CN112014260A - 利用光阱捕获微粒进行微生物快速检测的方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种利用光阱捕获微粒进行微生物快速检测的方法及装置。该装置通过利用光阱技术形成稳定的捕获光场实现对微粒的稳定捕获，通过对微粒运动信息的处理，实现对微粒质量的高精度测量，微粒表面根据检测需要设有微生物特异性的结合位点或者配体。本发明还提供了一种利用该装置进行微生物检测的方法，通过测量导入待测气体前后微粒的质量变化，即可对微生物进行快速检测，检测步骤简便、快速、灵敏度高。

Description

利用光阱捕获微粒进行微生物快速检测的方法及装置

技术领域

本发明涉及一种利用光阱捕获微粒进行微生物快速检测的方法及装置。

背景技术

病原微生物一般指朊毒体、寄生虫（原虫、蠕虫、医学昆虫）、真菌、细菌、螺旋体、支原体、立克次体、衣原体、病毒等，一直威胁着人类的健康，而其中尤以细菌和病毒的危害性最大，特别是冠状病毒如SARS、MERS等引起的呼吸道传染病，由于其具有传染性强、传播途径多、人群普遍易感等特性，是人类健康的重大威胁之一。新型冠状病毒SARS-CoV-2主要通过飞沫、接触及有限空间下的气溶胶传播，传染性强，防控难度大。在疫情防控常态化背景下，便捷的、高效的、可推广的、适用于大范围筛查的且精准的SARS-CoV-2病毒检验手段是疫情防控的重要技术保障。

目前，病原微生物检测，特别是病毒检测主要通过分离并培养病毒株、荧光定量PCR手段或者病毒序列匹配的方法对病例进行确诊。但这些确诊方法都存在问题：病毒株分离培养时间长、难度大；RT-PCR检测时间长，甚至会出现假阴、假阳等误诊结果；序列匹配方法繁琐，成本高。

因此，亟需研制快速有效的对病原微生物，特别是病毒进行检测诊断的装置，加强对疫情的防控和治疗。

光镊的概念是相对宏观机械镊子对光捕获微粒作用的一种形象描述。传统的机械镊子，必须使镊尖接触到物体，并施加一定的压力，才能实现物体的夹持。与之对应的光镊（optical tweezers）是一种利用光的动量属性，通过高度聚焦激光束产生力（量级通常为皮牛顿级）来抓取、束缚或移动微小透明物体，并通过移动光束或改变物体所处的环境来实现微粒的迁移的装置，其中抓取微粒的区域也称为光阱 (optical trap)。

光阱的力可以精准地直接作用于微米、纳米级的微粒，也可作用于细胞等小目标，并避免直接接触或者处理对样品的伤害，可通过捕获物质，实现物质的悬浮、固定或可控移动，并通过光阱相关理论及技术实现对捕获物质的物理信息获取。

发明内容

为了克服现有技术的不足，本发明提供一种利用光阱捕获微粒进行微生物快速检测的方法及装置。

一种利用光阱捕获微粒进行微生物快速检测的方法，

1）利用光阱捕获样品腔中的微粒，所述的微粒设有微生物特异性的结合位点或者配体，根据微粒的运动信息，计算微粒在频域的功率谱密度曲线，将功率谱密度曲线与微粒的运动学方程进行拟合，得到微粒的质量m1；

2）保持微粒的捕获状态，将待测气体导入样品腔，再次根据微粒的运动信息，计算微粒在频域的功率谱密度曲线，将功率谱密度曲线与微粒的运动学方程进行拟合，得到微粒的质量m2;

3）比较导入待测气体前后微粒的质量m1和m2的变化，判断待测气体中是否存在待检测微生物。

所述的微粒为光学均匀介质球，微粒的半径尺寸为nm量级到µm量级，形状为球形，材料是聚苯乙烯或二氧化硅。

所述的微粒的微生物特异性的结合位点或者配体包括抗体、核酸配体；待测气体经过预处理或者未经过预处理，所述的预处理包括光、电、热或者蒸汽处理。

所述的方法，将功率谱密度曲线与微粒的运动学方程进行拟合，得到微粒的质量初始m1，所述的微粒运动学方程为：

式中，Ｓ（ω）为微粒运动在频域的功率谱密度曲线，ω是角频率，ｍ是微粒质量，ω _０ 为微粒在捕获光场中的谐振频率，ｋ _Ｂ 为玻尔兹曼常数，Ｔ为空气温度，Γ_０为捕获光场的阻尼率。

