CN220063838U - 一种单分子荧光检测装置及分析系统 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种单分子荧光检测装置及分析系统，包括：激光光源、聚焦控制结构、纳米结构和显微物镜；其中，激光光源用于发射激光；聚焦控制结构设置在激光光源的光路上，聚焦控制结构用于调节光路的传播路径；纳米结构开设有纳米孔；显微物镜设置在聚焦控制结构和纳米结构之间以折射激光以形成入射光照射纳米孔；纳米孔的直径为200‑700nm；入射光与纳米孔的轴线相交。此结构在一定激发角度下的有效激发体积与典型零模波导的值近似，突破典型零模波导的纳米孔的尺寸限制，扩大亚波长零模波导的应用范围；在兼容单分子和外泌体之间尺寸差异的同时，保证了高空间和时间分辨率。
Description
技术领域
本实用新型涉及生物检测技术领域，具体涉及一种单分子荧光检测装置及分析系统。
背景技术
由于单分子荧光的特性，检测需要高空间分辨率和高时间分辨率的仪器和方法。例如，通过亚波长纳米结构天线限制背景荧光的干扰。通过在金属膜上制造直径为50-200nm的纳米孔，形成倏逝场照明，激发光可以在轴向上显示指数衰减；它具有较高的时间和空间分辨率。
典型的零模波导只能在亚波长范围；即直径≤200nm的纳米孔内产生倏逝场效应。由于纳米孔尺寸的限制，当待测物体通过扩散加载到纳米孔底部时，只有体积较小的物体才能获得良好的加载。而无法加载外泌体、囊泡和凋亡小体等亚微米尺寸的生物材料。外泌体、囊泡和凋亡小体等亚微米生物材料的结构与细胞膜相似，是一种直径约为30-1000nm的膜囊泡。但它们的体积比细胞小的多。这些亚微米生物材料可能在细胞间通讯中发挥重要作用，表面的受体相互作用对揭示生物学机制和疾病诊断具有重要意义。
然而，对于一些现有的单分子荧光检测技术来说，在保证单分子荧光检测本身所需的高时间和空间分辨率的同时，单分子和外泌体之间尺寸差异不能够兼容，不能实现外泌体等生物材料表面分子相互作用的检测。
实用新型内容
因此，本实用新型所要解决的技术问题在于对于一些现有的单分子荧光检测技术来说，在保证单分子荧光检测本身所需的高时间和空间分辨率的同时，单分子和外泌体之间尺寸差异不能够同时兼容，不能实现外泌体等生物材料表面分子相互作用的检测。
为此，本实用新型提供一种单分子荧光检测装置，包括：
激光光源，所述激光光源用于发射激光；
聚焦控制结构，所述聚焦控制结构设置在所述激光光源的光路上，所述聚焦控制结构用于调节光路的传播路径；
纳米结构，所述纳米结构用于放置生物分子材料，所述纳米结构开设有纳米孔；
显微物镜，所述显微物镜设置在所述聚焦控制结构和所述纳米结构之间以折射激光以形成入射光照射所述纳米孔；
其中，所述纳米孔的直径为200-700nm；所述入射光与所述纳米孔的轴线相交。
可选地，上述的纳米孔开设有若干个，若干个所述纳米孔阵列设置在所述纳米结构上。
可选地，上述的入射光与所述纳米孔的轴线形成入射角，所述入射角的调节范围为0-85°。
可选地，上述的入射角的调节范围为50-85°。
可选地，上述的纳米结构还包括基底层和金属层，所述基底层和所述金属层相接，所述纳米孔开设在所述金属层上。
可选地，上述的金属层的厚度为50-200nm。
可选地，上述的基底层由透明材料制成；所述入射光穿过所述基底层照射所述纳米孔底部。
可选地，上述的聚焦控制结构包括：第一反射镜、第二反射镜、聚焦透镜和二向色镜；所述第一反射镜和所述第二反射镜配合以调节激光光路；所述聚焦透镜拥有聚焦穿过所述第二反射镜的激光；
所述二向色镜用于反射被所述聚焦透镜聚焦后的激光至显微透镜上。
可选地，上述的还包括采集件，所述采集件适于采集生物材料发出的荧光信号。
一种分析系统，其特征在于，包括分析装置以及上述的单分子荧光检测装置。
本实用新型提供的技术方案，具有如下优点：
