CN112285064A - 一种spr传感器及基于spr的单细胞检测装置及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种SPR传感器，包括一金属膜，所述金属膜的第二表面上设有细胞待测位，用来放置待检测细胞，在与所述第二表面相背的所述金属膜的第一表面上正对所述细胞待测位的位置上设有倾斜面，所述倾斜面具有与所述第一表面的第一斜率不同的第二斜率。通过该发明提高单细胞检测的精确度。

Description

一种SPR传感器及基于SPR的单细胞检测装置及方法
技术领域
本发明涉及光学生化传感技术领域，尤其涉及一种SPR传感器及基于SPR的单细胞检测装置及方法。
背景技术
单细胞研究是当今生物医学领域备受关注的热点方向之一。传统生物学对细胞进行识别，往往需要借助染色等标记方式，导致细胞的损伤甚至死亡，限制对同一特定细胞的进一步分析和应用。基于SPR(Surface Plasmon Resonance，表面等离子体共振)检测技术，其优点是实时监测、无需标记样品、样品需要极少、检测过程方便快捷、灵敏度较高。
SPR传感器是利用光在介质与金属界面产生全反射时的倏逝波，引发金属表面自由电子的集体振荡，从而产生表面等离子体波，当入射光波长或入射角为某一适当值时，入射光沿界面的波矢分量与表面等离子波的波矢相等，二者就发生共振，此时入射光的能量被吸收，使反射光的能量急剧下降，在反射光强度谱上就会出现一个强度最低值即SPR共振峰，共振角会随着金属薄膜表面的介质折射率的改变而改变，而折射率的变化与结合在金属表面的分子的质量成正比。因此通过分析共振角，就可以得到分子间相互作用的信息。
但是传统的SPR传感器用于单细胞检测时，若光源发出的入射光光斑较小时，就很难精准入射到单细胞所在的位置，导致细胞检测不精确；若光源发出的入射光光斑太大时，而单细胞太小，获取的光谱信息上会有大部分的背景噪声，背景噪声会对细胞检测的准确性带来影响。因此现有传统的SPR传感器对单细胞的控制检测存在一定难度和不准确性。
发明内容
基于此，本发明的目的在于提供一种SPR传感器及基于SPR的单细胞检测装置及方法，解决上述技术问题，提高单细胞检测的精确度。
为实现上述目的，本发明提供了一种SPR传感器，包括一金属膜，所述金属膜的第二表面上设有细胞待测位，用来放置待检测细胞，在与所述第二表面相背的所述金属膜的第一表面上正对所述细胞待测位的位置上设有倾斜面，所述倾斜面具有与所述第一表面的第一斜率不同的第二斜率。
优选的，所述第一斜率和第二斜率同时满足入射光照射到该第一表面时能够发生全反射。
优选的，所述细胞待测位的大小与单个细胞的大小相匹配。
优选的，所述倾斜面投影到所述第二表面的面积与所述细胞待测位的面积相匹配。
为实现上述目的，本发明提供了一种基于SPR的单细胞检测装置，所述装置包括如上所述的SPR传感器、光源、光纤光镊、显微镜和第一接收装置；
所述光纤光镊用于将待检测单细胞置于所述SPR传感器的细胞待测位；
所述显微镜用于在其观测下使所述光纤光镊控制移动所述待检测单细胞；
所述光源用于投射检测光线到所述SPR传感器上，且检测光线的投射位置满足当从所述SPR传感器反射时，能够形成两束SPR反射光线；
所述第一接收装置用于接收所述SPR传感器的倾斜面反射的第一SPR反射光线。
优选的，所述第一接收装置，还用于当所述SPR传感器的细胞待测位上没有放置待检测单细胞时，接收所述SPR传感器表面反射的第二SPR光线。
优选的，所述检测装置还包括第二接收装置，当所述待检测细胞时放置于SPR传感器的细胞待测位上时，所述第一接收装置用于接收所述SPR传感器的倾斜面反射的第一SPR反射光线，所述第二接收装置用于同时接收所述SPR传感器表面反射的第二SPR光线。
