CN111208114A - 表面增强拉曼散射/荧光结合spr传感的检测方法及装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种表面增强拉曼散射/荧光结合SPR传感的检测方法及装置。SPR激发光源照射到微纳金属传感芯片的背面，通过棱镜激发微纳金属传感芯片背面产生SPR共振现象，相位检测装置读取反射光相位携带的微纳金属传感芯片正表面附近折射率变化的信号（SPR信号）；SERS激发光源照射在微纳金属传感芯片的正面，通过微透镜组和光纤组收集收集拉曼光谱信号，拉曼信号检测装置读取拉曼散射信号（SERS信号）；SPR信号反应待测物质的浓度导致的折射率变化，待测物质的浓度和SERS信号正相关。本发明提高了检测灵敏性和特异性，减少了干扰，可具有多通道，有高通量应用前景，检测便捷快速，适用性广，功能多样。
Description
技术领域
本发明属于光学传感领域，涉及一种表面增强拉曼散射/荧光结合SPR传感的检测方法及装置。
背景技术
对于新型冠状病毒等造成的流行疾病，目前主流检测手段是采用荧光定量PCR法检测核酸，但仍存在耗时长、操作繁琐、对早期疑似患者的排查灵敏度不够等问题。因此亟需研究更加灵敏、快速、高效的新型病毒抗体检测技术。通常病毒抗体在潜伏期病人或者免疫功能较弱的病人的体液中的含量较低，容易造成假阴性。如何提升检出率（降低假阴性的出现）具有重要意义。类似地，对于某些肿瘤的早期检测，血液中肿瘤抗原丰度很低，要求高灵敏度地检测血液中的肿瘤抗原。 针对肿瘤抗原一般可采用一抗二抗的夹心法，而针对检测病毒抗体一般可用的是间接法。
表面等离子体共振（surface plasmon resonance，以下简称SPR）是一种物理光学现象。当光以特定入射角入射至电介质和金属表面时，界面产生SPR现象，反射光的相位和光强会发生跃变和衰减。而电介质的折射率变化会改变产生SPR现象的条件，因此出射光的光学性质会对折射率变化有非常灵敏的响应。当系统的SPR现象越明显，即光强衰减程度越高，共振状态越容易被打破，也就是反射光光学性质对折射率的变化越敏感。
发明内容
为了克服现有技术的不足，本发明的目的是提供一种表面增强拉曼散射/荧光结合SPR传感的检测方法及装置。
一种表面增强拉曼/荧光结合SPR传感的检测方法，SPR激发光源照射到微纳金属传感芯片的背面，通过棱镜激发微纳金属传感芯片背面产生SPR共振现象，相位检测装置读取反射光相位携带的微纳金属传感芯片正表面附近折射率变化的信号（SPR信号）；
SERS激发光源照射在微纳金属传感芯片的正面，通过微透镜组和光纤组收集收集拉曼光谱信号，拉曼信号检测装置读取拉曼散射信号（SERS信号）；
所述的微纳金属传感芯片同时支持SPR导波模式与增强了拉曼散射/荧光的SERS信号；
所述的微纳金属传感芯片的正面设有待测物质的第一结合物，待测物质与第一结合物特异性结合后， 待测物质的第二结合物通过待测物质与第一结合物相连，待测物质的第二结合物具有拉曼探针或者荧光探针；SPR信号反应待测物质的浓度导致的折射率变化，待测物质的浓度和SERS信号正相关。
所述的拉曼信号检测装置为拉曼图谱仪，即高光谱分辨率的图谱仪，适用于拉曼散射和荧光的图谱，图谱仪相机中的二维探测器其中一维用于光谱探测，另一维用于空间线成像，而空间另一维图像是通过空间线扫面拼接成像。