一种根据所述的方法利用光阱捕获微粒进行微生物快速检测的装置，包括激光器、第一准直透镜、第二准直透镜、第一反射镜、第二反射镜、聚焦透镜、微粒、样品腔、第三准直透镜、分光镜、第三反射镜、平衡探测器、上位机；

所述的激光器出射捕获激光，经过第一准直透镜和第二准直透镜进行扩束准直，依次经过第一反射镜、第二反射镜和聚焦透镜成为捕获光场，在样品腔中捕获微粒，捕获光场经过微粒形成的散射光，依次经过第三聚焦透镜、分光镜，及第三反射镜分成两路光束入射到平衡探测器的两个探头，平衡探测器输出信号至上位机解算微粒的质量。

所述的样品腔用于放置微粒，同时用于导入待测气体。

所述的装置，检测步骤如下：

1）待捕获光场捕获微粒后，平衡探测器将包含微粒位置信息的信号上传至上位机进行傅里叶变换，得到微粒的运动在频域的功率谱密度曲线，将功率谱密度曲线与微粒的运动学方程进行拟合，得到微粒的质量初始m1；

2）将待测气体导入样品腔，再次将平衡探测器的输出信号上传至上位机，重复步骤1）中的拟合步骤，再次解算微粒的质量m2；

3）比较导入待测气体前后m1和m2的质量变化，判断待测气体中是否含有待检测微生物。

本发明的有益效果：

利用生物和化工技术对微粒进行特定修饰，使微粒呈现出对微生物，如病毒等病原微生物的特异性结合能力，再利用光阱相关理论及技术获取微粒物理信息的变化情况，为微生物的检测，特别是病毒的检测提供了一种新的思路和方法。

本发明通过无需血液等体液样本，无需常规病原微生物检测的繁琐步骤，通过呼气采样即可实现对空气中或气溶胶中的微生物，特别是病毒的检测，检测快速、简便；最小单个病毒与微粒的结合即可被检测，灵敏度高。

本发明采用光学方法获取待测气体中的微生物，拓展了光阱技术的应用，可用于微生物的快速测量。

附图说明

图1为本发明装置的一种结构示意图。

图2为本发明方法的一种微粒运动输出频谱图及拟合结果。

图中，激光器1、第一准直透镜2、第二准直透镜3、第一反射镜4、第二反射镜5、聚焦透镜6、微粒7、样品腔8、第三准直透镜9、分光镜10、第三反射镜11、平衡探测器12、上位机13。

具体实施方式

以下结合附图和实施例对本发明进行进一步阐述。

本发明公开了一种利用光阱捕获微粒进行微生物快速检测的方法及装置。当微粒被光阱捕获时，它会因为与空气分子的碰撞而作为阻尼谐振子振荡，根据对微粒的动力学方程求解，得到微粒的运动在频域上理论功率谱密度为：

式中，Ｓ（ω）为微粒运动在频域的功率谱密度曲线，ω是角频率，ｍ是微粒质量，ω _０ 为微粒在捕获光场中的谐振频率，ｋ _Ｂ 为玻尔兹曼常数，Ｔ为空气温度，Γ_０为捕获光场的阻尼率。

将实测得到的微粒功率谱密度曲线与理论曲线进行拟合，即可得到被捕获光场捕获的微粒的质量m。

综合微粒的粒径标准偏差、光阱捕获系统参数误差等，本装置对捕获微粒的质量测量误差优于15%，根据理论计算并结合试验数据可知，本发明中所述的光阱结构，可捕获微粒的最小半径为20nm，计算可得微粒的标称质量为7.37×10^-17g，质量测量误差为±1.1×10^-17g，即该装置最小可检测的微生物质量为2.2×10^-17g。

