CN112697767A - 一种拉曼光谱结合spr的检测装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种拉曼光谱结合SPR的检测装置，包括激光推动器、拉曼检测装置、微流控芯片以及SPR检测装置；事先将激光推动器、拉曼检测装置对位，激光推动器发出一个激光脉冲将检测细胞打入下方的拉曼检测装置的V型凹槽中，重复激光脉冲，拉曼光谱系统可以批量得到样品物质的“指纹图谱”，其中打入一个样品后，获得其拉曼光谱，再利用激光推动器将其俘获移出V型凹槽，随样品流流出。再通过SPR检测装置使两种样品物质结合，并且可以知道作用程度大小，找到最适合的匹配物质，在作用之后，再次用激光脉冲将结合物打入拉曼检测系统的V型凹槽中，利用光镊将其俘获移出便可以批量检测结合物的“指纹图谱”。

Description

一种拉曼光谱结合SPR的检测装置
技术领域
本发明属于精准医疗科研实验器材领域，具体涉及一种拉曼光谱结合SPR检测装置。
背景技术
目前，单一的拉曼光谱技术和SPR(Surface Plasmon Resonance,SPR)技术都已经发展的比较成熟，各自在生物医学领域都发挥着重要的作用，联合应用的技术和案例也有很多，但是在空间超分辨取样方面和开发超高灵敏度的联合设备方面以及批量样品(如检测细胞)的拉曼检测方面还有待深究。另外，单检测细胞用药前后或两种大分子结合前后的化学物理变化也是我们探究微纳尺度生物医学的重点，单单一个样品(如检测细胞)的成功并不能代表所有情况，为了克服偶然性问题，批量样品的检测结果是很重要的。
拉曼光谱技术可以做到无损获得单检测细胞的化学物质“指纹图谱”，但是拉曼光谱仅能得到物质是什么，而在单检测细胞医学上常常需要检测细胞与药物相互作用或抗原与抗体结合等等，此时拉曼光谱便无法得到两种物质作用变化和作用强度大小，而SPR技术刚好可以弥补这样的缺点，与拉曼光谱相结合，作用前两种物质的成分和作用后的化学物理变化等等就可以更加清晰的反映出来。虽然有很多专利已经探讨过相互结合使用的案例，但是在单检测细胞量级的取样以及批量样品的拉曼探测还需要深究。因此，很有必要结合拉曼光谱和SPR技术来实现超微量取样检测和识别以及设计整个超高灵敏度的批量检测装置。
发明内容
本发明为了解决上述问题，提出了一种结合拉曼光谱和SPR的超微量拉曼光谱检测装置，通过设计空间超分辨检测光路和超高灵敏度的探测装置，解决微米及纳米量级分子的取样和批量样品的拉曼光谱精确测定问题。
1.一种拉曼光谱结合SPR的检测装置，其特征在于：包括激光推动器、拉曼检测装置、微流控芯片以及SPR检测装置；
所述微流控芯片具有供细胞样品流过的微通道；
所述SPR检测装置包括设置在所述微通道的底部的SPR芯片，该SPR芯片的检测面面向所述微通道内部的细胞样品设置，该SPR检测装置还包括射向该SPR芯片背面的SPR光源装置、接收由所述SPR背面反射回来的信号光的接收装置以及传输信号光的第一光纤；
所述拉曼检测装置包括拉曼检测光纤、拉曼光源装置以及第一光谱仪，所述拉曼检测光纤的上纤端穿过并露出在所述微通道的底部，该上纤端中间设有用于放置待测细胞的V型凹槽，该V型凹槽的槽口设有反射结构，所述拉曼光纤包括中间芯和位于中间芯周围的环形芯，其中所述中间芯正对所述V型凹槽的底部，所述环形芯正对所述反射结构，所述拉曼光源装置发出的激发光通过所述中间芯照射到所述V型凹槽中的待测细胞，激发的拉曼散射光从所述反射结构反射至所述环形芯中，并被所述第一光谱仪接收；
所述激光推动器包括第二光纤和激光器，所述第二光纤的光纤头伸入至所述微通道并对准所述拉曼检测光纤的V型凹槽，该第二光纤接收由激光器发出的光并在所述微通道空间内形成一个位置可调的约束光场，所述约束光场用以捕获并移动细胞；
当需要做细胞检测时，所述微通道中放入待检测的细胞样品，通过所述SPR芯片检测所述细胞样品的一第一性质，通过所述所述激光推动器，将所述细胞样品中至少一个细胞推动至所述拉曼检测光纤的V型凹槽中，检测所述细胞样品的一第二性质。
