CN110596052A - 一种小型多角度扫描表面等离子体共振生化分析仪 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种小型多角度扫描表面等离子体共振生化分析仪，包括水平传动模块、对称光学模块、棱镜与流通池模块、竖直传动模块、仪器环境控制模块和控制与通信模块。利用一个电机转动带动一只皮带，皮带牵引两连杆，同时调节入射光和反射光机械连杆的长度与角度，棱镜位置不变。从而改变入射角和反射角，产生一对称运动的角度调节系统。本发明的入射连杆和反射连杆上零件位置改变的微调结构，满足不同形状的棱镜光源入射和反射光路的需要。本发明还设计了压片与压力调节片配合的结构使流通池受力均匀。具有结构简单，精度高，角度检测范围宽，角度分辨率高，不受机械零件加工精度的限制等特点。

Description

一种小型多角度扫描表面等离子体共振生化分析仪
技术领域
本发明涉及生化分析检测技术领域，通过检测表面等离子体共振现象对检测对象实现无标记的定量生化分析。
背景技术
表面等离子共振技术，英文简写SPR，是近年来发展起来的一种新技术，其应用消逝波与表面等离子波发生共振原理检测生物传感芯片(biosensor chip)上分子与分析物之间的相互作用情况，探测传感媒质光学参数的变化过程。
与传统的生化分析技术相比，SPR传感技术作为一种表面检测技术，具有灵敏度高、免标记、实时快速和无损伤检测等优点，已被广泛应用在生命科学、医疗检测、药物筛选、食品检测、环境监测、毒品检测以及法医鉴定等领域，成为最通用，最具发展潜力的生化检测方法之一。
棱镜耦合型SPR传感装置的结构简单，器件制作较容易，灵敏度高，为目前应用最广泛的结构。棱镜耦合型的SPR检测方法可以分为：角度调制法，波长调制法，相位检测法和强度检测法。其中角度调制方法检测灵敏度较高，检测范围宽，应用较为广泛。
角度调制法是指在固定入射光的波长的条件下，改变光束入射角度，同时记录反射光光强随时间的变化，从而获得SPR曲线和SPR谐振角，根据谐振角出现的角度变化来检测附着在金属膜表面上的电介质变化信息的方法。
角度调制的实现方法又可以分为两种，一种是入射光为平行光，通过机械机构改变入射光源和接收器的位置，从而扫描出光强随入射角度变化的曲线，此方法检测角度的分辨率度受到机械零件加工精度的限制。另一种方法是汇聚光束法，入射光为一束不平行的会聚光，以一定的角度范围汇聚到敏感芯片上，经过反射后成为一束发散光，检测光束的光强随发散角的变化即可获得SPR的角度调制曲线，此类方法避免了机械扫描机构精度的影响，可以获得更高的精度，但是检测范围较小。
然而值得注意的是，即使是在SPR市场上占有绝对主导地位的GE公司的BIACORE系列，他们的产品主要面向对象仍然是科研院所和实验室；BIACORE装置体积庞大、价格昂贵，且为固定角度检测，无法实现气相和液相的同时检测，不适合户外监测。为了满足现场实时监测等多种场合的需要，小型化已成为SPR传感装置发展的一个主要方向。小型化的SPR传感装置体积小，便于携带和安装，更为重要的是，它可以极大地降低成本，有利于大规模生产，从而加速SPR传感装置的推广应用。这些市场的强烈需求将驱动SPR传感技术朝着小型化、高灵敏度、稳定的方向发展。
本发明角度调制检测使用了机械扫描法，设计了一种水平传动改变两路光束角度的机械结构，只利用一个电机驱动，就可以实现入射光和反射光的连杆同时改变角度，并保持入射角与反射角相等。皮带转动时实现入射光和反射光角度的改变，避免了机械零件加工误差造成的角度扫描误差。本发明角度分辨率可以达到0.002度，对应的折射率检测限为10-5RIU。
