CN112924421A - 一种核酸适配体传感器的共振光散射检测分析方法及检测装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种核酸适配体传感器的共振光散射检测分析方法及检测装置，所述的一种共振光散射检测分析方法，包括以下步骤，1）将核酸适配体与待测物混合进行特异性捕捉，加入纳米金捕获未完全反应的适配体，随后滴加盐溶液，导致体系变色，通过测量其共振光散射进而得到待测物的浓度；2）利用智能终端的摄像头拍摄共振光散射图片；3）在图片中的发光区域选择预定数量像素点；4）根据像素点的与共振光散射的激发波长对应的RGB中的颜色分量通道的值得到共振光散射光强值。本发明无需配置额外的大型装置，极大地简化了装置并降低了系统成本，方便用户随身携带，而且计算和分析步骤部署在更容易获得的智能终端上，实现和部署更为便捷。
Description
技术领域
本发明涉及生物化学传感技术领域，具体涉及一种利用智能手机读出核酸适配体传感器共振光散射信号的共振光散射检测分析方法及检测装置。
背景技术
共振光散射是一种弹性光散射，当介质中存在吸收特性的物质，当入射光波长位于或接近于待测物质的分子吸收带时，电子吸收电磁波频率与散射频率相同，电子因共振而强烈吸收光的能量并产生共振光散射。传统方法是使用普通荧光分光光度计通过匹配激发和发射单色器进行同步扫描，即入射波长等于发射波长，获得光散射信号和波长之间的依赖关系。利用共振光散射检测技术定量分析物质的含量，具有操作简便、分析速度快、灵敏度高及选择性好等特点。
目前共振光散射检测技术已应用于金属离子、有机小分子、核酸、蛋白质等方面的检测，在环境和生物医学分析中具有良好的实用性。通常，共振光散射信号是由实验室荧光分光光度计测量的。近年来核酸适配体在分析检测领域受到广泛关注，其具有选择性高、特异性好、分子量小、可化学合成、稳定性好、成本低廉、没有毒性等优点。
相对昂贵和笨重的设备限制了共振光散射在便携式现场分析、医学检测和生物传感器领域的实用性，人们迫切希望开发廉价、快速、操作简单、高灵敏度和选择性的现场分析检测方法和设备。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明提供一种低成本、快速、操作简单、检测灵敏度高的现场分析检测方法，利用生活中常见的智能手机作为光源控制、数据检测以及数据分析的功能，实现了可同时对多路污染物的共振光散射进行检测。
为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种共振光散射检测分析方法，包括以下步骤，
1)将核酸适配体与待测物混合进行特异性捕捉，加入纳米金捕获未完全反应的适配体，随后滴加盐溶液，导致体系变色，通过测量其共振光散射进而得到待测物的浓度；
2)利用智能终端的摄像头拍摄共振光散射图片；
3)在图片中的发光区域选择预定数量像素点；
4)根据像素点的与共振光散射的激发波长对应的RGB中的颜色分量通道的值得到共振光散射光强值。
进一步地，还包括根据所述的共振光散射的光强值及待检测溶液浓度回执标准曲线的步骤。
进一步地，所述的步骤3)中为根据R或G或B通道值作为共振光散射光强值。
进一步地，共振光散射的激发波长为400-490nm选取蓝(B)通道值作为共振光散射光强值，共振光散射的激发波长为500-580nm时选取绿(G)通道值作为共振光散射光强值，共振光散射的激发波长为600-700nm上选取红(R)通道值作为共振光散射光强值。
进一步地，所述的共振光散射光强值为根据该像素点的RGB的比例及各颜色分量通道值计算得到。
进一步地，该方法用于核酸适配体结合纳米金为妥布霉素识别探针的共振光散射检测。
一种用于实现所述的共振光散射检测分析方法的检测装置，包括右侧壁构造有拍照口的暗室、设置在暗室左侧的光源、设置在暗室中部的样品支架以及设置在暗室拍照口外侧智能终端固定架，所述的暗室的顶面为可开启盒盖。
