CN111504913B - 一种生物调控局域表面等离子体共振的检测装置及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种生物调控局域表面等离子体共振的检测装置及方法。该装置包括测试台，所述测试台包括用于接入光源的入射光纤接口和与分光光度计相连的出射光纤接口，所述入射光纤接口和出射光纤接口之间布置有比色皿，所述比色皿中插有检测电极芯片。该方法利用该检测装置进行生物调控局域表面等离子体共振的检测。本发明通过将生物调控芯片置入比色皿中实现生物反应调控局域表面等离子体共振，并具有实现生物传感的优点。

Description

一种生物调控局域表面等离子体共振的检测装置及方法
技术领域
本发明实施例涉及一种局域表面等离子体共振的光学检测技术，尤其涉及一种生物调控局域表面等离子体共振的检测装置及方法。
背景技术
局域表面等离子体共振(local surface plasmon resonance,LSPR)是一种发生在纳米颗粒上的光子能量共振吸收现象，其吸收峰强度及吸收峰位置受纳米颗粒的组成材料、结构外形、尺寸，以及表面修饰等的影响，常应用于传感领域。金纳米颗粒作为一种典型的纳米材料，因其具备制备工艺简单、生物相容性好等特点，在生物医学领域应用广泛。借助金纳米颗粒的高比表面积特性、良好的尺寸控制特性，以及优异的紫外-可见光谱吸收特性等，其在电化学和光学传感器的构建中发挥着重要的作用。
金纳米颗粒表面的自由电子分布受电化学信号如施加电势的影响而发生改变，结合LSPR的共振吸收峰位移受金纳米颗粒表面电子分布影响的特性，当改变金纳米颗粒上的施加电势时，LSPR的共振吸收峰会随之改变。传统的基于LSPR的传感原理是利用了纳米颗粒表面修饰物的改变会影响共振吸收峰的强度或位移改变的特性来对被测物浓度进行判定，结合修饰在纳米颗粒上的特异性分子，进而实现对待测物的特异性检测。然而这种传感方式却无法从电子转移的角度来解释生物反应对局域表面等离子体共振的调控作用。
发明内容
本发明实施例的目的是提供一种生物调控局域表面等离子体共振的检测装置及方法，以解决生物反应对局域表面等离子体共振的调控问题，并实现生物传感检测。
为了达到上述目的，第一方面，本发明实施例提供一种生物调控局域表面等离子体共振的检测装置，包括：测试台，所述测试台包括用于接入光源的入射光纤接口和与分光光度计相连的出射光纤接口，所述入射光纤接口和出射光纤接口之间布置有比色皿，所述比色皿中插有生物调控芯片。
进一步地，所述入射光纤接口和出射光纤接口之间还布置有挡光板。
进一步地，还包括连接支架，所述连接支架上开有挡光板滑道和比色皿固定孔，所述挡光板滑动设置在挡光板滑道上，所述比色皿固定在色皿固定孔中。
进一步地，所述测试台还包括支撑底座、观察孔、挡光板卡槽和比色皿卡槽，所述入射光纤接口和出射光纤接口同轴固定在支撑底座上，所述观察孔用于观察比色皿，所述挡光板滑动设置在挡光板卡槽上，所述比色皿安装在比色皿卡槽上。
进一步地，所述生物调控芯片通过连接盖固定于所述比色皿上。
进一步地，所述连接盖包括电极连接线和电极固定孔，所述生物调控芯片固定在电极固定孔上，所述生物调控芯片与所述电极连接线电连接。
进一步地，所述生物调控芯片包括基底以及设置在所述基底上的对电极、工作电极和参比电极，所述对电极、工作电极和参比电极与所述电极连接线电连接。
进一步地，所述基底由透明材质通过物理气相沉积法沉积一层氧化铟锡薄膜构成。
第二方面，本发明实施例提供一种生物调控局域表面等离子体共振的检测方法，该方法在第一方面所述的检测装置中实现，该方法包括：
