进行铜离子检测的阵列梁直接放置于浓度为10μg/mL的铜离子抗体溶液中，37℃温浴2h；最后将悬臂梁阵列用TPBS清洗。将微梁阵列固定在生化反应池内，冲入含2000ng/ml的PBS缓冲液，调试好光路进行实验。

铜离子微梁阵列检测结果：

微梁阵列对铜离子抗原抗体特异性反应的检测结果如图4所示，五根悬臂梁都修饰有铜离子抗体，悬臂梁在静止的缓冲液中，待采集信号稳定后，加入20ng/mL的铜离子标准样品，各悬臂梁响应一致，说明各悬臂梁表面均有铜离子抗原抗体结合反应发生，检测到的各悬臂梁偏转一致，平均响应大小(如图5所示)为98.5nm。

示例3、对瘦肉精的并行检测

实验试剂：

瘦肉精抗体，瘦肉精标准样品(以上2中样品均由中国农业大学农学与生物技术学院提供)；活化剂：N-(3-dimethylaminopropyl)-N'-ethylcarbodiimidehydrochloride(EDC)，N-hydroxysuccinimide(NHS)；硫醇HS-CH2-COOH(以上3中试剂购于Sigma-Aldrich)；PBS(4.0gNaCl+0.1gKH2PO4+1.48gNa2HPO4·H2O+500mL去离子水)；TPBS(PBS+0.5％吐温-20)；98％浓硫酸；30％双氧水；无水乙醇，均为分析纯。

微梁阵列上瘦肉精抗体的修饰：

将微梁阵列用30％双氧水与98％浓硫酸混合溶液(V/V＝1:3)浸泡5min除去表面杂质，用去离子水清洗3次，每次10min；将清洗过的梁在室温环境下在硫醇中浸泡12h，此过程使硫醇的巯基(-SH)组装到微悬臂梁的镀金表面，之后将悬臂梁阵列用乙醇和去离子水各清洗2次，每次5min；随后用EDC和NHS活化修饰在微梁表面硫醇的羧基(-COOH)30min，用去离子水清洗3次；将200μl浓度为10μg/mL的瘦肉精抗体溶液加入孔板中，使用毛细管方法将瘦肉精抗体间隔修饰梁2、4室温3h；最后将悬臂梁阵列用TPBS清洗。将微梁阵列固定在生化反应池中，冲入PBS缓冲液；点亮激光器，通过显微镜观测调整光束照射悬臂梁尖端即可进行实验。

瘦肉精微梁阵列检测结果：

微梁阵列固定在静止的缓冲液中，待采集信号稳定后，加入200ng/mL的瘦肉精标准样品，如图6所示，各悬臂梁均有响应，其中参考梁1、3、5响应一致，实验梁2、4响应一致，且实验梁的响应明显大于参考梁的响应。说明：加入瘦肉精标准样品后各悬臂梁表面均有反应，参考梁的偏转是由非特异结合反应产生的响应，实验梁的偏转是包含有非特异结合反应和抗原抗体特异结合反应共同作用产生的响应。最后，将实验梁的响应信号减去参考梁的响应信号，即可得到仅有瘦肉精抗原抗体特异性结合产生的微梁形变信号，如图7所示，差异信号最大偏转为135nm。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种基于光纤阵列的微悬臂梁阵列生化传感装置，其特征在于，包括：半导体激光器、光导纤维、V型槽、透镜组、微梁阵列、生化反应池、光电位置敏感探测器PSD和数据处理设备；其中：

所述光导纤维与半导体激光器一对一耦合连接，所述光导纤维与半导体激光器的数量相同且数量大于2；

所述V型槽对其与固定各光导纤维的末端，并对准透镜组，使光导纤维末端发出激光刚好汇聚至设置在生化反应池内的微梁阵列各悬臂梁尖端；

所述PSD的靶面在微梁阵列的反射光的光路上，PSD的信号输出端连接数据处理设备的信号输入端。

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，该装置还包括：

信号发生器，用于控制所述激光器的输入电压，使激光器周期亮灭。

3.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，该装置还包括：

与所述激光器连接温控片A，用于稳定所述激光器输出；

与所述生化反应池连接的温控片B，用于调节反应池中温度从而适应所述反应池中检测生物分子与靶分子的反应。

4.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，该装置还包括：

安装在生化反应池激光入射口一侧的显微镜，用于观测微梁阵列各悬臂梁上光束照射位置。

5.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述V型槽由硅刻蚀制作完成，槽制作整齐一致，槽尺寸便于固定光导纤维，各槽中心间距与所述微梁阵列各悬臂梁中心间距一致。

6.一种基于光纤阵列的微悬臂梁阵列生化传感方法，其特征在于，包括：

将2个以上光导纤维分别与相应数量的半导体激光器一对一耦合，光导纤维末端对齐固定在间距与微梁阵列梁间距相同的V型槽内，光导纤维末端发出的激光通过透镜汇聚至悬臂梁尖端位置，通过对激光器提供时序控制的电压信号来实现对微梁阵列的时序扫描；

利用光电位置敏感探测器PSD接收通过光杠杆原理放大的激光光点位移变化信号，再利用数据处理设备将激光光点位移变化信号转换为对应悬臂梁的弯曲位移信号，从而实现实时监测各微梁上的生化反应过程信息。

7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，该方法还包括：

利用一信号发生器控制激光器的输入电压，使激光器周期亮灭。

8.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，该方法还包括：

在每一个激光器上均安装一温控片，来稳定所述激光器输出；

在所述生化反应池上安装温控片，来调节反应池中温度从而适应所述反应池中检测生物分子与靶分子的反应。

9.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，该方法还包括：

在生化反应池激光入射口上方安装一显微镜，来观测微梁阵列各悬臂梁上光束照射位置。

10.一种检测待测样品中的靶分子的方法，其特征在于，该方法基于权利要求1-5任一项所述的装置实现，其包括如下步骤：

将能够与待测样品中的靶分子特异性结合的检测生物分子及对照分子分别固定至微梁阵列中的不同微梁上，每个微梁上固定一种分子；

将微梁阵列固定在反应池中，并在反应池中注入缓冲液，并使缓冲液在反应池中流动；开启与反应池连接的温控器，使反应池内温度适宜所述靶分子与微梁上检测生物分子进行反应；

启动半导体激光器，并启动与激光器连接的温控器，使各激光器工作温度稳定，保证激光器输出恒定；

通过信号发生器控制所述激光器的周期亮灭，从而使激光能够周期扫描所述微梁阵列的各悬臂梁，同时利用显微镜观测调节激光光点在悬臂梁上的位置；

通过光电位置敏感探测器PSD接收由所述微梁阵列反射的激光光点，从而产生每个微悬臂梁的偏转位移信号，并输出；

数据处理设备接收并处理由所述PSD输出的每个微梁的偏转位移信号，基于固定有对照分子的微梁的位移数据获得固定有检测生物分子的每个微梁弯曲的数据；

根据预设的弯曲量阈值判断待测样品中是否包含靶分子。