发明内容
目前表面等离子体共振仪广泛使用的是GE公司生产的Biacore系列产品，但是有着结构复杂，仪器成本高等缺点，且为固定角度检测，无法实现气相和液相的同时检测。国内相关表面等离子体共振仪研究还处于起步原理样机研制阶段。对于角度调制型SPR原理样机，有采用双电机驱动的方法，检测结构复杂，成本高，检测同步性差。而采用单电机驱动的SPR角度调制系统，其检测角度的分辨率度又受到机械零件加工精度的限制。
本发明采用的技术方案为一种小型多角度扫描表面等离子体共振生化分析仪，利用一个电机转动带动一只皮带，皮带牵引两连杆，同时调节入射光和反射光机械连杆的长度与角度，棱镜位置不变。从而产生一对称运动的角度调节系统。具有结构简单，精度高，角度检测范围宽，角度分辨率高，不受机械零件加工精度的限制等特点。
本发明还设计了入射连杆和反射连杆上零件位置改变的微调结构，满足不同形状的棱镜光源入射和反射光路的需要。
本发明还设计了压片与压力调节片配合的结构使流通池受力均匀。
为解决上述技术问题，本发明是通过以下技术方案实现的：
一种小型多角度扫描表面等离子体共振生化分析仪，包括水平传动模块、对称光学模块、棱镜与流通池模块、竖直传动模块、仪器环境控制模块和控制与通信模块。对称光学模块固定在水平传动模块上。水平传动模块为一能够进行对称运动的角度调节系统，用来调节入射光与接收光装置的角度。棱镜与流通池模块中的流通池模块搭载在棱镜上方，流通池模块包括传感芯片和微流控流通池。入射光源穿过棱镜照射到传感芯片上，与传感芯片上的生物分子发生共振后产生出射光，分析光电检测器的光强变化。水平传动模块、对称光学模块、棱镜与流通池模块、竖直传动模块和控制与通信模块均安装在仪器环境控制模块内部。竖直传动模块安装在水平传动模块上。
上述方案中，所述水平传动模块包括电机、带轮、皮带、滑块、导轨等，水平传动模块为生化分析仪的运动系统。两滑块分别固定在皮带上表面和皮带下表面，滑块能够在皮带驱动下沿导轨产生对称运动。滑块驱动对称光学模块中的连杆组。连杆组由四根连杆组成，每一侧有两根连杆，每侧的两根连杆之间为顺次平行连接，两根连杆的总长度能自动调节。每侧的两根连杆一端固定在一轴上，作为旋转中心，每侧的两根连杆的另一端分别固定在左右两滑块上，使左右两侧的连杆产生对称运动，入射光源与光电接收器分别固定在左侧连杆与右侧连杆上，棱镜与微流控传感芯片接触面的中线与旋转轴重合，固定棱镜与流通池模块。
上述方案中旋转中心与棱镜的位置固定，通过皮带传动和连杆结构自动的改变旋转臂的角度与长度。入射光源的角度随之改变，同时光路的距离保持不变。
上述方案中，所述竖直传动模块能够改变旋转中心的高度，扩大扫描角度范围。
上述方案中，所述棱镜与流通池模块中的微流控流通池在传感芯片上方水平重叠，所述流通管路一端与微流控流通池连接，另一端与自动进样泵连通。
上述方案中，所述控制与通信系统包括信号调理电路、中央处理单元和通信接口，控制与通信系统用于水平传动模块、对称光学模块、竖直传动模块、棱镜与流通池模块之间的协同工作，采集并处理光强信号，并与计算机通信交互。
与现有技术相比较，本发明具有如下技术效果：表面等离子体共振仪体积小、能满足现场检查的需要，而且具有多个阵列单元，能同时满足不同成分的同时检测，或者实现多组分检测。
本发明通过皮带导轨产生对称的水平运动，通过改变连杆结构长度产生对称的光学角度调节系统，简化了机械传动结构，精度高，控制简单，角度检测范围宽，角度分辨率高，不受机械零件加工精度的限制，同时使仪器小型化。
本发明还设计了入射连杆和反射连杆上零件位置改变的微调结构，满足不同形状的棱镜光源入射和反射光路的需要。
