CN113295652A - 一种高通量阵列扫描式lspr传感检测系统 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种高通量阵列扫描式LSPR传感检测系统，系统包括：光学探测单元、传感单元阵列、控制系统和数据记录与处理单元；光学探测单元用于通过光源提供的光信号经光学探测单元中的光纤传至多芯径光学探头阵列，并入射到传感单元阵列；传感单元阵列用于接收光信号，并通过纳米结构芯片反射进入多芯径光学探头阵列经光纤进入数据记录与处理单元中的光谱仪实现数据光电转换；数据记录与处理单元用于进行数据记录与数据分析处理；控制系统用于实现对不同检测样品的切换；本发明提供的系统能够满足生化传感需要，同时结构简单，成本低。
Description
技术领域
本发明涉及生化传感检测技术领域，尤其涉及一种高通量阵列扫描式LSPR传感检测系统。
背景技术
传感技术是现代信息技术的重要组成部分，在国家安全、科学试验、医疗卫生、以及环境监测方面发挥重要作用。生化传感技术是传感技术的重要分支，关系到与人们生活息息相关的公共安全、病毒、细菌检测、临床医学、环境检测等领域。传统生化传感技术通常需要标记，其中90％的工作量用在标记，主要使用放射性同位素、酶或荧光等作为标识物，安全性差和稳定性差，同时，系统体积大、灵敏度低(通常在纳摩尔量级)、过程繁琐、效率低。不能满足快速(以便实时处理和控制危险物)、灵敏(以便探测微量的剧毒物质)、特效(排除非致病性成份的干扰和污染)的需求。近年来，部分无标记检测方法得到迅速发展，出现了椭圆偏振光、光寻址电位、离子敏场效应晶体管、表面声波和石英晶振微天平等传感技术，提高了检测效率，但在探测系统的集成化、灵敏度提高等方面仍然需要开展大量工作。
近年来，随着纳米技术、物理化学与生命科学的交叉融合，金属纳米结构的优良电磁性质和生物亲和性引起了人们的广泛关注，目前利用SPR技术的分析仪已经商品化，并进入市场，其工作原理是采用棱镜耦合加上高精度角度扫描的方式进行信号探测，BIACORE公司所产的BIACORE3000-SPR分析仪售价高达几百万，仪器体积较大，根本无法实现普及应用和满足外场探测的需求。
传统生化传感技术通常需要标记，并且系统体积大、灵敏度低、过程繁琐、效率低，不能满足快速、灵敏、特效、高通量检测的需求。近年来，随着微纳米加工技术、信息技术和微流控技术的发展，无标记生化检测方法得到迅速发展，特别是局域表面等离子体共振(LSPR，Localized Surface Plasmon Resonance)传感技术，能够实时监测生物分子间的相互作用，已被广泛应用于蛋白质组学、药物研发、临床诊断、食品安全和环境监测等领域，并且提高了检测效率。在生物医学传感及测量平台已在医疗中发挥重大作用。
计算机技术为生化便携式传感检测提供了新的机遇。同时，等离子体光学和微纳流体技术最前沿的研究成果应用于基于计算机技术生化传感检测系统领域中，使微流控光学等离子体传感系统在生化传感检测等领域会产生无穷多的新应用，并且具有体积小、重量轻、成本低、防污染、所需样品和试剂少、高通量、多组份、高精度等诸多优点。
发明内容
针对现有技术中的问题，本发明实施例提供一种高通量阵列扫描式LSPR传感检测系统。
具体地，本发明实施例提供了以下技术方案：
第一方面，本发明实施例提供了一种高通量阵列扫描式LSPR传感检测系统，包括：光学探测单元、传感单元阵列、控制系统和数据记录与处理单元；所述光学探测单元包括光源系统、光纤和多芯径光学探头阵列；所述传感单元阵列包括孔板、置于孔板孔内的纳米结构芯片和孔板支架；所述控制系统包括计算机终端、步进电机和电源；所述数据记录与处理单元包括光谱仪、光纤和计算机终端；
所述光学探测单元用于通过所述光源系统提供的光信号经所述光学探测单元中的所述光纤传至所述多芯径光学探头阵列，并入射到所述传感单元阵列；
所述传感单元阵列用于接收光信号，并通过所述纳米结构芯片反射进入所述多芯径光学探头阵列经光纤进入所述数据记录与处理单元中的光谱仪实现数据光电转换；
所述数据记录与处理单元用于进行数据记录与数据分析处理；
所述控制系统用于实现对不同检测样品的切换。