1.本实施例提供一种单分子荧光检测装置，包括：激光光源、聚焦控制结构、纳米结构和显微物镜；其中，激光光源用于发射激光；聚焦控制结构设置在激光光源的光路上，聚焦控制结构用于调节光路的传播路径；纳米结构用于放置生物分子材料；纳米结构开设有纳米孔；显微物镜设置在聚焦控制结构和纳米结构之间以折射激光以形成入射光照射纳米孔；纳米孔的直径为200-700nm；入射光与纳米孔的轴线相交。此结构通过设置纳米结构；纳米结构上开设有纳米孔，纳米孔的直径为200-700nm，能够将亚微米生物材料放置在纳米孔内；首先将生物材料加载到的纳米孔中，生物材料具体包括但不限于亚微米尺寸的外泌体、细胞外囊泡、凋亡小体、细胞器、DNA分子、RNA分子、蛋白质分子等；接着加入生物材料表面蛋白的带有荧光标记的结合抗体或核酸测序试剂；将聚焦控制结构设置在激光光源的光路上，聚焦控制结构将激光光源发出的激光调节，并将其反射在显微物镜上，显微物镜的突出端朝向聚焦控制结构，聚焦在显微镜物镜突出面上，使得入射光采用倾斜照射法倾斜照射在直径为200-700nm的纳米孔中产生倏逝场效应，并激发样品中的荧光基团发出荧光；构成纳米孔天线。在一定激发角度下的有效激发体积与典型零模波导的值近似，突破典型零模波导的纳米孔的尺寸限制，扩大亚波长零模波导的应用范围，可应用于亚微米生物材料表面单分子相互作用过程的研究，如微泡、凋亡小体等；在兼容单分子和外泌体之间尺寸差异的同时，保证了高空间和时间分辨率。
2.在本实施例中，纳米孔开设有若干个，若干个纳米孔阵列设置在纳米结构上；通过在纳米结构上开设有多个纳米孔，可以通过标准光刻法批量制备纳米孔阵列，纳米孔尺寸较大，有利于提高产率。
3.在本实施例中，入射光与纳米孔的轴线形成入射角，入射角的调节范围为0-85°；入射角的调节范围为50-85°。此结构通过设置通过调节入射激光的入射角度，调节范围为0-85°；使得激发体积被限制在纳米孔底部，而阻止激发光穿过纳米孔，从而抑制纳米孔上方的荧光背景噪声；入射角的调节范围为50-85°背景噪声较小；而且可以形成全反射，使得入射光以超过全内反射临界角的角度入射盖玻片表面，产生倏逝波的穿透深度更深，并激发样品中的荧光基团发出荧光。
附图说明
为了更清楚地说明本实用新型具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式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实用新型的一些实施方式，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为本实施例中提供的单分子荧光检测装置的整体结构示意图；
图2为本实施例中提供的聚焦控制结构和纳米结构的结构图示意图；
图3为图1中A处的放大示意图；
图4为本实施例中提供的入射角为0°和50°的光学仿真图；
附图标记说明：
1－聚焦控制结构；11－第一反射镜；12－第二反射镜；13－聚焦透镜；14－二向色镜；
2－纳米结构；21－基底层；22－金属层；221－纳米孔；
3－显微物镜；
4－采集件；
5－分析装置。
具体实施方式
下面将结合附图对本实用新型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实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，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，都属于本实用新型保护的范围。
在本实用新型的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制。此外，术语“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。
在本实用新型的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。
此外，下面所描述的本实用新型不同实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互结合。
实施例1
本实施例提供一种单分子荧光检测装置，如图1至图4所示，包括：激光光源、聚焦控制结构1、纳米结构2和显微物镜3；其中，激光光源用于发射激光；聚焦控制结构1设置在激光光源的光路上，聚焦控制结构1用于调节光路的传播路径；纳米结构2用于放置生物分子材料，纳米结构2开设有纳米孔221；显微物镜3设置在聚焦控制结构1和纳米结构2之间以折射激光以形成入射光照射纳米孔221；纳米孔221的直径为200-700nm；入射光与纳米孔221的轴线相交。