CN109374730A - 用于qcm和lspr双技术生物分子检测的恒温测量池 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用于QCM和LSPR双技术生物分子检测的恒温测量池。测量池由测量池上盖、测量池底座以及恒温系统构成，测量池上盖和测量池底座均采用有机玻璃外壳和内部金属铝腔体组成的双层结构，在测量池底座内镶嵌有一对弹簧电极，用于连接芯片的两个工作电极以及芯片的驱动电路；恒温系统由米粒型温度传感器、半导体制冷片以及温度控制电路构成，温度传感器镶嵌在测量池上盖底部，制冷片布置于测量池底座上；测量池上盖和测量池底座之间由螺丝固定，并由橡胶圈密封成测量池。本发明温度控制范围较大且温度控制灵敏，可为生物分子高灵敏度和高分辨率检测提供稳定的环境；测量池外观尺寸较小，可节省生物样液，减少检测成本。
Description
技术领域
本发明涉及一种恒温测量池，具体涉及一种用于QCM和LSPR双技术生物分子检测的恒温测量池，属于测量技术领域。
背景技术
LSPR技术是在传统的表面等离子体共振(surface plasmon resonance,SPR)技术上发展起来的，利用纳米粒子的LSPR共振峰对环境介质及其敏感的特性应用于光学生物传感器中。当入射光的振动频率与金属表面的等离子振动频率(自由电子云)相匹配时，产生局域表面等离子共振，但这种振荡只能限制在有限体积的纳米颗粒中，不能向外传播，因此称为局域表面等离子体共振。LSPR技术的测量要求吸附生物分子膜和溶剂之间必须要有一定的光学对比度，也就是它们的折射率不能够相近，否则就无法采用。
QCM是一种对其表面微小质量变化敏感的无创机电传感器。通过外加电压激发石英晶体振荡器，在晶体中形成机械剪切振荡，其频率可以是基频或谐波频率。当吸附物质的质量远小于石英晶体的质量，且吸附物质均匀而刚性地分布在晶体的表面时，石英晶体振荡器共振频率的变化量Δf与其单位表面吸附质量的变化量Δm成正比。但是QCM测得的物质质量是总的吸附质量，无法区分生物分子的质量和耦合溶剂的质量。
将两种技术结合可获得以下单独由QCM或LSPR所不能得到的结果：(1)在实时跟踪薄膜的沉积过程中，可同时获得薄膜的光学特性和声学特性；并由彼此技术获得的信息对测试的约束条件和所采用的基本方程或相关理论的有效性予以实时监测和验证。(2)QCM测得的质量是包括生物分子和耦合溶剂两者在内的总耦合质量，而LSPR检测的是生物分子或吸附膜本身质量；通过双技术芯片的同步测量，可以同时获得吸附膜总的耦合质量，吸附膜本身质量和耦合溶剂的质量；并可同时获得吸附膜粘弹性变化和水化程度等信息。(3)LSPR测量要求吸附膜和溶剂的折射率必须要有一定的差异(光学对比度)，而QCM测量要求吸附膜和溶剂的粘度或密度必须要有一定的差异(声学对比度)；二者互补，可以有效避免因两种技术各自的上述限制而影响对吸附膜的准确测量。另外，在监测吸附膜厚度和质量的同时，还可获得分析物的浓度信息。
发明内容
本发明的目的在于提供一种用于QCM和LSPR双技术生物分子检测的恒温测量池，以改进背景中存在的缺陷。
本发明的目的是提供一种用于QCM和LSPR双技术生物分子检测的恒温测量池，有效避免因两种技术各自的限制而影响对吸附膜的准确测量。在监测吸附膜厚度和质量的同时，还可获得分析物的浓度信息。
本发明的目的通过以下技术方案实现：
