CN106092967B - 一种生物分子相互作用的检测方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种生物分子相互作用的检测方法及装置，检测方法包括以下步骤：1)选取光谱宽度在30nm以上，光强在1mW以上的光源；2)将所述光源出射的光通过第一偏振片后，照射到生物传感单元上，在生物传感单元内部发生全反射后，光线通过第二偏振片后出射；所述第一偏振片和第二偏振片的偏振方向的夹角在弧度至弧度的范围内；3)通过光谱仪记录所述出射光在所述生物传感单元上通过缓冲液和待测分子时的光谱中心波长变化；4)根据所述光谱中心波长变化计算所述生物传感单元上通过的待测分子的浓度。本发明的生物分子相互作用的检测方法及装置，检测灵敏度较高。

Description

一种生物分子相互作用的检测方法及装置

【技术领域】

本发明涉及分子检测技术领域，特别是涉及一种生物分子相互作用的检测方法及装置。

【背景技术】

生物分子相互作用的检测已成为生命科学技术领域的研究热点。目前，检测生物分子相互作用的技术有利用光强强度，偏振等参数的，也有利用光相位变化来进行检测的。由于光的相位本身比光强和偏振更为敏感，所以基于光的相位的检测较基于光强和偏振的检测更为灵敏。然而，即便是光相位较灵敏，但其对生物传感单元的折射率的改变的灵敏度仍需不断提高。现有的利用光相位检测分子相互作用的技术中，有利用锁相放大原理提高信噪比的方案，也有利用其它分子富集技术来提高信号的强度的方案，以提高灵敏度。然而，其灵敏度的提高仍不够理想。

【发明内容】

本发明所要解决的技术问题是：弥补上述现有技术的不足，提出一种生物分子相互作用的检测方法及装置，检测灵敏度较高。

本发明的技术问题通过以下的技术方案予以解决：

一种生物分子相互作用的检测方法，包括以下步骤：1)选取光谱宽度在30nm以上，光强在1mW以上的光源；2)将所述光源出射的光通过第一偏振片后，照射到生物传感单元上，在生物传感单元内部发生全反射后，光线通过第二偏振片后出射；所述第一偏振片和第二偏振片的偏振方向的夹角在弧度至弧度的范围内；3)通过光谱仪记录所述出射光在所述生物传感单元上通过缓冲液和待测分子时的光谱中心波长变化；4)根据所述光谱中心波长变化计算所述生物传感单元上通过的待测分子的浓度。

一种生物分子相互作用的检测装置，包括光源，第一偏振片，生物传感单元，第二偏振片、光谱仪和处理单元；所述光源的光谱宽度在30nm以上，光强在1mW以上；所述第一偏振片和第二偏振片的偏振方向的夹角在弧度至弧度的范围内；所述光源出射的光通过所述第一偏振片后，照射到所述生物传感单元上，在生物传感单元内部发生全反射后，光线通过所述第二偏振片后出射；所述光谱仪用于记录所述出射光在所述生物传感单元上通过缓冲液和待测分子时的光谱中心波长变化；所述处理单元用于根据所述光谱中心波长变化计算所述生物传感单元上通过的待测分子的浓度。

本发明与现有技术对比的有益效果是：

本发明的生物分子相互作用的检测方法及装置，检测过程将量子弱测量中的弱值放大原理与生物分子结合作用的检测技术相结合，在生物传感单元的前后各设置一片偏振片，两者的偏振方向接近相互垂直(90°±0.05弧度的范围内)，对应弱测量系统的前选择态和后选择态，进而实现弱测量。通过弱测量，借助出射的光的中心波长变化信息将光相位信号放大，结合光的内全反射，通过光相位检测待测分子的浓度，从而提高待测分子浓度检测的灵敏度。本发明利用弱测量原理的放大作用，具有很高的灵敏度，非常适合于各种分子生物化学领域的应用。本发明的装置简单，对于震动、空气流动等因素带来的干扰抑制能力强，适应复杂的检测环境。