进一步地，所述的光源为线状光源，所述的样品支架为台阶式多样品支架，所述多样品支架与光源间设置有多路针孔板。具体来说，所述一字型光源为从上到下发出的均匀光线经过所述多路针孔照射在多路样品支架上，所述多路针孔固定在所述多路样品支架前，所述多路针孔孔径为2mm。所述多路样品支架包括三路样品支架，所述三路样品支架是由三个呈阶梯式排布的样品支架组成，所述样品支架可放置四面透光的石英比色皿，所述石英比色皿采用的1mm光程的比色皿。所述多路支架与所述光源的中心同位于垂直所述密封盒底面的平面，所述平面平行于所述密封盒的前表面。所述拍照口为匹配智能手机摄像头而设置成直径为1cm的圆形且正对着所述样品放置处。所述多路样品支架与所述拍照口的距离是为匹配智能手机摄像头的视场而设置成6cm，并且所述拍照口的中心点与所述多路样品支架的中心点同心。
进一步地，还包括所述控制板，所述的控制板包括微控制器、用以实现与智能终端信息交互的通信模块和用以控制光源的光源驱动模块。光源驱动模块和所述微控制器相连接；所述通信模块可为蓝牙通信模块或USB通信模块；智能手机通过所述通信模块向所述微控制器发送各种指令。
进一步地，所述的光源由智能终端实现供电及控制。
与现有技术相比，本发明具有如下优点：
1、本发明无需配置额外的大型装置，极大地简化了装置并降低了系统成本，方便用户随身携带，而且计算和分析步骤部署在更容易获得的智能终端上，实现和部署更为便捷。
2、本发明利用智能手机摄像头强大的图像拍摄功能来采集共振光散射数据，另通道分量值作为光强度值，计算简单获取便利；并利用智能手机优秀的人机交互能力来对光源进行控制，当一次测量样品较多时，在更换样品时可通过智能手机关闭光源，防止光源的能量衰竭，具有很好的人机交互作用。而且提出多路样品的共振光散射同时测量，可同时采集多个数据，提升了采集的速率。
3、本发明提出以非标记核酸适配体结合纳米金为识别探针的多路共振光散射的检测方法，核酸适配体合成成本低、热稳定性好、便于储存运输。
附图说明
附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中：
图1为本发明实施例的利用智能手机测量共振光散射的多路传感装置结构示意图；
图2为本发明实施例中的俯视图。
图3为本发明实施例中多路样品支架的侧视图；
图4为图2的A-A剖视图；
图5为本发明实施例中基于蓝牙通信的控制板工作原理框图；
图6为本发明实施例中基于USB通信的控制板工作原理框图；
图7为本发明实施例中妥布霉素在50-300ng/mL时的智能手机测量共振光散射强度的标准曲线。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，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，都属于本发明保护的范围。
随着智能手机在全世界普及范围越来越广，各种硬件和软件的突飞猛进，智能手机上集成的大量组件为各种测量和检测提供了可能，其中包括CMOS摄像头、麦克风和数据接口等。以智能手机为测量平台，采用比色法、荧光法、化学发光、电化学发光法等分子光谱测量方法进行生物医疗检测应用。与传统的分析仪器相比，智能手机在科学领域扮演着越来越重要的角色，这得益于这些设备的普遍普及、它们相对较低的成本、不断增强的处理能力，以及它们的集成数据采集和处理的能力。因此，本发明提出一种利用智能手机读出核酸适配体传感器信号的系统装置和方法。
本发明的共振光散射检测分析用的检测装置，包括右侧壁构造有拍照口的暗室、设置在暗室左侧的光源、设置在暗室中部的样品支架以及设置在暗室拍照口外侧智能终端固定架，所述的暗室的顶面为可开启的盖板。
具体来说，本发明提供的一种利用智能手机读出核酸适配体传感器共振光散射信号的系统装置。利用电池为光源和控制板供电，避免了使用有线电源；其具有无线控制功能，可通过智能手机对光源进行开关，在长时间的使用该系统是可通过调节光源的开闭来防止光源能量衰竭；同时，使用智能手机自带的摄像机对待测物进行共振光散射的采集，解决了传统仪器昂贵、笨重的缺点。
实施例1
如图1所示为本发明实施例中利用智能手机测量共振光散射的多路传感装置结构示意图，图2为本发明实施例中的俯视图。根据图1、图2、图3、图4可以看出本发明实施例是由盒盖1、密封盒2构成的暗室、智能终端固定架，如手机支架3、拍照口4、控制板5、线路口6、光源7、光源固定口8、多路样品支架9和电源10组成的。盒盖1与密封盒2 可通过接口11打开与关闭。密封盒2内部固定有控制板5和多路样品支架9；光源7通过光源固定口8固定于密封盒2的壁上；密封盒2的外部固定有手机支架3和电源10；手机支架3留有的拍照口与密封盒2壁上的拍照口4同样大小。