一种用于QCM和LSPR双技术生物分子检测的恒温测量池，包括石英视窗1、样液输入口3、废液输出口4、测量池上盖5、橡胶圈7、QCM和LSPR双技术融合生物传感芯片8、半导体制冷片10、测量池底盖13；温度控制系统、QCM检测系统；所述测量池上盖5由金属铝腔体和有机玻璃外壳构成双层结构的上盖，有机玻璃外壳起隔热作用，金属铝腔体起导热作用；测量池底盖13同样由金属铝腔体和有机玻璃外壳构成双层结构的底盖，有机玻璃外壳起隔热作用，金属铝腔体起导热作用；所述QCM和LSPR双技术融合生物传感芯片8放置在测量池底盖13上，所述测量池底盖13安装有弹簧电极，弹簧电极与QCM和LSPR双技术融合生物传感芯片8的一对工作电极接触，弹簧电极在测量池底盖13背面接出引线，用于连接QCM检测系统，实现QCM技术测量；所述半导体制冷片10镶嵌在测量池底盖13的有机玻璃外壳的壳体中并贴合金属铝腔体，通过金属铝腔体传导热量，控制整个测量池内部的温度；所述测量池上盖5中心布置一个圆形的石英视窗1，石英视窗1固定于外壳和内腔组成的台阶上；所述测量池上盖5设置样液输入口3、废液输出口4；所述测量池上盖5下表面镶嵌有一个热敏电阻，当输入生物样液时，热敏电阻可探入样液中检测样液温度；所述温度控制系统与半导体制冷片10相连，控制半导体制冷片10的温度。
本发明的目的还可以通过以下技术措施予以实现：
前述用于QCM和LSPR双技术生物分子检测的恒温测量池，测量池上盖5与测量池底盖13之间通过橡胶圈7密封。
前述用于QCM和LSPR双技术生物分子检测的恒温测量池，热敏电阻型号为PSB-S7型热敏电阻。
前述用于QCM和LSPR双技术生物分子检测的恒温测量池，半导体制冷片10型号为TEC1-04910。
前述用于QCM和LSPR双技术生物分子检测的恒温测量池，在金属铝腔体表面覆盖聚四氟乙烯保护层6。
附图说明
图1为测量池组装图；
图2为测量池实物整体图；
图3为QCM检测电路图；
图4为温度控制系统图。
具体实施方式
本发明提供的一种用于QCM和LSPR双技术生物分子检测的恒温测量池，包括石英视窗1、嵌套热敏电阻圆孔2、样液输入口3、废液输出口4、测量池上盖5、橡胶圈7、QCM/LSPR双技术融合生物传感芯片8、嵌套弹簧电极的圆孔9、半导体制冷片10、有机玻璃池体11、导线沟道12、测量池底盖13；温度控制系统、QCM检测系统；如图1所示。
测量池用于放置生物传感芯片，同时是为生物样液的检测提供一个恒温密闭的反应空间。
测量池的测量池上盖5和测量池底盖13均是由有机玻璃外壳和金属铝内腔的组成的双层结构，金属铝内腔可传导热量至整个测量池的内部空间，通过恒温控制电路控制半导体制冷片10工作，使内部温度恒定，如图2所示。有机玻璃外壳既可以隔热，也可以保护金属铝内腔；测量池整体为圆柱形，测量池总体高度12.5cm，直径39.4cm。铝内腔外径为31.4cm，内径为25.4mm，给传感芯片提供一个放置空间；测量池底盖13和测量池上盖5均是由金属铝腔体和有机玻璃外壳构成的双层结构，传感芯片置于铝腔体内中心位置。
测量池底盖13放置生物芯片的位置，安装有弹簧电极，弹簧电极与生物芯片的一对工作电极接触，通过嵌套弹簧电极的圆孔9在测量池底盖13背面接出引线，用于连接生物芯片的QCM驱动电路，实现QCM技术测量；
测量池底盖13最下方布置有一对半导体制冷片10，制冷片镶嵌在有机玻璃壳体中并贴合铝腔体，通过铝腔体传导热量，控制整个测量池内的温度。
测量池上盖5中心有一个圆形石英玻璃的窗口，石英玻璃固定于外壳和内腔组成的台阶上，卤素光源发出的光束可透过窗口射入到芯片电极上的纳米材料感光区域，可实现LSPR技术测量；
测量池上盖5下面表镶嵌有一个微型热敏电阻，当输入生物样液时，热敏电阻通过嵌套热敏电阻圆孔2探入样液中检测样液温度；测量池上盖5设有生物样液的进口通道，测量池底盖13设有样液的输出通道。