附图说明
图1是水平传动模块的结构示意图。
图2是对称光学模块的连杆结构与固定入射、出射光的机械结构。
图3是对称光学模块的光路结构。
图4是对称光学模块入射光角度微调结构。
图5是棱镜与流通池模块的结构示意图。
图6是竖直传动模块需要传动的结构。
图7是仪器环境控制模块。
图8是使用仪器角度扫描检测去离子水的SPR现象曲线图与理论计算值的比较。
具体实施方式
本发明提出一种表面等离子体共振仪，其特征在于，该共振仪包括水平传动模块、对称光学模块、棱镜与流通池模块、竖直传动模块、仪器环境控制模块、控制与通信模块等。水平传动模块，对称光学模块，棱镜与流通池模块相互配合完成入射光角度与光电感应器件角度对称控制，入射光光路角度与出射光光路角度一致。通过棱镜与流通池模块导入待检测试剂样本配合光路产生表面等离子体共振现象。通过实验前设定竖直传动模块参数使表面等离子体共振仪入射角能适应30°至74°范围内的角度变化，可以实现气相到液相的检测。配合共振仪整体避光设计，仪器环境控制模块用以为温度控制设计，使共振仪能连续的高效运行。控制与通信模块控制电机运动与信号检测，并把数据传输到计算机上。
如图1所示水平传动模块包括底板(1)、电机(2)、电机支架(3)、主动带轮(4)、皮带(5)、从动带轮(6)、从动轮固定(7)、从动轮支架(8)、左转接滑块(9)、右转接滑块(10)、左转接滑块皮带固定(11)、右转接滑块皮带固定(12)、左导轨滑块(13)、右导轨滑块(14)、导轨(15)和限位开关(16)。
电机支架(3)固定在底板(1)上，电机(2)固定在电机支架(3)上，电机(2)的输出轴连接主动带轮(4)，皮带(5)一侧连接主动带轮(4)，另一侧连接从动带轮(6)，从动带轮(6)固定在从动轮固定(7)上，从动轮固定(7)与从动轮支架(8)通过螺丝紧密固定，从动轮支架(8)固定在底板(1)上，底板(1)、电机(2)、电机支架(3)、主动带轮(4)、皮带(5)、从动带轮(6)、从动轮固定(7)和从动轮支架(8)之间的连接构成了电机皮带传动结构。左转接滑块(9)与左转接滑块皮带固定(11)紧密连接从而压紧皮带(5)的下半部，右转接滑块(10)与右转接滑块皮带固定(12)紧密连接从而压紧皮带(5)的上半部，使得皮带(5)能够在电机(2)驱动下运动时，左转接滑块(9)与右转接滑块(10)在皮带(5)驱动下做对称运动。左转接滑块(9)固定在左导轨滑块(13)上，左导轨滑块(13)能够在导轨(15)上滑动；右转接滑块(10)固定在右导轨滑块(14)上，右导轨滑块(14)可在导轨(15)上滑动，导轨固定在底板(1)上，这样使得左转接滑块(9)与右转接滑块(10)能够在皮带(5)驱动和导轨(15)导向下做精准的，顺畅的直线运动，同时能承受一定的压力和扭矩。运动时限位开关(16)设置在导轨(15)的一端，运动时限位开关(16)用以提供初始位置信息。
如图2、图3所示对称光学模块包括左连杆转接(17)、右连杆转接(18)、左下部连杆(19)、右下部连杆(20)、下部连杆压片(21)、左上部连杆(22)、右上部连杆(23)、上部连杆固定(24)、上部连杆固定轴(25)、固定轴压轴片(26)、竖直固定板(27)、入射光源下部固定(28)、入射光源上部固定(29)、入射光源(30)、接收光装置(31)和棱镜(32)。