所述的拉曼信号检测装置为拉曼图谱仪，设有滤波片滤出特征波长的光，图谱仪二维探测相机一次成像避免空间扫描，检测表面增强荧光信号在微纳金属传感芯片上的空间分布。
进一步，所述的微纳金属传感芯片正表面上再铺上一层带周期性微纳空槽阵列的介质薄膜，空槽开口的大小适合防止较大尺寸的非特异性物质通过空槽，减少非特异性吸附， 并有助于对与待测物质的浓度成正比的拉曼/荧光探针数目的精确计量。
一种表面增强拉曼散射/荧光结合SPR传感的检测装置，包括SPR检测单元和SERS检测单元，所述的SPR检测单元包括依光路顺次相连的SPR激发光源、物镜、光阑、入射透镜、棱镜、微纳金属传感芯片、出射透镜、相位检测器，其中所述的微纳金属传感芯片位于棱镜的表面；
所述的SERS检测单元包括SERS激发光源、准直器、二向色镜、微透镜组A、光纤、微透镜组B、前置物镜、拉曼/荧光图谱仪和所述的微纳金属传感芯片；
SERS激发光源发出的激光经过准直器后照射至二向色镜，经反射后经微透镜组A 耦合到光纤中，通过微透镜组B 出射后入射到微纳金属传感芯片，所述的微透镜组A、光纤以及微透镜组B组成多通道的光纤探头阵列，微纳金属传感芯片激发出的信号再次被多通道的光纤探头阵列接收后从二向色镜准直出射，然后被拉曼/荧光图谱仪的前置物镜收集再传到拉曼/荧光图谱仪。
进一步，所述的微纳金属传感芯片正表面上再铺上一层带周期性微纳空槽阵列的介质薄膜，空槽开口的大小适合防止较大尺寸的非特异性物质通过空槽，减少非特异性吸附， 并有助于对与待测物质的浓度成正比的拉曼/荧光探针数目的精确计量。
本发明的有益效果：
提高了检测灵敏性和特异性，减少了干扰，可具有多通道，有高通量应用前景，检测便捷快速，适用性广，功能多样。
附图说明
图1为本发明实施例1表面增强拉曼散射/荧光结合SPR传感的检测装置的结构示意图；
附图标记说明：SPR激发光源1、物镜2、光阑3、入射透镜4、棱镜5、微纳金属传感芯片6，出射透镜7、相位检测器8、SERS激发光源9、准直器10、二向色镜11、微透镜组A 12、光纤13、微透镜组B 14、前置物镜15、拉曼/荧光图谱仪16。
具体实施方式
以下结合原理和实施例对本发明进行进一步的阐述。
基本原理
亚波长结构的金属材料具有折射率可调的优点，通过电磁理论可设计出强SPR现象的微纳结构传感膜，提高SPR传感器的分辨率。
一方面，通过构建高灵敏度的相位SPR传感器实现对微小折射率变化的检测，从而对检测肿瘤抗原与传感表面的相应抗体结合，或新型冠状病毒的IgG和IgM蛋白（一抗）与传感表面的相应抗原结合后产生的微小折射率变化进行一个检测传感，具备较高的灵敏度。由于相位型SPR具备较高灵敏度，因此可增加目标蛋白的检出率。对于本领域技术人员来说，待测物质还有很多，上述肿瘤抗原或者新型冠状病毒的抗体仅用于示例性的说明。
另一方面，散射光中的拉曼光谱与散射分子内部的振动和转动相关，散射分子的拉曼光谱具有指纹性质。水的拉曼散射很微弱，因此拉曼光谱是研究水溶液中的生物样品等的理想手段。拉曼光谱的谱峰清晰尖锐，适合于定量研究。在化学结构分析中，独立的拉曼区间的强度可以和功能集团的数量相关。因此相对于荧光光谱，拉曼光谱的准确性更高。但是拉曼光谱通常很弱，而刻有特殊图样的金属微纳结构可以实现表面增强拉曼散射（SERS）的信号。我们可以让拉曼/荧光图谱系统的激发光源照射在传感芯片上刻有特殊金属微纳结构的正面，如在检测肿瘤抗原时，传感芯片正面连有与目标蛋白对应的一抗蛋白，会将目标蛋白捕获，而相应修饰有拉曼探针的二抗蛋白会连接至目标蛋白表面， 刻有特殊图样的金属微纳结构可以获得表面增强拉曼光谱（SERS）信号。传感芯片正面的SERS反射光路通过微透镜组和光纤组收集拉曼探针产生的拉曼光谱信号，由拉曼图谱仪读取拉曼信号的空间分布图，进一步提高系统的检测准确度。