为实现上述目的，本发明提供了一种基于SPR的单细胞检测方法，所述方法包括：
将待检测单细胞通过光纤光镊在显微镜下置于SPR传感器的细胞待测位；
投射检测光线到所述SPR传感器上，且检测光线的投射位置满足当从所述SPR传感器反射时，能够形成两束SPR反射光线；
第一接收装置接收所述SPR传感器的倾斜面反射的第一SPR反射光线。
优选的，所述方法包括分步检测方法，具体包括：
第一步，在所述细胞待测位上没有放置待检测单细胞时，所述第一接收装置接收SPR传感器表面反射的第二SPR反射光线；
第二步，在所述细胞待测位上放置所述待检测单细胞时，所述第一接收装置接收SPR传感器的倾斜面反射的第一SPR反射光线。
优选的，，所述方法同步检测方法，具体包括：当所述待检测细胞时放置于SPR传感器的细胞待测位上时，所述第一接收装置接收所述SPR传感器的倾斜面反射的第一SPR反射光线，所述第二接收装置同时接收所述SPR传感器表面反射的第二SPR反射光线。
与现有技术相比，本发明一种SPR传感器及基于SPR的单细胞检测装置及方法，所带来的有益效果：能够精确定位到单细胞的位置；即使入射光源的光斑较大，也能精确捕获到单细胞所在位置的反射光信号，提高单细胞检测的精度；该方案设计简单，操作简单方便，能够实时无损伤的测量与分析单细胞的光谱信息。
附图说明
图1是根据本发明的一个实施例的SPR传感器的系统示意图。
图2是根据本发明的一个实施例的SPR传感器的示意图。
图3是根据本发明的一个实施例的SPR传感器的光线示意图。
图4是根据本发明的一个实施例的基于SPR的单细胞检测装置的系统示意图。
图5是根据本发明的一个实施例的基于SPR的单细胞检测方法的流程示意图。
具体实施方式
以下将结合附图所示的具体实施方式对本发明进行详细描述，但这些实施方式并不限制本发明，本领域的普通技术人员根据这些实施方式所做出的结构、方法、或功能上的变换均包含在本发明的保护范围内。
如图1所示的本发明的一个实施例，本发明提供了一种SPR传感器，包括一金属膜01，所述金属膜的第二表面02上设有细胞待测位03，用来放置待检测细胞，在与所述第二表面相背的所述金属膜的第一表面04上正对所述细胞待测位的位置上设有倾斜面05，所述倾斜面05具有与所述第一表面的第一斜率不同的第二斜率。
本发明中的传统的SPR传感器上设置一倾斜面，当光源光束的光斑照射到SPR传感器表面时，入射到该倾斜面的光被反射的反射光，与入射到该表面被反射的反射光区分开来，形成两束SPR反射光斑，因此使用该SPR传感器对单细胞检测来说，即使光源光束的光斑较大时，也能精确检测到单细胞。
SPR传感器的金属膜的第二表面上设有细胞待测位，该标记的细胞待测位用来放置待检测细胞，如图2所示。金属膜为表面镀膜的50nm金属膜。SPR传感器的基板可由玻璃薄层构成。在与所述第二表面相背的所述金属膜的第一表面上设有倾斜面，该倾斜面正对所述细胞待测位的位置，所述倾斜面具有与所述第一表面的第一斜率不同的第二斜率。所述第一斜率和第二斜率同时满足入射光照射到该第一表面时能够发生全反射，光源发射出的光线入射到所述SPR传感器上，能够形成两束SPR反射光线。如图3所示。因此在单细胞检测时，入射光源的光斑较大时，也能够精确接收到单细胞所在位置的反射的光斑，从而能够提高单细胞检测的精度。所述细胞待测位的大小与单个细胞的大小相匹配。所述倾斜面投影到所述第二表面的面积与所述细胞待测位的面积相匹配。
如图4所示的本发明的一个实施例，本发明提供一种基于SPR的单细胞检测装置，所述装置包括如上所述的SPR传感器40、光源41、光纤光镊42、显微镜43和第一接收装置44，
所述光纤光镊用42于将待检测单细胞置于所述SPR传感器40的细胞待测位；
所述显微镜43用于在其观测下使所述光纤光镊42控制移动所述待检测单细胞；
