CN107356770A - 一种全自动表面等离子体共振检测仪 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种全自动表面等离子体共振检测仪，通过光学检测系统和图像处理系统、自动采样进样系统、微流控特异性芯片来检测样品浓度，其中，所述共振检测仪包括自动采样进样系统，所述自动采样进样系统包括：缓冲溶液通路，用于将缓冲溶液注入所述共振检测仪，并通过光学检测系统检测到PBS基线浓度；待测样品通路，用于将缓冲溶液注入所述共振检测仪，并通过光学检测系统、微流控特异性芯片检测出被测样品的吸附和解离曲线，从而计算出样品的浓度范围。

Description

一种全自动表面等离子体共振检测仪

技术领域

本发明涉及生命科学、材料科学和传感器等领域，具体而言，涉及一种能够恒流、自动采集样品并直接测量样品信息的全自动表面等离子体共振检测仪。

背景技术

表面等离子体共振(SPR)是一种物理光学现象。沿着金属和电介质间的界面传播的电磁波形成表面等离子体(SP)。当平行表面的偏振光以共振角照在界面上时，发生全反射，入射光与表面等离子体耦合，引起表面等离子体共振(SPR)，界面反射率显著减少。SPR对附着在金属表面的电介质非常敏感，附着在金属表面上的电介质均可被检测。折射率是电介质的固有特征，不同折射率的电介质引发SPR的共振角不同。同一种材料，附着在金属表面的量不同，SPR的响应强度不同。根据上述原理，通常将能与样品进行反应的功能电介质固定在几十纳米厚的金属(金、银等)膜表面，电介质与样品反应后，折射率变化，共振角改变，利用电介质共振角的变化对样品进行定量或定性分析。SPR传感技术可用于检测样品浓度，具有灵敏度高、所需试样少、样品无需标记及检测速度快等特点，因此被广泛用于生化、医疗、环境等分析检测领域。

SPR传感技术的仪器化从上个世纪90年代便开始发展，到目前虽然已有多种进口商品化SPR分析仪上市，但是只有瑞典Biacore的SPR分析仪技术最成熟，最适合用于实验室高灵敏分析检测，当然仪器价格也十分昂贵。在国内，SPR分析仪虽然也已有多家单位和科研院所研制多年，但目前仍然处于初级起步阶段，主要原因除了SPR传感器自身灵敏度不高外，SPR分析仪的其他关键技术不够成熟，如自动进样系统、微流控芯片技术、数据处理方法等。此外，由于目前SPR分析仪小型化设计的趋势，在自动进样等方面的设计都被忽略，因而势必降低SPR分析的性能。SPR传感分析的要求和条件相对较高，恒流微量注射进样是至关重要的，为测试的稳定性和试验数据的有效对比提供科学性。另外SPR分析仪小型化设计的趋势，稳定高精度的传动系统对仪器的性能和灵敏度也有非常大的影响，因此具有全自动检测分析功能的SPR检测仪是必须不可少的。

发明内容

本发明的目的在于提供一种测量时间短、灵敏度高的全自动表面等离子体共振检测仪。

为达上述目的，本发明采用的技术方案如下：

一种全自动表面等离子体共振检测仪，通过光学检测系统和图像处理系统来检测样品浓度，其中，所述共振检测仪包括自动采样进样系统，所述自动采样进样系统包括：

缓冲溶液通路，用于将缓冲溶液注入所述共振检测仪，并通过光学检测系统检测到PBS基线；

待测样品通路，用于将待测样品溶液注入所述共振检测仪，并通过光学检测系统检测出被测样品的吸附和解离曲线，从而通过计算机数据处理软件(该计算机数据处理软件为现有技术，具体可参见专利申请201511017431.X)计算出样品的浓度范围。

根据本发明提出的全自动表面等离子体共振检测仪，其中，所述缓冲溶液和所述待测样品都是在流通池中进行检测的。

根据本发明提出的全自动表面等离子体共振检测仪，其中：

所述缓冲溶液通路包括缓冲溶液试剂瓶、第二进样器、第二电磁阀和流通池；所述第二进样器用于从所述缓冲溶液试剂瓶中抽取缓冲溶液并输送至第二电磁阀，所述经过第二电磁阀继续,通过计算机指令控制电磁阀闭合方向将所述缓冲溶液引流至流通池；

所述待测样品通路包括样品试剂瓶、第一进样器和第一电磁阀；所述第一进样器用于从所述样品试剂瓶中抽取样品并输送至第一电磁阀，所述第一电磁阀将所述样品引流至第二电磁阀，通过计算机指令控制电磁阀闭合方向继而再引流至所述流通池。

