CN110542657A - 一种生物分子浓度检测装置及方法 - Google Patents

一种生物分子浓度检测装置及方法 Download PDF

Info

Publication number
CN110542657A
CN110542657A CN201910847013.5A CN201910847013A CN110542657A CN 110542657 A CN110542657 A CN 110542657A CN 201910847013 A CN201910847013 A CN 201910847013A CN 110542657 A CN110542657 A CN 110542657A
Authority
CN
China
Prior art keywords
gray value
porous silicon
biomolecule
refractive index
detected
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
CN201910847013.5A
Other languages
English (en)
Inventor
贾振红
张咪
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Xinjiang University
Original Assignee
Xinjiang University
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Xinjiang University filed Critical Xinjiang University
Priority to CN201910847013.5A priority Critical patent/CN110542657A/zh
Publication of CN110542657A publication Critical patent/CN110542657A/zh
Pending legal-status Critical Current

Links

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N21/00—Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
    • G01N21/01—Arrangements or apparatus for facilitating the optical investigation
    • G01N21/03—Cuvette constructions
    • G01N21/0303—Optical path conditioning in cuvettes, e.g. windows; adapted optical elements or systems; path modifying or adjustment
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N21/00—Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
    • G01N21/17—Systems in which incident light is modified in accordance with the properties of the material investigated
    • G01N21/25—Colour; Spectral properties, i.e. comparison of effect of material on the light at two or more different wavelengths or wavelength bands
    • G01N21/255—Details, e.g. use of specially adapted sources, lighting or optical systems
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N21/00—Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
    • G01N21/17—Systems in which incident light is modified in accordance with the properties of the material investigated
    • G01N21/59—Transmissivity
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N21/00—Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
    • G01N21/01—Arrangements or apparatus for facilitating the optical investigation
    • G01N21/03—Cuvette constructions
    • G01N2021/0346—Capillary cells; Microcells
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N2201/00—Features of devices classified in G01N21/00
    • G01N2201/06—Illumination; Optics
    • G01N2201/061—Sources
    • G01N2201/06113—Coherent sources; lasers

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Health & Medical Sciences (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Analytical Chemistry (AREA)
  • Biochemistry (AREA)
  • General Health & Medical Sciences (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Immunology (AREA)
  • Pathology (AREA)
  • Spectroscopy & Molecular Physics (AREA)
  • Investigating Or Analysing Materials By Optical Means (AREA)

Abstract

本发明实施例提供一种生物分子浓度检测装置及方法，涉及生物传感器技术领域，用于低成本、高灵敏的检测生物分子的浓度。该装置包括：激光光源、多孔硅微腔、红外激光显示卡、图像采集器件以及处理器；多孔硅微腔用于承载待检测生物分子样品；红外激光显示卡用于将接收到的红外激光转换为可见光后输出；图像采集器件用于根据可见光成像；处理器用于根据第一灰度值和第二灰度值获取待检测生物分子样品的浓度；第一灰度值为多孔硅微腔加入待检测生物分子样品后，图像采集器件采集的图像的平均灰度值，第二灰度值为多孔硅微腔未加入待检测生物分子样品前，图像采集器件采集的图像的平均灰度值。本发明实施例用于检测生物分子的浓度。