将生物调控芯片插入比色皿中，将光源通过光纤连接到入射光纤接口，将分光光度计通过光纤连接到出射光纤接口；
配制不同浓度的酶的底物溶液，并依次将酶的底物溶液加入到比色皿中；
记录入射光源的光谱P1，通过分光光度计检测加入底物溶液之后的光谱P2，通过求差计算吸收光谱P＝P1-P2；
记录不同浓度底物溶液的吸收光谱，拟合吸收光谱的变化同底物浓度之间的关系，确定生物反应对局域表面等离子体共振的调控作用；
根据记录的吸收光谱的变化同底物浓度之间的关系，实现对酶底物的传感检测。
进一步地，所述生物调控芯片的制备方法如下：
金纳米颗粒的合成：通过化学还原法制备金纳米颗粒；
导电聚合物包被的金纳米颗粒复合物的合成：通过氧化聚合法在所合成的金纳米颗粒上包被导电聚合物层形成导电聚合物包被的金纳米颗粒；
光学检测芯片的修饰：通过物理气相沉积法将氧化铟锡(ITO)薄膜按照对电极、参比电极及工作电极的形态修饰到透明基底上形成检测电极芯片，将所述导电聚合物包被的金纳米颗粒喷涂到检测电极芯片的工作电极上形成光学检测芯片；
生物调控芯片的制备：通过壳聚糖黏附法将生物材料酶固定到光学检测芯片的工作电极上形成生物调控芯片。
根据上述的技术方案，本发明实施例将生物调控芯片插有比色皿中，避免因比色皿或生物调控芯片的抖动而产生的测量误差，实现局域表面等离子体共振吸收光谱的可靠检测。所述生物调控局域表面等离子体共振的检测方法可以降低光谱测量的复杂度，通过所述方法针对生物调控芯片的检测，可以实现生物反应对局域表面等离子共振的调控，并实现对酶底物的传感检测。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本发明的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1是本发明实施例的一种生物调控局域表面等离子体共振的检测装置的立体示意图；
图2是本发明实施例的一种生物调控局域表面等离子体共振的检测装置的正面示意图；
图3是本发明实施例的一种生物调控局域表面等离子体共振的检测装置的侧面示意图；
图4是本发明实施例中测试台示意图；
图5是本发明实施例中连接支架示意图；
图6是本发明实施例中生物调控芯片组装图；
图7是本发明实施例中比色皿示意图；
图8是本发明实施例中连接盖示意图；
图9是本发明实施例中检测电极芯片示意图；
图10是本发明实施例中检测电极芯片的循环伏安法表征图；
图11是本发明实施例中检测电极芯片的交流阻抗法表征图；
图12是本发明实施例中导电聚合物聚苯胺、金纳米颗粒及其复合物的紫外-可见光谱表征图；
图13是本发明实施例中电势调控局域表面等离子体共振的测试结果图；
图14是本发明实施例中电势调控局域表面等离子体共振的测试结果图；
图15是本发明实施例中生物调控局域表面等离子体共振的传感应用结果图；
图16是本发明实施例中生物调控局域表面等离子体共振的传感应用结果图；
图中：测试台1、连接支架2、挡光板3、比色皿4、连接盖5、检测电极芯片6、支撑底座11、观察孔12、入射光纤接口13、出射光纤接口14、挡光板卡槽15、比色皿卡槽16、观察窗21、挡光板滑道22、光纤窗23、比色皿固定孔24、电极连接线51、电极固定孔52、基底61、对电极62、工作电极63、参比电极64、对电极连接线65、工作电极连接线66、参比电极连接线67。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例具体实施例及相应的附图对本发明实施例技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅是本发明实施例一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明实施例中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明实施例保护的范围。
