CN107764778A - 零群速度共振生物分子相互作用检测方法和检测装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种零群速度共振生物分子相互作用检测方法，包括激光器发射的平行光经准直器及显微物镜后垂直入射于有待测样品的复合光流体芯片的表面，复合光流体芯片的表面置于显微物镜的焦点，物镜的焦距和复合光流体芯片中样品室的厚度需确保入射激光激发复合光流体芯片中的零群速度共振模，复合光流体芯片的反射光经过显微物镜及分束镜由图像传感器成像得到黑色环状条纹，检测黑色环状条纹的半径得到生物分子相互作用的信息。复合光流体芯片包括了依次叠置的抗反射增透膜、平板玻璃、上层金属膜、玻璃垫圈、下层金属膜和玻璃衬底。该检测方法和检测装置采用共光路设计，无需进行固相耦联，可进行微米量级分析，灵敏度高。
Description
技术领域
本发明涉及一种生物分子相互作用的检测方法和检测装置，特别是涉及一种零群速度共振生物分子相互作用检测方法和检测装置。
背景技术
生物体的一切生命活动过程，从生长发育到重要疾病的发生发展，都是通过分子间相互作用来实现的，因此，研究分子间的相互作用是理解生命活动规律的必要手段。不管是研究致病机理，新药开发，都离不开分子相互作用技术。
另外，随着我国国民经济的发展，环境污染和食品安全问题日益突出。煤矿中的瓦斯爆炸、江河水源中的严重污染的事件时有发生。据一些城市监测部门的调查报告，某些致癌物质，例：汽车尾气中的一氧化碳、二氧化碳和甲烷，大气中的SO2和H2S，饮用水中的汞、铅、锰、镉、铬等严重危害人体健康的重金属离子和食品中的有机磷、氯霉素等农药残留等，浓度超标已到了十分惊人的程度。快速、方便地检测这些有毒物质已成为当前刻不容缓的迫切任务。
目前，研究生物分子相互作用和检测农药残留、重金属离子和有毒有害气体的技术有酶联免疫分析(ELISA)、放射免疫分析(RIA)等方法，但这些技术的实验过程耗时太长并且需要标记。对于X射线光电子谱(XPS)、气相色谱(GC)、液相色谱(HPLC)和色谱-质谱(GC-MS)等联用传统分析方法，检测时需要熟练的技术人员和复杂的前处理，而且费用昂贵，设备庞大，很难满足现场快速、实时检测的要求。近年来，出现了多种无标记的生物分子相互作用研究技术，如表面等离子共振(SPR)技术、等温滴定微量热(ITC)技术、生物薄膜干涉技术(BLI)技术，双偏振干涉(DPI)技术，以及石英晶体微天平(QCM)技术等。而表面等离子体共振(SPR)技术是目前流行最广的生物分子相互作用研究技术。针对表面等离子共振(SPR)技术的研究发现，由于表面等离子波传输于金属与介质之间的界面上，而金属对可见和红外波段的光有吸收，衰减全反射曲线共振吸收峰的半宽度(FWHM)较大，严重地限制了SPR传感器的探测灵敏度。其次，传播于金属与样品表面的光场为指数衰减形式(倏逝场)，探测深度仅为200nm左右，使该技术不仅需要复杂的固相耦联过程，而且无法探测微米尺度的病毒、细菌或细胞。另外，SPR的有效折射率必须大于样品的折射率，造成较大的共振群速度，降低了光与样品的相互作用时间和距离。
发明内容
针对上述现有技术的缺陷，本发明提供了一种零群速度共振生物分子相互作用检测方法，解决SPR传感无法探测微米级生物体，需要复杂的固相耦联过程的问题。本发明还提供了零群速度共振生物分子相互作用检测装置。
本发明技术方案如下：一种零群速度共振生物分子相互作用检测方法，包括将待检测样品输入至复合光流体芯片的样品室，激光器发射的平行光经准直器及显微物镜后垂直入射于复合光流体芯片的表面，复合光流体芯片的表面置于所述显微物镜的焦点，所述显微物镜的焦距和复合光流体芯片中样品室的厚度需确保入射激光激发复合光流体芯片中的零群速度共振模，所述入射激光由复合光流体芯片反射后经过显微物镜及分束镜由图像传感器成像得到黑色环状条纹，检测黑色环状条纹的半径得到生物分子相互作用的信息；所述复合光流体芯片包括依次叠置的抗反射增透膜、平板玻璃、玻璃垫圈和玻璃衬底，所述玻璃衬底与平板玻璃之间构成样品室，所述样品室设有进样通道和出样通道，所述玻璃衬底的上表面沉积下层金属膜，所述平板玻璃的下表面沉积上层金属膜。