Description

一种生物分子浓度检测装置及方法
技术领域
本发明属于生物传感器技术领域，具体涉及一种生物分子浓度检测装置及方法。
背景技术
多孔硅作为一种纳米孔状结构的生物材料，可被制成多种光学结构，应用在各类光学生物传感器中，如布拉格反射镜传感器、光栅耦合波导传感器、微腔传感器等。
目前，多孔硅生物传感器检测生物分子的方法主要包括两种，其一为利用生物分子会引起多孔硅生物传感器折射率变化的原理，获取加入生物分子前后多孔硅生物传感器的折射率变化，进而根据折射率变化确定生物分子浓度，此方法的检测灵敏度取决于多孔硅生物传感器的精度，但精度越高价格越贵；其二为利用生物分子荧光标记变化的原理，检测生物分子荧光标记变化，进而荧光标记变化确定生物分子浓度，此方法检测成本高，且荧光信号强度会受激光的影响，进而影响检测结果的准确性。综上，目前尚没有能够低成本、高灵敏的对生物分子检测浓度进行检测的方法或装置。
发明内容
有鉴于此，本发明提出一种生物分子浓度检测装置及方法，用于低成本、高灵敏的检测生物分子的浓度。
为了实现上述目的，本发明实施例提供技术方案如下：
第一方面，本发明实施例提供一种生物分子浓度检测装置，包括：
激光光源、依次设置于所述激光光源产生的红外激光的光路上的多孔硅微腔、红外激光显示卡和图像采集器件，以及与所述图像采集器件连接的处理器；
所述多孔硅微腔用于承载待检测生物分子样品；
所述红外激光显示卡用于接收从所述多孔硅微腔透射出的红外激光，并将接收到的红外激光转换为可见光后输出；
所述图像采集器件用于接收所述红外激光显示卡输出的可见光，并根据所述可见光成像；
所述处理器用于获取第一灰度值和第二灰度值，并根据所述第一灰度值和所述第二灰度值获取所述待检测生物分子样品的浓度；
其中，所述第一灰度值为所述多孔硅微腔加入所述待检测生物分子样品后，所述图像采集器件采集的图像的平均灰度值，所述第二灰度值为所述多孔硅微腔未加入所述待检测生物分子样品前，所述图像采集器件采集的图像的平均灰度值。
作为本发明实施例一种可选的实施方式，所述激光光源为功率为100mW、产生激光波长为1550nm的半导体激光器。。
作为本发明实施例一种可选的实施方式，所述多孔硅微腔，包括：布拉格反射镜和缺陷层；
所述布拉格反射镜和所述缺陷层满足如下公式：
nHdH＝nLdL＝λC/4；
nCdC＝λC/2；
其中，nH为所述布拉格反射镜的高折射率层的折射率，nL为所述布拉格反射镜的低折射率层的折射率，nC为所述缺陷层的折射率，dH为所述布拉格反射镜的高折射率层的厚度，dL为所述布拉格反射镜的低折射率层的厚度；dC为所述缺陷层的厚度，λC为缺陷态共振峰的波长。
作为本发明实施例一种可选的实施方式，所述多孔硅微腔的基材为晶向为100的P型单晶硅，所述多孔硅微腔透射频谱的中心波长为1550nm，所述多孔硅微腔的电阻率为0.01-0.05Ω·cm；所述高折射率层的折射率为1.52，所述低折射率层的折射率为1.21，所述高折射率层的厚度为255nm，所述低折射率层的厚度为320nm，所述缺陷层的折射率为1.21，所述缺陷层的厚度为640nm。
作为本发明实施例一种可选的实施方式，所述多孔硅微腔为经过热氧化处理、硅烷化处理、戊二醛处理的多孔硅微腔。
作为本发明实施例一种可选的实施方式，所述红外激光显示卡由红外上转换材料制作形成，所述红外上转换材料的有效转换波段为1500～1590nm。
作为本发明实施例一种可选的实施方式，所述图像采集器件为数字显微镜，所述数字显微镜的感光的波长范围为350～1050nm。
作为本发明实施例一种可选的实施方式，所述生物分子浓度检测装置还包括：测角仪；
所述多孔硅微腔固定于所述测角仪上，所述测角仪带动所述多孔硅微腔旋转至目标位置；
其中，所述目标位置为所述多孔硅微腔透射的所述红外激光的强度最大的位置。
作为本发明实施例一种可选的实施方式，所述处理器，具体用于根据所述第一灰度值、所述第二灰度值以及公式Y＝0.58X+6.94获取所述待检测生物分子样品的浓度；
其中，Y为所述第一灰度值与所述第二灰度值的差值，X为所述待检测生物分子样品的浓度。
第二方面，本发明的实施例提供了一种生物分子浓度检测方法，应用于第一方面或第一方面任一实施例方式所述的生物分子浓度检测装置，所述方法包括：
获取第一灰度值，所述第一灰度值为所述多孔硅微腔未加入待检测生物分子样品的情况下，所述图像采集器件采集的图像的平均灰度值；
获取第二灰度值，所述第二灰度值为所述多孔硅微腔加入所述待检测生物分子样品的情况下，所述图像采集器件采集的图像的平均灰度值；
根据所述第一灰度值和所述第二灰度值获取所述待检测生物分子样品的浓度。
