CN107036971B - 手性传感元件、设备，手性表征方法，浓度表征方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及生物检测领域，提供一种手性传感元件、设备，手性表征方法，浓度表征方法；提高分子手性的检测灵敏度；降低设备和检测成本，提高检测效率和准确度；同时实现对溶液中生物分子浓度的高灵敏表征。手性传感设备包括手性传感元件，手性传感元件包括具有透光性的上部覆盖层、中部覆盖层、下部覆盖层，以及由上部覆盖层、中部覆盖层、下部覆盖层形成的微流通道；在微流通道内的下部覆盖层上设置有手性纳米结构阵列。本发明适用于弱圆二色信号的检测。

Description

手性传感元件、设备，手性表征方法，浓度表征方法
技术领域
本发明涉及生物检测领域，尤其涉及手性传感元件、设备，手性表征方法，浓度表征方法。
背景技术
手性是指一个几何结构或者点群与其镜像无法重合的现象。这种现象在自然界中是非常常见，也非常重要。在生命科学领域，具有互为镜像分子结构的手性分子被称为对映体，其具有几乎完全相同的物理和化学性质。然而，生命活体却偏向于一种手性。事实上，活体中几乎所有的糖类、蛋白质和DNA等都具有同一种手性。这些手性物质在活体中造成了一种手性环境，这种手性环境维持着生命的运行。这种生命的运行对进入的活体物质的手性具有很大的敏感性。一旦具有相反手性物质进入活体，轻则带来疾病，重则带来死亡。因此分子手性的检测在生命科学、医药和临床等领域都具有重大的研究和应用价值。由于手性分子会与圆偏光之间形成识别性的相互作用，并表现出手性效应，即圆二色性和圆双折射特性。这些手性效应为检测分子构象提供了有效途径。然而，自然界中手性分子的手性效应太弱(即分子的非对称因子g-factor太小)，其限制了利用此效应实现对对映体检测的灵敏度。
目前的生物分子手性表征技术主要有以下三种：1、X-射线晶体衍射技术；2、核磁共振波谱技术；3、新型的光谱技术，比如圆二色光谱技术、荧光活性光谱技术、拉曼活性光谱技术等等。X-射线晶体衍射技术是使用最广泛的一种手性生物分子技术，目前85％左右的手性生物分子的表征是采用此技术。其利用周期性的物质晶体结构与其对X射线衍射空间分布的方位和强度之间的关系，实现对晶体内部原子排列规律的检测。因此，在采用X射线衍射技术检测手性生物分子的过程中，需要首先对待检测手性生物分子进行结晶。因而，此技术无法检测不易结晶的手性生物分子，无法实现对溶液中活性手性生物分子的原位检测和相关生化反应动力学表征等；核磁共振技术(NMR，Nuclear Magnetic Resonance)是一种利用塞曼效应实现对手性生物分子空间结构的表征技术，其目前的市场使用率在15％左右。NMR具有原位手性生物分子检测，实时研究手性生物分子反应动力学规律的能力。然而，受到复杂的图谱分析的限制，NMR在分子量比较大的蛋白质检测中受到诸多限制，同时NMR在使用过程中还需要对待检测手性生物分子进行标记，这进一步限制了此种技术的应用范围；新型光谱技术利用手性生物分子对左和右圆偏振光的响应差异实现对生物分子手性的检测，其具有仪器设备简单、廉价，可实现原位检测和手性生物分子反应动力学的实时表征等诸多优点。其中最成熟的光谱技术是圆二色光谱技术。
传统的圆二色光谱技术是利用待检测蛋白质对入射左和右圆偏振光的吸收差异来实现对蛋白质空间结构的检测，这种技术对蛋白质构象的检测灵敏度取决于蛋白质分子本身的非对称因子，即蛋白质分子与左和右圆偏振光之间的非对称作用差异。然而，这种作用差异是非常微弱的，其限制了圆二色光谱技术的检测灵敏度(一般只能达到毫克量级)。同时，在系统实现上，为了能够实现对紫外区域和弱圆二色信号的检测，商业系统本身不仅要具有极高的检测灵敏度，而且在测试过程中要通过高纯度的氮气。这就提高了系统的价格和样品检测成本，降低了样品的检测效率。