参考图1-图9，本发明实施例提供一种生物调控局域表面等离子体共振的检测装置，包括测试台1，所述测试台1包括用于接入光源的入射光纤接口13和与分光光度计相连的出射光纤接口14，从而形成光回路，所述入射光纤接口13和出射光纤接口14之间布置有比色皿4，所述比色皿4中插有生物调控芯片(生物调控芯片由检测电极芯片6经过生物修饰制得)。
在一种可能的实现方式中，所述入射光纤接口13和出射光纤接口14之间还布置有挡光板3，通过挡光板3来控制光路回路的通与断状态。
在一种可能的实现方式中，本发明提供的一种生物调控局域表面等离子体共振的检测装置还包括连接支架2，所述连接支架2上开有挡光板滑道22和比色皿固定孔24，所述挡光板3滑动设置在挡光板滑道22上，所述比色皿4固定在比色皿固定孔24中，该设计可避免比色皿4的倾倒，并使得挡光板3平滑的实现光路的通断，最大限度的降低实验操作对调控结果所带来的干扰。
在一种可能的实现方式中，所述测试台1还包括支撑底座11、观察孔12、挡光板卡槽15和比色皿卡槽16，所述入射光纤接口13和出射光纤接口14同轴固定在支撑底座11上，所述观察孔12用于观察比色皿4，所述挡光板3滑动设置在挡光板卡槽15上，所述比色皿4安装在比色皿卡槽16上，该设计可确保比色皿4位于入射光纤接口13与出射光纤接口14的中间位置。
在一种可能的实现方式中，所述连接支架2上开有观察窗21和光纤窗23，观察孔12位于观察窗21中，入射光纤接口13和出射光纤接口14位于光纤窗23中。
在一种可能的实现方式中，所述检测电极芯片6通过连接盖5固定于所述比色皿4上。
具体地，所述连接盖5包括电极连接线51和电极固定孔52，所述检测电极芯片6固定在电极固定孔52上，所述检测电极芯片6与所述电极连接线51电连接。
在一种可能的实现方式中，所述检测电极芯片6包括基底61以及设置在所述基底61上的对电极62、工作电极63和参比电极64，所述对电极62、工作电极63和参比电极64与所述电极连接线51电连接。
进一步地，所述述检测电极芯片6上还有对电极连接线65、工作电极连接线66和参比电极连接线67，对电极62通过对电极连接线65与所述电极连接线51电连接，工作电极63通过工作电极连接线66与所述电极连接线51电连接，参比电极64通过参比电极连接线67与所述电极连接线51电连接。
在一种可能的实现方式中，所述基底61为透明玻璃基底，使得更利于光线的透过。
本发明实施例还提供一种生物调控局域表面等离子体共振的检测方法，该方法包括如下步骤：
步骤S101，将生物调控芯片插入比色皿中，将光源通过光纤连接到入射光纤接口，将风光光度计通过光纤连接到出射光纤接口；
步骤S102，配制不同浓度的酶的底物溶液，并依次将酶的底物溶液加入到比色皿中；
步骤S103，记录入射光源的光谱P1，通过分光光度计检测加入底物溶液之后的光谱P2，通过求差计算吸收光谱P＝P1-P2；
步骤S104，记录不同浓度底物溶液的吸收光谱，拟合吸收光谱的变化同底物浓度之间的关系，确定生物反应对局域表面等离子体共振的调控作用；
步骤S105，根据记录的吸收光谱的变化同底物浓度之间的关系，实现对酶底物的传感检测。
进一步地，所述生物调控芯片的制备方法如下：
步骤S201，金纳米颗粒的合成：通过化学还原法还原氯金酸溶液制备金纳米颗粒；