进一步地，所述多芯径光学探头阵列垂直于所述纳米结构芯片。
进一步地，所述光学探测单元中的光纤为n组六芯光纤，n正整数。
进一步地，所述光源系统的光谱范围为200nm～1500nm。
进一步地，所述传感单元阵列中的纳米结构芯片的基底材料为k9玻璃或石英片。
进一步地，所述数据记录与处理单元中的计算机终端用于数据处理和控制步进电机。
进一步地，所述光学探测单元连接光谱仪和多芯径光学探头阵列中的光学探头组成反射式光纤探针。
进一步地，相邻的反射式光纤探针的间距与所述传感单元阵列中相邻的孔板的间距互相匹配。
进一步地，所述传感单元阵列的所述孔板为九十六孔板。
进一步地，所述光源系统为LED灯，或卤素灯，或汞灯。
由上面技术方案可知，本发明实施例提供的高通量阵列扫描式LSPR传感检测系统，通过光学探测单元、传感单元阵列、控制系统和数据记录与处理单元达到对探测对象的快速、高灵敏度识别的需求，所述光学探测单元用于通过所述光源系统提供的光信号经所述光学探测单元中的所述光纤传至所述多芯径光学探头阵列，并入射到所述传感单元阵列；所述传感单元阵列用于接收光信号，并通过所述纳米结构芯片反射进入所述多芯径光学探头阵列经光纤进入所述数据记录与处理单元中的光谱仪实现数据光电转换；所述数据记录与处理单元用于进行数据记录与数据分析处理；所述控制系统用于实现对不同检测样品的切换；本发明结构简单，成本低，携带方便；可以满足实验室、医院等对生化探测的需要，便于推广。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明一实施例提供的高通量阵列扫描式LSPR传感检测系统的一种结构示意图；
图2为本发明另一实施例提供的高通量阵列扫描式LSPR传感检测系统的一种外观示意图；
图3为本发明另一实施例提供的高通量阵列扫描式LSPR传感检测系统的一种概念结构示意图；
图4为本发明另一实施例提供的高通量阵列扫描式LSPR传感检测系统的一种测试过程示意图；
图5为本发明另一实施例提供的高通量阵列扫描式LSPR传感检测系统中光纤探头示意图；
图1中各标记分别表示：101表示光学探测单元；102表示传感单元阵列；103表示控制系统；104表示数据记录与处理单元；
图2中各标记分别表示：6表示计算机终端，11表示光源系统，12表示光学探测单元中的光纤，21表示光谱仪，22表示数据记录与处理单元中的光纤，31表示步进电机，32表示电源，33表示控制系统的支架，41表示多芯径光学探头阵列，42表示多芯径光学探头阵列中光学探头的支架，51表示孔板，52表示置于孔板孔内的纳米结构芯片，53表示孔板支架。
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作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。
图1示出了本发明实施例提供的高通量阵列扫描式LSPR传感检测系统的结构示意图。如图1所示，本发明实施例提供的高通量阵列扫描式LSPR传感检测系统，包括：光学探测单元、传感单元阵列、控制系统和数据记录与处理单元；所述光学探测单元包括光源系统、光纤和多芯径光学探头阵列；所述传感单元阵列包括孔板、置于孔板孔内的纳米结构芯片和孔板支架；所述控制系统包括计算机终端、步进电机和电源；所述数据记录与处理单元包括光谱仪、光纤和计算机终端；
所述光学探测单元用于通过所述光源系统提供的光信号经所述光学探测单元中的所述光纤传至所述多芯径光学探头阵列，并入射到所述传感单元阵列；
所述传感单元阵列用于接收光信号，并通过所述纳米结构芯片反射进入所述多芯径光学探头阵列经光纤进入所述数据记录与处理单元中的光谱仪实现数据光电转换；
所述数据记录与处理单元用于进行数据记录与数据分析处理；
所述控制系统用于实现对不同检测样品的切换。