发明内容
本发明要解决的技术问题是：提供一种手性传感元件及设备，提高分子手性的检测灵敏度；提供一种手性表征方法，降低设备和检测成本，提高检测效率和准确度；提供一种浓度表征方法，实现对溶液中生物分子浓度的高灵敏表征。
为解决上述问题，本发明采用的技术方案是：手性传感元件，包括具有透光性的上部覆盖层、中部覆盖层、下部覆盖层，以及由上部覆盖层、中部覆盖层、下部覆盖层形成的微流通道；在微流通道内的下部覆盖层上设置有手性纳米结构阵列。
手性光学效应，比如圆二色性和旋光，是一种高阶效应，其主要来自于电偶极子与磁偶极子、电偶极子与电四极子之间的相互作用。手性金属纳米结构附近激发出的超手性电磁场能够有效增强手性生物分子中电偶极子与电四极子之间的相互作用，进而极大地增强手性生物分子的非对称因子，提高分子手性的检测灵敏度。
进一步的，所述手性纳米结构呈阵列排布。手性纳米结构呈阵列可以更好的增强手性生物分子的非对称因子，提高分子手性的检测灵敏度。
进一步的，在手性纳米结构与下部覆盖层之间还设有粘附层，用以增强纳米结构阵列的附着强度。
具体的来说，所述上部覆盖层或中部覆盖层或下部覆盖层的材质为石英、蓝宝石、透光高分子材料中的任意一种。
手性传感设备，包括上述的手性传感元件。
进一步的，手性传感设备还包括位于所述手性传感元件前方的线偏振光和圆偏振光切换系统，所述线偏振光和圆偏振光切换系统包括偏光元件和四分之一玻片，所述偏光元件位于四分之一玻片前方。
具体的，所述偏光元件为偏光片或者格兰棱镜。
进一步的，手性传感设备还包括位于所述线偏振光和圆偏振光切换系统前方的平行光调制系统，以及位于所述手性传感元件后方的光信号接收系统。
基于上述手性传感设备的手性表征方法，分别获取通过左手性纳米结构前后的样品的左手性圆二色谱，并通过对比计算获得样品的圆二色谱峰的左手性移动量；分别获取通过右手性纳米结构前后的样品的右手性圆二色谱，并通过对比计算获得样品的圆二色谱峰的右手性移动量；分析所述左手性移动量和右手性移动量之间的相对差值的符号和大小。
同时，本发明还提供了一种基于上述手性传感设备的浓度表征方法，采用线偏振光作为信号源进行检测，通过检测和比较生物分子在通过手性纳米结构前后的SPR峰的移动量的符号和大小，实现对待检测生物分子浓度的表征。
本发明的有益效果是：1、本发明利用手性纳米结构的超灵敏感知能力为中介，实现对生物分子浓度及其手性特征的高灵敏检测。相对于传统的圆二色光谱技术，此套系统的检测灵敏度能够大大提高；
2、由于采用了全新的检测技术原理，此套系统能够在使用低性能的元器件，实现对生物分子手性的表征。同传统的SPR生物传感器相比，本发明在兼容其所有功能的同时，能够实现对生物分子手性的高灵敏表征，提高了系统的适用性；
3、手性纳米结构的圆二色信号不仅非常强，可以达到1deg左右，而且可以通过电磁场理论和微纳加工技术，实现对整个紫外可见光波段具有手性信号响应的金属纳米结构。因而，设备系统中可以采用较低性能的设备元件，而且无需紫外光源，只要将手性金属纳米结构的圆二色信号设计在可见光波段，本发明设备在检测时系统也无需氮气保护，这就有效降低了系统实现成本和检测成本，提高了检测效率。检测中系统无需氮气保护，因此，系统实现简单、廉价，同时也降低了检测成本，提高了检测效率
附图说明
图1是实施例手性传感设备的结构示意图；
图2是实施例手性传感元件的立体图；
图3是实施例手性传感元件的俯视图；
图4是实施例手性传感元件的侧视图。