左转接滑块(9)上部与左连杆转接(17)紧固连接，左转接滑块(9)下部与左导轨滑块(13)紧固连接，左导轨滑块(13)下部连接上固定在底板(1)的导轨(15)上。右转接滑块(10)上部与右连杆转接(18)紧固连接，右转接滑块(10)下部与右导轨滑块(14)紧固连接，右导轨滑块(15)下部固定在底板(1)的导轨(15)上。左连杆转接(17)与左下部连杆(19)通过一轴和轴承连接起来，左下部连杆(19)与下部连杆压片(21)之间紧固，左下部连杆(19)与下部连杆压片(21)中间套着左上部连杆(22)，从而形成左下部连杆(19)与左上部连杆(22)之间的滑动通道，连接部分使用耐磨镀层同时使用润滑油润滑，保证耐用性。右下部连杆(20)、下部连杆压片(21)、右上部连杆(23)之间的连接与左侧连接相对称。左上部连杆(22)与右上部连杆(23)套在上部连杆固定轴(25)上，固定轴两端(25)放在上部连杆固定(24)上，固定轴压轴片(26)与上部连杆固定(24)紧固从而将上部连杆固定轴(25)压紧。上部连杆固定(24)与竖直固定板(27)连接，竖直固定板(27)竖直安装在底板(1)上。入射光源下部固定(28)与入射光源上部固定(29)紧固，从而压紧并固定入射光源(30)位置，入射光源下部固定(28)、入射光源上部固定(29)和入射光源(30)三者形成入射光模块，与左上部连杆(22)连接。接收光装置(31)与右上部连杆(23)连接。入射光源(30)与接收光装置(31)与棱镜(32)之间形成光路，入射光光路始终与接收光光路对称，入射光源(30)与接收光装置(31)前部预留了足够的空间，方便用户加装各类光学器件。
图4为入射光角度微调结构，由五个孔位构成，包括旋转中心(47)、调节孔位(48)和固定孔位(49)，旋转中心(47)的数量为一个，调节孔位(48)和固定孔位(49)的数量均为两个，两个调节孔位(48)沿旋转中心(47)对角布置，两个固定孔位(49)沿旋转中心(47)对角布置。由于棱镜的形状不同光路在经过折射时会产生少许偏移。对入射光设计了一组微调孔位，当不需要微调时使用固定孔位(49)，保证角度控制精度；需要微调时，入射光源下部固定(28)可绕旋转中心(47)旋转，使用调节孔位(48)固定，入射光源(30)随之旋转。此设计能够使SPR仪器满足各种棱镜对光路的需求。
如图5所示棱镜与流通池模块包括竖直固定板(27)、棱镜(32)、棱镜固定件(33)、棱镜活动固定(34)、流通池压力调节片(35)、流通池压片(36)、流通池顶针固定(37)、流通池(38)、流通池顶针(39)。棱镜固定件(33)固定在竖直固定板(27)上，棱镜固定件(33)下部的凸出结构可安装一顶柱，顶柱将棱镜活动固定(34)向上压，棱镜(32)固定在棱镜活动固定(34)与棱镜固定件(33)之间，被顶柱压紧。棱镜固定件(33)上部左右各留有固定孔，用来固定两侧各一的流通池压片(36)，流通池压片(36)将流通池(38)左右压紧，流通池压力调节片(35)有多款标准厚度，夹在中间使得流通池压片(36)水平度好，压力均匀。或者通过流通池顶针(39)通过流通池顶针固定(37)能够从中间对流通池(38)施加压力。流通池自动进样泵和流通管路将待检测试剂导入流通池(38)的微流控芯片中，自动进样泵能控制液体使其匀速运动。
如图6所示竖直传动模块(40)包括棱镜固定件(33)、上部连杆固定(24)、流通池顶针固定(37)。
由于对称光路的要求竖直固定板(27)上固定的棱镜固定件(33)、上部连杆固定(24)、流通池顶针固定(37)相对位置不变。通过同时改变棱镜固定件(33)、上部连杆固定(24)和流通池顶针固定(37)三个零件在竖直固定板(27)的位置，使光路的角度变化范围加大至30-74°，改变此三个零件的固定位置。