作为本发明实施例一种可选的实施方式，在获取第一灰度值之前，所述方法还包括：
将所述多孔硅微腔旋转至目标位置后固定；
其中，所述目标位置为所述多孔硅微腔透射的所述红外激光的强度最大的位置。
作为本发明实施例一种可选的实施方式，所述根据所述第一灰度值和所述第二灰度值获取所述待检测生物分子样品的浓度，包括：
根据所述第一灰度值、所述第二灰度值以及公式Y＝0.58X+6.94获取所述待检测生物分子样品的浓度；
其中，Y为所述第一灰度值与所述第二灰度值的差值，X为所述待检测生物分子样品的浓度。
本发明实施例提供的生物分子浓度检测装置，包括：激光光源、依次设置于所述激光光源产生的红外激光的光路上的多孔硅微腔、红外激光显示卡和图像采集器件，以及与所述图像采集器件连接的处理器；其中，多孔硅微腔能够承载待检测生物分子样品；所述红外激光显示卡可以接收从所述多孔硅微腔透射出的红外激光，并将接收到的红外激光转换为可见光后输出；图像采集器件可以接收所述红外激光显示卡输出的可见光，并根据所述可见光成像；处理器可以根据多孔硅微腔加入所述待检测生物分子样品后，所述图像采集器件采集的图像的平均灰度值和多孔硅微腔未加入所述待检测生物分子样品前，所述图像采集器件采集的图像的平均灰度值获取待检测生物分子样品的浓度；即本发明实施例提供的生物分子浓度检测装置利用生物分子会引起多孔硅生物传感器透光频谱的中心频率偏移的原理，将加入待检测生物分子样品前后透射过多孔硅微腔的红外激光转为可见光，并利用可见光所成的像的平均灰度值至确定待检测生物分子样品的浓度，因此本发明实施例提供的生物分子浓度检测装置可以在不增加成本的基础上提高检测生物分子的浓度的灵敏度。
附图说明
图1为本发明实施例提供的生物分子浓度检测装置的结构示意图之一；
图2为本发明实施例提供的多孔硅微腔的结构示意图；
图3为本发明实施例提供的生物分子浓度检测装置的结构示意图之二；
图4为本发明实施例提供的生物分子浓度检测装置的结构示意图之三；
图5为本发明实施例提供的生物分子浓度检测装置的检测原理图之一；
图6为本发明实施例提供的生物分子浓度检测装置的检测原理图之二；
图7为本发明实施例提供的生物分子浓度检测装置的检测原理图之三；
图8为本发明实施例提供的生物分子浓度检测装置的检测原理图之四；
图9为本发明实施例提供的生物分子浓度检测装置的检测原理图之五；
图10为本发明实施例提供的生物分子浓度检测方法的步骤流程图。
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作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。
本文中术语“和/或”，仅仅是一种描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系，例如，A和/或B，可以表示：单独存在A，同时存在A和B，单独存在B这三种情况。另外，本文中字符“/”，一般表示前后关联对象是一种“或”的关系；在公式中，字符“/”，表示前后关联对象是一种“相除”的关系。如果不加说明，本文中的“多个”是指两个或两个以上。
为了便于清楚描述本发明实施例的技术方案，在本发明的实施例中，以了“第一”、“第二”等字样对功能或作用基本相同的相同项或相似项进行区分，本领域技术人员可以理解“第一”、“第二”等字样并不对数量和执行次序进行限定。
本发明实施例中，“示例性的”或者“例如”等词用于表示作例子、例证或说明。本发明实施例中被描述为“示例性的”或者“例如”的任何实施例或设计方案不应被解释为比其它实施例或设计方案更优选或更具优势。确切而言，使用“示例性的”或者“例如”等词旨在以具体方式呈现相关概念。在本发明实施例中，除非另有说明，“多个”的含义是指两个或者两个以上。
本发明的实施例提供了一种生物分子浓度检测装置，具体的，参照图1所示，该生物分子浓度检测装置包括：
激光光源11、依次设置于所述激光光源11产生的红外激光的光路上的多孔硅微腔12、红外激光显示卡13和图像采集器件14，以及与所述图像采集器件14连接的处理器15。
在本发明实施例提供的生物分子浓度检测装置中，所述多孔硅微腔12用于承载待检测生物分子样品。
所述红外激光显示卡13，用于接收从所述多孔硅微腔12透射出的红外激光，并将接收到的红外激光转换为可见光后输出。
所述图像采集器件14用于接收所述红外激光显示卡13输出的可见光，并根据所述可见光成像。
所述处理器15，用于获取第一灰度值和第二灰度值，并根据所述第一灰度值和所述第二灰度值获取所述待检测生物分子样品的浓度；