图中编号：110为平行光调制系统，120为线偏振光和圆偏振光切换系统，100为手性传感元件，130为光信号接收系统，1为光源，2为第一透镜，3为第二透镜，4为第一漫反射镜，5为第二漫反射镜，6为第三透镜，7为第四透镜，8为狭缝，9为偏光元件，10为四分之一玻片，101为上部覆盖层，102为中部覆盖层，103为第一下部覆盖层，104为第二覆盖层，105为微流通道，106为手性金属纳米结构阵列，105A为微流通道进口，105B为微流通道出口。
具体实施方式
以下通过实施例对本发明做进一步的描述。
如图1所示，本实施例的手性传感设备依次包括以下组件：平行光调制系统110、线偏振光和圆偏振光切换系统120、手性传感元件100、光信号接收系统130。其中：
平行光调制系统110可以具有不同的光路结构，其允许以期望的方式放置光学组件以获得平行的光束。在具体的实施例一中，组件110由宽波带光源1、第一透镜2、第二透镜3、第一漫反射镜4、第一漫反射镜5、第三透镜6、第四透镜7和狭缝8组成。如图1所示，宽波带光源1(可以是普通的白光光源)发出的发散光经过一系列的透镜和狭缝后被调制为平行光。需要注意的是，在其他可能的实施例中，上述透镜、漫反射镜和狭缝等光学器件的位置和数量都是可以变化的。
线偏振光和圆偏振光切换系统120可以具有不同的光路结构和控制方式，其允许以期望的方式放置光学组件以实现线偏振光、左圆偏振和右圆偏振光之间的切换。在本例中，线偏振光和圆偏振光切换系统120由偏振元件9和四分之一玻片10组成。偏振元件9可以是一般的薄膜偏振片、也可以是格兰棱镜等能够实现起偏的光学元件。四分之一玻片10是一种能够实现对平面内相互垂直两个方向上的电磁波的相位延迟差异为1/4π的光学元器件，其可以是由双折射晶体加工而成，也可以是由菲涅尔反射镜组成。偏振元件9和四分之一玻片10可以手动调整角度，也可以由电脑控制角度，从而将入射的平行光转换为线偏振光、左圆偏振光或者右圆偏振光。
手性传感元件100是以手性纳米结构为核心的微流通道系统。如图2-4所示，手性传感元件100包括上部覆盖层101，中部覆盖层102，粘附层103，下部覆盖层104，微流通道105，微流通道进口105A，微流通道出口105B和手性金属纳米结构阵列106。需要注意的是：首先，构成上述各个覆盖层的物质具有很好的透光性，可以是石英、蓝宝石或者透光的高分子材料等；其次，上述所有覆盖层所包围的空间即为微流通道105，是样品溶液流经的通道。特别地，粘附层103介于手性金属纳米结构阵列106和下部覆盖层104的之间，典型的厚度在1-200nm之间，其作用是增强纳米结构阵列的附着强度；再次，手性金属纳米结构阵列106如附图3所示的，阵列的基本单元可以更换为其他任意的手性结构，阵列的组成方式也可以是任意的周期性排列。
利用手性传感设备在对待测样品进行表征时，分别获得通过左手性纳米结构前后样品的左手性的圆二色谱，并通过对比计算获得样品的圆二色谱峰的左手性移动量ΔλLH；通过同样的方法获得通过右手性金属纳米结构前后样品的圆二色谱峰的右手性移动量ΔλRH。最后通过分析ΔλLH和ΔλRH之间的相对差值的符号(即±)和大小，即可实现对生物分子手性的高灵敏表征。这种分子手性表征技术实际上是一种间接的手性表征技术，即通过检测生物分子手性依赖的手性金属纳米结构的圆二色信号的特征漂移量，实现对待检测生物分子构象的表征。同传统的圆二色技术相比，这种技术的检测灵敏度有了极大的提高，可以达到皮克量级；在系统实现上，由于这种技术是一种间接的手性表征技术，系统获得的原始圆二色信号来自于手性金属纳米结构。事实上，手性金属纳米结构的圆二色信号不仅非常强，可以达到1deg左右，而且可以通过电磁场理论和微纳加工技术，实现对整个紫外可见光波段具有手性信号响应的金属纳米结构。因而，设备系统中可以采用较低性能的设备元件，而且无需紫外光源，只要将手性金属纳米结构的圆二色信号设计在可见光波段，这就有效降低了系统实现成本和检测成本(检测中系统无需氮气保护)，提高了检测效率。