优选的，所述SPR芯片的检测面设有检测膜层，用于使所述微流控芯片内流动的检测细胞附着在SPR芯片上。
优选的，所述第一光纤分为SPR光源装置与SPR芯片连接的传输端和SPR芯片与SPR接收装置的接收端，所述传输端的延长线与检测膜层之间的夹角可自行设置；所述第一光纤的接收端的延长线相交于检测膜层的检测处，所述接收端的延长线与检测膜层之间的夹角可自行设置。
优选的，所述拉曼检测光纤的上纤端穿过微流控芯片并与其底部齐平。
优选的，所述SPR芯片包括衬底材料，衬底材料表面向外依次为过渡金属连接层、金属膜和有机基质层。。
优选的，所述拉曼光源装置采用1064nm激光作为拉曼激发光。
优选的，所述第二光纤的制作方法如下：
步骤一，取一同轴双波导光纤和单模光纤，分别侧抛并耦合，使得单模光纤中传输的光束进入同轴双波导光纤的环形芯中；
步骤二，将同轴双波导光纤的一端放置到光纤端研磨台的夹具上，进行光纤端平面旋转对称反射聚焦结构的研磨抛光和弧面优化，其锥面底角设置为69°；
步骤三，使用飞秒激光器在第一光纤11的纤端刻蚀一个直径为10μm×10μm×10μm的第一凹槽，并嵌入一个折射率为1.5微球透镜，并用折射率为1.4的胶水粘合固化。
优选的，所述拉曼检测光纤制作方法如下：
步骤一，首先取一根同轴双波导光纤，也进行光纤端平面旋转对称结构锥台的研磨，将锥台的底角粗磨至α角度，15°≤α≤45°；
步骤二，然后进行细磨抛光，抛光的弧面半径可自行设置，将磨好的同轴双波导光纤放入镀膜机中，使研磨好的锥台侧面镀上一层反射金属膜；
步骤三，用飞秒激光器将磨好的同轴双波导光纤的锥台的中间芯处刻蚀一个旋转对称的V型凹槽，其深度为10μm。
优选的，所述拉曼检测光纤的制作方法步骤二中，弧面半径≥50μm。
优选的，所述拉曼检测光纤的V型凹槽锥角要大于所述激光推动器发出的光束交叉汇聚的夹角。
与现有技术相比，本发明的益处有：
1、可获得批量检测细胞的精确拉曼光谱；
2、拉曼检测技术和SPR相结合，不仅能够得知检测细胞种类及其组分，还能够得到其不同状态下的化学物理变化。
3、可以准确得到两种物质相互作用前后以及合成物的拉曼光谱，为单检测细胞量级的医学提供更准确的用药用量方法或抗体抗原结合适配性提供微观依据。
附图说明
图1为一种拉曼光谱结合SPR的检测装置示意图；
图2为SPR芯片的检测膜层示意图；
图3为第二光纤局部放大图；
图4为拉曼检测光纤局部放大图；
其中，11：第二光纤，12：激光器，21：拉曼检测光纤，22：拉曼光源装置，23：第一光谱仪，30：微流控芯片，41：SPR芯片，42：第一光纤，43：SPR光源装置，44：SPR接收装置，41A：检测面，41B：检测膜层。
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。
根据图1所示本发明提供一种拉曼光谱结合SPR的检测装置，包括激光推动器10、拉曼检测装置20、微流控芯片30以及SPR检测装置40；
微流控芯片30作为检测细胞的容器，装有检测细胞溶液并具有使能够使检测细胞在其内部流动的微通道；
所述SPR检测装置40包括设置在所述微通道的底部的SPR芯片41，该SPR芯片41的检测面41A面向所述微通道内部的细胞样品设置，该SPR检测装置40还包括射向该SPR芯片41背面的SPR光源装置43、接收由所述SPR背面反射回来的信号光的SPR接收装置44以及传输信号光的第一光纤42；
其中在SPR芯片41上表面的检测面41A设有检测膜层41B，用于使所述微流控芯片30内流动的检测细胞附着在SPR芯片41上；
第一光纤42分为SPR光源装置43与SPR芯片41连接的传输端和SPR芯片与SPR接收装置44的接收端，SPR光源装置43发出的激光经过传输端传输后照向检测膜层41B，接收端用于接收检测激光经检测膜层41B反射后的反射激光并传输至SPR接收装置44即可得到检测结果；
当需要做细胞检测时，所述微通道中放入待检测的细胞样品，通过所述SPR芯片41检测所述细胞样品的一第一性质；第一性质可以是检测细胞的溶液浓度；
