CN110118730B - 基于折射率调制时间响应的免标记生物传感方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种基于折射率调制时间响应的免标记生物传感方法，属于免标记生物传感器技术领域，待测生物分子诱导磁流体中的功能化磁性纳米颗粒自组装，产生体积较大的磁性纳米颗粒团簇，改变施加或去除调制磁场时磁流体的折射率调制时间响应。同一个调制磁场作用下，不同浓度的生物分子使得磁流体产生不同的折射率调制时间响应。利用折射率传感器，测量自组装磁流体在外磁场作用下的折射率调制时间响应过程，可实现对生物分子的检测。无需对折射率传感器进行功能化，检测过程得到极大简化，解决了现有技术中出现的问题。

Description

基于折射率调制时间响应的免标记生物传感方法
技术领域
本发明涉及一种基于折射率调制时间响应的免标记生物传感方法，属于免标记生物传感器技术领域。
背景技术
按照是否使用标记物分类，生物传感器可分为标记型和免标记型两类。标记型生物传感器必须使用标记指示试剂，并使用精密设备检测标记物，传感系统价格昂贵，而且需要专业人员操作。免标记型生物传感器，无需要对待测生物信息进行标记，通过直接探测生物反应形成的物理、化学变化来检测生物量。以生物样品的原有形态进行检测，不改变生物样品特性，极大简化操作过程。因此，免标记生物传感器吸引了众多研究者的注意。
在过去几年中，基于光纤干涉仪，光学回音壁谐振器，光纤光栅，光纤耦合器，共振波导光栅等，很多种灵敏的光波导免标记生物传感器已经被开发出来。现有的免标记生物传感器多数基于折射率传感，为了把待测生物分子吸附到光学器件表面来引起折射率传感器的响应，在开展生物传感之前需要对光学器件表面进行功能化。然而，由于光学器件尺寸非常小，多数都在微纳尺度，需要特别小心的操作才能实现光学器件的功能化。而且，光学器件表面的功能化，需要专业人员操作，对人员素质要求较高。此外，由于这些光学器件尺寸极小，对器件表面进行功能化并开展生物传感实验之后，光学器件难以清洁再利用，从而难以保证生物传感的重复性。
虽然有文献“S.Lin,et.al.,ACS Nano,2013,7(2):1725–1730”报道了一种光梯度力吸附辅助的免标记生物传感器，无需对光学器件表面进行功能化，但是光梯度力对生物分子的吸附不具有选择性，不能实现特异性传感。
发明内容
为了解决免标记生物传感器面对的上述难题，本发明提供一种基于折射率调制时间响应的免标记生物传感方法。
本发明所述的基于折射率调制时间响应的免标记生物传感方法，包括以下步骤：
S1：在磁流体中的磁性纳米颗粒表面偶联分子探针，制备出功能化磁性纳米颗粒，分子探针具有特异性识别能力；
S2：把待测生物分子加入功能化磁流体，如果待测生物分子满足特异性检测条件，待测生物分子与磁性纳米颗粒表面的分子探针发生反应，诱导磁性纳米颗粒产生自组装，形成体积较大的磁性纳米颗粒团簇，由待测生物分子诱导功能化磁性纳米颗粒自组装后的磁流体变成自组装磁流体；
S3：给步骤S2中的自组装磁流体施加或去除一恒定调制磁场，磁性纳米颗粒团簇在磁流体基液中的运动速度，相对于自组装之前的功能化磁性纳米颗粒的运动速度，将会变小，磁调制对自组装磁流体产生的折射率调制时间响应会变长，在一定的响应时间内，折射率变化量变小；
S4：利用折射率传感器测量自组装磁流体在调制磁场作用下的折射率调制时间响应过程，实现对待测生物分子的免标记检测。
所述的步骤S4中利用折射率传感器测量自组装磁流体在调制磁场作用下的折射率调制时间响应过程具体包括以下步骤：
S11：把自组装磁流体添加到的折射率传感器的传感臂，检测折射率传感器的干涉条纹曲线；
S12：对自组装磁流体施加一个调制磁场，随着磁场作用时间的增加，自组装磁流体折射率将逐渐变化；