【附图说明】

图1是本发明具体实施方式的生物分子相互作用的检测装置的原理示意图；

图2是本发明具体实施方式的生物分子相互作用的检测装置的结构示意图；

图3是本发明具体实施方式的生物分子相互作用的检测装置的工作流程图。

【具体实施方式】

下面结合具体实施方式并对照附图对本发明做进一步详细说明。

本发明提出的基于弱测量的生物分子相互作用的检测方法，将弱测量方法应用到生物分子相互作用检测，是一种全新的检测方法。利用弱测量的原理，相位信号会被放大，对于表面信息具有很高的灵敏度，这种弱测量传感器具有极高的灵敏度。

如图1所示，为生物分子相互作用的检测装置的原理示意图。检测装置包括光源，第一偏振片，生物传感单元，第二偏振片、光谱仪和处理单元。光源发出的光，首先进入弱测量系统的前选择光路，再进入生物传感单元的棱镜表面的玻片上，出射的光再经过弱测量系统的后选择光路，之后进入光谱仪中。

检测前，将基体分子通过化学方法固定在玻片表面上，供待测的分子通过的流池粘贴设置在玻片表面，然后利用折射率匹配液使玻片紧贴在棱镜表面，折射率匹配液可消除两个玻璃界面的反射。据此，构成生物传感单元。生物传感单元中，玻片在折射率匹配液的作用下，可以看成是棱镜的表面。后续检测时涉及的有效折射率则是棱镜表面(也即玻片中)固定的基体分子与特异性结合的待测分子的有效折射率。需说明的是，基体分子是可能和待测分子之间发生相互作用的分子，检测时即检测两者之间的相互作用。例如，基体分子与待测分子可为抗体-抗原，配体-受体、药物-靶等相互对应的分子。

检测过程中，当待测分子通过玻片表面的流池时，待测分子与固定在玻片表面的基体分子是否发生特异性结合，以及结合的紧密程度，影响棱镜表面的折射率变化，进而影响反射光的相位变化。棱镜表面的有效折射率与待测分子的浓度是成正比的，因此，待测分子的浓度可以由折射率来反映，通过反射光的相位改变来测量。而反射光的相位差通过弱测量的放大机制，可通过光谱仪中得到的光谱中心波长的移动反映出来，最终可以用于检测分子间的相互作用。本具体实施方式中，待测分子引入的一个微弱的折射率变化时，经过弱测量系统的放大效果，转换成为放大后的出射光的光谱中心波长的偏移。出射光谱通过光谱仪所记录，再由处理单元经过计算处理，则可以通过计算光谱中心波长的移动求出光的相位，再根据光的相位与棱镜表面的有效折射率的关系，棱镜表面的有效折射率与浓度的关系即可以计算处理出待检测分子的浓度。

具体实现方法如下：

1)选取光谱宽度在30nm以上，光强在1mW以上的光源。要实现频域领域的弱测量检测，需光源有一定的带宽的光强。优选地，光源为超辐射发光二极管，其具有较宽的带宽和很强的光强，可满足上述要求。

2)将所述光源出射的光通过第一偏振片后，照射到生物传感单元上，在生物传感单元内部发生全反射后，光线通过第二偏振片后出射。其中，第一偏振片和第二偏振片的偏振方向的夹角在弧度至弧度的范围内。

两个偏振片的偏振方向接近垂直，从而构成弱测量系统。本具体实施方式中，所述第一偏振片、第二偏振片选自偏振方向为与水平方向夹角为﹣0.05～0.05弧度的偏振片、偏振方向为与垂直方向夹角为﹣0.05～0.05弧度的偏振片。选择水平和垂直分别作为接近垂直的两个方向，可便于后续基于偏振方向确定出光谱中心波长的移动与光的相位之间的关系。一种情形下，选取第一偏振片的偏振方向为接近水平方向，以作为前选择态，选取第二偏振片的偏振方向为接近垂直方向，作为后选择态。另一种情形下，选取第一偏振片的偏振方向为接近垂直方向，以作为前选择态，选取第二偏振片的偏振方向为接近水平方向，作为后选择态，也是可行的。

偏振方向接近垂直的条件下，本不应该测量到有结果的，然而实际上得到了有效的结果。这一结果并不是因为偏振片不能完全消光，或者是系统噪声等原因造成的，而是与弱测量的理论符合的。