其中，所述第一灰度值为所述多孔硅微腔12加入所述待检测生物分子样品后，所述图像采集器14件采集的图像的平均灰度值，所述第二灰度值为所述多孔硅微腔13未加入所述待检测生物分子样品前，所述图像采集器件14采集的图像的平均灰度值。
作为本发明实施例一种可选的实施方式，所述激光光源11、所述多孔硅微腔12、所述红外激光显示卡13以及所述图像采集器件14的中心点可以位于一条直线上。
使激光光源11、多孔硅微腔12、红外激光显示卡13以及图像采集器件14位于一条直线上，可以使光路简单，方便进行光路的搭建操作，且能够减少透射光的损失。
作为本发明实施例一种可选的实施方式，所述激光光源11为功率为100mW、产生激光波长为1550nm的半导体激光器。
采用红外激光作为探测光，可减少多孔硅微腔对光的吸收，更好的发挥其光学特性，红外激光同时也是生物分子的光学窗口，可避免光对生物分子的损伤；另外，相对于中心波长在可见光波段范围内的多孔硅微腔器件来说，中心波长为1550nm的器件介质层更厚，由于多孔硅表面粗糙、起伏固定，近红外光波长较长，所以造成的检测误差相对可见光更小。
作为本发明实施例一种可选的实施方式，参照图2所示，所述多孔硅微腔12，包括：布拉格反射镜121和缺陷层122。
所述布拉格反射镜121和所述缺陷层122满足如下公式：
nHdH＝nLdL＝λC/4；
nCdC＝λC/2；
其中，nH为所述布拉格反射镜121的高折射率层1211的折射率，nL为所述布拉格反射镜121的低折射率层1212的折射率，nC为所述缺陷层122的折射率，dH为所述布拉格反射镜121的高折射率层1211的厚度，dL为所述布拉格反射镜121的低折射率层1212的厚度；dC为所述缺陷层122的厚度，λC为缺陷态共振峰的波长。
可选的，所述多孔硅微腔12的基材为晶向为100的P型单晶硅，所述多孔硅微腔透射频谱的中心波长为1550nm，所述多孔硅微腔的电阻率为0.01-0.05Ω·cm；所述布拉格反射镜121的高折射率层1211的折射率为1.52，所述布拉格反射镜121的低折射率层1212的折射率为1.21，所述布拉格反射镜121的高折射率层1211的厚度为255nm，所述布拉格反射镜121的低折射率层1212的厚度为320nm，所述缺陷层122的折射率为1.21，所述多孔硅微腔12的缺陷层122的厚度为640nm。
示例性的，本发明实施例中的多孔硅微腔12可以通过如下方式制作获得：
使用P型硅片(电阻率：0.01Ω·cm-0.05Ω·cm，厚度：400±10μm)，硅片切成1.5×1.5cm的小片，拟制备的多孔硅区域为圆形，直径为0.8cm。通过单槽阳极电化学腐蚀法制备多孔硅微腔，电解腐蚀液为氢氟酸和99％无水乙醇混合溶液(体积比为HF：C2H5OH＝1.4:1)。通过Labview程序控制反应过程中的电流密度，高低电流交替进行从而得到多孔硅微腔结构。高、低电流分别为110mA/cm2和60mA/cm2，对应腐蚀时间分别为2.5s和3s，缺陷层为高电流110mA/cm2腐蚀5s。
此外，多孔硅微腔每一介质层形成后电流停顿3s。
孔硅微腔每一介质层形成后电流停顿3s可以保证及时补充氟离子，从而使每一层腐蚀的相对均匀。
作为本发明实施例一种可选的实施例方式，所述多孔硅微腔12为经过热氧化处理、硅烷化处理、戊二醛处理的多孔硅微腔。
即，在制作获取多孔硅微腔后，还需要对获取的多孔硅微腔进行热氧化处理、硅烷化处理以及戊二醛处理。
对多孔硅微腔进行热氧化处理可以保护多孔硅微腔的结构骨架，从而提高多孔硅微腔的可靠性。
对多孔硅微腔进行硅烷化处理可以钝化并修饰多孔硅内表面。
对多孔硅微腔进行戊二醛处理可以使生物分子能够附着在多孔硅微腔内壁。
作为本发明实施例一种可选的实施例方式，所述红外激光显示卡13由红外上转换材料制作形成，所述红外上转换材料的有效转换波段为1500～1590nm。
由于普通图像采集器件的感光波长范围是350～1050nm，对许多红外波段，如1550nm左右的光纤通信波段不能响应，因此对基于红外光的数字图像法检测多孔硅微腔中的生物反应受到了限制。本发明实施例中的红外激光显示卡通过上转换发光材料可将各种不可见红外波段光束转换成可见光，因此红外激光显示卡输出的光可被用于图像采集器件成像，进而实现对红外光束的探测、追踪和识别。
作为本发明实施例一种可选的实施例方式，所述图像采集器件14为数字显微镜，所述数字显微镜的感光的波长范围为350～1050nm。
即，本发明实施例中可以使用数字显微镜(Charge-coupled Device，CCD)接收所述红外激光显示卡输出的可见光，并根据所述可见光成像。
作为本发明实施例一种可选的实施例方式，参照图3所示，所述生物分子浓度检测装置还包括：测角仪16；