步骤S202，导电聚合物包被的金纳米颗粒复合物的合成：通过氧化聚合法在所合成的金纳米颗粒上包被导电聚合物层形成导电聚合物包被的金纳米颗粒；
步骤S203，光学检测芯片的修饰：通过物理气相沉积法将氧化铟锡(ITO)薄膜按照对电极62、参比电极64及工作电极63的形态修饰到透明基底上形成检测电极芯片6，将所述导电聚合物包被的金纳米颗粒喷涂到检测电极芯片6的工作电极上形成光学检测芯片；
步骤S204，生物调控芯片的制备：通过壳聚糖黏附法将生物材料酶固定到光学检测芯片的工作电极上形成生物调控芯片。
更具体地，所述生物调控芯片的制备方法如下：
由质量百分比1％的柠檬酸钠还原质量百分比1％的氯金酸溶液的方法制备金纳米颗粒，并通过控制柠檬酸钠与氯金酸溶液的比例(2:1)来获取特定粒径的金纳米颗粒；
由2mM的过硫酸铵氧化聚合苯胺并包被到所述金纳米颗粒的表面，形成聚苯胺包被的金纳米颗粒核壳结构；
通过物理气相沉积法将氧化铟锡(ITO)薄膜修饰到透明玻璃基底上形成检测电极芯片，并通过喷涂的方法将所述聚苯胺包被金纳米颗粒修饰到该检测电极芯片上形成光学检测芯片；
将质量百分比为0.5％的壳聚糖与8mg/ml的葡萄糖氧化酶按1:1的比例混合，通过滴涂黏附法将生物材料葡萄糖氧化酶固定到所述光学检测芯片上形成生物调控芯片。
其中，通过化学还原法制备金纳米颗粒，方法如下：
取质量比为1％的氯金酸水溶液1mL滴加到100mL超纯水中，搅拌并加热至95℃。之后加入质量比为1％的柠檬酸钠水溶液2mL，保持温度并继续搅拌。待到溶液变为紫红色，冷却至室温并在4℃下使用12,000rpm离心15分钟。移去上清液，使用超纯水分散至10mL，并使用6,000rpm在4℃下离心15分钟并提纯，即可得到提纯的金纳米颗粒分散液。
其中，所述的氧化聚合法制备聚苯胺包被的金纳米颗粒，方法如下：
将0.25mL 40mM十二烷基硫酸钠加入到1.5mL 2mM的苯胺水溶液中，振荡至充分混合后加入0.5mL提纯的金纳米颗粒分散液。之后将通过10mM盐酸水溶液配置的2mM过硫酸铵1.5mL加入到上述混合溶液中，振荡均匀并静置24小时。在此过程中，溶液由无色透明变为墨绿色。将得到的混合溶液在4℃下使用12,000rpm离心15分钟，移去上清液并使用1.5mL3.6mM的十二烷基硫酸钠溶液分散上述离心所得沉淀。重复上述离心步骤2-3次以得到纯净的聚苯胺包被的金纳米颗粒。然后将最终沉淀物使用0.5mL超纯水进行分散，得提纯的聚苯胺包被的金纳米颗粒分散液。
其中，所述的聚苯胺包被的金纳米颗粒是通过喷涂的方法修饰到工作电极63上形成光学检测芯片的，喷涂的参数为：喷嘴直径0.2mm，喷压18psi，喷射距离60mm。
其中，所述的生物材料葡萄糖氧化酶是通过壳聚糖黏附法固定到光学检测芯片的工作电极63上的，方法如下：
将浓度为8mg/ml葡萄糖氧化酶的PBS溶液与质量比为0.5％的壳聚糖乙酸溶液以体积比1:1均匀混合，然后取10μL滴涂至光学检测芯片的工作电极63表面。
进一步的，检测电极芯片的工作电极63半径为3.2mm，基底的长度为50mm，宽度为9mm，对电极连接线65、工作电极连接线66、参比电极连接线67的宽度均为2mm。
如图10和图11所示，为未修饰聚苯胺包裹金纳米颗粒的检测电极芯片6的CV表征和EIS表征，表征结果表明该检测电极芯片具有良好的导电性及稳定性。
在一种可能的实现方法中，所述生物调控局域表面等离子体共振的方法如下：
如图12所示，通过紫外-可见光谱的方法对聚苯胺、金纳米颗粒，及聚苯胺包被的金纳米颗粒进行表征，表征结果如下：