进一步的，在将待检测样品输入至复合光流体芯片的样品室前，先将标准样品输入至复合光流体芯片的样品室，获得标准样品的黑色环状条纹的半径与生物分子相互作用的信息的对应关系，然后根据所述对应关系及待检测样品的黑色环状条纹的半径得到待检测样品的生物分子相互作用的信息。
一种零群速度共振生物分子相互作用检测装置，包括激光器、准直器、分束镜、显微物镜、复合光流体芯片和图像传感器，所述激光器发射的平行光经准直器及显微物镜后垂直入射于复合光流体芯片的表面，所述复合光流体芯片的反射光经过显微物镜及分束镜由图像传感器成像，所述复合光流体芯片包括依次叠置的抗反射增透膜、平板玻璃、玻璃垫圈和玻璃衬底，所述玻璃衬底与平板玻璃之间构成样品室，所述样品室设有进样通道和出样通道，所述玻璃衬底的上表面沉积下层金属膜，所述平板玻璃的下表面沉积上层金属膜。
进一步的，所述抗反射增透膜由上层氟化镁和下层氟化铝组成。
优选的，所述氟化镁厚度为113nm，所述氟化铝厚度为280nm。
优选的，所述平板玻璃、玻璃垫圈和玻璃衬底均为光学玻璃，厚度均为1.5mm。
优选的，所述上层金属膜的材料为金，厚度为35nm。
优选的，所述下层金属膜的材料为金，厚度为200nm。
本发明所提供的技术方案的优点在于：复合光流体芯片厚度达毫米量级，其作为样品室和共振腔，具有大尺寸、高功率密度和高品质因子(Q值)，既可分析纳米量级、也可分析微米量级生物分子相互作用，不需要固相耦联。入射光与反射光采用共光路显微系统，使激光垂直入射于光流体芯片表面，激发增强相互作用距离和时间的零群速度共振，极大地提高了仪器的灵敏度，灵敏度可高于SPR传感器一个量级。仪器结构简单，无移动部件小型、便携、价格低廉、便与推广。
附图说明
图1为零群速度共振生物分子相互作用检测装置结构示意图。
图2为复合光流体芯片结构示意图。
图3为图像传感器成像与样品折射率关系示意图。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步说明，但不作为对本发明的限定。
请结合图1所示，本实施例所涉及的零群速度共振生物分子相互作用检测装置的结构包括激光器1、准直器2、分束镜3、显微物镜4、复合光流体芯片5、图像传感器6、用于分析生物分子相互作用的计算模块以及用于将液体样品泵入样品室或从样品室排出的注射泵(注射泵和计算模块在图上未示出)。
其中复合光流体芯片的结构请参见图2。复合光流体芯片包括依次叠置的抗反射增透膜、平板玻璃53、玻璃垫圈54和玻璃衬底55，玻璃衬底55与平板玻璃53之间构成样品室56。抗反射增透膜由折射率n＝1.3784、厚度是113nm的氟化镁(MgF2)51和折射率n＝1.70、厚度是280nm的氟化鋁(AlF3)52组成。抗反射增透膜的作用是消除激发光在平板玻璃中F-P模产生的光强调制。平板玻璃53、玻璃垫圈54和玻璃衬底55的材料为光学玻璃，三者的厚度都是1.5mm，折射率n＝1.50。平板玻璃53下表面镀35nm厚的上层金属膜57、而玻璃衬底55上表面镀200nm厚的下层金属膜58，上层金属膜57和下层金属膜58材质为金，介电系数为ε＝11.6+i1.54(λ＝632.8nm)。玻璃衬底55开设两个通孔，与样品室56连通构成进样通道59和出样通道510。注射泵通过软管与进样通道59以及出样通道510连通。
激光器1采用发射波长为632.8nm的He-Ne激光器，准直器2、分束镜3和显微物镜4置于同一光路中，图像传感器6采用线阵CCD探测元件。复合光流体芯片5设有抗反射增透膜的表面置于显微物镜4的焦点位置。激光器1发射波长为632.8nm的平行光，经准直器2穿过分束镜3再经过显微物镜4后垂直入射于复合光流体芯片5表面，显微物镜4的焦距和复合光流体芯片5中样品室的厚度能确保入射激光激发芯片中的零群速度共振模，而携带生物分子相互作用信息的反射光垂直反射，即反射光由原入射光光路返回，经过显微物镜4后由分束镜3分离，并由线阵CCD探测元件探测。反射光因共振激发(光能量耦合进入样品室)而产生的一圈黑条纹，黑条纹的半径与芯片中样品溶液的折射率密切相关。而生物分子的相互作用的直接反映是溶液折射率的变化。因此通过观察黑条纹半径的变化可分析两种生物分子相互作用的信息。