同时，由于不同微生物的密度不同，本装置最大可检测的微生物以等效体积给出。同样，根据理论计算并结合试验数据可知，本装置的最大可检测微粒的半径为20µm，即本装置的最大可捕获微生物的等效半径为20µm。

如图1所示，该装置的结构如下，通过激光器1出射捕获激光，经过第一准直透镜2和第二准直透镜3进行扩束准直，依次经过第一反射镜4、第二反射镜5和聚焦透镜6形成捕获光场，在样品腔8中捕获微粒7，捕获光场经过微粒7形成的散射光，依次经过第三聚焦透镜9、分光镜10，及第三反射镜11分成两路光束入射到平衡探测器12的两个探头，平衡探测器12输出信号至上位机13进行微粒运动的功率谱密度计算。

所述的微粒可选为光学均匀介质球，微粒的半径尺寸为nm量级到µm量级，形状为球形，材料是聚苯乙烯或二氧化硅。当然对于本领域技术人员来说，可以根据需要选择其它形状或者材质，便于光阱捕获和微粒结合微生物。

所述微粒表面设有微生物特异性的结合位点或者配体，因此具有与待检测微生物的特异性结合能力。

对微生物的测试步骤如下：

1）将表面设有微生物特异性的结合位点或者配体的微粒放置于样品腔中，样品腔内充有不包含待测微生物的常温常压湿润空气，用以确保微粒对微生物特异性结合能力，待捕获光场捕获微粒后，平衡探测器12将包含微粒位置信息的信号上传至上位机13进行傅里叶变换，得到微粒运动在频域的功率谱密度曲线，如图2中虚线所示，将功率谱密度曲线与微粒的运动学方程进行拟合，得到拟合曲线如图2中的实线所示，根据拟合结果得到微粒的初始质量m1；

2）将待测气体导入样品腔，其中待测气体未经预处理，或者可选经过预处理，所述的预处理包括光、电、热或者蒸汽处理，用以去除杂质等干扰因素，暴露微生物结合位点，确保微生物与微粒的特异性结合能力等等，对于本领域技术人员来说，可以根据实际情况进行优化选择。待微粒与待测气体充分接触，接触时间比如为10分钟，具体时间可以根据实际结合情况进行调节，再次将平衡探测器12的输出信号上传至上位机13，重复步骤1）中的拟合步骤，再次解算当前条件下微粒的质量m2；

3）由于微粒具有与微生物的特异性结合能力，当待测气体中存在待检测微生物时，微生物被吸附在微粒表面，从而增加微粒的质量，通过比较初始质量m1和m2的变化，可以判断待测气体中是否含有待检测微生物。

应用实施例

本实施例以新型冠状病毒的检测为例。

激光器1可采用1064nm单模激光器，实施过程中激光器输出稳定，即捕获光束A的光功率一直保持稳定。

选用标称直径为100nm的二氧化硅微球样品作为待捕获的微粒，计算可得微粒的标称质量为1.15×10^-15g，以该装置对微粒的质量测量误差15%计算，质量测量误差为±0.17×10^-15g，即使用100nm的二氧化硅微球样品作为待捕获的微粒，最小可检测的病毒质量为0.34×10^-15g。

微粒表面固定有新型冠状病毒单克隆捕获抗体，因此具有与新型冠状病毒的特异性结合能力。

实施步骤：

（1）将表面固定有新型冠状病毒单克隆捕获抗体的微粒放置于样品腔中，样品腔中内为洁净的常温常压湿润空气，用以确保微粒对微生物特异性结合能力，打开1064nm激光器，使样品腔中形成稳定的捕获光场，待捕获光场捕获微粒后，平衡探测器将包含微粒位置信息的信号上传至上位机进行傅里叶变换，得到微粒的运动在频域的功率谱密度曲线，将功率谱密度曲线与微粒的运动学方程进行拟合，得到微粒的质量m1，该质量为微粒的初始质量；