所述多孔硅微腔12固定于所述测角仪16上，所述测角仪用于带动所述多孔硅微腔12旋转至目标位置后固定；
其中，所述目标位置为所述多孔硅微腔透射的所述红外激光的强度最大的位置。
通过将多孔硅微腔旋转至目标位置后固定，可以使多孔硅微腔对红外激光的透过率最大，进而减少透射光的损失，提升检测生物分子浓度的准确性。
进一步的，参照图4所示，所述生物分子浓度检测装置还包括：分束器17和探测器18；
所述分束器17设置于所述红外激光的光路上，且位于激光光源11与所述多孔硅微腔12之间，用于将所述激光光源11产生的激光分为透射激光和反射激光；
所述探测器18设置于所述反射激光的光路上，用于接收所述反射激光。
上述实施例中通过分束器17将激光光源11产生的激光分为透射激光和反射激光，并通过探测器18接收所述反射激光，因此可以根据探测器18接收的反射激光的强度修正激光光源的漂移。
以下对上述实施例提供的生物分子浓度检测装置的工作原理进行说明。
参照图5所示，图5为理论计算下多孔硅微腔透射光谱图，如图5中实曲线所示，在未加入待检测生物分子样品前，多孔硅微腔透射频谱的中心波长为1550nm；如图5虚曲线所示，在加入待检测生物分子样品后，多孔硅微腔内部折射率发生变化，当变化折射率变化0.01时，透射谱发生红移，中心波长处对应的透射率减小，即，在加入待检测生物分子样品后，红外激光的透射率变小，因此图像采集器件采集的图像的平均灰度值增大。
参照图6所示，图6为多孔硅微腔在理论计算与测量获取的透射光谱图，图6中实曲线所示，理论计算的透射光谱图的中心波长位置在1550nm处；图6中虚曲线所示，由于多孔硅自身存在散射、吸收、表面起伏的影响，导致测量获取的透射光谱反射率下降、半宽变大，但是中心波长位置仍不变，仍在1550nm处。通过图6所示多孔硅微腔在理论计算与测量获取的透射光谱图验证多孔硅微腔的透射光谱的中心频率是否在1550nm处。
参照图7所示，多孔硅微腔的折射率变化引起的下透射率的变化的曲线如图7中曲线所示。通过图7所示曲线图可以获取多孔硅微腔的折射率变化某一值时透射率的变化，也可以获取多孔硅微腔的透射率变化某一值时折射率的变化。
参照图8所示，图8为多孔硅微腔中加不同浓度的生物分子时，图像采集器件采集的图像的平均灰度值变化的趋势图。如图8所示，随着多孔硅微腔内DNA浓度不断增加，平均灰度值变化量也在增大。生物分子在1nM～10nM之间，平均灰度值变化量随加入生物分子浓度增大而增大，且变化几乎成线性关系；当生物分子浓度大于10nM时，平均灰度值变化趋势在逐渐减小并且趋于饱和。
在上述图5至图8所示原理基础上选取浓度范围1nM、2nM、5nM和10nM的生物分子浓度，测量对应的平均灰度值变化量，并对其进行拟合。拟合结果如图9所示，拟合线性方程为:Y＝0.58X+6.94，Y为加入待测量生物分子样品后的采集的图像的平均灰度值减去未加入待测量生物分子样品前采集的图像的平均灰度值，X为待测量生物分子样品的浓度，拟合系数为0.95。由于在1nM～10nM之间，透射光平均灰度值变化量与生物分子浓度呈良好的线性关系。所以，在此浓度范围内只需根据得到加入生物分子样品前后采集的图像的平均灰度值的大小算出Y值，并代入方程Y＝0.58X+6.94，即可计算出多孔硅微腔内加入的生物分子样品的浓度。
即，生物分子浓度检测装置的所述处理器，具体用于根据所述第一灰度值、所述第二灰度值以及公式Y＝0.58X+6.94获取所述待检测生物分子样品的浓度；
其中，Y为所述第一灰度值与所述第二灰度值的差值，X为所述待检测生物分子样品的浓度。
此外，由于多孔硅微腔中各层界面粗糙度的影响，检测过程中会产生偶然误差，进而影响检测精度，在检测过程中可以采用灰度值3σ作为可分辨的最小灰度值，其中σ为连续多次测量同一样品在生物反应前的灰度标准差。
示例性的，σ可以为连续10次测量同一样品在生物反应前的灰度标准差。
示例性的，若测量获取的σ值为0.77，则根据最小灰度分辨值计算出该生物分子检测装置的检测下限约为4nM。
本发明实施例提供的生物分子浓度检测装置，包括：激光光源、依次设置于所述激光光源产生的红外激光的光路上的多孔硅微腔、红外激光显示卡和图像采集器件，以及与所述图像采集器件连接的处理器；其中，多孔硅微腔能够承载待检测生物分子样品；所述红外激光显示卡可以接收从所述多孔硅微腔透射出的红外激光，并将接收到的红外激光转换为可见光后输出；图像采集器件可以接收所述红外激光显示卡输出的可见光，并根据所述可见光成像；处理器可以根据多孔硅微腔加入所述待检测生物分子样品后，所述图像采集器件采集的图像的平均灰度值和多孔硅微腔未加入所述待检测生物分子样品前，所述图像采集器件采集的图像的平均灰度值获取待检测生物分子样品的浓度；即本发明实施例提供的生物分子浓度检测装置利用生物分子会引起多孔硅生物传感器透光频谱的中心频率偏移的原理，将加入待检测生物分子样品前后透射过多孔硅微腔的红外激光转为可见光，并利用可见光所成的像的平均灰度值至确定待检测生物分子样品的浓度，因此本发明实施例提供的生物分子浓度检测装置可以在不增加成本的基础上提高检测生物分子的浓度的灵敏度。
