CN203133094U - 一种全自动spr生物分析仪 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种全自动SPR生物分析仪，包括SPR传感器、与SPR传感器贴合使用的集成微流卡盘、为所述的SPR传感器提供进样源的全自动采样进样系统、对SPR传感器和集成微流卡盘进行恒温控制的恒温控制箱、作为通讯中枢的系统通讯控制器和用于接收SPR传感器的信号、同时控制全自动采样进样系统和恒温控制箱工作的上位机。该SPR生物分析仪可开展基于SPR生物传感的检测和分析研究，其传感检测的高灵敏度和仪器设计的精密性，为实验室开展SPR生物检测分析提供可靠的手段。

Description

一种全自动SPR生物分析仪

技术领域

本实用新型涉及分析测量控制技术领域，尤其涉及一种全自动SPR生物分析仪。

背景技术

表面等离子共振（surface plasmon resonance，SPR）传感技术是一种高灵敏的检测技术，广泛应用于研究结合特异性、抗体选择、抗体质控、疾病机制、药物发明、生物治疗、生物处理、生物标记物、配体垂钓、基因调控、细胞信号传导、亲和层析、结构-功能关系、小分子间相互作用等。

金属薄膜SPR是p偏振光在玻璃与金属薄膜界面处发生全反射时产生的倏逝波引发金属表面的自由电子产生表面等离子，在表面等离子与倏逝波频率和波数相同的情况下产生的一种共振现象。共振时，入射光被吸收，反射光的能量急剧下降，反射光谱上出现反射强度最小值。当金属薄膜另一侧介质的折射率发生微小变化时，最小值位置会产生偏移。因此，可以根据最小值位置与介质折射率之间的关系，求出被测介质的折射率。

SPR传感技术可用于检测样品浓度，具有灵敏度高、所需试样少、样品无需标记及检测速度快等特点，因此被广泛用于生化、医疗、环境等分析检测领域。

SPR传感技术的仪器化从上个世纪90年代便开始发展，到目前虽然已有多种进口商品化SPR分析仪上市，但是只有瑞典Biacore的SPR分析仪技术最成熟，最适合用于实验室高灵敏分析检测，当然仪器价格也十分昂贵。在国内，SPR分析仪虽然也已有多家单位和科研院所研制多年，但目前仍然处于初级起步阶段，主要原因除了SPR传感器自身灵敏度不高外，SPR分析仪的其他关键技术不够成熟，如自动进样系统、微流控芯片技术、数据处理方法等。此外，由于目前SPR分析仪小型化设计的趋势，在恒温控制、自动进样等方面的设计都被忽略，因而势必降低SPR分析的性能。

SPR传感分析的要求和条件相对较高，恒温条件和恒流微量注射进样是至关重要的，因此SPR分析仪的应用更应该面向实验室科研，小型化和现场在线的应用相对狭窄，并不适合。

实用新型内容

针对现有技术的不足，本实用新型提供一种灵敏度高的SPR生物分析仪。

一种全自动SPR生物分析仪，包括：

用于接纳并输出待检测流动相的集成微流卡盘；

用于对集成微流卡盘内的待检测流动相进行检测的SPR传感器，该SPR传感器为无可动部件的角度调制型SPR传感器；

为所述的集成微流卡盘提供进样源的全自动采样进样系统；

对所述的SPR传感器和集成微流卡盘进行恒温控制的恒温控制箱；

用于接收SPR传感器的信号、同时控制全自动采样进样系统和恒温控制箱工作的上位机。

上述SPR生物分析仪中，全自动采样进样系统为SPR传感器提供样品恒流注射进样，集成微流卡盘贴合SPR传感器使用，两者均置于恒温控制箱内；上位机功能丰富，可实时采集SPR传感器信号，可直接控制全自动采样进样系统自动工作。

作为优选，上述SPR生物分析仪中还设有作为恒温控制箱、全自动采样进样系统及上位机的通讯中枢的系统通讯控制器，所述的系统通讯控制器采用EZ-USB微机芯片CY7C68013A，通过USB2.0接口与上位机相连。