在本实施例中，需要说明的是，LSPR即局域表面等离子体技术，基于本发明实施例提供的高通量阵列扫描式LSPR传感检测系统利用局域表面等离子体技术构成一种高灵敏度、免标记的生化检测仪器。本发明实施例提供的高通量阵列扫描式LSPR传感检测系统，由光学探测单元、传感单元阵列、控制系统和数据记录与处理单元，参见图2所示的一种外观示意图，其中，所述光学探测单元部分可以由光源(即光源系统6)、多组六芯光纤(即光学探测单元中的光纤12)和多芯径光学探头阵列41及其支架(即多芯径光学探头阵列中光学探头的支架42)组成；所述传感单元阵列可以由96孔板(即孔板51)及其孔内的纳米结构芯片(即置于孔板孔内的纳米结构芯片52)和96孔板支架(即孔板支架53)构成，传感单元阵列的96孔板中的每一个单元中都内含纳米结构芯片52；控制系统是由步进电机31、电源32及其支架(即控制系统的支架33)、计算机(即计算机终端6)及其安装的软件构成，所述控制系统中的计算机终端控制步进电机移动步长、停顿时间，步进电机移动步长为9mm，与96孔板相匹配；所述数据记录与处理单元可以由光谱仪21、多组单芯光纤(即数据记录与处理单元中的光纤22)和计算机(即计算机终端6)及其安装的软件构成，如数据采集软件，计算机中的数据采集软件可以单次记录8组数据(与96孔板单排8个传感单元对应)，每个96孔板可以采集12次，一共可采集96个数据，并进行相应的光谱分析。多芯径光学探头阵列垂直于96孔板内放置的纳米结构传感芯片。光源的光信号经光纤传到多芯径光学探头阵列，垂直入射到纳米结构芯片表面，再反射进入多芯径光学探头阵列，经光纤进入光谱仪，进行数据光电转换，由计算机进行记录与数据分析，每次记录八组数据，通过控制系统实现切换，进行十二次记录，可以实现一次实验进行96组数据结果记录与分析(也即将所采集到的数据信息传输到数据处理系统进行数据处理。通过该高通量阵列扫描式LSPR传感检测系统，达到对探测对象的快速、高灵敏识别的需求。
由上面技术方案可知，本发明实施例提供的高通量阵列扫描式LSPR传感检测系统，通过光学探测单元、传感单元阵列、控制系统和数据记录与处理单元达到对探测对象的快速、高灵敏度识别的需求，所述光学探测单元用于通过所述光源系统提供的光信号经所述光学探测单元中的所述光纤传至所述多芯径光学探头阵列，并入射到所述传感单元阵列；所述传感单元阵列用于接收光信号，并通过所述纳米结构芯片反射进入所述多芯径光学探头阵列经光纤进入所述数据记录与处理单元中的光谱仪实现数据光电转换；所述数据记录与处理单元用于进行数据记录与数据分析处理；所述控制系统用于实现对不同检测样品的切换；本发明结构简单，成本低，携带方便；可以满足实验室、医院等对生化探测的需要，便于推广。
在上述实施例的基础上，在本实施例中，所述多芯径光学探头阵列垂直于所述纳米结构芯片。
在上述实施例的基础上，在本实施例中，所述光学探测单元中的光纤为n组六芯光纤，n正整数。
在上述实施例的基础上，在本实施例中，所述光源系统的光谱范围为200nm～1500nm。
在本实施例中，可以理解的是，光源系统采用LED、或卤素灯、或钠灯、或汞灯，其光源的光谱范围在200nm～1500nm。
在上述实施例的基础上，在本实施例中，所述传感单元阵列中的纳米结构芯片的基底材料为k9玻璃或石英片。
在上述实施例的基础上，在本实施例中，所述数据记录与处理单元中的计算机终端用于数据处理和控制步进电机。
在本实施例中，可以理解的是，所述数据记录与处理单元中的计算机终端安装有数据处理软件与步进电机控制系统。
在上述实施例的基础上，在本实施例中，所述光学探测单元连接光谱仪和多芯径光学探头阵列中的光学探头组成反射式光纤探针。
在本实施例中，可以理解的是，所述光学探测单元连接光源与光谱仪的光纤、光学探头共同组成为反射式光纤探针，可以为8个反射式光纤探针，相邻反射式光纤探针之间距与96孔板之间距相匹配。光学探测单元中的光纤12由8根光纤构成，每根光纤为单芯径光纤，每个芯径为600～800微米，连接光源与光学探头。数据记录与处理单元中的光纤22由8根光纤构成，每根光纤由6芯径光纤构成，其芯径为400～600微米，连接光学探头与光谱仪。
进一步地，反射式光纤探针由7根光纤构成，1根光纤为入射光光纤，6根为反射光收集光纤，入射光光纤位于中心，6根反射光收集光纤等距均匀分布在入射光光纤周围。波长范围为250nm～1200nm。
在上述实施例的基础上，在本实施例中，相邻的反射式光纤探针的间距与所述传感单元阵列中相邻的孔板的间距互相匹配。