具体地，量子弱测量的理论是，在测量设备与系统的相互耦合作用很弱的基础上，通过选择合适的前选择态与后选择态来进行测量，可以得到比本征值大很多倍的测量结果。在弱测量的思想中，系统的前选择态|ψ＞＝α|0＞+β|1＞，选择指针态为g(x)，而可观测力学量算符为A，时间演化算符为U＝e^-iHΔt，其中H＝χPA为相互作用的哈密顿量。由于τ很小，加之有平移算符经过演化后的态为|Ψ＞＝U|g(x)＞|ψ＞＝e^-iχPAΔt|g(x)＞(α|0＞+β|1＞)＝α|g+(x)＞|0＞+β|g-(x)＞|1＞，其中|g±(x)＞＝g(x±τ)，τ＝χΔt。当τ比较大时，g+(x)和g-(x)完全分开，这就属于强测量的过程。当τ非常小以至于两者不能完全分开则正是弱测量所感兴趣的范畴。此时，为了分析这个小量τ，将其投影在一个态|φ＞＝μ|0＞+v|1＞(后选择态)上进行测量。此时，f(x)＝<φ|e^-iτPA|g(x)＞|ψ>≈<φ|(1-iτPA)|g(x)>|ψ＞＝<φ|ψ>(1-iτA_wP)|g(x)>≈<φ|ψ＞e^-iτAwP|g(x)>，其中，A_w＝<φ|A|ψ>/<φ|ψ>为弱值。可以发现，当<φ|ψ>趋近于0时，也就是说当前选择和后选择的两个态趋于正交的时候，弱值可以接近于无限大，这样，相当于把τ通过弱值A_w进行了放大测量，即为弱值放大。

本具体实施方式中，选取偏振方向接近垂直的两个偏振片分别作为前选择态、后选择态，第一个偏振片的状态对应前选择态，第二个偏振片的状态对应后选择态。根据弱值公式Aw，如果两个态越趋于垂直，那么弱值的分母就越趋于0，弱值就越大，弱值越大最终测到的值就越大，从而构成对相位进行放大的弱测量系统。

3)通过光谱仪记录所述出射光在所述生物传感单元上通过缓冲液和待测分子时的光谱中心波长变化。

4)根据所述光谱中心波长变化计算所述生物传感单元上通过的待测分子的浓度。

本具体实施方式中，基于弱测量的原理，通过光谱中心波长的移动来放大光的相位。光的相位与光波中心波长变化的关系的计算可基于偏振方向的选取以及弱测量的原理确定得到，在此不再赘述。如下仅以第一偏振片、第二偏振片选自偏振方向为水平方向夹角为﹣0.05～0.05弧度、偏振方向为与垂直方向夹角为﹣0.05～0.05弧度的偏振片时为例，说明其对应关系。在上述两个偏振方向的偏振片构成的弱测量系统中，光的相位与光谱中心波长变化的关系通过下式表达：

其中δλ为光谱中心的改变量；λ₀为光源的中心波长；Δλ为入射到第一偏振片上的光的半高宽；γ＝cosαsin(α+β)/sinαcos(α+β)，其中，α为所述第一偏振片的偏振方向与竖直方向的夹角，β为所述第二偏振片的偏振方向与水平方向的夹角；为相位。

基于上述关系根据光谱仪检测的光谱中心波长变化计算出出射光的相位。根据光的内全反射过程中，光照射到生物传感单元的棱镜表面时，棱镜表面的有效折射率会影响反射光的相位。棱镜表面关于折射率的比值n与光的相位之间的关系为：

其中，发生内全反射时，相位与棱镜的底角θ_p，棱镜上的光线的入射角θ_i，棱镜折射率n₁，棱镜折射率与棱镜表面的有效折射率比值n之间的关系为上式所反映。由前述计算得到的相位可计算出比值n的值。再结合棱镜的折射率，即可计算得到有效折射率。根据待测的分子的浓度与其折射率的关系(一般可以用标准浓度的样品进行标定检测得到)计算出生物传感单元中通过的待测分子的浓度。