图1中的黑色箭头为激光光路；白底黑框的箭头为荧光光路；此结构通过设置纳米结构2；纳米结构2上开设有纳米孔221，纳米孔221的直径为200-700nm，能够将亚微米生物材料放置在纳米孔221内；首先将生物材料加载到的纳米孔221中，生物材料具体包括但不限于亚微米尺寸的外泌体、细胞外囊泡、凋亡小体、细胞器、DNA分子、RNA分子、蛋白质分子等；接着加入生物材料表面蛋白的带有荧光标记的结合抗体或核酸测序试剂；将聚焦控制结构1设置在激光光源的光路上，聚焦控制结构1将激光光源发出的激光调节，并将其反射在显微物镜3上，显微物镜3的突出端朝向聚焦控制结构1，聚焦在显微镜物镜突出面上，使得入射光采用倾斜照射法倾斜照射在直径为200-700nm的纳米孔221中产生倏逝场效应，并激发样品中的荧光基团发出荧光；构成纳米孔221天线。在一定激发角度下的有效激发体积与典型零模波导的值近似，突破典型零模波导的纳米孔221的尺寸限制，扩大亚波长零模波导的应用范围，可应用于亚微米生物材料表面单分子相互作用过程的研究，如微泡、凋亡小体等；在兼容单分子和外泌体之间尺寸差异的同时，保证了高空间和时间分辨率。
在本实施例中，纳米孔221开设有若干个，若干个纳米孔221阵列设置在纳米结构2上；通过在纳米结构2上开设有多个纳米孔221，可以通过标准光刻法批量制备纳米孔221阵列，纳米孔221尺寸较大，有利于提高产率。
在本实施例中，如图3所示；入射光与纳米孔221的轴线形成入射角，入射角的调节范围为0-85°；入射角的调节范围为50-85°。在图3中入射角为θ；此结构通过设置通过调节入射激光的入射角度，调节范围为0-85°；使得激发体积被限制在纳米孔221底部，而阻止激发光穿过纳米孔221，从而抑制纳米孔221上方的荧光背景噪声。图3中的白色部分为激发光激发部分，可以看到入射角为50°时的白色激发区域远远小于入射角为0°的白色激发区域，背景噪声大大减小；入射角θ的调节范围为50-85°时背景噪声较小，而且可以形成全反射，使得入射光以超过全内反射临界角的角度入射盖玻片表面，产生倏逝波的穿透深度更深，并激发样品中的荧光基团发出荧光。
在本实施例中，纳米结构2还包括基底层21和金属层22，基底层21和金属层22相接，纳米孔221开设在金属层22上，金属层22的厚度为50-200nm；基底层21由透明材料制成；入射光穿过基底层21照射纳米孔221底部。金属层22的材料可以是单一的金、铝、氧化铝等，也可是两种、三种或四种金属和/或金属氧化物的两层、三层、四层或五层堆叠组合。基底层21的材料可以是单一的熔融石英、普通玻璃、碳化硅、氮化硅等材料，也可以是上述材料中的两种、三种或四种组合。
在本实施例中，如图2所示；聚焦控制结构1包括：第一反射镜11、第二反射镜12、聚焦透镜13和二向色镜14；第一反射镜11和第二反射镜12配合以调节激光光路；聚焦透镜13拥有聚焦穿过第二反射镜12的激光；二向色镜14用于反射被聚焦透镜13聚焦后的激光至显微透镜上。此结构通过设置第一反射镜11、第二反射镜12、聚焦透镜13和二向色镜14；通过调节第一反射镜11、第二反射镜12和聚焦透镜13的位置，调节激光的光路，使得激光传播到二色向镜的位置发生改变，进而从而调节激光在显微物镜3后镜面上的光斑位置，最终在芯片底部形成不同角度的入射光。二色向镜呈45°角设置，能够直角全反射激光，且能够使得荧光能够完全通过。
在本实施例中，如图1所示；还包括采集件4，采集件4适于采集生物材料发出的荧光信号。采集件4可以是具有单分子荧光探测能力的EMCCD工业相机。设置在纳米结构2的下方，接受荧光信号并对荧光信号进行采集。
实施例1中提供的单分子荧光检测装置的工作原理具体如下：
将生物样品放置在纳米孔221内，将聚焦控制结构1设置在激光光源的光路上，通过调节第一反射镜11、第二反射镜12和聚焦透镜13的位置，调节激光的光路，使得激光传播到二色向镜的位置发生改变，进而从而调节激光在显微物镜3后镜面上的光斑位置，最终在芯片底部形成不同角度的入射光；使得入射光采用倾斜照射法倾斜照射纳米孔221中产生倏逝场效应，并激发样品中的荧光基团发出荧光。
实施例2
本实施例提供一种分析系统，如图1所示，包括分析装置5以及实施例1的单分子荧光检测装置。分析装置5为分析装置5，采集件4与分析装置5通过数据传输线连接。通过分析装置5上的程序控制相机实现信号采集，并通过数据传输线经数据实时传输至分析装置5的存储单元中进行保存记录。通过分析装置5的软件对所记录的荧光信号脉冲进行分析，从而解析纳米结构2的纳米孔221中的单分子动态异质性信息。