下面结合附图和实施例对本发明做进一步阐述。
实施例1
本实施例公开了一种表面增强拉曼散射/荧光结合SPR传感的检测装置，包括SPR检测单元和SERS检测单元。
所述的SPR检测单元包括依光路顺次相连的SPR激发光源1、物镜2、光阑3、入射透镜4、棱镜5、微纳金属传感芯片6、出射透镜7、相位检测器8，其中所述的微纳金属传感芯片6位于棱镜5的表面。
所述的SERS检测单元包括SERS激发光源9、准直器10、二向色镜11、微透镜组A 12、光纤13、微透镜组B 14、前置物镜15、拉曼/荧光图谱仪16和所述的微纳金属传感芯片6。
SPR激发光源1发出光经物镜2、光阑3和入射透镜4准直扩束，之后经由棱镜5激发微纳金属传感芯片6上产生SPR现象。根据SPR现象原理，从微纳金属传感芯片6反射光的相位变化对微纳金属传感芯片6正表面附近折射率变化的响应越灵敏，SPR现象越明显，反射光相位对折射率变化响应的灵敏度越高。本实施例采用刻有特殊微纳图案的金属作为传感膜材料，可通过仿真方法设计高灵敏的传感膜图样。以检测肿瘤抗原为例，微纳金属传感芯片6表面连接有目标蛋白的一抗蛋白，当待测物中有目标蛋白时，一抗蛋白将目标蛋白捕获，引起微纳金属传感芯片6表面等效折射率发生改变，在相位检测器8测得的反射光相位发生明显变化。往微纳金属传感芯片6中注入修饰有拉曼探针的与目标蛋白对应的二抗蛋白，二抗蛋白和被捕获于传感膜表面的目标蛋白结合。
SERS检测单元能够对微纳金属传感芯片6的微流控基板的多个通道进行同步光谱探测，通过检测增强了的拉曼荧光信号提高对目标蛋白检测的精度。本实施例以4个检测通道为例对检测装置进一步采用增强拉曼散射/荧光信号提高检测精度的实施方式。
本实施例中SERS激发光源9采用单独的点激光器，每个微纳金属传感芯片6上的通道都对应有一束激光。激光经过准直器10后照射至二向色镜11，经反射后经微透镜组A 12耦合到光纤13中，通过微透镜组B 14出射，微透镜组A 12、光纤以及微透镜组B 14组成多通道的光纤探头阵列，最终从微透镜组B 14出射后入射到微纳金属传感芯片6的通道上激发二抗蛋白上修饰的拉曼探针发出拉曼或荧光信号。激发出的信号再次被多通道的光纤探头阵列接收后从二向色镜11准直出射，然后被拉曼/荧光图谱仪16的前置物镜15接收。拉曼/荧光图谱仪16的前置物镜15，对传感芯片的多个通道进行线区域成像，像面位于图谱仪的狭缝处。拉曼/荧光图谱仪16采用面阵相机，经过光栅分光后能够探测线区域的光谱图像。多通道的光纤探头阵列与狭缝共轭，相比于线激光器激发信号，能够有效提高激发效率且方便调整，而使用面阵探测器的图谱仪，保证了信号探测的同步性，每个通道都是同时采集。根据具体的需求，还可以将光纤探头改为空间光输入。
根据上述描述，本发明通过设计微纳金属传感芯片的金属表面微纳结构起到同时支持SPR导波模式与表面增强拉曼散射（SERS）信号的作用，提高对目标蛋白检测的灵敏度；此外本发明在传感芯片另一侧引入SERS检测单元，通过电脑对采集的多模式传感数据的分析获得抗噪声的鲁棒性进一步提高检测分辨率。本发明具有检测灵敏度与分辨率高的特点。