如图2所示，为实现上述检测方法的装置的结构示意图，其工作流程可参考图3。光源采用超辐射发光二极管，具有较宽的带宽和很强的光强。超辐射发光二极管1发出的光，经过一个消色差的准直透镜2后，光源发出的光变成平行光。再经过一个高斯滤光片3将波形整形成为一个高斯波包，通过一个偏振方向为接近水平方向(与水平方向夹角为﹣0.05～0.05弧度)的第一偏振片4成为前选择态。棱镜5的斜面上利用折射率匹配液与相同材质的玻片6紧贴在一起，构成生物传感单元。光斑通过棱镜后照射在玻片表面上，入射角大于全反射角后，在生物传感单元的棱镜和玻片的交界面即发生全反射。本具体实施方式中，中心光束的入射角约为50°。出射光再经过一个偏振方向接近垂直方向(与垂直方向的夹角为﹣0.05～0.05弧度)的第二偏振片7，作为后选择态。出射光通过一个消色差透镜8耦合进入一个光谱仪9。光谱仪将检测的光谱中心波长变化输出给处理单元(图中未示出)，由处理单元计算出待测分子的浓度。

以检测抗原分子和抗体分子的相互作用为例，测量前，先将抗原分子用化学方法固定在玻片6表面上。然后利用折射率匹配液将玻片6与棱镜5紧密贴合，避免气泡产生。由于实际系统可能存在与理论值的偏差，例如入射光角度偏差等，因此可通过标准样品对整个检测系统进行标定，以确定中心波长与标准样品浓度关系。标定时，先将缓冲液通入玻片6表面的流池，记录此时的中心波长。检测时，将待测分子通过玻片6表面的流池，光谱仪中记录的中心波长变化即对应于待测分子的浓度。

处理单元计算时，光谱仪测出的中心波长变化为δλ，将装置中光源1的中心波长作为λ₀，入射到第一偏振片4上的光的半高宽作为Δλ，第二偏振片7的偏振方向与垂直方向的夹角作为γ分别代入上述相位与光谱中心波长变化的关系式子中，求解出相位然后，将生物传感单元中的棱镜5的底角作为θ_p，光入射棱镜5时的入射角作为θ_i，棱镜5的折射率作为n₁分别代入棱镜表面的有效折射率与光的相位的关系式子中，从而求解出比值n。计算得到棱镜表面的有效折射率。最后，根据不同的生物分子的浓度与其折射率的关系(用标准浓度的样品进行标定检测得到)，即可计算出流池中通过的待测抗体分子的浓度。

为了排除其他干扰因素造成的结果，检测前后均通入缓冲液冲洗玻片表面。如果检测后通入缓冲液时的中心波长与检测前通入缓冲液时的中心波长一致，则待测分子没有与固定在玻片表面的抗原分子发生特异性结合。如果中心波长发生了变化，表明固定在玻片的抗原分子已经成功捕获了流过的抗体分子，测量结果是有效的。

本具体实施方式的生物分子相互作用的检测方法及装置，通过量子弱测量中的弱值放大原理将折射率变化引起的光相位变化的信息放大，放大作用使得本具体实施方式对于折射率的检测具有极高的分辨率，可有效提高待测分子浓度检测的灵敏度，在生物检测、医疗制药等方面具有很强的应用价值。本具体实施方式利用弱测量原理的放大作用实现对生物分子相互作用以及待测分子浓度的检测，不需要对生物传感单元中棱镜表面进行金属镀膜等工艺，检测灵敏度高。装置中，透明基底的玻片易于与多种生物、化学分子结合，且十分廉价；同时可以与显微技术相结合，具有很强的潜在应用价值。装置整体结构简单，对于震动、空气流动等因素带来的干扰抑制能力强，可适应复杂的检测环境。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下做出若干替代或明显变型，而且性能或用途相同，都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种生物分子相互作用的检测方法，其特征在于：包括以下步骤：1)选取光谱宽度在30nm以上，光强在1mW以上的光源；2)将所述光源出射的光通过第一偏振片后，照射到生物传感单元上，在生物传感单元内部发生全反射后，光线通过第二偏振片后出射；所述第一偏振片和第二偏振片的偏振方向的夹角在弧度至 弧度的范围内；所述第一偏振片、第二偏振片选自偏振方向为与水平方向夹角为﹣0.05～0.05弧度的偏振片、偏振方向为与垂直方向夹角为﹣0.05～0.05弧度的偏振片；3)通过光谱仪记录所述出射光在所述生物传感单元上通过缓冲液和待测分子时的光谱中心波长变化；4)根据所述光谱中心波长变化计算所述生物传感单元上通过的待测分子的浓度；其中，步骤4)中，根据出射光的光谱中心波长变化计算出出射光的相位，然后根据所述出射光的相位计算出所述生物传感单元的有效折射率，再根据所述有效折射率，结合有效折射率与所述待测分子的浓度的关系，计算出所述待测分子的浓度；其中，根据如下式子由所述出射光的相位计算出比值n：其中，将所述生物传感单元中的棱镜的底角作为θ_p，光入射到所述生物传感单元中的棱镜时的入射角作为θ_i，所述生物传感单元中的棱镜的折射率作为n₁分别代入式子中，从而求解出所述棱镜折射率与所述有效折射率的比值n，进而由所述比值n计算得到所述有效折射率。