作为优选，所述的无可动部件的角度调制型SPR传感器包括光发射组件、光接收组件和用于接收光发射组件的光线并将其反射至光接收组件的光反射组件；

所述的光发射组件包括沿光线方向依次设置的光源、准直透镜、偏振片、滤波片和矩形光阑；

所述的光反射组件包括沿光发射组件的出射光线方向依次设置的第一柱面透镜、半圆柱棱镜、第二柱面透镜；

其中半圆柱棱镜的反光面上镀有一层金属薄膜，第一柱面透镜和第二柱面透镜的焦线都重合于半圆柱棱镜的圆心线上，位于金属薄膜处；

所述的光接收组件包括沿光反射组件的出射光线方向依次设置的第一成像透镜、第二成像透镜和光学传感器。

上述光发射组件中的偏振片的偏振方向设置成仅允许参加SPR反应的p光通过。

光发射组件发出的平行光线从第一柱面透镜入射后汇聚到半圆柱棱镜的圆心线上，即半圆柱棱镜的轴线上，经金属薄膜反射到另一侧的第二柱面透镜再次变为平行光输出，最后经过第一和第二成像透镜投射到光学传感器上。

本实用新型SPR传感器中金属薄膜的反光面朝向半圆柱棱镜，被测液体经微型流通池流经金属薄膜背向半圆柱棱镜一侧，作为优选，所述的金属薄膜为金膜、银膜或者金银复合膜。为了实现对样品中特定物质的高灵敏检测，可以在金属薄膜表面上修饰对不同待测物质敏感的特异膜。

光学传感器可以根据需要进行选择，作为优选，所述的光学传感器为面阵CCD或者面阵CMOS。其中，CCD传感器在灵敏度、分辨率、噪声控制等方面都优于CMOS传感器，而CMOS传感器则具有低成本、低功耗、以及高整合度的特点。

本实用新型中无可动部件的角度调制型SPR传感器采用多角度楔形宽光束入射到金属薄膜处，由光学传感器探测光强信号，从而可探测金属薄膜表面较大范围内的SPR光强信号。

作为优选，所述的恒温控制箱内设有制冷器，所述的制冷器采用半导体制冷片。使得恒温控制箱内的温度控制在5-55℃，温度控制的精度达到0.1℃，保证了SPR传感器周围的恒温环境，进而提高检测的灵敏度。

作为优选，所述的全自动采样进样系统包括用于采集待测样品的采样机构、用于盛装缓冲液的缓冲液瓶以及分别与所述缓冲液瓶连通的第一注射泵和第二注射泵，还设有两位六通阀，该两位六通阀具有第一接口、第二接口、第三接口、第四接口、第五接口、第六接口，该两位六通阀的两个工作位置分别对应第一连通状态和第二连通状态；

所述第一连通状态中：

采样机构与第一接口、第二接口、第五接口、第六接口、第一注射泵、缓冲液瓶依次连通，且第二注射泵与第四接口、第三接口、SPR传感器依次连通；

所述第二连通状态中：

采样机构与第一接口、第六接口、第一注射泵、缓冲液瓶依次连通，且第二注射泵与第四接口、第五接口、第二接口、第三接口、SPR传感器依次连通；

所述的采样机构包括：

样品架；

用于驱动所述样品架旋转的旋转驱动机构；

架设在所述样品架上方且能够升降的采样针。

该全自动采样进样系统由用户软件控制其自动工作，通过两位六通阀的两种工作位置的切换，采用一种含有空气隔离保护措施的样品采集和注射进样，为SPR传感器提供无混合无死体积的微量恒流注射进样。

作为优选，所述的采样机构还设有用于驱动采样针升降的升降驱动机构，该升降驱动机构包括：

竖直布置的丝杆；

用于驱动所述丝杆转动的第一步进电机；

与所述丝杆螺纹配合的升降架，且所述采样针固定在该升降架上。

作为优选，所述的旋转驱动机构为通过第二连接件与样品架同轴设置的第二步进电机。

不采样时，采样针远离样品架，当需要采样时，只需利用升降驱动机构使采样针下降至样品处，抽取所需样品后再上升；当需要采集不同位置的样品时，则利用旋转驱动机构转动样品架至所需位置，重复采样过程即可。