所述光源41用于投射检测光线到所述SPR传感器40上，且检测光线的投射位置满足当从所述SPR传感器40反射时，能够形成两束SPR反射光线；
所述第一接收装置44用于接收所述SPR传感器40的倾斜面反射的第一SPR反射光线。
在所述SPR传感器的金属膜上标记有细胞待测位，用显微镜可观察到。在显微镜的辅助下，在所述光纤光镊的控制下，将待测单细胞放置于所述细胞待测位上。光源发出检测光线，检测光线入射到所述SPR传感器上，通过调整光源的位置，使检测光线的投射位置满足当从所述SPR传感器反射时，能够形成两束SPR反射光线。所述第一接收装置接收所述SPR传感器的倾斜面反射的第一SPR反射光线。在单细胞检测时，当光源的光斑照射到SPR传感器上时，入射到该倾斜面的光被反射的反射光，与入射到该表面被反射的反射光区分开来，形成两个SPR反射光斑，因此对单细胞检测来说，即使光源光束的光斑较大时，也能精确检测到单细胞。
在本实施例中的检测装置中只包括第一接收装置，在单细胞检测的时候需要分步进行检测，第一接收装置需要分两步采集SPR光信号，第一步，在所述细胞待测位上没有放置待检测单细胞，所述光源发出的第一束光入射到所述SPR传感器表面时，所述第一接收装置接收所述SPR传感器表面反射的第二SPR光线；第二步，在所述细胞待测位上放置待检测单细胞，所述光源发出的第二束光入射到所述SPR传感器表面时，所述第一接收装置接收所述SPR传感器的倾斜面反射的第一SPR反射光线，该倾斜面正对所述细胞待测位的位置，第一SPR反射光线的光谱信息中包含了单细胞介质反射率。根据接收到第一SPR反射光信号和第二SPR反射光信号，进行光谱分析，获取单细胞的分析信息。所述第一接收装置包括第一CCD相机。
根据本发明的一具体实施例，在上述实施例中需要分两步采集反射光信号，导致采集数据慢效率低，为了提高采集效率，可采用同步检测的技术方案。所述检测装置还包括第二接收装置45，当所述待检测细胞时放置于SPR传感器的细胞待测位上时，所述第一接收装置接收所述SPR传感器的倾斜面反射的第一SPR反射光线，该倾斜面正对所述细胞待测位的位置，第一SPR反射光线的光谱信息中包含了单细胞介质反射率。所述第二接收装置同时接收所述SPR传感器表面反射的第二SPR光线，第二SPR光线包含单细胞周围背景的光谱信息。根据接收到第一SPR反射光信号和第二SPR反射光信号，进行光谱分析，获取单细胞的分析信息。所述第二接收装置包括第二CCD相机。通过使用第一接收装置和第二接收装置，可同步采集SPR反射光信号，提高单细胞检测效率。
如图5所示的本发明的一个实施例，本发明提供一种基于SPR的单细胞检测方法，所述方法包括：
S501、将待检测单细胞通过光纤光镊在显微镜下置于SPR传感器的细胞待测位；
S502、投射检测光线到所述SPR传感器上，且检测光线的投射位置满足当从所述SPR传感器反射时，能够形成两束SPR反射光线；
S503、第一接收装置接收所述SPR传感器的倾斜面反射的第一SPR反射光线。
在显微镜的辅助下，在所述光纤光镊的控制下，将待测单细胞放置于所述细胞待测位上。通过调整光源的位置，光源发出的检测光线入射到所述SPR传感器上，使检测光线的投射位置满足当从所述SPR传感器反射时，能够形成两束SPR反射光线。所述第一接收装置接收所述SPR传感器的倾斜面反射的第一SPR反射光线。
本发明的一具体实施例，所述方法包括分步检测方法，具体包括：第一步，在所述细胞待测位上没有放置待检测单细胞时，所述第一接收装置接收SPR传感器表面反射的第二SPR反射光线；第二步，在所述细胞待测位上放置所述待检测单细胞时，所述第一接收装置接收SPR传感器的倾斜面反射的第一SPR反射光线。根据接收到第一SPR反射光信号和第二SPR反射光信号，进行光谱分析，获取单细胞的分析信息。