如图7所示仪器环境控制模块包括外壳(43)、风扇(44)、主控板(45)和外壳盖(46)。外壳盖(46)设置在外壳(43)的一侧，主控板(45)上设有风扇(44)，主控板(45)安装在外壳(43)的内壁上；外壳(43)内壁喷上黑漆，减少杂光的影响。外壳(43)底部进风，风扇(44)固定在共振仪的背部，风扇(44)产生的风道带走共振仪内部发热元件周边的热量。
控制与通信模块控制电机完成机械扫描运动和液体的自动进样，给入射光源供电，并对出射光进行光电信号采集、处理，并把数据传输到计算机上。控制与通信模块由以下几部分构成：
电源模块：输入24v直流电，输出电压24V、12V和5V直流；
接收光装置：接收反射光信号的光检测电路；能够对多个单元阵列光电检测器进行光强采集，并导入主控制器进行分析；
步进电机控制：使用直流电源驱动步进电机运动，接收编码器信息。
主控制器：负责控制电机运动，自动进样泵控制，光信号的产生，光电信号的收集与初步分析并与计算机进行通信；
本发明仪器经实际测试结果如图8所示。将装置各机械部分装配好，电路联通完毕。棱镜上表面有一层镀金层，棱镜上方固定流通系统，流通池内使用流体泵通入纯水。接通光源入射光源(30)与接收光装置(31)。电机首先复位至原点，开始运动，使用编码器记录下电机运动的距离，传输到电脑。光源反射的光始终照射在固定的接收光装置(31)上。接收光装置(31)接收的光强实时传输在电脑上。电机运动的距离自动转换成入射光角度，电脑绘制出入射光角度与光强的变化曲线。实际测试曲线与理论值对比结果如图8所示。从实验结果上看光强的变化趋势与理论值一致。同时吸收峰角度与理论值一致，大约在57.5°。此结果证明仪器具备实用性。

Claims (10)

1.一种小型多角度扫描表面等离子体共振生化分析仪，其特征在于：包括水平传动模块、对称光学模块、棱镜与流通池模块、竖直传动模块、仪器环境控制模块和控制与通信模块；对称光学模块固定在水平传动模块上；水平传动模块为一能够进行对称运动的角度调节系统，用来调节入射光与接收光装置的角度；棱镜与流通池模块中的流通池模块搭载在棱镜上方，流通池模块包括传感芯片和微流控流通池；入射光源穿过棱镜照射到传感芯片上，与传感芯片上的生物分子发生共振后产生出射光，分析光电检测器的光强变化；水平传动模块、对称光学模块、棱镜与流通池模块、竖直传动模块和控制与通信模块均安装在仪器环境控制模块内部；竖直传动模块安装在水平传动模块上；
水平传动模块包括电机、带轮、皮带、滑块和导轨，水平传动模块为生化分析仪的运动系统；两滑块分别固定在皮带上表面和皮带下表面，滑块能够在皮带驱动下沿导轨产生对称运动；滑块驱动对称光学模块中的连杆组；连杆组由四根连杆组成，每一侧有两根连杆，每侧的两根连杆之间为顺次平行连接，两根连杆的总长度能自动调节；每侧的两根连杆一端固定在一轴上，作为旋转中心，每侧的两根连杆的另一端分别固定在左右两滑块上，使左右两侧的连杆产生对称运动，入射光源与光电接收器分别固定在左侧连杆与右侧连杆上，棱镜与微流控传感芯片接触面的中线与旋转轴重合，固定棱镜与流通池模块。
2.根据权利要求1所述的一种小型多角度扫描表面等离子体共振生化分析仪，其特征在于：旋转中心与棱镜的位置固定，通过皮带传动和连杆结构自动的改变旋转臂的角度与长度；使用一个驱动源，使入射光源与接受装置的角度随之对称改变，同时光路的距离保持不变。
3.根据权利要求1所述的一种小型多角度扫描表面等离子体共振生化分析仪，其特征在于：所述竖直传动模块能够改变旋转中心的高度，扩大扫描角度范围。
4.根据权利要求1所述的一种小型多角度扫描表面等离子体共振生化分析仪，其特征在于：所述棱镜与流通池模块中的微流控流通池在传感芯片上方水平重叠，所述流通管路一端与微流控流通池连接，另一端与自动进样泵连通。