一次采样结束后，对样品所流经的管道及采样针进行清洗，因此作为优选，所述的样品架上带有洗针口。清洗时，将样品架旋转至洗针口，将采样针插入洗针口内，第一注射泵将缓冲液瓶内的缓冲液抽入自身的容器内，然后通过管道快速注射缓冲液多次，达到清洗管道及采样针的效果。

进一步优选，上述全自动采样进样系统中还设有用于控制升降驱动机构、旋转驱动机构、第一注射泵、第二注射泵、两位六通阀的控制系统。该控制系统控制以上各个电子器件协调工作，如控制第一注射泵、第二注射泵的工作、控制两位六通阀的切换、根据霍尔传感器进行位置检测，进而对步进电机驱动器进行控制等，进而实现液体样品的微量采样和进样工作。

为精确控制采样针的高度，作为优选，所述的采样机构还包括检测采样针高度的第一霍尔传感器，所述控制系统根据该第一霍尔传感器的信号以控制第一步进电机。进一步优选，所述第一霍尔传感器为两个，其空间位置分别对应采样针上升和下降的极限位置，即不采样和采样时采样针的极限位置。

进一步优选，所述的采样机构还包括检测样品架位置的第二霍尔传感器，所述控制系统根据该第二霍尔传感器的信号以控制第二步进电机。控制系统接收第二霍尔传感器的信号，根据选样要求控制第二步进电机转动，进而带动样品架旋转，使采样针对准样品架上特定位置的样品，进行采样。

本实用新型中所述的集成微流卡盘基于MEMS微流控技术，将多通道微型流通池，与多通道微型流通池连通的进样通道、出样通道及控制液路走向的微气阀集成于一体，可通过微气阀的开闭以改变液路走向，可使样品流经任一检测通道池或均流经两个检测通道池，对测试分析具有重要意义。

本实用新型中所述的系统通讯控制器采用EZ-USB微机芯片CY7C68013A，其USB2.0接口与上位机相连，起到通讯中枢作用，使进样系统控制器和恒温控制器与上位机通讯。

本实用新型中所述的上位机具有数据通讯、传感器参数设置、仪器控制、数据分析处理、结果显示保存、实验队列设置、实验向导等功能。上位机具有两个USB2.0接口，一个用于接收SPR传感器中光学传感器的信号并控制光学传感器的工作参数，另一个用于控制全自动采样进样系统和恒温控制箱的工作。实验队列设置是一种实验程序设定功能，用户可按照自定的实验步骤在软件上依次设定，设定完毕保存后软件会自动控制仪器完成所有实验步骤。实验向导功能适合初级用户，系统默认将一套成熟的实验步骤按提示供用户设置一些简单的参数即可开展一个完整的测试实验。

本实用新型提供的一种全自动SPR生物分析仪，使用多通道SPR传感器为核心部件，并设计了全自动采样进样系统、恒温控制箱、集成微流卡盘、系统通讯控制器和上位机，共同组成了全自动SPR生物分析仪，可在该仪器上开展基于SPR生物传感的检测和分析研究，其传感检测的高灵敏度和仪器设计的精密性，为实验室开展SPR生物检测分析提供可靠的手段。

附图说明

图1为本实用新型全自动SPR生物分析仪的结构示意图；

图2为本实用新型中SPR传感器的光学系统结构设计原理图；

图3为本实用新型中恒温控制箱的结构设计及其控制器电路设计图；

图4为本实用新型中全自动采样进样系统的结构设计图；

图5中a部分为两位六通阀一种位置状态下的内部连通示意图；

图5中b部分为两位六通阀另一种位置状态下的内部连通示意图；

图6为本实用新型中全自动液体采样进样系统的微机控制示意图；

图7为利用本实用新型中全自动液体采样进样系统的空气隔离的采样方式示意图；

图8为本实用新型中集成微流卡盘的制版掩膜图。

具体实施方式

一种全自动SPR生物分析仪，如图1所示，包括SPR传感器1、恒温控制箱2、全自动采样进样系统3、集成微流卡盘4、系统通讯控制器5与上位机6。全自动采样进样系统3为SPR传感器提供样品恒流注射进样，集成微流卡盘4基于MEMS微流控技术，将多通道微型流通池，与多通道微型流通池连通的进样通道、出样通道及控制液路走向的微气阀集成于一体，贴合SPR传感器1使用，两者均置于恒温控制箱2内。系统通讯控制器5用于全自动采样进样系统3和温控制箱2与上位机6之间通讯的中枢。上位机6功能丰富，可实时采集SPR传感器1的信号，可直接控制全自动采样进样系统3和温控制箱2的工作。