测量池底盖13和测量池上盖5的有机玻璃外壳周边均布置有螺丝孔，用螺丝固定测量池上盖5和测量池底盖13，并通过橡胶圈密封测量池，构成有机玻璃池体11。
传感芯片的上电极、测量池上盖5的下边缘之间为样液的流动空间，整个空间为600微升，可节省样液的使用量；恒温系统的温度传感器选取的是PSB-S7型热敏电阻，直径仅有0.53mm，温度使用范围在-50℃到250℃之间；热敏电阻体积较小，因此将其固定在针管中，嵌入到测量池上盖5，针管与热敏电阻的空隙用胶填充，起到隔热作用。
安装于测量池底部的半导体制冷片10是一种既可以制热也可以制冷的半导体器件，它的原理是帕尔贴效应，在由两种不同材料构成的闭合回路中，当加上直流电压时，相交的结点上会出现放热或吸热现象；本系统选用型号为TEC1-04910的常用一级制冷片，温度范围为-50℃到100℃；导线沟道12用于上述系统导线的通过。
恒温电路的设计采用PID控制思想，通过单片机读取热敏电阻的电压信号即可知道它的电阻值，同时也知道了与其对应的当时的温度，与设定温度相比较，从而控制制冷片工作，如图3所示；经测试温度误差范围为1℃，温度控制范围在-20℃到80℃之间，温度每变化1℃，时间仅需1分钟。
QCM检测系统包括QCM晶体振荡驱动电路，门控开关电路，AD数据采集电路，FPGA控制模块(包括FPGA，SDRAM存储电路，UART串口驱动电路)，电源供电模块等几个部分，该检测系统可保证相位平衡和电路环路增益条件从而满足QCM振荡要求，在测量15MHz左右频率时精度高达±1Hz。如图4所示。
除上述实施例外，本发明还可以有其他实施方式，凡采用等同替换或等效变换形成的技术方案，均落在本发明要求的保护范围内。
Claims (5)
1.一种用于QCM和LSPR双技术生物分子检测的恒温测量池，其特征在于，包括石英视窗、样液输入口、废液输出口、测量池上盖、橡胶圈、QCM和LSPR双技术融合生物传感芯片、半导体制冷片、测量池底盖；温度控制系统、QCM检测系统；所述测量池上盖由金属铝腔体和有机玻璃外壳构成双层结构的上盖，有机玻璃外壳起隔热作用，金属铝腔体起导热作用；测量池底盖同样由金属铝腔体和有机玻璃外壳构成双层结构的底盖，有机玻璃外壳起隔热作用，金属铝腔体起导热作用；所述QCM和LSPR双技术融合生物传感芯片放置在测量池底盖上，所述测量池底盖安装有弹簧电极，弹簧电极与QCM和LSPR双技术融合生物传感芯片的一对工作电极接触，弹簧电极在测量池底盖背面接出引线，用于连接QCM检测系统，实现QCM技术测量；所述半导体制冷片镶嵌在测量池底盖的有机玻璃外壳的壳体中并贴合金属铝腔体，通过金属铝腔体传导热量，控制整个测量池内部的温度；所述测量池上盖中心布置一个圆形的石英视窗，石英视窗固定于外壳和内腔组成的台阶上；所述测量池上盖设置样液输入口、废液输出口；所述测量池上盖下表面镶嵌有一个热敏电阻，当输入生物样液时，热敏电阻可探入样液中检测样液温度；所述温度控制系统与半导体制冷片相连，控制半导体制冷片的温度。
2.如权利要求1所述用于QCM和LSPR双技术生物分子检测的恒温测量池，其特征在于，测量池上盖与测量池底盖之间通过橡胶圈密封。
3.如权利要求1所述用于QCM和LSPR双技术生物分子检测的恒温测量池，其特征在于，热敏电阻型号为PSB-S7型热敏电阻。
4.如权利要求1所述用于QCM和LSPR双技术生物分子检测的恒温测量池，其特征在于，半导体制冷片型号为TEC1-04910。
5.如权利要求1所述用于QCM和LSPR双技术生物分子检测的恒温测量池，其特征在于，在金属铝腔体表面覆盖聚四氟乙烯保护层。
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