在上述实施例的基础上，在本实施例中，所述传感单元阵列的所述孔板为九十六孔板。
在上述实施例的基础上，在本实施例中，所述光源系统为LED灯，或卤素灯，或汞灯。
为了更好的理解本发明，下面结合实施例进一步阐述本发明的内容，但本发明不仅仅局限于下面的实施例。
举例来说，本发明实施例提供的高通量阵列扫描式LSPR传感检测系统由光学探测部分(即光学探测单元)、传感单元阵列、控制系统、数据记录与处理部分(即数据记录与处理单元)四个部分组成，其中传感单元阵列的96孔板上装有芯片；由光源系统提供入射光源，8个探测器中同时含有入射光路和出射光路，故探测器为光学探测部分、数据记录与处理单元的共同组成部分并垂直于96孔板放置(垂直入射)；光源发出的光照射在96孔板的探测芯片上，光谱分析系统位于传感系统之后探测由芯片反射的光线；并将所采集到的数据信息传输到数据处理系统，进行数据处理，即由光谱仪将光学信号转换为电信号传输给计算机，经由计算机程序处理，然后显示出样品的反射光谱，然后经由步进电机将探测器平移，分别进行12组样品的检测；通过该检测系统，达到对探测对象的快速、高灵敏识别的需求。本发明装置结构简单，成本低，携带方便；可以满足实验室、医院等对生化探测的需要，便于推广。
优选的，探测器为八个RP24-反射式光纤探针组成，含有7个光纤头，参见图5，图5中的圆表示光纤头，其中包括入射光探头和接收探头。
优选的，光学探测单元由宽谱光源、RP24-反射式光纤探针及其支架组成。
优选的，宽谱光源采用LED、或卤素灯、或钠灯、或汞灯，其光源的光谱范围在200～1500nm。
优选的，数据处理系统由计算机及安装在其上的数据处理软件构成。
优选的，控制系统由计算机及其控制的步进电机、电机电源、电机支架构成。
优选的，步进位移系统包含步进电机，可使探测器进行11次位移，步长为9mm，完成12次检测。
在本实施例中，参见图3所示的一种概念结构示意图和图4所示的一种测试过程示意图，1、先将制备好的集成微流控传感单元安装在传感芯片支架上，并分别放入96孔板的每个单元中，开启光源和数据采集与处理系统，调节光源功率和光谱处理软件的参数，避免数据饱和。关闭光源，采集暗场信号，并将其转化为光谱信息；2、然后，使用计算机控制步进电机，使探测器对准一组8个样品，采集被测样品信号，并转化为光谱信息，根据不同测试样品，进行不同的信号记录，也相应地将信号转化为光谱信息；3、接着，利用计算机上的数据处理程序，分析暗场和被测样品的信息，得到相应的吸收光谱和峰值的变化量，判断相应的传感特性；4、最后，重复步骤2至3，直至完成12组96个样品的检测。
本发明实施例提供的高通量阵列扫描式LSPR传感检测系统用于检测生物毒素，所选择的光源系统中的光源是光谱范围在300～1000nm的卤素灯、或钠光灯，经光纤、探测器后出射光束的光照射在传感系统中的采用K9玻璃作为基底的探测芯片上。在传感检测系统中采用探测芯片装在96孔板的单元里；光谱分析系统选用光谱分辨率1.5nm、波长重现性小于±0.2nm的光谱分析仪，反射光通过探测器的周围6个光路后再被后端的连接着光纤的光谱分析仪所探测；所采集的数据通过USB接口与计算机系统进行数据通信，数据处理软件可以包括用户界面、探测、控制和数据处理及输出显示几个功能模块。由数据处理软件输出测试结果，通过共振峰的移动来判定被测样品是否含有标记的生物毒素。
本发明实施例提供的高通量阵列扫描式LSPR传感检测系统用于测试细菌，光源系统中采用光谱范围在200～800nm的汞灯为光源，光源单独为一体，采用光纤导光；入射光照射在传感系统中的PDMS为基底的对细菌具有高灵敏度的探测芯片上；其上有采用微机械的方法制备的微流道，通过样品进样和回收系统通入待测细菌，实现实时检测。光谱分析系统选用光谱分辨率2nm、波长重现性小于±0.3nm的光谱分析仪对其光谱进行测试；采用并口与计算机系统进行数据通信，由安装在计算机上的数据处理软件进行数据处理并输出测试结果。