在波长为550nm左右存在金纳米颗粒的吸收峰，在波长为830nm左右存在聚苯胺的吸收峰。从图12中可以看出，纳米复合物聚苯胺包被金纳米颗粒的紫外-可见光谱的谱线所对应金纳米颗粒的波峰位置相较单独金纳米颗粒的紫外-可见光谱的波峰位置产生了大约5nm的红移，这是由于经过高分子导电聚合物聚苯胺的包被之后，由金属纳米粒子等离子体共振所形成的电场分布及电场强度受导电层的影响而发生分散变化使得其对应的等离子体共振能量变小所致。
如图13和图14所示，通过施加电势的方法，对光学检测芯片进行电势调控响应测试，具体测试步骤如下：
(1)使用上述装置进行测试实验，使用聚苯胺包被金纳米颗粒修饰检测电极芯片形成的光学检测芯片进行测试。
(2)使用安培电流法对测试体系施加电势激励，施加的电势激励范围为0V-0.6V，且每次测量电势变化间隔为0.2V。
(3)光谱检测所使用的光源波段为300nm-700nm。且在每一次测试前，都会对分光光度计进行校准操作，以保证实验数据的准确性。每次实验均重复5次以保证实验数据的可靠性。
测试结果如下：
随着在聚苯胺包被的金纳米颗粒所修饰光学检测芯片上施加电势强度的增加，相应的响应所对应的紫外-可见吸收光谱峰值发生了红移。具体的，如图13所示，随着施加电势从0V升高至0.6V，电极的吸收谱峰值从551.2nm红移至562.2nm。将实验的结果进行统计分析，并做趋势图，如图14所示，由图可以看出，施加电势的大小与波长红移的变化量之间存在线性关系。
如图15和图16所示，本发明实施例以典型的生物反应葡萄糖氧化酶的酶促反应为例说明生物反应对局域表面等离子体共振的调控作用，以及该生物反应对局域表面等离子体共振的调控机理对葡萄糖的检测过程，实验步骤如下：
(1)使用0.5M的NaCl水溶液分别将葡萄糖配置为10-5M、10-4M、10-3M、10-2M，以及10-1M作为生物反应的底物。
(2)使用所述生物调控局域表面等离子体共振的检测装置，通过聚苯胺包被的金纳米颗粒修饰及固定了生物材料葡萄糖氧化酶的检测电极芯片，即生物调控芯片，进行检测应用。
(3)使用电化学方法计时电势分析法对生物材料葡萄糖氧化酶催化过程中产生的电势进行测量，使用分光光度计检测经过纳米复合物聚苯胺包被的金纳米颗粒修饰及固定了生物材料葡萄糖氧化酶的检测电极芯片形成的生物调控芯片在300nm-700nm波段范围内的吸收度光谱响应。
进一步地，生物反应如葡萄糖氧化酶的酶促反应对局域表面等离子体共振的调控机理可以描述为，分散在溶液中的葡萄糖分子经由葡萄糖氧化酶的催化作用生成葡萄糖酸，并在此过程中发生电子的转移，形成电势，使得金属纳米颗粒复合物的局域表面等离子体共振吸收峰的位移发生改变。
上述生物反应调控局域表面等离子体共振及葡萄糖检测实验的结果如下：
由图15可以看出，随着葡萄糖浓度的增加，生物调控芯片的等离子体吸收峰红移量也随之变大。结果表明，通过固定到电极上的生物材料葡萄糖氧化酶可以特异性的检测葡萄糖氧化酶与葡萄糖之间的相互作用，并在一定限度内检测出葡萄糖的浓度。图16展示了葡萄糖浓度的对数与所产生的电势以及导致的等离子体吸收峰位移变化量之间的关系，图中公式为对应趋势曲线的拟合公式，即，由酶促反应所产生的电势随着葡萄糖溶液浓度的增加而变大，且吸收峰的位移变化量也随着葡萄糖浓度的增加而变大。因此，在生物反应如酶促反应过程中，可以通过其转移的电子所形成的电势来调控局域表面等离子体共振。