（2）将待测气体导入样品腔，其中待测气体经过预处理，包括光、电、热或者蒸汽处理，用以去除杂质等干扰因素，确保微生物与微粒的特异性结合能力，并经过一段时间的充分接触后，可选15分钟，再次将平衡探测器的输出信号上传至上位机，经拟合，解算得到微粒的质量m2；

3）由于微粒具有与新冠病毒的特异性结合能力，当待测气体中存在新冠病毒时，新冠病毒被吸附在微粒表面，从而改变了微粒的质量，通过比较m1和m2的质量变化，若质量变化大于最小可检测的质量值：0.17×10^-15g，即可判断待测气体中含有新型冠状病毒。

最后所应说明的是，以上实施例和阐述仅用以说明本发明的技术方案而非进行限制。本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，不脱离本发明技术方案公开的精神和范围的，其均应涵盖在本发明的权利要求保护范围之中。

Claims (7)

1.一种利用光阱捕获微粒进行微生物快速检测的方法，其特征在于，

1）利用光阱捕获样品腔中的微粒，所述的微粒设有微生物特异性的结合位点或者配体，根据微粒的运动信息，计算微粒在频域的功率谱密度曲线，将功率谱密度曲线与微粒的运动学方程进行拟合，得到微粒的质量m1；

2）保持微粒的捕获状态，将待测气体导入样品腔，再次根据微粒的运动信息，计算微粒在频域的功率谱密度曲线，将功率谱密度曲线与微粒的运动学方程进行拟合，得到微粒的质量m2;

3）比较导入待测气体前后微粒的质量m1和m2的变化，判断待测气体中是否存在待检测微生物。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的微粒为光学均匀介质球，微粒的半径尺寸为nm量级到µm量级，形状为球形，材料是聚苯乙烯或二氧化硅。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的微粒的微生物特异性的结合位点或者配体包括抗体、核酸配体；待测气体经过预处理或者未经过预处理，所述的预处理包括光、电、热或者蒸汽处理。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，将功率谱密度曲线与微粒的运动学方程进行拟合，得到微粒的质量初始m1，所述的微粒运动学方程为：

式中，Ｓ（ω）为微粒运动在频域的功率谱密度曲线，ω是角频率，ｍ是微粒质量，ω _０ 为微粒在捕获光场中的谐振频率，ｋ _Ｂ 为玻尔兹曼常数，Ｔ为空气温度，Γ_０为捕获光场的阻尼率。

5.一种根据权利要求1-4任一项所述的方法利用光阱捕获微粒进行微生物快速检测的装置，其特征在于，包括激光器（1）、第一准直透镜（2）、第二准直透镜（3）、第一反射镜（4）、第二反射镜（5）、聚焦透镜（6）、微粒（7）、样品腔（8）、第三准直透镜（9）、分光镜（10）、第三反射镜（11）、平衡探测器（12）、上位机（13）；

所述的激光器（1）出射捕获激光，经过第一准直透镜（2）和第二准直透镜（3）进行扩束准直，依次经过第一反射镜（4）、第二反射镜（5）和聚焦透镜（6）成为捕获光场，在样品腔（8）中捕获微粒（7），捕获光场经过微粒（7）形成的散射光，依次经过第三聚焦透镜（9）、分光镜（10），及第三反射镜（11）分成两路光束入射到平衡探测器（12）的两个探头，平衡探测器（12）输出信号至上位机（13）解算微粒的质量。

6.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述的样品腔（8）用于放置微粒，同时用于导入待测气体。

7.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，检测步骤如下：

1）待捕获光场捕获微粒后，平衡探测器（12）将包含微粒位置信息的信号上传至上位机（13）进行傅里叶变换，得到微粒的运动在频域的功率谱密度曲线，将功率谱密度曲线与微粒的运动学方程进行拟合，得到微粒的质量初始m1；

2）将待测气体导入样品腔，再次将平衡探测器（12）的输出信号上传至上位机（13），重复步骤1）中的拟合步骤，再次解算微粒的质量m2；

3）比较导入待测气体前后m1和m2的质量变化，判断待测气体中是否含有待检测微生物。

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