本发明实施例提供的高通量阵列扫描式LSPR传感检测系统用于检测蛋白质，所选择的光源系统中的光源是光谱范围在600～1500nm的LED灯，在传感系统中的采用融石英玻璃作为基底的蛋白质探测芯片上。光谱分析系统采用LSPR检测仪进行检测分析；并采用USB接口与计算机系统进行通信和数据处理。
本发明实施例提供的高通量阵列扫描式LSPR传感检测系统具备如下优点：1、结构简单、无需标记可进行直接探测的检测系统；2、探测灵敏度高；3、可以实现96个检测单元探测，提高了探测的效率；4、使用条件要求不高，方法容易掌握，操作方便、智能化。
通过以上的实施方式的描述，本领域的技术人员可以清楚地了解到各实施方式可借助软件和必需的通用硬件平台的方式来实现，当然也可以只通过硬件实现。基于这样的理解，上述技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品可以存储在计算机可读存储介质中，如ROM/RAM、磁碟、光盘等，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行各个实施例或者实施例的某些部分所述的方法。
此外，在本发明中，诸如“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。
此外，在本发明中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
此外，在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：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；而这些修改或替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。
Claims (10)
1.一种高通量阵列扫描式LSPR传感检测系统，其特征在于，包括：光学探测单元、传感单元阵列、控制系统和数据记录与处理单元；所述光学探测单元包括光源系统、光纤和多芯径光学探头阵列；所述传感单元阵列包括孔板、置于孔板孔内的纳米结构芯片和孔板支架；所述控制系统包括计算机终端、步进电机和电源；所述数据记录与处理单元包括光谱仪、光纤和计算机终端；
所述光学探测单元用于通过所述光源系统提供的光信号经所述光学探测单元中的所述光纤传至所述多芯径光学探头阵列，并入射到所述传感单元阵列；
所述传感单元阵列用于接收光信号，并通过所述纳米结构芯片反射进入所述多芯径光学探头阵列经光纤进入所述数据记录与处理单元中的光谱仪实现数据光电转换；
所述数据记录与处理单元用于进行数据记录与数据分析处理；
所述控制系统用于实现对不同检测样品的切换。
2.根据权利要求1所述的高通量阵列扫描式LSPR传感检测系统，其特征在于，所述多芯径光学探头阵列垂直于所述纳米结构芯片。
3.根据权利要求1所述的高通量阵列扫描式LSPR传感检测系统，其特征在于，所述光学探测单元中的光纤为n组六芯光纤，n正整数。
4.根据权利要求1所述的高通量阵列扫描式LSPR传感检测系统，其特征在于，所述光源系统的光谱范围为200nm～1500nm。
5.根据权利要求1所述的高通量阵列扫描式LSPR传感检测系统，其特征在于，所述传感单元阵列中的纳米结构芯片的基底材料为k9玻璃或石英片。
6.根据权利要求1所述的高通量阵列扫描式LSPR传感检测系统，其特征在于，所述数据记录与处理单元中的计算机终端用于数据处理和控制步进电机。
7.根据权利要求1所述的高通量阵列扫描式LSPR传感检测系统，其特征在于，所述光学探测单元连接光谱仪和多芯径光学探头阵列中的光学探头组成反射式光纤探针。
8.根据权利要求7所述的高通量阵列扫描式LSPR传感检测系统，其特征在于，相邻的反射式光纤探针的间距与所述传感单元阵列中相邻的孔板的间距互相匹配。
9.根据权利要求1所述的高通量阵列扫描式LSPR传感检测系统，其特征在于，所述传感单元阵列的所述孔板为九十六孔板。
10.根据权利要求1所述的高通量阵列扫描式LSPR传感检测系统，其特征在于，所述光源系统为LED灯，或卤素灯，或汞灯。
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