此外，手性金属纳米结构同样具有一般金属纳米结构所具有的基于表面等离子体共振(SPR)生物传感功能，即通过表征手性金属纳米结构附近折射率变化对结构的SPR峰移动量的符号(即±)和大小，就可以实现对溶液中生物分子浓度的高灵敏表征。事实上，外加电磁波(包括线性偏振光和自然偏振光)能够有效诱导金属纳米结构(包括手性金属纳米结构和非手性金属纳米结构)中电子的集体振荡，其共振的频率(即SPR峰)对金属纳米结构附近材料的折射率非常敏感，微小的折射率变化就会导致很大的SPR峰的移动量ΔλSPR，而且ΔλSPR的大小与周围折射率变化量成正比。因而，通过检测和比较生物分子在通过手性纳米结构前后的SPR峰的移动量的符号和大小，即可实现对溶液中待检测生物分子浓度的表征。在设备实现上，通过上述手性传感设备就能够完全实现此项功能。只需要在测试过程中，增加采用线偏振光作为信号源进行检测的步骤即可。因而，本发明的设备，能够同时兼容传统SPR生物传感器的功能，实现了对手性生物分子的浓度和手性的同时表征，降低了设备和检测成本，提高检测效率和准确度。
需要指出的是，上面所述只是说明本发明的一些原理，由于对相同技术领域的普通技术人员来说是很容易在此基础上进行若干修改和改动的。因此，本说明书并非是要将本发明局限在所示和所述的具体结构和适用范围内，故凡是所有可能被利用的相应修改以及等同物，均属于本发明所申请的专利范围。

Claims (10)

1.手性传感元件，其特征在于，包括具有透光性的上部覆盖层、具有透光性的中部覆盖层、具有透光性的下部覆盖层，以及由上部覆盖层、中部覆盖层、下部覆盖层形成的微流通道；在微流通道内的下部覆盖层上设置有手性纳米结构。
2.如权利要求1所述的手性传感元件，其特征在于，所述手性纳米结构呈阵列排布。
3.如权利要求2所述的手性传感元件，其特征在于，在手性纳米结构与下部覆盖层之间还设有粘附层。
4.如权利要求3所述的手性传感元件，其特征在于，所述上部覆盖层或中部覆盖层或下部覆盖层的材质为石英、蓝宝石、透光高分子材料中的任意一种。
5.手性传感设备，其特征在于，包括如权利要求1-4任意一项所述的手性传感元件。
6.如权利要求5所述的手性传感设备，其特征在于，还包括位于所述手性传感元件前方的线偏振光和圆偏振光切换系统，所述线偏振光和圆偏振光切换系统包括偏光元件和四分之一玻片，所述偏光元件位于四分之一玻片前方。
7.如权利要求6所述的手性传感设备，其特征在于，所述偏光元件为偏光片或者格兰棱镜。
8.如权利要求7所述的手性传感设备，其特征在于，还包括位于所述线偏振光和圆偏振光切换系统前方的平行光调制系统，以及位于所述手性传感元件后方的光信号接收系统。
9.基于权利要求5-8任意一项所述的手性传感设备的手性表征方法，其特征在于，分别获取通过左手性纳米结构前后的样品的左手性圆二色谱，并通过对比计算获得样品的圆二色谱峰的左手性移动量；分别获取通过右手性纳米结构前后的样品的右手性圆二色谱，并通过对比计算获得样品的圆二色谱峰的右手性移动量；分析所述左手性移动量和右手性移动量之间的相对差值的符号和大小。
10.基于权利要求5-8任意一项所述的手性传感设备的浓度表征方法，其特征在于，采用线偏振光作为信号源进行检测，通过检测和比较生物分子在通过手性纳米结构前后的SPR峰的移动量的符号和大小，实现对待检测生物分子浓度的表征。
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