在上述实施例提供的生物分子浓度检测装置的基础上，本发明的实施例还提供了一种生物分子浓度检测方法，具体的，参照图10所示，该生物分子浓度检测方法包括如下步骤：
S101、获取第一灰度值。
其中，所述第一灰度值为所述多孔硅微腔未加入待检测生物分子样品的情况下，所述图像采集器件采集的图像的平均灰度值。
即，在未加入待检测生物分子样品前，先通过图像采集器件采集一次图像，并获取图像采集器件采集的图像的平均灰度值。
S102、获取第一灰度值。
其中，所述第二灰度值为所述多孔硅微腔加入所述待检测生物分子样品的情况下，所述图像采集器件采集的图像的平均灰度值；
即，再获取第一灰度值后，在多孔硅微腔中加入待检测生物分子样品，然后再通过图像采集器件采集一次图像，并获取图像采集器件采集的图像的平均灰度值。
S103、根据所述第一灰度值和所述第二灰度值获取所述待检测生物分子样品的浓度。
具体的，上述步骤S103中根据所述第一灰度值和所述第二灰度值获取所述待检测生物分子样品的浓度，包括：
根据所述第一灰度值、所述第二灰度值以及公式Y＝0.58X+6.94获取所述待检测生物分子样品的浓度；
其中，Y为所述第一灰度值与所述第二灰度值的差值，X为所述待检测生物分子样品的浓度。
本实施例提供的生物分子浓度检测可以应用于上述方法实施例提供的生物分子浓度检测装置，其实现原理与技术效果类似，此处不再赘述。
本发明实施例还提供一种计算机可读存储介质，该计算机可读存储介质上存储有计算机程序，计算机程序被处理器执行时实现上述方法实施例所述的生物分子浓度检测方法。
本领域技术人员应明白，本申请的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本申请可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本申请可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质上实施的计算机程序产品的形式。
处理器可以是中央处理单元(Central Processing Unit，CPU)，还可以是其他通用处理器、数字信号处理器(Digital Signal Processor，DSP)、专用集成电路(Application Specific Integrated Circuit，ASIC)、现成可编程门阵列(Field-Programmable Gate Array，FPGA)或者其他可编程逻辑器件、分立门或者晶体管逻辑器件、分立硬件组件等。通用处理器可以是微处理器或者该处理器也可以是任何常规的处理器等。
存储器可能包括计算机可读介质中的非永久性存储器，随机存取存储器(RAM)和/或非易失性内存等形式，如只读存储器(ROM)或闪存(flash RAM)。存储器是计算机可读介质的示例。
计算机可读介质包括永久性和非永久性、可移动和非可移动存储介质。存储介质可以由任何方法或技术来实现信息存储，信息可以是计算机可读指令、数据结构、程序的模块或其他数据。计算机的存储介质的例子包括，但不限于相变内存(PRAM)、静态随机存取存储器(SRAM)、动态随机存取存储器(DRAM)、其他类型的随机存取存储器(RAM)、只读存储器(ROM)、电可擦除可编程只读存储器(EEPROM)、快闪记忆体或其他内存技术、只读光盘只读存储器(CD-ROM)、数字多功能光盘(DVD)或其他光学存储、磁盒式磁带，磁盘存储或其他磁性存储设备或任何其他非传输介质，可用于存储可以被计算设备访问的信息。根据本文中的界定，计算机可读介质不包括暂存电脑可读媒体(transitory media)，如调制的数据信号和载波。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各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：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部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各实施例技术方案的范围。