5.根据权利要求1所述的一种小型多角度扫描表面等离子体共振生化分析仪，其特征在于：所述控制与通信系统包括信号调理电路、中央处理单元和通信接口，控制与通信系统用于水平传动模块、对称光学模块、竖直传动模块、棱镜与流通池模块之间的协同工作，采集并处理光强信号，并与计算机通信交互。
6.根据权利要求1所述的一种小型多角度扫描表面等离子体共振生化分析仪，其特征在于：入射光角度微调结构，由五个孔位构成，包括旋转中心(47)、调节孔位(48)和固定孔位(49)，旋转中心(47)的数量为一个，调节孔位(48)和固定孔位(49)的数量均为两个，两个调节孔位(48)沿旋转中心(47)对角布置，两个固定孔位(49)沿旋转中心(47)对角布置。
7.根据权利要求1所述的一种小型多角度扫描表面等离子体共振生化分析仪，其特征在于：棱镜与流通池模块包括竖直固定板(27)、棱镜(32)、棱镜固定件(33)、棱镜活动固定(34)、流通池压力调节片(35)、流通池压片(36)、流通池顶针固定(37)、流通池(38)、流通池顶针(39)；棱镜固定件(33)固定在竖直固定板(27)上，棱镜固定件(33)下部的凸出结构可安装一顶柱，顶柱将棱镜活动固定(34)向上压，棱镜(32)固定在棱镜活动固定(34)与棱镜固定件(33)之间，被顶柱压紧；棱镜固定件(33)上部左右各留有固定孔，用来固定两侧各一的流通池压片(36)，流通池压片(36)将流通池(38)左右压紧，流通池压力调节片(35)有多款标准厚度，夹在中间使得流通池压片(36)水平度好，压力均匀；或者通过流通池顶针(39)通过流通池顶针固定(37)能够从中间对流通池(38)施加压力；流通池自动进样泵和流通管路将待检测试剂导入流通池(38)的微流控芯片中，自动进样泵能控制液体使其匀速运动。
8.根据权利要求1所述的一种小型多角度扫描表面等离子体共振生化分析仪，其特征在于：竖直传动模块(40)包括棱镜固定件(33)、上部连杆固定(24)、流通池顶针固定(37)；
由于对称光路的要求竖直固定板(27)上固定的棱镜固定件(33)、上部连杆固定(24)、流通池顶针固定(37)相对位置不变；通过同时改变棱镜固定件(33)、上部连杆固定(24)和流通池顶针固定(37)三个零件在竖直固定板(27)的位置，使光路的角度变化范围加大至30-74°。
9.根据权利要求1所述的一种小型多角度扫描表面等离子体共振生化分析仪，其特征在于：仪器环境控制模块包括外壳(43)、风扇(44)、主控板(45)和外壳盖(46)；外壳盖(46)设置在外壳(43)的一侧，主控板(45)上设有风扇(44)，主控板(45)安装在外壳(43)的内壁上；外壳(43)内壁喷上黑漆；外壳(43)底部进风，风扇(44)固定在共振仪的背部。
10.根据权利要求1所述的一种小型多角度扫描表面等离子体共振生化分析仪，其特征在于：控制与通信模块控制电机完成机械扫描运动和液体的自动进样，给入射光源供电，并对出射光进行光电信号采集、处理，并把数据传输到计算机上；控制与通信模块由以下几部分构成：
电源模块：输入24v直流电，输出电压24V、12V和5V直流；
接收光装置：接收反射光信号的光检测电路；能够对多个单元阵列光电检测器进行光强采集，并导入主控制器进行分析；
步进电机控制：使用直流电源驱动步进电机运动，接收编码器信息；
主控制器：负责控制电机运动，自动进样泵控制，光信号的产生，光电信号的收集与初步分析并与计算机进行通信。
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