2.根据权利要求1所述的生物分子相互作用的检测方法，其特征在于：根据如下式子计算出所述出射光的相位：其中，光谱仪测出的中心波长变化为δλ，λ₀表示所述光源的中心波长，Δλ表示入射到所述第一偏振片上的光的半高宽，γ＝cosαsin(α+β)/sinα cos(α+β)，其中，α为所述第一偏振片的偏振方向与竖直方向的夹角，β为所述第二偏振片的偏振方向与水平方向的夹角，求解出相位

3.根据权利要求1所述的生物分子相互作用的检测方法，其特征在于：步骤2)中，所述第一偏振片的偏振方向为水平方向；所述第二偏振片的偏振方向为垂直方向；或者，所述第一偏振片的偏振方向为垂直方向；所述第二偏振片的偏振方向为水平方向。

4.根据权利要求1所述的生物分子相互作用的检测方法，其特征在于：步骤1)中，所述光源出射的光经过高斯滤波片整形为高斯波包后再通过所述第一偏振片。

5.一种生物分子相互作用的检测装置，其特征在于：包括光源，第一偏振片，生物传感单元，第二偏振片、光谱仪和处理单元；所述光源的光谱宽度在30nm以上，光强在1mW以上；所述第一偏振片和第二偏振片的偏振方向的夹角在弧度至 弧度的范围内；所述第一偏振片、第二偏振片选自偏振方向为与水平方向夹角为﹣0.05～0.05弧度的偏振片、偏振方向为与垂直方向夹角为﹣0.05～0.05弧度的偏振片；所述光源出射的光通过所述第一偏振片后，照射到所述生物传感单元上，在生物传感单元内部发生全反射后，光线通过所述第二偏振片后出射；所述光谱仪用于记录所述出射光在所述生物传感单元上通过缓冲液和待测分子时的光谱中心波长变化；所述处理单元用于根据所述光谱中心波长变化计算所述生物传感单元上通过的待测分子的浓度；其中，所述处理单元根据出射光的光谱中心波长变化计算出出射光的相位，然后根据所述出射光的相位计算出所述生物传感单元的有效折射率，再根据所述有效折射率，结合有效折射率与所述待测分子的浓度的关系，计算出所述待测分子的浓度；其中，根据如下式子由所述出射光的相位计算出比值n：其中，将所述生物传感单元中的棱镜的底角作为θ_p，光入射到所述生物传感单元中的棱镜时的入射角作为θ_i，所述生物传感单元中的棱镜的折射率作为n₁分别代入式子中，从而求解出所述棱镜折射率与所述有效折射率的比值n，进而由所述比值n计算得到所述有效折射率。

6.根据权利要求5所述的生物分子相互作用的检测装置，其特征在于：所述生物传感单元包括棱镜、玻片和供待测分子通过的流池；所述玻片上固定有基体分子，所述流池设置在所述玻片的表面，所述玻片通过折射率匹配液紧贴在所述棱镜表面。

7.根据权利要求5所述的生物分子相互作用的检测装置，其特征在于：还包括高斯滤波片，所述高斯滤波片用于将所述光源出射的光的波形整形为高斯波包后再通过所述第一偏振片。