两种生物分子相互作用的检测过程是这样的，首先把含有一种生物分子(比如某种抗体)的溶液注入样品室56，再把含有能与抗体结合的抗原溶液注入样品室56。然后开启激光，可观察到CCD上黑条纹的半径随着两种生物分子相互作用而实时变化，再通过计算模块测量样品折射率的变化。两种生物分子相互作用的信息可通过标准溶液定标确定。
如图3所示，假设初始样品(未发生相互作用的抗体、抗原混合溶液)的折射率n＝1.3510，则由于零群速度共振的激发，反射光中将显现一圈黑线，复合光流体芯片中心到分束镜中心的距离为10cm，由CCD纪录并由软件计算的黑线半径为841μm。抗体和抗原发生相互作用，使样品溶液折射率增加Δn～1.0×10-6，这时，黑圈的半径变为859μm，两者之差达ΔL～18μm，这一分辨率普通的CCD探测器是完全可以达到的，折射率的变化和两种生物分子相互作用的信息可通过标准溶液定标确定。
Claims (8)
1.一种零群速度共振生物分子相互作用检测方法，其特征在于，包括步骤：将待检测样品输入至复合光流体芯片的样品室，激光器发射的平行光经准直器及显微物镜后垂直入射于复合光流体芯片的表面，复合光流体芯片的表面置于所述显微物镜的焦点，所述显微物镜的焦距和复合光流体芯片中样品室的厚度需确保入射激光激发复合光流体芯片中的零群速度共振模，所述入射激光由复合光流体芯片反射后经过显微物镜及分束镜由图像传感器成像得到黑色环状条纹，检测黑色环状条纹的半径得到生物分子相互作用的信息；所述复合光流体芯片包括依次叠置的抗反射增透膜、平板玻璃、玻璃垫圈和玻璃衬底，所述玻璃衬底与平板玻璃之间构成样品室，所述样品室设有进样通道和出样通道，所述玻璃衬底的上表面沉积下层金属膜，所述平板玻璃的下表面沉积上层金属膜。
2.根据权利要求1所述的零群速度共振生物分子相互作用检测方法，其特征在于，在将待检测样品输入至复合光流体芯片的样品室前，先将标准样品输入至复合光流体芯片的样品室，获得标准样品的黑色环状条纹的半径与生物分子相互作用的信息的对应关系，然后根据所述对应关系及待检测样品的黑色环状条纹的半径得到待检测样品的生物分子相互作用的信息。
3.一种零群速度共振生物分子相互作用检测装置，其特征在于，包括激光器、准直器、分束镜、显微物镜、复合光流体芯片和图像传感器，所述激光器发射的平行光经准直器及显微物镜后垂直入射于复合光流体芯片的表面，所述复合光流体芯片的反射光经过显微物镜及分束镜由图像传感器成像，所述复合光流体芯片包括依次叠置的抗反射增透膜、平板玻璃、玻璃垫圈和玻璃衬底，所述玻璃衬底与平板玻璃之间构成样品室，所述样品室设有进样通道和出样通道，所述玻璃衬底的上表面沉积下层金属膜，所述平板玻璃的下表面沉积上层金属膜。
4.根据权利要求3所述的零群速度共振生物分子相互作用检测装置，其特征在于，所述抗反射增透膜由上层氟化镁和下层氟化铝组成。
5.根据权利要求4所述的零群速度共振生物分子相互作用检测装置，其特征在于，所述氟化镁厚度为113nm，所述氟化铝厚度为280nm。
6.根据权利要求3所述的零群速度共振生物分子相互作用检测装置，其特征在于，所述平板玻璃、玻璃垫圈和玻璃衬底均为光学玻璃，厚度均为1.5mm。
7.根据权利要求3所述的零群速度共振生物分子相互作用检测装置，其特征在于，所述上层金属膜的材料为金，厚度为35nm。
8.根据权利要求3所述的零群速度共振生物分子相互作用检测装置，其特征在于，所述下层金属膜的材料为金，厚度为200nm。
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