CN106501219A - 一种便携式多参数表面等离子体谐振生化分析仪 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种便携式多参数表面等离子体谐振生化分析仪，包括：集成光学系统、机械扫描机构、流通系统和控制与通信系统。其中光学系统的元件都搭载在机械系统上。集成光学系统、机械扫描机构、流通系统和控制与通信系统电连接，通过RS232或USB等其它端口与计算机相连。小型多参数表面等离子体谐振生化分析仪不仅仪器体积小，能满足现场检查需要，而且具有多个阵列单元，可以在每个单元上固定不同的生物分子或者不同浓度的反应试剂，实现多组分并行检测。

Description

一种便携式多参数表面等离子体谐振生化分析仪

技术领域

本发明涉及检测技术领域，尤其是一种小型便携式多参数表面等离子体谐振生化分析仪。

背景技术

表面等离子体谐振(Surface Plasmon Resonance,SPR)技术是近年发展起来的一种现代的、先进的、通用的免标记生化检测技术，这种技术是基于物理光学现象的生化检测技术，以一种特殊的消逝波(SPW)为探针，探测传感媒质光学参数的变化过程。

与传统的生化分析技术相比，SPR传感技术作为一种表面检测技术，具有灵敏度高、免标记、实时快速和无损伤检测等优点，已被广泛应用到生物科技、药物筛选、环境监测、食品检测、国家安全等多个领域，成为最通用，最具发展潜力的生化检测方法之一。

传统的SPR生化检测装置体积庞大、价格昂贵，不适合户外监测，为了满足环境监测等多种场合的需要，小型化便携式已成为SPR传感装置发展的一个主要方向。小型化的SPR传感装置体积小，便于携带和安装，更为重要的是，它可以极大地降低成本，有利于大规模生产，从而加速SPR传感装置的推广应用。

然而值得注意的是，即使是在SPR市场上占有绝对主导地位的BIACORE公司，他们的产品主要面向对象仍然是科研院所和实验室；也就是说，SPR传感技术与目前市场上广泛使用的免疫检测方法相比，在价格、易用性、灵敏度和稳定性等方面必须要有进一步的发展。这些市场的强烈需求将驱动SPR传感技术朝着小型化便携式、多参数和更加灵敏、稳定的方向发展。

发明内容

(一)要解决的技术问题

小型化便携式SPR生物传感器在国外开始出现，并逐步走向商业化，而在国内，研制小型SPR传感器尚属起步阶段。现有的小型化表面等离子体谐振生化分析仪为了缩小仪器体积通常采用固定角度的检测方式，检测的溶液折射率范围和灵敏度有限，且无法实现多个参数的同时检测。本发明提供一种小型便携式多参数表面等离子体谐振生化分析仪，可以实现多参数多角度同时检测。

(二)技术方案

为解决上述技术问题，本发明是通过以下技术方案实现的：

一种便携式多参数表面等离子体谐振生化分析仪，包括光学系统和流通系统，其中：所述光学系统包括光源、光电接收器和光学棱镜，所述光电接收器为多单元阵列光电检测器；所述流通系统包括传感芯片，所述传感芯片搭载在棱镜上方，所述传感芯片为多单元表面等离子体谐振传感阵列芯片；入射光经光学棱镜汇聚为一条线照射到所述传感芯片上，待测物流经多单元阵列传感芯片上表面后，与传感芯片上固定的反应物相互作用，对应多个阵列反射光照射到信号接收器表面，得到多个参数的表面等离子体谐振信号。

上述方案中，还包括机械系统，所述机械系统包括同步机构和连杆组，所述同步机构包括电机、螺杆、同步带、滑块和导轨，所述电机与螺杆通过同步带连接，电机带动螺杆转动，螺杆推动滑块沿导轨移动，所述滑块与连杆组连接，所述连杆组搭载光源和光电接收器，滑块推动连杆组转动以调节光源入射角度。

上述方案中，所述连杆组由四根连杆组成，构成菱形结构，其中两根连杆构成以传感芯片为旋转中心的旋转臂，所述光源和光电接收器分别安装在两个旋转臂上，另两根连杆一端分别与两个旋转臂转动连接，另一端固定在滑块上。

