CN108106994A - 一种扫描式局域增强生化传感装置 - Google Patents

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张涛
高平
赵泽宇
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    • G01N21/553—Attenuated total reflection and using surface plasmons
    • G01N21/554—Attenuated total reflection and using surface plasmons detecting the surface plasmon resonance of nanostructured metals, e.g. localised surface plasmon resonance

Abstract

本发明公开了一种扫描式局域增强生化传感装置，包括：光源系统出射的光束垂直聚焦到二维扫描温度控制系统中的多通道微流控传感单元；二维扫描温度控制系统控制阵列传感单元依次通过聚焦光束并往返循环扫描，同时光谱仪实时获取对应的光谱；自动进样及清洗系统向多通道微流控传感单元注入被测样品；从传感单元透过的光束经显微成像系统中的分光镜分为两束光，透射光进入显微成像系统中的CCD探测器成像并将信号传输至计算机及上位机分析系统进行处理分析；而反射光进入光谱仪后，光谱仪采集到的光谱数据传输至计算机及上位机分析系统进行处理分析，计算机及上位机分析系统实时显示多通道检测情况。可实现高通量、多通道并行检测、实时动态检测。

Description

一种扫描式局域增强生化传感装置
技术领域
本发明属于生化传感技术领域，具体涉及一种扫描式局域增强生化传感装置。
背景技术
生化传感技术是传感技术的重要分支，关系到人们生活息息相关的公共安全、病毒、细菌检测、临床医学、环境检测等领域。传统生化传感技术通常需要标记，其中90％的工作量用在标记，主要使用放射性同位素、酶或荧光等作为标识物，安全性差和稳定性差，同时系统体积大、灵敏度低、过程繁琐、效率低。不能满足快速、灵敏、特效和高通量检测的需求。
近年来，随着纳米技术、物理化学与生命科学的交叉融合，金属微纳结构的优良电磁性质和生物亲和性引起了人们的广泛关注，无标记生化检测技术得到迅速发展，特别是表面等离子体共振(SPR)传感技术，目前利用SPR技术的分析仪已经商品化，并进入市场，已被广泛应用于临床诊断、环境监测和视频安全等，其工作原理是采用棱镜耦合加上高进度角度扫描的方式进行信号探测，BIACORE公司所产的BIACORE3000-SPR分析仪售价高达几百万，仪器体积较大，根本无法实现普及应用和满足外场探测的需求，很难达到高通量、多通道并行传感检测的目的。
发明内容
本发明要解决的技术问题是：为克服传统SPR生化传感技术低通量、成本高、系统复杂、周期长等不足，提供一种扫描式局域增强生化传感装置，利用二维扫描方式、局域表面等离子体共振技术和微流控技术，实现高通量、高灵敏度、免标记、实时显示结果以及特定温度下测量的生化传感检测技术。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：本发明提供了一种扫描式局域增强生化传感装置，包括光源系统、二维扫描温度控制系统、多通道微流控传感单元、显微成像系统、光谱采集系统、计算机及上位机分析系统、自动进样及清洗系统、废液装置。其中：光源系统出射的光束垂直聚焦到二维扫描温度控制系统中的多通道微流控传感单元；二维扫描温度控制系统中的二维电动平移台移动使聚焦光束依次通过阵列传感单元并往返循环扫描，同时光谱采集系统实时获取对应的光谱；自动进样及清洗系统向多通道微流控传感单元注入被测样品；从传感单元透过的光束经显微成像系统中的分光镜分为两束光，透射光进入显微成像系统中的CCD探测器成像并将信号传输至计算机及上位机分析系统进行处理分析；而反射光进入光谱采集系统后，光谱采集系统采集到的光谱数据传输至计算机及上位机分析系统进行处理分析，计算机及上位机分析系统实时显示多通道检测情况及结果。
上述方案中，所述光源系统包括光源、准直器和聚焦透镜；从光源出射的光束经准直器准直为平行光束，然后经聚焦透镜聚焦到传感单元。所述光源系统包含的光源采用卤钨灯、LED灯中的一种，光源的光谱范围为300～2000nm。
上述方案中，所述二维扫描温度控制系统由二维电动平移台和温度控制系统组成，该二维电动平移台采用中间镂空设计，移动精度达微米量级，用于安装多通道微流控传感单元；该温度控制系统安装在二维电动平移台上，为传感检测提供恒温条件。