S13：记录折射率传感器在不同时刻的干涉条纹曲线，得出随着调制磁场作用时间的增加，干涉条纹的谐振波长的变化规律；
S14：选择步骤S13中干涉条纹曲线中的任意一条，记录其相对于步骤S11中折射率传感器的干涉条纹曲线的谐振波长漂移量；
S15：通过检测步骤S14中干涉条纹曲线的谐振波长漂移量，可实现免标记生物传感。
所述的步骤S15中干涉条纹曲线的谐振波长漂移量正比于自组装磁流体的磁致折射率变化量，在一定的时间内，自组装磁流体的磁致折射率变化量反比于待测生物分子浓度。
所述的步骤S3中为基于磁流体的磁致折射率变化的磁光特性。
所述的磁流体中的磁性纳米颗粒尺寸与磁致折射率变化响应时间成正比，体积较小的磁性纳米颗粒，在调制磁场作用下，磁致折射率变化响应时间较短；反之，磁致折射率变化响应时间较长；即在一定的响应时间内，自组装磁流体的磁致折射率变化量反比于磁性纳米颗粒的尺寸。
本发明与现有技术相比，具有如下有益效果：
本发明所述的基于折射率调制时间响应的免标记生物传感方法，待测生物分子诱导磁流体中的功能化磁性纳米颗粒自组装，产生体积较大的磁性纳米颗粒团簇，改变施加或去除调制磁场时磁流体的折射率调制时间响应。同一个调制磁场作用下，不同浓度的生物分子使得磁流体产生不同的折射率调制时间响应。利用折射率传感器，测量自组装磁流体在外磁场作用下的折射率调制时间响应过程，可实现对生物分子的检测。无需对折射率传感器进行功能化，检测过程得到极大简化；具有以下优点：
1.无需对折射率传感器表面进行功能化，极大简化了免标记生物传感实验的开展难度；
2.待测生物分子与功能化磁性纳米颗粒的偶联，实验操作简单，容易实现；
3.市场上有可靠的高精度折射率传感器可供选择，可以充分保证本发明免标记生物传感器的高精度。
附图说明
图1为本发明基于折射率调制时间响应的免标记生物传感方法实施例1中生物分子诱导磁功能化磁性纳米颗粒的自组装的示意图；
图2为本发明基于折射率调制时间响应的免标记生物传感方法实施例1中整体的步骤流程图；
图3为本发明基于折射率调制时间响应的免标记生物传感方法实施例2中利用折射率传感器测量自组装磁流体在调制磁场作用下的折射率调制时间响应过程的步骤流程图；
图4为本发明基于折射率调制时间响应的免标记生物传感方法实施例2中调制磁场作用时间一定时，干涉仪的干涉条纹曲线谐振波长漂移量与生物分子浓度的对应数据变化图；
图5为本发明基于折射率调制时间响应的免标记生物传感方法实施例2中光纤干涉仪干涉条纹谐振波长随时间的漂移图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明：
实施例1：
如图1-2所示，本发明所述的基于折射率调制时间响应的免标记生物传感方法，包括以下步骤：
S1：在磁流体中的磁性纳米颗粒表面偶联分子探针，制备出功能化磁性纳米颗粒，分子探针具有特异性识别能力；
S2：把待测生物分子加入功能化磁流体，如果待测生物分子满足特异性检测条件，待测生物分子与磁性纳米颗粒表面的分子探针发生反应，诱导磁性纳米颗粒产生自组装，形成体积较大的磁性纳米颗粒团簇，由待测生物分子诱导功能化磁性纳米颗粒自组装后的磁流体变成自组装磁流体；
S3：给步骤S2中的自组装磁流体施加或去除一恒定调制磁场，磁性纳米颗粒团簇在磁流体基液中的运动速度，相对于自组装之前的功能化磁性纳米颗粒的运动速度，将会变小，磁调制对自组装磁流体产生的折射率调制时间响应会变长；
S4：利用折射率传感器测量自组装磁流体在调制磁场作用下的折射率调制时间响应过程，实现对待测生物分子的免标记检测。
为了进一步说明上述实施例，步骤S3中为基于磁流体的磁致折射率变化的磁光特性。
为了进一步说明上述实施例，磁流体中的磁性纳米颗粒尺寸与磁致折射率变化响应时间成正比，体积较小的磁性纳米颗粒，在调制磁场作用下，磁致折射率变化响应时间较短；反之，磁致折射率变化响应时间较长；即在一定的响应时间内，自组装磁流体的磁致折射率变化量反比于磁性纳米颗粒的体积。