上述方案中，所述流通系统还包括微流控测量池、自动进样泵和流通管路，所述微流控测量池在传感芯片上方水平叠置，所述流通管路一端与微流控测量池连接，另一端与自动进样泵连通，所述自动进样泵将待测样品泵入微流控测量池，与芯片表面的反应物相互作用。

上述方案中，所述机械系统还包括固定光学平台，所述固定光学平台用于固定棱镜、传感芯片和微流控测量池。

上述方案中，所述控制与通信系统包括信号调理电路、中央处理单元和通信接口，用于控制入射光机械角度扫描和液体的自动进样；控制机械系统、光学系统及流通系统协同工作；采集并处理光强信号，并与计算机通信。

上述方案中，所述光电检测器阵列单元数大于或等于传感芯片的单元数。

(三)有益效果

本发明提供的小型便携式多参数表面等离子体谐振生化分析仪不仅仪器体积小，便于携带和安装，能满足现场检查需要，而且具有多个阵列单元，可以在每个单元上固定不同的生物分子或者不同浓度的反应试剂，实现多组分并行检测。

本发明角度扫描装置电机轴与螺杆轴通过同步带连接，减小了仪器的体积。

入射光线汇聚在芯片表面照射到一条竖线范围内，该设计能保证多单元阵列芯片在同一竖线上的不同单元阵列入射角都一致。

本发明采用角度扫描与定点检测联用的方式，入射角度范围宽，检测的样品折射率范围大，同时定点检测避免角度扫描引起的机械结构误差，灵敏度更高。

附图说明

图1是本发明实施例的表面等离子体谐振生化分析仪结构框图；

图2A是集成光学系统及流通系统结构示意图主视图；

图2B是集成光学系统及流通系统结构示意图俯视图；

图3是激光光源的噪声测试曲线；

图4A是角度扫描及角度定位系统的机械执行机构示意图主视图；

图4B是角度扫描及角度定位系统的机械执行机构示意图侧视图；

图5是控制与通信系统主要模块示意图；

图6是主控制电路和光电检测电路结构示意图；

图7是利用16单元阵列光电检测器检测去离子水溶液的SPR峰值曲线；

图8是本发明实施例的表面等离子体谐振生化分析仪检测甘油梯度溶液。

具体实施方式

本发明提出一种便携式多参数表面等离子体谐振生化分析仪，包括光学系统、流通系统、机械系统和控制与通信系统，其中：光学系统包括光源、光电接收器和光学棱镜，光电接收器为多单元阵列光电检测器；流通系统包括传感芯片，传感芯片搭载在棱镜上方，传感芯片为多单元表面等离子体谐振传感阵列芯片；入射光经光学棱镜汇聚为一条线照射到所述传感芯片上，待测物流经多单元阵列传感芯片上表面后，与传感芯片上固定的反应物相互作用，对应多个阵列反射光照射到信号接收器表面，得到多个参数的表面等离子体谐振信号。

机械系统包括同步机构和连杆组，同步机构包括电机、螺杆、同步带、滑块和导轨，电机与螺杆通过同步带连接，电机带动螺杆转动，螺杆推动滑块沿导轨移动，滑块与连杆组连接，连杆组搭载光源和光电接收器，滑块推动连杆组转动以调节光源入射角度。

本发明相对现有的表面等离子体谐振生化分析仪不仅缩小了仪器体积，能满足现场检查需要，而且可以在每个单元上固定不同的生物分子或者不同浓度的反应试剂，实现多组分并行检测。本发明采用角度扫描与定点检测联用的方式，入射角度范围宽，检测的样品折射率范围大，同时定点检测避免角度扫描引起的机械结构误差，灵敏度更高。

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明作进一步的详细说明。

如图1所示，便携式多参数表面等离子体谐振生化分析仪，包括集成光学系统、机械扫描机构、流通系统和控制与通信系统。集成光学系统包括光源、光检测器和光路调制机构，具有一定角度的P偏振的入射激光照射至光学棱镜后发生反射，反射光束射入到光检测器中；流通系统包括微流控测试池、SPR传感芯片、自动进样泵、阀和流通管路，流通系统用于实现样品自动进样，待测物通过所述微流控测试池流经SPR芯片上表面后，与SPR芯片上固定的反应物相互作用，引起表面等离子谐振吸收峰的改变；机械系统包括机械平台、菱形臂和同步机构，机械系统用于调整光源发出的入射激光的角度；控制与通信系统包括信号调理电路、中央处理单元和通信接口，基本功能是控制机械系统、光学系统及流通系统协同工作，采集相关信息，并与计算机通信。