上述方案中，多通道微流控传感单元包括底层的石英载玻片和上层的PDMS层，传感单元呈阵列式覆载在载波片上，单个传感单元为金属纳米阵列结构，上层PDMS层包含微流道、反应室及多通道进出口；所述石英载玻片和PDMS层通过等离子键合。
上述方案中，所述光显微成像系统由物镜、分光镜、套筒透镜和CCD探测器组成，其中物镜用于收集和准直经过传感单元的透射光，其光谱范围为：200～1800nm；分光镜用于将经物镜准直的光束分成透射光束和反射光束；其中透射光束经套筒透镜成像于CCD探测器的传感表面。光显微成像系统用于观察传感单元及光斑的位置。
上述方案中，所述光谱采集系统包含光谱仪，该光谱仪采集经分光镜的反射光谱并传输至计算机及上位机分析系统。
上述方案中，所述计算机及上位机分析系统包含计算机及计算机上的上位机软件；光谱采集系统和CCD探测器采集到的数据传输至计算机后，由计算机上的上位机软件进行数据处理和分析，同时实时显示检测结果；上位机软件同时还负责控制二维扫描温度控制系统和自动进样及清洗系统。
上述方案中，所述自动进样及清洗系统包括8路以上进样针、蠕动泵、微型气压泵、电磁阀和二维平移样品台，通过上位机软件程序化设置参数，实现多通道精确进样和清洗控制。
上述方案中，所述废液装置用于盛装剩余的被测样品废液以及清洗试剂。
本发明与现有的技术相比具有以下优点：
(1)具有自动进样及清洗功能，高精度、操作简单，利于高通量和快速检测；
(2)可实现高通量、多通道、并行检测，检测效率提高；
(3)无标记检测、实时动态检测、灵敏度高；
(4)可实现温度精确控制，为样品检测提供恒温条件；
(5)上位机一体式分析界面，操作方便。
附图说明
图1是本发明的多通道扫描式局域增强生化传感装置结构示意图；
图2是本发明的多通道扫描式局域增强生化传感装置的检测过程示意图；
图3是实施例1中的传感单元扫描检测方式。
具体实施方式
下面结合附图及具体实施方式详细介绍本发明。但本发明的保护范围并不仅限于以下实例，应包含权利要求书中的全部内容。
本发明提供了一种扫描式局域增强生化传感装置，包括光源系统1、二维扫描温度控制系统2、多通道微流控传感单元3、显微成像系统4、光谱采集系统5、计算机及上位机分析系统6、自动进样及清洗系统7、废液装置8。其中：光源系统1出射的光束垂直聚焦到二维扫描温度控制系统2中的多通道微流控传感单元3；二维扫描温度控制系统2中的二维电动平移台移动使聚焦光束依次通过阵列传感单元并往返循环扫描，同时光谱采集系统5实时获取对应的光谱；自动进样及清洗系统7向多通道微流控传感单元3注入被测样品；从传感单元透过的光束经显微成像系统4中的分光镜分为两束光，透射光进入显微成像系统4中的CCD探测器成像并将信号传输至计算机及上位机分析系统6进行处理分析；而反射光进入光谱采集系统5后，光谱采集系统5采集到的光谱数据传输至计算机及上位机分析系统6进行处理分析，计算机及上位机分析系统6实时显示多通道检测情况及结果。
图2示出了本发明扫描式局域增强生化传感装置的检测过程示意图。先将制备好的多通道微流控传感单元安装在二维扫描温度控制系统中，并采用软管与自动进样及清洗系统连接；开启显微成像系统、计算机及上位机分析系统和光源，调节光源功率和CCD探测器参数，避免数据饱和；二维电动平移台工作使得聚焦光斑对准传感单元。然后，关闭光源，采集暗光谱，开启光源，采集参考光谱；再根据多种不同待测样品，采用自动进样系统同时分别注入到独立的反应室中。二维电动平移台循环移动使得每个待测样品依次通过聚焦光斑，同时光谱仪采集此时的光谱数据，这种循环扫描式光谱检测能实现多通道实时检测。最后，利用计算机及上位机分析系统进行光谱数据处理并实时分析光谱吸收峰值偏移结果。
本实施例1中，利用本发明一种扫描式局域增强生化传感装置，用于检测不同折射率的多种样品。所选择光源系统中的光源是光谱范围在360～2000nm，电压12VDC的卤钨灯(Ocean Optics，HL-2000)，经光纤和光纤准直器出射，再经聚焦透镜聚焦于二维扫描温度控制系统上的多通道微流控传感单元，如图3所示，传感单元为4×4阵列传感芯片，聚焦光斑1照射在单个传感芯片2中心；温度控制系统设定检测所需温度，自制二维电动平移台控制传感芯片按图3所示扫描轨迹4依次通过聚焦光斑1并循环扫描，同时当每个传感芯片通过聚焦光斑时，光谱仪采集此时光谱；光谱仪选用Ocean Optics公司的Maya2000Pro光谱仪，光谱分辨率为～0.82nm。光谱仪所采集的数据通过USB2.0接口与计算机上位机分析系统进行通信，上位机分析软件包括用户界面、自动进样控制、检测、数据处理及显示这几个功能模块。