本实施例的工作原理为：磁流体具有磁致折射率变化、磁致双折射、磁光二向色性、磁光法拉第效应多种磁光特性。本发明基于磁流体的磁致折射率变化设计生物传感器。施加调制磁场后磁流体的折射率变化有一定的响应时间。磁流体中的磁性纳米颗粒尺寸是影响磁致折射率变化响应时间的关键因素。体积较小的磁性纳米颗粒，在磁流体中运动时，受到基液的粘滞阻力较小，运动速度快，所以，在调制磁场作用下，磁致折射率变化响应时间较短；反之，磁致折射率变化响应时间较长。
如图1所示，通过在磁性纳米颗粒表面偶联分子探针，可以制备出功能化磁性纳米颗粒，分子探针具有特异性识别能力，可以与特异性待测生物分子发生反应，待测生物分子诱导功能化磁性纳米颗粒产生自组装，形成体积较大的磁性纳米颗粒团簇。本发明把这时的磁流体定义为自组装磁流体。
由于磁性纳米颗粒团簇的体积大于单个功能化磁性纳米颗粒，施加调制磁场时，相对于功能化磁流体，自组装磁流体的折射率调制响应时间将会延长。若调制磁场的作用时间一定，自组装磁流体的磁致折射率变化量相对于功能化磁流体将会变小。因此，在给定时间内，自组装磁流体的磁致折射率变化量反比于待测生物分子浓度。根据特定时间内磁调制导致的自组装磁流体折射率变化量，可以检测出待测生物分子的浓度，从而实现生物传感。
实施例2：
如图3所示，在实施例1的基础上，利用折射率传感器测量自组装磁流体在调制磁场作用下的折射率调制时间响应过程，以基于干涉仪的折射率传感器为例，但是不局限于该原理的折射率传感器，所有可以测量液体折射率的传感器都适用于本发明。
包括以下步骤：
S11：把自组装磁流体添加到的折射率传感器的传感臂，记录折射率传感器的干涉条纹曲线；
S12：对自组装磁流体施加一个调制磁场，随着磁场作用时间的增加，自组装磁流体折射率将逐渐变化；
S13：记录折射率传感器的干涉条纹曲线，得出随着调制磁场作用时间的增加，干涉条纹的谐振波长的变化规律；
S14：选择步骤S13中干涉条纹曲线中的任意一条，记录其相对于步骤S11中折射率传感器的干涉条纹曲线的谐振波长漂移量，并检测该波长漂移量随待测生物分子浓度的变化而变化的规律；
S15：通过检测步骤S14中干涉条纹曲线的谐振波长漂移量，可实现免标记生物传感。
为了进一步说明上述实施例，步骤S15中干涉条纹曲线的谐振波长漂移量正比于自组装磁流体的磁致折射率变化量，在一定的响应时间内，自组装磁流体的磁致折射率变化量反比于待测生物分子浓度，即干涉条纹曲线谐振波长漂移量反比于生物分子浓度，如图4所示。图4的横轴是以μg/mL为单位的待测生物分子浓度的对数，即log(生物分子浓度)；图4的纵轴是调制磁场作用时间为20秒时，基于干涉仪的折射率传感器的干涉条纹曲线谐振波长漂移量；根据本发明中的实施方法即可以得出基于干涉仪的折射率传感器的干涉条纹曲线谐振波长漂移量与待测生物分子浓度的数据对应变化图，不同的折射率传感器以及不同的调制磁场时间所得出的变化图的横轴和纵轴的数据范围也不同。
以下内容，以浓度为1μg/mL的待测生物分子为例，介绍生物传感过程。
本实施例的工作原理为：如图5所示，作为优选，以基于光纤马赫-曾德干涉仪的折射率传感器，来说明免标记生物分子检测过程。免标记生物分子检测的具体检测过程如下：
①把由相应浓度的待测生物分子诱导的自组装磁流体，添加到光纤马赫-曾德干涉仪的传感臂，干涉仪的干涉条纹如图5中曲线a所示；
②对自组装磁流体施加一个调制磁场，随着磁场作用时间的增加，自组装磁流体折射率将逐渐变化；
③当调制磁场的作用时间分别为10、20、30秒时，得到光纤马赫-曾德干涉仪的折射率传感器的干涉条纹分别如图5中曲线b、c、d所示，可以看出，随着调制磁场作用时间的增加，干涉条纹的谐振波长往短波方向移动；