如图2所示，是本发明集成光学系统及流通系统结构示意图。集成光学系统包括光源、光学棱镜、光电接收器、传感芯片。激光或LED光源9经透镜组射出光束汇聚成一条线照到棱镜表面的传感芯片上，入射光在棱镜表面全反射后照射到光电接收器。棱镜2固定在整体支架上，激光或LED光源9固定在整体支架的一个固定臂上，光电接收器10固定在整体支架的另一个固定臂上。激光或LED光源9经透镜组射出光束对棱镜2的入射面，相互之间选择最佳入射角度后，光电接收器设于棱镜2的反射光路上，使三者形成稳定牢固结构，可实现现场表面等离子体谐振(SPR)定量测试。在棱镜2的水平平面上，设有表面等离子体谐振(SPR)传感器芯片21和微测量池22，微测量池22在传感器芯片21上方水平叠置，微测量池22上连有输入管和输出管，输入管和输出管的另一端与自动进样系统(与微泵或小型泵)相连通，以便将待测样品泵入微测量池22。

光源是输出波长630nm的半导体激光器(也可以是其他波长的激光器)。由于半导体激光器输出光强受温度变化影响很大，为了获得稳定的激光光源，本系统设计了恒功率控制APC(Automatic Power Control)的反馈控制电路,使光输出量与温度无关。在反馈电路控制下，激光器的噪声波动小于0.0005V/1.692V＝3×10^-4，如图3所示。

机械扫描机构为菱形杠杆同步扫描结构，如图4所示，包括基座1、棱镜2、连杆组3、滑块4、导轨5、螺杆6、光学平台7、光学平台8、螺杆导轨平台11、螺杆轴夹具12、同步带13、电机轴夹具14、电机15、编码器16。可以实现位置检测、速度控制和定位，从而实现SPR检测的角度扫描，角度扫描范围是55-70度。螺杆轴夹具12与电机轴夹具14通过同步带13连接，当电机15转动时，可以带动螺杆轴同步转动，从而推动滑块4沿导轨5来回运动。编码器16对电机15的运动步数进行记录和反馈，实现高精度的电机运动控制。光源9、准直和扩束系统都安装在一个以传感芯片为中心的旋转臂上，光电接收器10安装在另外一个旋转臂上，棱镜2、SPR敏感芯片和测量池安置于旋转中心正上方的固定光学平台7、8上。计算机通过机械扫描系统控制两个旋转臂的位置以改变光束的入射角。当光源在一定角度范围内进行扫描，同时记录光强随角度变化，就可以获得SPR角度扫描曲线；同时也可以将旋转臂固定在某个特定角度上，进行固定角度的光强变化检测。