Claims (10)

1.一种扫描式局域增强生化传感装置，其特征在于：包括：光源系统(1)、二维扫描温度控制系统(2)、多通道微流控传感单元(3)、显微成像系统(4)、光谱采集系统(5)、计算机及上位机分析系统(6)、自动进样及清洗系统(7)、废液装置(8)；其中：光源系统(1)出射的光束垂直聚焦到二维扫描温度控制系统(2)中的多通道微流控传感单元(3)；二维扫描温度控制系统(2)中的二维电动平移台移动使聚焦光束依次通过阵列传感单元并往返循环扫描，同时光谱采集系统(5)实时获取对应的光谱；自动进样及清洗系统(7)向多通道微流控传感单元(3)注入被测样品；从传感单元透过的光束经显微成像系统(4)中的分光镜(42)分为两束光，透射光进入显微成像系统(4)中的CCD探测器(44)成像并将信号传输至计算机及上位机分析系统(6)进行处理分析；而反射光进入光谱采集系统(5)后，光谱采集系统(5)采集到的光谱数据传输至计算机及上位机分析系统(6)进行处理分析，计算机及上位机分析系统(6)实时显示多通道检测情况及结果。
2.根据权利要求1所述的一种扫描式局域增强生化传感装置，其特征在于：所述光源系统(1)包括光源(11)、准直器(12)和聚焦透镜(13)；从光源(11)出射的光束经准直器(12)准直为平行光束，然后经聚焦透镜(13)聚焦到传感单元。
3.根据权利要求1所述的一种扫描式局域增强生化传感装置，其特征在于：所述光源系统(1)包含的光源采用卤钨灯、LED灯等中的一种，光源的光谱范围为300～2000nm。
4.根据权利要求1所述的一种扫描式局域增强生化传感装置，其特征在于：所述二维扫描温度控制系统(3)由二维电动平移台和温度控制系统组成，该二维电动平移台采用中间镂空设计，移动精度达微米量级；该温度控制系统安装在二维电动平移台上，为传感检测提供恒温条件。
5.根据权利要求1所述的一种扫描式局域增强生化传感装置，其特征在于：多通道微流控传感单元(3)包括底层的石英载玻片和上层的PDMS层，传感单元呈阵列式覆载在载波片上，单个传感芯片为金属纳米阵列结构，上层PDMS层包含微流道、反应室及多通道进出口；所述石英载玻片和PDMS层通过等离子键合。
6.根据权利要求1所述的一种扫描式局域增强生化传感装置，其特征在于：所述光显微成像系统(4)由物镜(41)、分光镜(42)、套筒透镜(43)和CCD探测器(44)组成，其中物镜(41)用于收集和准直经过传感单元的透射光，其光谱范围为：200～1800nm；分光镜(42)用于将经物镜(41)准直的光束分成透射光束和反射光束；其中透射光束经套筒透镜(43)成像于CCD探测器(44)的传感表面。光显微成像系统(4)用于观察传感单元及光斑的位置。
7.根据权利要求1所述的一种扫描式局域增强生化传感装置，其特征在于：所述光谱采集系统(5)包含光谱仪，该光谱仪采集经分光镜(42)的反射光谱并传输至计算机及上位机分析系统(6)。
8.根据权利要求1所述的一种扫描式局域增强生化传感装置，其特征在于：所述计算机及上位机分析系统(6)包含计算机及计算机上的上位机软件；光谱采集系统(5)和CCD探测器(44)采集到的数据传输至计算机后，由计算机上的上位机软件进行数据处理和分析，同时实时显示检测结果；上位机软件同时还负责控制二维扫描温度控制系统(2)和自动进样及清洗系统(7)。
9.根据权利要求1所述的一种扫描式局域增强生化传感装置，其特征在于：所述自动进样及清洗系统(7)包括8路以上进样针、蠕动泵、微型气压泵、电磁阀和二维平移样品台，通过上位机软件程序化设置参数，实现多通道精确进样和清洗控制。
10.根据权利要求1所述的一种扫描式局域增强生化传感装置，其特征在于：所述废液装置(8)用于盛装剩余的被测样品废液以及清洗试剂。
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