④选择曲线c进行分析，其谐振波长相对于曲线a向左漂移了4.8nm，根据图4，可检测出该待测生物分子的浓度为1μg/mL。通过检测谐振波长漂移量，实现了对待测生物分子浓度的检测，从而实现免标记生物传感。
采用以上结合附图描述的本发明的实施例的基于折射率调制时间响应的免标记生物传感方法，待测生物分子诱导磁流体中的功能化磁性纳米颗粒自组装，产生体积较大的磁性纳米颗粒团簇，改变施加或去除调制磁场时磁流体的折射率调制时间响应。同一个调制磁场作用下，不同浓度的生物分子使得磁流体产生不同的折射率调制时间响应。利用折射率传感器，测量自组装磁流体在外磁场作用下的折射率调制时间响应过程，可实现对生物分子的检测。无需对折射率传感器进行功能化，检测过程得到极大简化。但本发明不局限于所描述的实施方式，在不脱离本发明的原理和精神的情况下这些对实施方式进行的变化、修改、替换和变形仍落入本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种基于折射率调制时间响应的免标记生物传感方法，其特征在于：所述的方法包括以下步骤：
S1：在磁流体中的磁性纳米颗粒表面偶联分子探针，制备出功能化磁性纳米颗粒，分子探针具有特异性识别能力；
S2：把待测生物分子加入功能化磁流体，如果待测生物分子满足特异性检测条件，待测生物分子与磁性纳米颗粒表面的分子探针发生反应，诱导磁性纳米颗粒产生自组装，形成体积较大的磁性纳米颗粒团簇，由待测生物分子诱导功能化磁性纳米颗粒自组装后的磁流体变成自组装磁流体；
S3：给步骤S2中的自组装磁流体施加或去除一恒定调制磁场，磁性纳米颗粒团簇在磁流体基液中的运动速度，相对于自组装之前的功能化磁性纳米颗粒的运动速度，将会变小，磁调制对自组装磁流体产生的折射率调制时间响应会变长，在一定的响应时间内，折射率变化量变小；
S4：利用折射率传感器测量自组装磁流体在调制磁场作用下的折射率调制时间响应过程，在给定时间内，自组装磁流体的磁致折射率变化量反比于待测生物分子浓度，根据给定时间内磁调制导致的自组装磁流体折射率变化量，检测出待测生物分子的浓度，实现对待测生物分子的免标记检测。
2.根据权利要求1所述的基于折射率调制时间响应的免标记生物传感方法，其特征在于：所述的步骤S4中利用折射率传感器测量自组装磁流体在调制磁场作用下的折射率调制时间响应过程具体包括以下步骤：
S11：把自组装磁流体添加到的折射率传感器的传感臂，检测折射率传感器的干涉条纹曲线；
S12：对自组装磁流体施加一个调制磁场，随着磁场作用时间的增加，自组装磁流体折射率将逐渐变化；
S13：记录折射率传感器在不同时刻的干涉条纹曲线，得出随着调制磁场作用时间的增加，干涉条纹的谐振波长的变化规律；
S14：选择步骤S13中干涉条纹曲线中的任意一条，记录其相对于步骤S11中折射率传感器的干涉条纹曲线的谐振波长漂移量；
S15：通过检测步骤S14中干涉条纹曲线的谐振波长漂移量，可实现免标记生物传感。
3.根据权利要求2所述的基于折射率调制时间响应的免标记生物传感方法，其特征在于：所述的步骤S14中还包括检测干涉条纹曲线波长漂移量随待测生物分子浓度的变化而变化的规律，干涉条纹曲线的谐振波长漂移量正比于自组装磁流体的磁致折射率变化量，在一定的响应时间内，自组装磁流体的磁致折射率变化量反比于待测生物分子浓度。
4.根据权利要求1所述的基于折射率调制时间响应的免标记生物传感方法，其特征在于：所述的步骤S3中为基于磁流体的磁致折射率变化的磁光特性。
5.根据权利要求4所述的基于折射率调制时间响应的免标记生物传感方法，其特征在于：所述的磁流体中的磁性纳米颗粒尺寸与磁致折射率变化响应时间成正比；同时，在一定的响应时间内，自组装磁流体的磁致折射率变化量反比于磁性纳米颗粒的尺寸。
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