除上述以外，还需要说明的是在本说明书中所谈到的“一个实施例”、“另一个实施例”、“实施例”等，指的是结合该实施例描述的具体特征、结构或者特点包括在本申请概括性描述的至少一个实施例中。在说明书中多个地方出现同种表述不是一定指的是同一个实施例。进一步来说，结合任一实施例描述一个具体特征、结构或者特点时，所要主张的是结合其他实施例来实现这种特征、结构或者特点也落在本发明的范围内。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种生物调控局域表面等离子体共振的检测装置，其特征在于，包括测试台，所述测试台包括用于接入光源的入射光纤接口和与分光光度计相连的出射光纤接口，所述入射光纤接口和出射光纤接口之间布置有比色皿，所述比色皿中插有生物调控芯片；
其中所述生物调控芯片的制备方法如下：
金纳米颗粒的合成：通过化学还原法制备金纳米颗粒；
导电聚合物包被的金纳米颗粒复合物的合成：通过氧化聚合法在所合成的金纳米颗粒上包被导电聚合物层形成导电聚合物包被的金纳米颗粒；
光学检测芯片的修饰：通过物理气相沉积法将氧化铟锡薄膜按照对电极、参比电极及工作电极的形态修饰到透明基底上形成检测电极芯片，将所述导电聚合物包被的金纳米颗粒喷涂到检测电极芯片的工作电极上形成光学检测芯片；
生物调控芯片的制备：通过壳聚糖黏附法将生物材料酶固定到光学检测芯片的工作电极上形成生物调控芯片。
2.根据权利要求1所述的一种生物调控局域表面等离子体共振的检测装置，其特征在于，所述入射光纤接口和出射光纤接口之间还布置有挡光板。
3.根据权利要求1所述的一种生物调控局域表面等离子体共振的检测装置，其特征在于，还包括连接支架，所述连接支架上开有挡光板滑道和比色皿固定孔，所述挡光板滑动设置在挡光板滑道上，所述比色皿固定在比色皿固定孔中。
4.根据权利要求1所述的一种生物调控局域表面等离子体共振的检测装置，其特征在于，所述测试台还包括支撑底座、观察孔、挡光板卡槽和比色皿卡槽，所述入射光纤接口和出射光纤接口同轴固定在支撑底座上，所述观察孔用于观察比色皿，所述挡光板滑动设置在挡光板卡槽上，所述比色皿安装在比色皿卡槽上。
5.根据权利要求1所述的一种生物调控局域表面等离子体共振的检测装置，其特征在于，所述生物调控芯片通过连接盖固定于所述比色皿上。
6.根据权利要求5所述的一种生物调控局域表面等离子体共振的检测装置，其特征在于，所述连接盖包括电极连接线和电极固定孔，所述生物调控芯片固定在电极固定孔中，所述生物调控芯片与所述电极连接线电连接。
7.根据权利要求1所述的一种生物调控局域表面等离子体共振的检测装置，其特征在于，所述生物调控芯片包括基底以及设置在所述基底上的对电极、工作电极和参比电极，所述对电极、工作电极和参比电极与所述电极连接线电连接。
8.根据权利要求7所述的一种生物调控局域表面等离子体共振的检测装置，其特征在于，所述基底由透明材质通过物理气相沉积法沉积一层氧化铟锡薄膜构成。
9.一种生物调控局域表面等离子体共振的检测方法，其特征在于，该方法在权利要求1-8任一项所述的检测装置中实现，该方法包括：
将生物调控芯片插入比色皿中，将光源通过光纤连接到入射光纤接口，将分光光度计通过光纤连接到出射光纤接口；
配制不同浓度的酶的底物溶液，并依次将酶的底物溶液加入到比色皿中；
记录入射光源的光谱P 1 ，通过分光光度计检测加入底物溶液之后的光谱P 2 ，通过求差计算吸收光谱P=P 1 -P 2 ；
记录不同浓度底物溶液的吸收光谱，拟合吸收光谱的变化同底物浓度之间的关系，确定生物反应对局域表面等离子体共振的调控作用；
根据记录的吸收光谱的变化同底物浓度之间的关系，实现对酶底物的传感检测。
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