其中，传输端的延长线与检测膜层41A之间的夹角能够调节，接收端的延长线相交于检测膜层41B的检测处，接收端的延长线与检测膜层41A之间的夹角也能够调节。
其中，SPR芯片包括衬底材料，衬底材料表面向外依次为过渡金属连接层、金属膜和有机基质层。
根据图2所示为SPR芯片41的检测面41B和检测膜层41A，。
拉曼检测装置20设置在SPR检测装置40另一侧的微流控芯片30底端与激光推动器10的位置相对应，包括拉曼检测光纤21、拉曼光源装置22以及第一光谱仪23，拉曼检测光纤21的上纤端中间设置有V型凹槽，V型凹槽用于放置激光推动器10推入的检测细胞，并且在V型凹槽口的周围设置有反射结构，拉曼检测光纤21包括中间芯和位于中间芯周围的环形芯，其中所述中间芯正对所述V型槽，拉曼光源装置22用于向V型槽提供激发光，环形芯正对所述反射结构，用于接收从该反射结构反射的信号光并将信号光传输至第一光谱仪23；
激光推动器10包括第二光纤11和激光器12，第二光纤11的光纤头伸入至所述微通道并对准所述拉曼检测光纤21的V型凹槽，该第二光纤11接收由激光器12发出的光并在所述微通道空间内形成一个位置可调的约束光场，所述约束光场用以捕获并移动细胞；
检测时，通过激光推动器10，将所述细胞样品中至少一个细胞推动至所述拉曼检测光纤21的V型凹槽中，检测所述细胞样品的一第二性质。
检测时，以激光推动器10将的检测细胞溶液中的一个检测细胞样品推入至V型槽中，拉曼光源装置22发出的激光激发该检测细胞得到拉曼散射光，由反射结构将发散出来的拉曼散射光反射进入拉曼检测光纤21的环形芯传输到SPR接收装置44进行分析检测得到所述细胞样品的第二性质；
拉曼光源装置22发出波长为1064nm激光作为拉曼激发光激发V型凹槽中的检测细胞，此波长下的激发光可以保证荧光信号与拉曼信号相差较远，在滤波的过程中不会将拉曼信号滤除，这样传输至第二光谱仪23的拉曼散射光不含有激发光成分。
其中，拉曼检测光纤21的中间芯用于激发光束的传输，环形芯为大芯径，以便于更高效的收集拉曼散射光；拉曼检测光纤21的上纤端穿过微流控芯片30并与其底部齐平。
如图3所示第一光纤F1，其制作方法如下：
步骤一，取一同轴双波导光纤和单模光纤，分别侧抛并耦合，使得单模光纤中传输的光束进入同轴双波导光纤的环形芯中；
步骤二，将同轴双波导光纤的一端放置到光纤端研磨台的夹具上，进行光纤端平面旋转对称反射聚焦结构的研磨抛光和弧面优化，其锥面底角设置为69°；
步骤三，使用飞秒激光器在第一光纤11的纤端刻蚀一个直径为10μm×10μm×10μm的第一凹槽，并嵌入一个折射率为1.5微球透镜，并用折射率为1.4的胶水粘合固化；
单模光纤中的光束进入环形芯，经过纤端锥台结构的反射，在所述微通道空间内形成一个位置可调的约束光场，所述约束光场用以捕获并移动细胞。
如图4所示拉曼检测光纤21，其制作方法如下：
步骤一，首先取一根同轴双波导光纤，也进行光纤端平面旋转对称结构锥台的研磨，将锥台的底角粗磨至α角度，15°≤α≤45°；
步骤二，然后进行细磨抛光，抛光的弧面半径可根据情况选择(弧面半径R≥50μm)，将磨好的同轴双波导光纤放入镀膜机中，使研磨好的锥台侧面镀上一层反射金属膜；
步骤三，用飞秒激光器将磨好的同轴双波导光纤的锥台的中间芯处刻蚀一个旋转对称的V型凹槽，其深度为10μm，主要是为了匹配光镊夹取物质，方便光镊把物质放入和取出V型凹槽，其锥角要大于光镊俘获光束交叉汇聚的夹角。
同轴双波导光纤的中间芯用于激发光的传输，与处于V型凹槽内的物质作用后产生拉曼散射光向外无规则散射，但因为V型凹槽宽度较小，大部分散射光可以散射到反射结构上，经过反射进入大芯径的环形芯传输到SPR接收装置44进行分析。
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)

1.一种拉曼光谱结合SPR的检测装置，其特征在于：包括激光推动器、拉曼检测装置、微流控芯片以及SPR检测装置；