Claims (10)

1.一种生物分子浓度检测装置，其特征在于，包括：激光光源、依次设置于所述激光光源产生的红外激光的光路上的多孔硅微腔、红外激光显示卡和图像采集器件，以及与所述图像采集器件连接的处理器；
所述多孔硅微腔用于承载待检测生物分子样品；
所述红外激光显示卡用于接收从所述多孔硅微腔透射出的红外激光，并将接收到的红外激光转换为可见光后输出；
所述图像采集器件用于接收所述红外激光显示卡输出的可见光，并根据所述可见光成像；
所述处理器用于获取第一灰度值和第二灰度值，并根据所述第一灰度值和所述第二灰度值获取所述待检测生物分子样品的浓度；
其中，所述第一灰度值为所述多孔硅微腔加入所述待检测生物分子样品后，所述图像采集器件采集的图像的平均灰度值，所述第二灰度值为所述多孔硅微腔未加入所述待检测生物分子样品前，所述图像采集器件采集的图像的平均灰度值。
2.根据权利要求1所述的生物分子浓度检测装置，其特征在于，所述激光光源为功率为100mW、产生激光波长为1550nm的半导体激光器。
3.根据权利要求1所述的生物分子浓度检测装置，其特征在于，所述多孔硅微腔，包括：布拉格反射镜和缺陷层；
所述布拉格反射镜和所述缺陷层满足如下公式：
nHdH＝nLdL＝λC/4；
nCdC＝λC/2；
其中，nH为所述布拉格反射镜的高折射率层的折射率，nL为所述布拉格反射镜的低折射率层的折射率，nC为所述缺陷层的折射率，dH为所述布拉格反射镜的高折射率层的厚度，dL为所述布拉格反射镜的低折射率层的厚度；dC为所述缺陷层的厚度，λC为缺陷态共振峰的波长。
4.根据权利要求3所述的生物分子浓度检测装置，其特征在于，所述多孔硅微腔的基材为晶向为100的P型单晶硅，所述多孔硅微腔透射频谱的中心波长为1550nm，所述多孔硅微腔的电阻率为0.01-0.05Ω·cm；所述高折射率层的折射率为1.52，所述低折射率层的折射率为1.21，所述高折射率层的厚度为255nm，所述低折射率层的厚度为320nm，所述缺陷层的折射率为1.21，所述缺陷层的厚度为640nm。
5.根据权利要求1所述的生物分子浓度检测装置，其特征在于，所述多孔硅微腔为经过热氧化处理、硅烷化处理、戊二醛处理的多孔硅微腔。
6.根据权利要求1所述的生物分子浓度检测装置，其特征在于，所述红外激光显示卡由红外上转换材料制作形成，所述红外上转换材料的有效转换波段为1500～1590nm。
7.根据权利要求1所述的生物分子浓度检测装置，其特征在于，所述图像采集器件为数字显微镜，所述数字显微镜的感光的波长范围为350～1050nm。
8.根据权利要求1所述的生物分子浓度检测装置，其特征在于，所述生物分子浓度检测装置还包括：测角仪；
所述多孔硅微腔固定于所述测角仪上，所述测角仪用于带动所述多孔硅微腔旋转至目标位置后固定；
其中，所述目标位置为所述多孔硅微腔透射的所述红外激光的强度最大的位置。
9.根据权利要求1所述的生物分子浓度检测装置，其特征在于，所述处理器，具体用于根据所述第一灰度值、所述第二灰度值以及公式Y＝0.58X+6.9获取所述待检测生物分子样品的浓度；
其中，Y为所述第一灰度值与所述第二灰度值的差值，X为所述待检测生物分子样品的浓度。
10.一种生物分子浓度检测方法，其特征在于，应用于权利要求1-9任一项所述的生物分子浓度检测装置，所述方法包括：
获取第一灰度值，所述第一灰度值为所述多孔硅微腔未加入待检测生物分子样品的情况下，所述图像采集器件采集的图像的平均灰度值；
获取第二灰度值，所述第二灰度值为所述多孔硅微腔加入所述待检测生物分子样品的情况下，所述图像采集器件采集的图像的平均灰度值；
根据所述第一灰度值和所述第二灰度值获取所述待检测生物分子样品的浓度。
CN201910847013.5A 2019-09-09 2019-09-09 一种生物分子浓度检测装置及方法 Pending CN110542657A (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201910847013.5A CN110542657A (zh) 2019-09-09 2019-09-09 一种生物分子浓度检测装置及方法