控制与通信系统控制入射光机械角度扫描和液体的自动进样，并实现高分辨率、高灵敏度SPR信号采集和处理。该系统由四个主要模块组成：

1)电源模块：输入220V交流，输出+24V和+5V直流

2)光检测器：接收反射光信号的光检测电路，能够对16个单元阵列光电检测器进行光强采集；

3)主控制器：负责与PC机进行通信；通过SPI总线与光电检测器通信；通过串口1与PC机软件通信。

4)步进电机控制：接收编码器信息，驱动步进电机运动。需要+24V电源驱动。

各模块间的接线定义如图5所示。

如图6所示，是本发明采用单片机方式进行操作控制及数据处理的主控制电路和光电检测电路结构示意图。16单元阵列光电检测器输出16路模拟信号经过高阻抗的运放放大滤波后，此模拟信号输入16通道16位AD芯片，16通道串行AD转换输出数字信号，通过SPI接口送入微控制器(即单片机)中，单片机控制SPR生化分析仪的数据采集，处理数据，并将结果传输到计算机或液晶屏上显示。本电路采用R232端口或USB接口将微控制器(即单片机)和计算机联系起来，单片机的作用是从计算机中接受采集指令并将RAM中的数据传送给计算机计算。计算机的作用是控制生化分析仪，处理数据，并将测试结果在计算机中显示。图7所示为本发明小型多参数表面等离子体谐振生化分析仪的一个典型的16参数SPR峰值曲线。将去离子水溶液由流通系统导入到传感芯片表面，控制与通信系统控制机械系统的角度，进行角度扫描。光学系统的16单元阵列光电检测器接收光学信号的信息，并将光信号转换为电信号，由控制与通信系统进行信号采集和处理，最后传输到计算机，得到去离子水溶液的16路参数的SPR吸收峰曲线。该曲线说明本发明可以同时检测多个参数的SPR峰值曲线。

图8所示为本发明小型便携式多参数表面等离子体谐振生化分析仪的灵敏度测试实验结果图，配0～5号甘油，百分比浓度间隔1％，0号为水，1号为1％甘油，2号为2％甘油，以此类推。本发明小型多参数表面等离子体谐振生化分析仪检测灵敏度约达1×10^-6RIU(折射率单位)。

SPR传感芯片表面的金属可以是Au，也可以用Ag等金属代替；光源是输出波长630nm的半导体激光器，也可以是其他可见光波长的激光器；SPR传感阵列芯片可以是4单元阵列，也可以是其它数量的单元阵列，不局限于4单元阵列；信号接收器可以是16单元阵列光电检测器，也可以是其它单元数的检测器，但需要大于SPR传感阵列芯片的单元数；控制与通信系统通过RS232端口与计算机相连，也可以是其它通信接口。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种便携式多参数表面等离子体谐振生化分析仪，其特征在于，包括光学系统和流通系统，其中：

所述光学系统包括光源、光电接收器和光学棱镜，所述光电接收器为多单元阵列光电检测器；

所述流通系统包括传感芯片，所述传感芯片搭载在棱镜上方，所述传感芯片为多单元表面等离子体谐振传感阵列芯片；

入射光经光学棱镜汇聚为一条线照射到所述传感芯片上，待测物流经多单元阵列传感芯片上表面后，与传感芯片上固定的反应物相互作用，对应多个阵列反射光照射到信号接收器表面，得到多个参数的表面等离子体谐振信号。

2.如权利要求1所述的表面等离子体谐振生化分析仪，其特征在于，还包括机械系统，所述机械系统包括同步机构和连杆组，所述同步机构包括电机、螺杆、同步带、滑块和导轨，所述电机与螺杆通过同步带连接，电机带动螺杆转动，螺杆推动滑块沿导轨移动，所述滑块与连杆组连接，所述连杆组搭载光源和光电接收器，滑块推动连杆组转动以调节光源入射角度。

3.如权利要求2所述的表面等离子体谐振生化分析仪，其特征在于，所述连杆组由四根连杆组成，构成菱形结构，其中两根连杆构成以传感芯片为旋转中心的旋转臂，所述光源和光电接收器分别安装在两个旋转臂上，另两根连杆一端分别与两个旋转臂转动连接，另一端固定在滑块上。

4.如权利要求1所述的表面等离子体谐振生化分析仪，其特征在于，所述流通系统还包括微流控测量池、自动进样泵和流通管路，所述微流控测量池在传感芯片上方水平叠置，所述流通管路一端与微流控测量池连接，另一端与自动进样泵连通，所述自动进样泵将待测样品泵入微流控测量池，与芯片表面的反应物相互作用。

5.如权利要求2所述的表面等离子体谐振生化分析仪，其特征在于，所述机械系统还包括固定光学平台，所述固定光学平台用于固定棱镜、传感芯片和微流控测量池。

6.如权利要求1所述的表面等离子体谐振生化分析仪，其特征在于，所述控制与通信系统包括信号调理电路、中央处理单元和通信接口，用于控制入射光机械角度扫描和液体的自动进样；控制机械系统、光学系统及流通系统协同工作；采集并处理光强信号，并与计算机通信。

7.如权利要求1所述的表面等离子体谐振生化分析仪，其特征在于，所述光电检测器阵列单元数大于或等于传感芯片的单元数。