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。
Claims (6)
1.一种表面增强拉曼/荧光结合SPR传感的检测方法，其特征在于，
SPR激发光源照射到微纳金属传感芯片的背面，通过棱镜激发微纳金属传感芯片背面产生SPR共振现象，相位检测装置读取反射光相位携带的微纳金属传感芯片正表面附近折射率变化的信号（SPR信号）；
SERS激发光源照射在微纳金属传感芯片的正面，通过微透镜组和光纤组收集收集拉曼光谱信号，拉曼信号检测装置读取拉曼散射信号（SERS信号）；
所述的微纳金属传感芯片同时支持SPR导波模式与增强了拉曼散射/荧光的SERS信号；
所述的微纳金属传感芯片的正面设有待测物质的第一结合物，待测物质与第一结合物特异性结合后， 待测物质的第二结合物通过待测物质与第一结合物相连，待测物质的第二结合物具有拉曼探针或者荧光探针；SPR信号反应待测物质的浓度导致的折射率变化，待测物质的浓度和SERS信号正相关。
2.根据权利要求1所述的检测方法，其特征在于，所述的拉曼信号检测装置为拉曼图谱仪，即高光谱分辨率的图谱仪，适用于拉曼散射和荧光的图谱，图谱仪相机中的二维探测器其中一维用于光谱探测，另一维用于空间线成像，而空间另一维图像是通过空间线扫面拼接成像。
3.根据权利要求1所述的检测方法，其特征在于，所述的拉曼信号检测装置为拉曼图谱仪，
设有滤波片滤出特征波长的光，图谱仪二维探测相机一次成像避免空间扫描，检测表面增强荧光信号在微纳金属传感芯片上的空间分布。
4.根据权利要求1-3任一项所述的检测方法，其特征在于，进一步，所述的微纳金属传感芯片正表面上再铺上一层带周期性微纳空槽阵列的介质薄膜，空槽开口的大小适合防止较大尺寸的非特异性物质通过空槽，减少非特异性吸附， 并有助于对与待测物质的浓度成正比的拉曼/荧光探针数目的精确计量。
5.一种表面增强拉曼散射/荧光结合SPR传感的检测装置，其特征在于，
包括SPR检测单元和SERS检测单元，所述的SPR检测单元包括依光路顺次相连的SPR激发光源、物镜、光阑、入射透镜、棱镜、微纳金属传感芯片、出射透镜、相位检测器，其中所述的微纳金属传感芯片位于棱镜的表面；
所述的SERS检测单元包括SERS激发光源、准直器、二向色镜、微透镜组A、光纤、微透镜组B、前置物镜、拉曼/荧光图谱仪和所述的微纳金属传感芯片；
SERS激发光源发出的激光经过准直器后照射至二向色镜，经反射后经微透镜组A 耦合到光纤中，通过微透镜组B 出射后入射到微纳金属传感芯片，所述的微透镜组A、光纤以及微透镜组B组成多通道的光纤探头阵列，微纳金属传感芯片激发出的信号再次被多通道的光纤探头阵列接收后从二向色镜准直出射，然后被拉曼/荧光图谱仪的前置物镜收集再传到拉曼/荧光图谱仪。
6.根据权利要求5所述的检测装置，其特征在于，进一步，所述的微纳金属传感芯片正表面上再铺上一层带周期性微纳空槽阵列的介质薄膜，空槽开口的大小适合防止较大尺寸的非特异性物质通过空槽，减少非特异性吸附， 并有助于对与待测物质的浓度成正比的拉曼/荧光探针数目的精确计量。
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