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201910847013.5A CN110542657A (zh) 2019-09-09 2019-09-09 一种生物分子浓度检测装置及方法

Publications (1)

Publication Number Publication Date
CN110542657A true CN110542657A (zh) 2019-12-06

Family

ID=68712884

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201910847013.5A Pending CN110542657A (zh) 2019-09-09 2019-09-09 一种生物分子浓度检测装置及方法

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN110542657A (zh)

Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN102539361A (zh) * 2012-01-10 2012-07-04 浙江大学 检测吸光度、折射率的长光程光纤-微流控芯片传感器
CN103149134A (zh) * 2013-03-04 2013-06-12 中北大学 一种基于背光图像的焊接烟尘监测方法
CN104458658A (zh) * 2014-11-07 2015-03-25 中国计量学院 基于倾斜光纤光栅表面等离子体共振生物传感器
CN107064032A (zh) * 2017-04-12 2017-08-18 江苏农牧科技职业学院 一种液体浓度测量装置和方法
CN108931510A (zh) * 2018-05-29 2018-12-04 新疆大学 多孔硅荧光生物传感器的检测方法
CN110050182A (zh) * 2016-12-08 2019-07-23 皇家飞利浦有限公司 用于确定折射率的装置和方法

Patent Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN102539361A (zh) * 2012-01-10 2012-07-04 浙江大学 检测吸光度、折射率的长光程光纤-微流控芯片传感器
CN103149134A (zh) * 2013-03-04 2013-06-12 中北大学 一种基于背光图像的焊接烟尘监测方法
CN104458658A (zh) * 2014-11-07 2015-03-25 中国计量学院 基于倾斜光纤光栅表面等离子体共振生物传感器
CN110050182A (zh) * 2016-12-08 2019-07-23 皇家飞利浦有限公司 用于确定折射率的装置和方法
CN107064032A (zh) * 2017-04-12 2017-08-18 江苏农牧科技职业学院 一种液体浓度测量装置和方法
CN108931510A (zh) * 2018-05-29 2018-12-04 新疆大学 多孔硅荧光生物传感器的检测方法

Non-Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
PENG LI ET AL: "Hydatid detection using the near-infrared transmission angular spectra of porous silicon microcavity biosensors", 《SCIENTIFIC REPORTS》 *
PENG LI ET AL: "Spectrometer-free biological detection method using porous silicon microcavity devices", 《OPTICS EXPRESS》 *
李鹏: "基于微腔结构的多孔硅生物传感器的光学特性及其检测技术的研究", 《中国博士学位论文全文数据库 信息科技辑》 *

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US11619580B2 (en) Resonator-based ion-selective sensor
Nguyen et al. Error correction for calibration and data reduction in rotating-polarizer ellipsometry: applications to a novel multichannel ellipsometer
Whiteman et al. Comments on “Accuracy of Raman lidar water vapor calibration and its applicability to long-term measurements”
Pollinger et al. Diode-laser-based high-precision absolute distance interferometer of 20 m range
WO2019138614A1 (ja) 膜厚計測装置、膜厚計測方法、膜厚計測プログラム、及び膜厚計測プログラムを記録する記録媒体
Hangauer et al. Chirped laser dispersion spectroscopy for spectroscopic chemical sensing with simultaneous range detection
US8289525B2 (en) Optical surface measuring apparatus and method
CN104914072A (zh) 一种多孔硅光子晶体生物芯片的检测方法
CN110542657A (zh) 一种生物分子浓度检测装置及方法
Salzenstein et al. Uncertainty Estimation for the Brillouin Frequency Shift Measurement Using a Scanning Tandem Fabry–Pérot Interferometer
US6215556B1 (en) Process and device for measuring the thickness of a transparent material using a modulated frequency light source
CN117629940A (zh) 一种用于hiv抗原检测的光学检测系统及检测方法
Bai et al. The influence of laser linewidth on the Brillouin shift frequency accuracy of BOTDR
Kim et al. Quadrature laser interferometer for in-line thickness measurement of glass panels using a current modulation technique
Fernández et al. Regenerable plasmonic biosensor based on gold nanolines pattern and common laboratory spectrophotometer
JP2011107106A (ja) 光学式信号出力装置の信号処理装置及び光学式変位検出装置
Beam et al. An electroactive fiber optic chip for spectroelectrochemical characterization of ultra-thin redox-active films
Yang et al. Digital image biological detection technology based on the porous silicon periodic crystals film
Bengalskii et al. Characterization of Laser Frequency Stability by Using Phase-Sensitive Optical Time-Domain Reflectometry
Tosi et al. Optical fiber ball resonator sensor spectral interrogation through undersampled klt: Application to refractive index sensing and cancer biomarker biosensing
JPH10253892A (ja) 位相干渉顕微鏡
JP2005127748A (ja) 光熱変換測定装置及びその方法
Pandey et al. Bessel beam with a micrometer-size central spot and interferometry for small volume bioliquid refractive index measurement
CN112525862B (zh) 表面电磁模式共振高光谱成像传感器的共振波长确定方法
CN114861723B (zh) 一种应用于光纤布拉格光栅解调的系统及方法

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
RJ01 Rejection of invention patent application after publication

Application publication date: 20191206

RJ01 Rejection of invention patent application after publication