根据图1、图2、图3所示，光路由光源7、光源固定口8、拍照口4、多路针孔12、 13、14构成。将某一特定波长的光源7，放入光源固定口8进行固定，其发出的一字型光线经过多路针孔板的三路针孔12、13、14正好打在多路样品支架9放置的目标溶液，目标溶液发出的光经拍照口4进入智能手机摄像头，由智能终端，如智能手机相对应的软件对数据进行采集和分析。
根据图4所示为一种利用智能手机测量共振光散射的多路传感装置控制板的工作原理框图。控制板的工作原理框图是由微控制器、蓝牙通信模块和激光驱动模块组成。微控制器是整个控制板的核心，由电源直接供电，用于与智能手机进行人机交互，同时还负责协调各部分功能电路的正常工作；蓝牙通信模块是智能手机与微控制器交流的中间工具，智能手机通过蓝牙通信模块将指令传送到微控制器中，微控制器根据指令做出对应的响应；激光驱动模块则是微控制器控制光源开闭的功能模块。
工作过程：连接好电源，将某一波长的激发光光源放入光源固定口8，打开盒盖1，将盛有样品溶液的多个1mm光程的四面透光石英比色皿放置在多路样品支架9上，使样品溶液处于三路针孔12、13、14之后。各模块调节好后，关上盒盖1，通过智能手机控制打开光源，光源发出的一字型光线经过多路针孔12、13、14正好均匀的打在样品上，通过拍照口4用智能手机进行拍照。
采用一字型线状光源并利用孔板实现多个点光源的模拟，能保证光源的统一性，同时能同时测量多样本，而且利用台阶式多样品支架，样品布置便利，操作简单，而且相互之间不影响，保证很好的结果采集和分析。
实施例2：
与实施例1不同的是，在该实施例所构建的一种利用智能终端如手机的检测装置中，可直接用电源10对光源7进行供电，不经过智能手机通过控制板5对其进行控制，智能手机只是作为采集图像信息的工具。
实施例3：
与实施例2不同的是，在该实施例所构建的一种利用检测装置可去掉电源10。如图5 所示，智能终端，如智能手机通过USB通信模块为控制板5供电，并且不再通过蓝牙通信模块而是通过USB通信模块发送相关指令到控制板5上来控制光源7的开闭，这样避免了更换电池的麻烦。
其中，所述电源为电池供电，所述电池通过电线为所述控制板和所述光源供电，所述电线从所述线路口通过。
实施例4
一种共振光散射检测分析方法，其特征在于，包括以下步骤，
1)将核酸适配体与待测物混合进行特异性捕捉，加入纳米金捕获未完全反应的适配体，随后滴加盐溶液，导致体系变色，通过测量其共振光散射进而得到待测物的浓度；
2)利用智能终端的摄像头拍摄共振光散射图片；
3)在图片中的发光区域选择预定数量像素点；
4)根据像素点的与共振光散射的激发波长对应的RGB中的颜色分量通道的值得到共振光散射光强值。必要时，还包括根据所述的共振光散射的光强值及待检测溶液浓度回执标准曲线的步骤。
其中，所述的步骤3)中为根据R或G或B通道值作为共振光散射光强值。比如共振光散射的激发波长为400-490nm选取蓝(B)通道值作为共振光散射光强值，共振光散射的激发波长为500-580nm时选取绿(G)通道值作为共振光散射光强值，共振光散射的激发波长为600-700nm上选取红(R)通道值作为共振光散射光强值。
或者，所述的共振光散射光强值为根据该像素点的RGB的比例及各颜色分量通道值计算得到。即根据该像素点的RGB值的比例以及对应的通道值进行运算得到最终的光强值，这些都可以通过系统的app等简单实现，其运算量小，实现简单，而且数据范围的选择可通过屏幕进行选择，测量点的选择可通过手动点取或者自动等间距采集等多种形式实现。
实施例5
本发明还公开了一种利用智能手机同时对以非标记核酸适配体结合纳米金为识别探针检测抗生素多路共振光散射的方法，以妥布霉素抗生素为例，包括以下步骤：
(1)用柠檬酸三钠还原法制备13nm纳米金；
(2)取8个离心管，在100μL妥布霉素特异性适配体(8μmol/L)加入100μL不同浓度的妥布霉素混匀孵化5分钟，加入的浓度分别为0、50、100、200、250、300、400、 600ng/mL；
(3)往步骤(2)各个离心管中的混合溶液中加入100μL的13nm纳米金溶液，混匀孵化5分钟；