所述微流控芯片具有供细胞样品流过的微通道；
所述SPR检测装置包括设置在所述微通道的底部的SPR芯片，该SPR芯片的检测面面向所述微通道内部的细胞样品设置，该SPR检测装置还包括射向该SPR芯片背面的SPR光源装置、接收由所述SPR背面反射回来的信号光的接收装置以及传输信号光的第一光纤；
所述拉曼检测装置包括拉曼检测光纤、拉曼光源装置以及第一光谱仪，所述拉曼检测光纤的上纤端穿过并露出在所述微通道的底部，该上纤端中间设有用于放置待测细胞的V型凹槽，该V型凹槽的槽口设有反射结构，所述拉曼光纤包括中间芯和位于中间芯周围的环形芯，其中所述中间芯正对所述V型凹槽的底部，所述环形芯正对所述反射结构，所述拉曼光源装置发出的激发光通过所述中间芯照射到所述V型凹槽中的待测细胞，激发的拉曼散射光从所述反射结构反射至所述环形芯中，并被所述第一光谱仪接收；
所述激光推动器包括第二光纤和激光器，所述第二光纤的光纤头伸入至所述微通道并对准所述拉曼检测光纤的V型凹槽，该第二光纤接收由激光器发出的光并在所述微通道空间内形成一个位置可调的约束光场，所述约束光场用以捕获并移动细胞；
当需要做细胞检测时，所述微通道中放入待检测的细胞样品，通过所述SPR芯片检测所述细胞样品的一第一性质，通过所述所述激光推动器，将所述细胞样品中至少一个细胞推动至所述拉曼检测光纤的V型凹槽中，检测所述细胞样品的一第二性质。
2.根据权利要求1所述的一种拉曼光谱结合SPR的检测装置，其特征在于：所述SPR芯片的检测面设有检测膜层，用于使所述微流控芯片内流动的检测细胞附着在SPR芯片上。
3.根据权利要求2所述的一种拉曼光谱结合SPR的检测装置，其特征在于：所述第一光纤分为SPR光源装置与SPR芯片连接的传输端和SPR芯片与SPR接收装置的接收端，所述传输端的延长线与检测膜层之间的夹角可自行设置；所述第一光纤的接收端的延长线相交于检测膜层的检测处，所述接收端的延长线与检测膜层之间的夹角可自行设置。
4.根据权利要求1所述的一种拉曼光谱结合SPR的检测装置，其特征在于：所述拉曼检测光纤的上纤端穿过微流控芯片并与其底部齐平。
5.根据权利要求1所述的一种拉曼光谱结合SPR的检测装置，其特征在于：所述SPR芯片包括衬底材料，衬底材料表面向外依次为过渡金属连接层、金属膜和有机基质层。。
6.根据权利要求1所述的一种拉曼光谱结合SPR的检测装置，其特征在于：所述拉曼光源装置采用1064nm激光作为拉曼激发光。
7.根据权利要求1所述的一种拉曼光谱结合SPR的检测装置，其特征在于：所述第二光纤的制作方法如下：
步骤一，取一同轴双波导光纤和单模光纤，分别侧抛并耦合，使得单模光纤中传输的光束进入同轴双波导光纤的环形芯中；
步骤二，将同轴双波导光纤的一端放置到光纤端研磨台的夹具上，进行光纤端平面旋转对称反射聚焦结构的研磨抛光和弧面优化，其锥面底角设置为69°；
步骤三，使用飞秒激光器在第一光纤11的纤端刻蚀一个直径为10μm×10μm×10μm的第一凹槽，并嵌入一个折射率为1.5微球透镜，并用折射率为1.4的胶水粘合固化。
8.根据权利要求1所述的一种拉曼光谱结合SPR的检测装置，其特征在于：所述拉曼检测光纤制作方法如下：
步骤一，首先取一根同轴双波导光纤，也进行光纤端平面旋转对称结构锥台的研磨，将锥台的底角粗磨至α角度，15°≤α≤45°；
步骤二，然后进行细磨抛光，抛光的弧面半径可自行设置，将磨好的同轴双波导光纤放入镀膜机中，使研磨好的锥台侧面镀上一层反射金属膜；
步骤三，用飞秒激光器将磨好的同轴双波导光纤的锥台的中间芯处刻蚀一个旋转对称的V型凹槽，其深度为10μm。
9.根据权利要求8所述的一种拉曼光谱结合SPR的检测装置，其特征在于：所述拉曼检测光纤的制作方法步骤二中，弧面半径≥50μm。
10.根据权利要求8所述的一种拉曼光谱结合SPR的检测装置，其特征在于：所述拉曼检测光纤的V型凹槽锥角要大于所述激光推动器发出的光束交叉汇聚的夹角。
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