根据本发明提出的全自动表面等离子体共振检测仪，其中：还包括废液池，分别连接所述第一电磁阀和所述废液池。

根据本发明提出的全自动表面等离子体共振检测仪，其中：所述样品试剂瓶包括多个，放置在样品盘上，所述第一进样器或第二进样器通过控制水平平移台和垂直平移台的移动来选取待采集的样品试剂瓶和采集的体积。

与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：

(1)实现恒速微量持续进样(精度1ul/s)功能；

通过微处理器控制两个微量注射泵和三通转向阀，精确控制进液速度和流量。使整个流通体系保持匀速持续的进样，避免脉冲式的进样方式对检测结果的影响。

(2)现实多样品自动选取进样和冲洗功能；

集成自动进样器，采用高精度滚珠丝杆精确控制采样针的位置，一次满足8种样品的测试。每次进样完成都可用缓冲液冲洗这个管路，避免污染。

(3)同时实现SPR曲线角度扫描和动力学扫描功能；

集成机械传动装置，满足角度光强的扫描功能，更好的实现宽角度扫描。来动力学测试提供更好的角度位置。

(4)实现曲线的自动拟合与仿真计算；

软件高度集成化，实现角度扫描、动力学扫描、曲线拟合和自动仿真计算功能。

附图说明

图1为本发明的共振检测仪在检测样本浓度时的运行流程图；

图2为本发明的自动采样进样系统的结构示意图；

图3为本发明的自动采样进样系统的采样进样过程示意图；

图4为本发明的共振检测仪的检测流程示意图。

具体实施方式

下面将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。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有付出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

请参阅图1，本发明的共振检测仪主要包括上位机、自动采样进样系统、光学系统、光学检测系统和图像处理系统几大部分。其中上位机、光学系统、光学检测系统和图像处理系统在现有的SPR检测技术中已经有广泛的应用，本发明的重点在于提供了自动采样进样系统(如图中虚线包围的内容)，能够准确快速地采集样品供后续检测。

本发明的自动采样进样系统的硬件结构如图2所示，通过上位机软件控制Y轴数字平移台3精确控制采样针4的位置，控制X轴平移台2选择八个样品的进样顺序。通过高精度第一自动进样器6来精确控制样品采样的体积。根据上位机设置的采样速度，匀速持续进样，避免脉冲式的进样方式对检测结果的影响。此时可以根据不同的检测方式可以得到动力学(结合过程)或者角度光强的曲线，从而得到PBS基线，通过对曲线的拟合仿真计算出动力学测试最佳的角度。此时光学检测系统中的检测平移台自动移动至此角度，而进样以后，第二自动进样器7根据采样的速度注入缓冲液，实时检测解离过程的曲线。同时，第一自动进样器6通过三向阀转动，抽取缓冲液冲洗进样管路，避免交叉污染。冲洗完毕，即可自动进入下个样品的测试。通过解离曲线与基线的对比，通过拟合的曲线关系式可以计算出样品的浓度范围，从而达到定量的目的。

继续参阅图3，为本发明的自动采样进样系统的采样进样过程示意图。本发明中采样进样系统包括两条通路，分别为缓冲溶液通路和待测样品通路，具体流程如下所示：

(a)注入PBS：管路先通入PBS(缓冲溶液)，第二进样器三通阀左连通右闭合，第二进样器注射泵下移PBS进入，到极限位置时，第二进样器三通阀左闭合右连通，此时第二电磁阀端口d-f连通，e-f截止，注射泵以设置的速度匀速上升，PBS溶液进入流通池，多余液体排入废液瓶。

(b)X、Y轴平移台根据上位机指令选择八个样品中的一个，采样针自动下降到再定的位置和高度之后，第一进样器三通阀左连通右闭合，第一进样器注射泵下移样品溶液进入，达到指定的体积自动停止。

(c)注入待测样品溶液：第一进样器三通阀左闭合右连通，此时第一电磁阀端口a-c连通，a-b截止，第二电磁阀端口e-f连通，d-f截止，注射泵以设置的速度匀速上升，样品溶液通过电磁阀a-c-e-f端口进入流通池，仪器对芯片表面结合过程进行实时检测。

(d)冲洗进样管路：当结合检测完成，第二进样器重复注入PBS流程，流通池始终保持匀速程序进样的过程。进样针移动至零位(PBS试剂)，第一进样器三通阀左闭合右连通，第一进样器注射泵匀速下移PBS进入至最大量程。第一电磁阀端口a-c截止，a-b连通，以较大的速度冲洗管路。此过程重复2次，冲洗第一进样器的管路，准备下次进样检测。