如图2所示，SPR传感器1是无可动部件的角度调制型SPR传感器，采用光学系统（准直透镜12、偏振片13、滤波片14、矩形光阑15和第一柱面透镜16）将点光源11变成一定范围内的多角度楔形宽光束，入射至半圆柱棱镜17的金属薄膜18处，再由成像光学系统（第二柱面透镜19、第一成像透镜110、第二成像透镜111）将光束成像至成像面，由光学传感器112探测光强信号，从而探测芯片金属薄膜表面较大范围内的SPR光强信号。

如图3所示，恒温控制箱2的箱体为双层钢板结构设计，有较好的密封性，受环境温度变化干扰较小；使用TEC为制冷或制热元件，并设计以C8051F021为主芯片的微机控制电路控制其工作，利用温度传感器AD590实时监测箱体内温度，设计基于PID算法的温度控制程序，以芯片I/O口控制H桥电路方向，以D/A输出量控制开关电源输出功率，使TEC合理工作，达到箱体内温度快速达到设定温度并保持恒温的效果。

如图4所示，基于流动注射分析方法所设计的全自动采样进样系统为SPR传感器提供可靠的进样，由用户软件控制其自动工作，其机械结构包括：

采样机构、缓冲液瓶31、分别与缓冲液瓶连通的第一注射泵32和第二注射泵33，还设有两位六通阀34，该两位六通阀具有第一接口34-1、第二接口34-2、第三接口34-3、第四接口34-4、第五接口34-5、第六接口34-6。

其中，采样机构包括：

样品架35，样品架35上带有洗针口36。该样品架35通过第二连接件37与第二步进电机38同轴设置；

架设在样品架上方的采样针39；

为便于采样针39进行采样，还设有驱动采样针39升降的升降驱动机构，该升降驱动机构包括：

竖直布置的丝杆310；

驱动所述丝杆转动的第一步进电机311；丝杆310与第一步进电机311之间通过第一连接件312相连；

与丝杆310螺纹配合的升降架313，采样针39固定在该升降架上。

该采样机构还包括两个检测采样针高度的第一霍尔传感器314，两个第一霍尔传感器314分别固定于丝杆310上下两个位置，还包括检测样品架位置的第二霍尔传感器315，固定于样品架下方。

本实用新型装置中还设有用于控制第一步进电机311、第二步进电机38、第一注射泵32、第二注射泵33、两位六通阀34的控制系统。该控制系统根据第一霍尔传感器314的信号以控制第一步进电机311，根据第二霍尔传感器315的信号以控制第二步进电机38。

上述装置中所有管道均采用Teflon管，规格为：第一管道316内径0.03英寸，外径1/16英寸，长度只需足够插入缓冲液瓶底即可；第二管道317内径0.03英寸，外径1/16英寸，长度在足够连接两个部件的情况下尽量短即可；第三管道318内径0.03英寸，外径1/16英寸，长度为280mm；第四管道319内径0.02英寸，外径1/16英寸，长度在足够连接两个部件的情况下尽量短即可；第五管道320内径0.006英寸，外径1/16英寸，长度在足够连接两个部件的情况下尽量短即可。

为便于洗针后废液的收集，在样品架下方对准洗针口处设有排液管道322，该排液管道可采用内径3mm，外径6mm的塑料或硅胶管，长度只需接入废液瓶323即可。

如图5所示，两位六通阀34的六个接口之间两两相通，具有两种位置状态，可通过控制系统自动切换位置状态。

如图6所示，控制系统为微机控制器，以C8051F020为主芯片，包括串口扩展电路、IO口电路和PCA电路，用于自动控制注射泵、两位六通阀、步进电机工作和检测霍尔传感器位置。