本发明的再一具体实施例，所述方法同步检测方法，具体包括：当所述待检测细胞时放置于SPR传感器的细胞待测位上时，所述第一接收装置接收所述SPR传感器的倾斜面反射的第一SPR反射光线，所述第二接收装置同时接收所述SPR传感器表面反射的第二SPR反射光线。根据接收到第一SPR反射光信号和第二SPR反射光信号，进行光谱分析，获取单细胞的分析信息。
尽管为示例目的，已经公开了本发明的优选实施方式，但是本领域的普通技术人员将意识到，在不脱离由所附的权利要求书公开的本发明的范围和精神的情况下，各种改进、增加以及取代是可能的。

Claims (10)

1.一种SPR传感器，其特征在于，包括一金属膜，所述金属膜的第二表面上设有细胞待测位，用来放置待检测细胞，在与所述第二表面相背的所述金属膜的第一表面上正对所述细胞待测位的位置上设有倾斜面，所述倾斜面具有与所述第一表面的第一斜率不同的第二斜率。
2.如权利要求1所述的SPR传感器，其特征在于，所述第一斜率和第二斜率同时满足入射光照射到该第一表面时能够发生全反射。
3.如权利要求1所述的SPR传感器，其特征在于，所述细胞待测位的大小与单个细胞的大小相匹配。
4.如权利要求1所述的SPR传感器，所述倾斜面投影到所述第二表面的面积与所述细胞待测位的面积相匹配。
5.一种基于SPR的单细胞检测装置，其特征在于，所述装置包括如权利要求1-4任一所述的SPR传感器、光源、光纤光镊、显微镜和第一接收装置；所述光纤光镊用于将待检测单细胞置于所述SPR传感器的细胞待测位；
所述显微镜用于在其观测下使所述光纤光镊控制移动所述待检测单细胞；
所述光源用于投射检测光线到所述SPR传感器上，且检测光线的投射位置满足当从所述SPR传感器反射时，能够形成两束SPR反射光线；
所述第一接收装置用于接收所述SPR传感器的倾斜面反射的第一SPR反射光线。
6.如权利要求5所述的基于SPR的单细胞检测装置，其特征在于，所述第一接收装置，还用于当所述SPR传感器的细胞待测位上没有放置待检测单细胞时，接收所述SPR传感器表面反射的第二SPR光线。
7.如权利要求5所述的基于SPR的单细胞检测装置，其特征在于，所述检测装置还包括第二接收装置，当所述待检测细胞时放置于SPR传感器的细胞待测位上时，所述第一接收装置用于接收所述SPR传感器的倾斜面反射的第一SPR反射光线，所述第二接收装置用于同时接收所述SPR传感器表面反射的第二SPR光线。
8.一种如权利要求5-7任一所述所述的基于SPR的单细胞检测装置的检测方法，其特征在于，所述方法包括：
将待检测单细胞通过光纤光镊在显微镜下置于SPR传感器的细胞待测位；
投射检测光线到所述SPR传感器上，且检测光线的投射位置满足当从所述SPR传感器反射时，能够形成两束SPR反射光线；
第一接收装置接收所述SPR传感器的倾斜面反射的第一SPR反射光线。
9.如权利要求8所述的基于SPR的单细胞检测方法，其特征在于，所述方法包括分步检测方法，具体包括：
第一步，在所述细胞待测位上没有放置待检测单细胞时，所述第一接收装置接收SPR传感器表面反射的第二SPR反射光线；
第二步，在所述细胞待测位上放置所述待检测单细胞时，所述第一接收装置接收SPR传感器的倾斜面反射的第一SPR反射光线。
10.如权利要求8所述的基于SPR的单细胞检测方法，其特征在于，所述方法同步检测方法，具体包括：
当所述待检测细胞时放置于SPR传感器的细胞待测位上时，所述第一接收装置接收所述SPR传感器的倾斜面反射的第一SPR反射光线，所述第二接收装置同时接收所述SPR传感器表面反射的第二SPR反射光线。
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