请继续参阅图4，为本发明的共振检测仪的检测流程示意图。本发明的共振检测仪首先进行串口设置，使上位机与下位机之间相互通信以检查数据通路是否畅通，进而进行设备初始化，包括使X轴、Y轴平移台回归初始位置，将每个电磁阀的端口位置归零等。接下来，为了预防管路中有滞留气体，需要向管路中先通入缓冲溶液PBS以排除气体。

下一步是进行角度扫描。具体包括：根据所设置的角度扫描范围，通过上位机指令控制控制伺服电机大角度转动对目标物的反射光角度的改变来进行粗扫描，并根据扫描得到的数据自动计算拐点和共振峰位置；根据计算得到的拐点和共振峰位置自动设置细扫描的位置和参数，通过上位机指令控制伺服电机小角度转动对目标物的反射光角度的改变来进行细扫描；根据细扫描得到的数据，自动计算SPR曲线图特征，包括共振角、共振半峰宽度和共振深度；根据得到的拐点、共振峰位置、共振角、共振半峰宽度和共振深度进行SPR曲线拟合，得到完整的SPR曲线。

接下来还包括，读取动力学测试角度，测试动力学曲线。具体为：通过注入从低到高浓度溶液与界面的结合反应，得到实时反应的动力学曲线，通过动力学曲线得出不同浓度的动力学曲线，并通过图表实时显示不同浓度的结合信息。

各项扫描完成后便可注入缓冲液PBS，然后注入待测样品。在检测样品的过程中，为了节省时间，还包括检测是否需要重复注入的步骤，如需要重复注入，则再次注入待测样品；如不需重复注入，则可直接注入缓冲液PBS进行管路冲洗，至此完成一次样品采集检测过程。

综上所述，本发明中通过引入自动采样进样系统，可以精确、快速地获取样品浓度参数，整个过程不需人为干预，灵敏度高，稳定性好，可广泛应用于生化、医疗、环境等分析检测领域。

本领域普通技术人员可以理解：附图只是一个实施例的示意图，附图中的模块或流程并不一定是实施本发明所必须的。

本领域普通技术人员可以理解：实施例中的装置中的模块可以按照实施例描述分布于实施例的装置中，也可以进行相应变化位于不同于本实施例的一个或多个装置中。上述实施例的模块可以合并为一个模块，也可以进一步拆分成多个子模块。最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明实施例技术方案的精神和范围。

Claims (5)

1.一种全自动表面等离子体共振检测仪，通过光学检测系统和图像处理系统来检测样品浓度，其特征在于，所述共振检测仪包括自动采样进样系统，所述自动采样进样系统包括：

缓冲溶液通路，用于将缓冲溶液注入所述共振检测仪，并通过光学检测系统检测到PBS基线；

待测样品通路，用于将待测样品溶液注入所述共振检测仪，并通过光学检测系统检测出被测样品的吸附和解离曲线，从而通过计算机数据处理软件计算出样品的浓度范围。

2.根据权利要求1所述的全自动表面等离子体共振检测仪，其特征在于，所述缓冲溶液和所述待测样品都是在流通池中进行检测的,所述流通池内贴合设置有用于对待测样品进行分析的微流控特异性芯片。

3.根据权利要求2所述的全自动表面等离子体共振检测仪，其特征在于：

所述缓冲溶液通路包括缓冲溶液试剂瓶、第二进样器、第二电磁阀和流通池；所述第二进样器用于从所述缓冲溶液试剂瓶中抽取缓冲溶液并输送至第二电磁阀，经过所述第二电磁阀，通过计算机指令控制电磁阀闭合方向继续将所述缓冲溶液引流至流通池；

所述待测样品通路包括样品试剂瓶、第一进样器和第一电磁阀；所述第一进样器用于从所述样品试剂瓶中抽取样品并输送至第一电磁阀，经过所述第一电磁阀，通过计算机指令控制两个电磁阀闭合方向将所述样品引流至第二电磁阀，继而再引流至所述流通池。

4.根据权利要求3所述的全自动表面等离子体共振检测仪，其特征在于：还包括废液池，分别连接所述第一电磁阀和所述废液池。

5.根据权利要求3所述的全自动表面等离子体共振检测仪，其特征在于：所述样品试剂瓶包括多个，放置在样品盘上，所述第一进样器或第二进样器通过控制水平平移台和垂直平移台的移动来选取待采集的样品试剂瓶和采集的体积。