在传感器分析检测的待机状态时，一般以恒定流速运行缓冲液方式监控基线信号，此时管路系统内均充满缓冲液，此时即两位六通阀34的第一个工作位置：采样机构与第一接口34-1、第二接口34-2、第五接口34-5、第六接口34-6、第一注射泵32、缓冲液瓶31依次连通，且第二注射泵33与第四接口34-4、第三接口34-3、SPR传感器1依次连通。

当样品被采集至管路系统内时会与缓冲液接触并同时行走，样品会被缓冲液稀释混合。因此，在采集样品前，首先将采样针处于空气中采集空气5微升，然后插入样品内采集样品5微升，再处于空气中采集空气5微升，完成以上三个步骤后再进行真正的样品采集，其采集的样品量在所需分析的样品量基础上再加10微升，完成样品采集后，再进行采集空气-样品-空气各5微升的工作，如图7所示，通过该方式保护中间所需分析的样品避免接触缓冲液在管路内运行，直至样品进入第三管道内，并保留5微升多余样品在第四管道内；通过切换两位六通阀位置至第二个工作位置：即采样机构与第一接口34-1、第六接口34-6、第一注射泵32、缓冲液瓶31依次连通，且第二注射泵33与第四接口34-4、第五接口34-5、第二接口34-2、第三接口34-3、SPR传感器1依次连通。此时，可由第二注射泵33开始进样工作，第二注射泵33根据精确控制行进步数保证注射样品量的精准。

由于注射进样时，管路内有空气隔离段在样品之后随之运行前进，空气因受管路内压力而体积压缩，在这段时间内，样品运行速度低于设定运行速度，直至空气段压缩至稳定程度为止，因此在真正注射前使第二注射泵33以较高速度运行极小步数，使空气段快速被压缩并达到稳定状态，再开始进行真正的样品注射。

完成样品注射后第三管道318、第四管道319以及采样针39需要清洗，将样品架35旋转，将采样针39插入洗针口36内，第一注射泵32通过第一管道316将缓冲液瓶内的缓冲液抽入自身的容器内，然后通过第二管道317和两位六通阀34快速注射缓冲液多次，达到清洗第三管道318和第四管道319以及采样针39的目的。

如图8所示，集成微流卡盘基于MEMS微流控技术设计和制作，将多通道微型流通池、6个微气阀和进出样通道集成于一体。微型流通池具有第一检测通道41、第二检测通道42和空气参考通道43，六个气源入口44，一个液体样品入口45和一个液体样品出口46，使用小型气泵产生一定气压的空气输出，并分路成六个气源，由六个电磁阀分别控制六个气源入口通断，当气孔内通入空气，气路通道与液路通道交叉处的PDMS薄膜会变形，以这种方式堵住液路通道，即为微气阀的设计原理，即可通过控制电磁阀对气阀进行开闭以改变液路走向，可使样品流经任一检测通道池或均流经两个检测通道池，对测试分析具有重要意义。

系统通讯控制器采用EZ-USB微机芯片CY7C68013A，其USB2.0电路接口用于与PC机运行的上位机通讯，并作为通讯中枢作用，其串口电路接口用于与全自动采样进样系统和恒温控制箱通讯，通过内部通讯协议与数据传输方式，使得上位机能够通过USB2.0电路接口控制全自动采样进样系统和恒温控制箱。

上位机具有数据通讯、传感器参数设置、仪器控制、数据分析处理、结果显示保存、实验队列设置、实验向导等功能。上位机具有两个USB2.0软件通讯接口，一个用于接收SPR传感器的光学传感器图像信号和控制光学传感器的工作参数，另一个用于控制仪器的进样系统和恒温控制。实验队列设置是一种实验程序设定功能，用户可按照自定的实验步骤在软件上依次设定，设定完毕保存后软件会自动控制仪器完成所有实验步骤。实验向导功能适合初级用户，系统默认将一套成熟的实验步骤按提示供用户设置一些简单的参数即可开展一个完整的测试实验。

Claims (9)