(4)往步骤(3)各个离心管中的混合溶液中加入20μL的氯化钠溶液(2mol/L)；于妥布霉素会与妥布霉素特异性核酸适配体结合，适配体对纳米金的保护作用，随着妥布霉浓度的增大，与妥布霉结合的适配体会越多，对纳米金保护的适配体会越少，多余的纳米金颗粒在高盐环境下会发生聚集，溶液的颜色由红色变为蓝紫色。
(5)将步骤(4)所得的样品溶液放置多路样品支架上，智能手机放置在手机支架上，打开电源，利用智能手机控制光源开启；选取532nm一字型激光二极管作为光源，打在样品溶液上产生的共振光散射由智能手机对其进行拍照，利用智能手机测量(如通过APP 或小程序等)以非标记核酸适配体结合纳米金作为妥布霉素识别探针的共振光散射光强值H。以妥布霉素浓度为横坐标，强度H为纵坐标绘制标准曲线。
(6)手机app通过一个矩形选择框在图片上的共振光散射发光区域提取RGB像素值，由于共振光散射的激发波长λex＝发射波长λem，而激发波长532nm位于RGB中的G区域，因此以其中的绿色分量G通道的值作为共振光散射光强值。在矩形选择框提取的共振光散射发光区域从上至下采取10个像素点的G值G1、G2…G10取平均，得到的共振光散射光强
以妥布霉素浓度为横坐标，强度H为纵坐标绘制标准曲线。如图7所示为妥布霉素的共振光散射强度与浓度相关的标准曲线，妥布霉素浓度在50-300ng/mL时，线性方程为：H通道一＝0.17c+90.7、H通道二＝0.16c+125.5、H通道三＝0.14c+59.1，线性相关系数分别为0.977、0.974、0.992，在三路检测通道的线性相关系数都大于0.97，都可以得到较好的标准曲线，表明本方法可以有效检测妥布霉素。
最后应说明的是：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，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。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 (10)
1.一种核酸适配体传感器的共振光散射检测分析方法，其特征在于，包括以下步骤，
1）将核酸适配体与待测物混合进行特异性捕捉，加入纳米金捕获未完全反应的适配体，随后滴加盐溶液，导致体系变色，通过测量其共振光散射进而得到待测物的浓度；
2）利用智能终端的摄像头拍摄共振光散射图片；
3）在图片中的发光区域选择预定数量像素点；
4）根据像素点的与共振光散射的激发波长对应的RGB中的颜色分量通道的值得到共振光散射光强值。
2.如权利要求1所述的共振光散射检测分析方法，其特征在于，
还包括根据所述的共振光散射的光强值及待检测溶液浓度回执标准曲线的步骤。
3.如权利要求1所述的共振光散射检测分析方法，其特征在于，所述的步骤3）中为根据R或G或B通道值作为共振光散射光强值。
4.如权利要求3所述的共振光散射检测分析方法，其特征在于，共振光散射的激发波长为400-490 nm选取蓝(B)通道值作为共振光散射光强值，共振光散射的激发波长为500-580nm时选取绿(G)通道值作为共振光散射光强值，共振光散射的激发波长为600-700 nm上选取红(R)通道值作为共振光散射光强值。
5.如权利要求1所述的共振光散射检测分析方法，其特征在于，所述的共振光散射光强值为根据该像素点的RGB的比例及各颜色分量通道值计算得到。
6.如权利要求1所述的共振光散射检测分析方法，其特征在于，该方法用于核酸适配体结合纳米金为妥布霉素识别探针的共振光散射检测。
7.一种用于实现如权利要求1-6任一项所述的共振光散射检测分析方法的检测装置，其特征在于，包括右侧壁构造有拍照口的暗室、设置在暗室左侧的光源、设置在暗室中部的样品支架以及设置在暗室拍照口外侧的智能终端固定架，所述的暗室的顶面为可开启的盒盖。
8.如权利要求7所述的检测装置，其特征在于，所述的光源为线状光源，所述的样品支架为台阶式多样品支架，所述多样品支架与光源间设置有多路针孔板。
9.如权利要求7所述的检测装置，其特征在于，还包括所述控制板，所述的控制板包括微控制器、用以实现与智能终端信息交互的通信模块和用以控制光源的光源驱动模块。
10.如权利要求7所述的检测装置，其特征在于，所述的光源由智能终端实现供电及控制。
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