1.一种全自动SPR生物分析仪，其特征在于，包括：

用于接纳并输出待检测流动相的集成微流卡盘（4）；

用于对集成微流卡盘（4）内的待检测流动相进行检测的SPR传感器（1），该SPR传感器（1）为无可动部件的角度调制型SPR传感器；

为所述的集成微流卡盘（4）提供进样源的全自动采样进样系统（3）；

对所述的SPR传感器（1）和集成微流卡盘（4）进行恒温控制的恒温控制箱（2）；

用于接收SPR传感器（1）的信号、同时控制全自动采样进样系统（3）和恒温控制箱（2）工作的上位机。

2.如权利要求1所述的全自动SPR生物分析仪，其特征在于，还设有作为恒温控制箱（2）、全自动采样进样系统（3）及上位机（6）的通讯中枢的系统通讯控制器（5），所述的系统通讯控制器采用EZ-USB微机芯片CY7C68013A，通过USB2.0接口与上位机相连。

3.如权利要求1所述的全自动SPR生物分析仪，其特征在于，所述的无可动部件的角度调制型SPR传感器包括光发射组件、光接收组件和用于接收光发射组件的光线并将其反射至光接收组件的光反射组件；

所述的光发射组件包括沿光线方向依次设置的光源（11）、准直透镜（12）、偏振片（13）、滤波片（14）和矩形光阑（15）；

所述的光反射组件包括沿光发射组件的出射光线方向依次设置的第一柱面透镜（16）、半圆柱棱镜（17）、第二柱面透镜（19）；

其中半圆柱棱镜（17）的反光面上镀有一层金属薄膜（18），第一柱面透镜（16）和第二柱面透镜（19）的焦线都重合于半圆柱棱镜（17）的圆心线上，位于金属薄膜（18）处；

所述的光接收组件包括沿光反射组件的出射光线方向依次设置的第一成像透镜（110）、第二成像透镜（111）和光学传感器（112）。

4.如权利要求3所述的全自动SPR生物分析仪，其特征在于，所述的金属薄膜为金膜、银膜或者金银复合膜。

5.如权利要求3所述的全自动SPR生物分析仪，其特征在于，所述的光学传感器（112）为面阵CCD图像传感器或面阵CMOS图像传感器。

6.如权利要求1所述的全自动SPR生物分析仪，其特征在于，所述的恒温控制箱（2）内设有制冷器，所述的制冷器采用半导体制冷片。

7.如权利要求1所述的全自动SPR生物分析仪，其特征在于，所述的全自动采样进样系统包括用于采集待测样品的采样机构、用于盛装缓冲液的缓冲液瓶（31）以及分别与所述缓冲液瓶（31）连通的第一注射泵（32）和第二注射泵（33），还设有两位六通阀（34），该两位六通阀（34）具有第一接口（34-1）、第二接口（34-2）、第三接口（34-3）、第四接口（34-4）、第五接口（34-5）、第六接口（34-6），该两位六通阀（34）的两个工作位置分别对应第一连通状态和第二连通状态；

所述第一连通状态中：

采样机构与第一接口（34-1）、第二接口（34-2）、第五接口（34-5）、第六接口（34-6）、第一注射泵（32）、缓冲液瓶（31）依次连通，且第二注射泵（33）与第四接口（34-4）、第三接口（34-3）、SPR传感器（1）依次连通；

所述第二连通状态中：

采样机构与第一接口（34-1）、第六接口（34-6）、第一注射泵（32）、缓冲液瓶（31）依次连通，且第二注射泵（33）与第四接口（34-4）、第五接口（34-5）、第二接口（34-2）、第三接口（34-3）、SPR传感器（1）依次连通；

所述的采样机构包括：

样品架（35）；

用于驱动所述样品架旋转的旋转驱动机构；

架设在所述样品架上方且能够升降的采样针（39）。

8.如权利要求7所述的全自动SPR生物分析仪，其特征在于，所述的采样机构还设有用于驱动采样针升降的升降驱动机构，该升降驱动机构包括：

竖直布置的丝杆（310）；

用于驱动所述丝杆（310）转动的第一步进电机（311）；

与所述丝杆螺纹配合的升降架（313），且所述采样针（39）固定在该升降架上。

9.如权利要求7所述的全自动SPR生物分析仪，其特征在于，所述的旋转驱动机构为通过第二连接件（37）与样品架同轴设置的第二步进电机（38）。

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