实施例2中提供的一种分析系统的使用方法具体如下：生物材料的收集、纯化等准备；生物材料加载到的纳米孔221中；加入生物材料表面蛋白的带有荧光标记的结合抗体或核酸测序试剂；采集和记录荧光信号随时间的波动信息；分析单分子的动态异质性。
显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本实用新型创造的保护范围之中。
Claims (10)
1.一种单分子荧光检测装置，其特征在于，包括：
激光光源，所述激光光源用于发射激光；
聚焦控制结构(1)，所述聚焦控制结构(1)设置在所述激光光源的光路上，所述聚焦控制结构(1)用于调节光路的传播路径；
纳米结构(2)，所述纳米结构(2)用于放置生物分子材料，所述纳米结构(2)开设有纳米孔(221)；
显微物镜(3)，所述显微物镜(3)设置在所述聚焦控制结构(1)和所述纳米结构(2)之间以折射激光以形成入射光照射纳米孔(221)；
其中，所述纳米孔(221)的直径为200-700nm；所述入射光与所述纳米孔(221)的轴线相交。
2.根据权利要求1所述的单分子荧光检测装置，其特征在于，所述纳米孔(221)开设有若干个，若干个所述纳米孔(221)阵列设置在所述纳米结构(2)上。
3.根据权利要求1所述的单分子荧光检测装置，其特征在于，所述入射光与所述纳米孔(221)的轴线形成入射角，所述入射角的调节范围为0-85°。
4.根据权利要求3所述的单分子荧光检测装置，其特征在于，所述入射角的调节范围为50-85°。
5.根据权利要求4所述的单分子荧光检测装置，其特征在于，所述纳米结构(2)还包括基底层(21)和金属层(22)，所述基底层(21)和所述金属层(22)相接，所述纳米孔(221)开设在所述金属层(22)上。
6.根据权利要求5所述的单分子荧光检测装置，其特征在于，所述金属层(22)的厚度为50-200nm。
7.根据权利要求5所述的单分子荧光检测装置，其特征在于，所述基底层(21)由透明材料制成；所述入射光穿过所述基底层(21)照射所述纳米孔(221)底部。
8.根据权利要求6所述的单分子荧光检测装置，其特征在于，所述聚焦控制结构(1)包括：第一反射镜(11)、第二反射镜(12)、聚焦透镜(13)和二向色镜(14)；所述第一反射镜(11)和所述第二反射镜(12)配合以调节激光光路；所述聚焦透镜(13)拥有聚焦穿过所述第二反射镜(12)的激光；
所述二向色镜(14)用于反射被所述聚焦透镜(13)聚焦后的激光至显微透镜上。
9.根据权利要求1-8中任一项所述的单分子荧光检测装置，其特征在于，还包括采集件(4)，所述采集件(4)适于采集生物材料发出的荧光信号。
10.一种分析系统，其特征在于，包括分析装置(5)以及权利要求1-9中任一项所述的单分子荧光检测装置。
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| CN202321055167.9U Active CN220063838U (zh) | 2023-05-05 | 2023-05-05 | 一种单分子荧光检测装置及分析系统 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN220063838U (zh) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN117347341A (zh) * | 2023-12-05 | 2024-01-05 | 中国科学院苏州生物医学工程技术研究所 | 荧光检测器件及制备方法、荧光检测系统和荧光检测方法 |
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2023
- 2023-05-05 CN CN202321055167.9U patent/CN220063838U/zh active Active
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN117347341A (zh) * | 2023-12-05 | 2024-01-05 | 中国科学院苏州生物医学工程技术研究所 | 荧光检测器件及制备方法、荧光检测系统和荧光检测方法 |
| CN117347341B (zh) * | 2023-12-05 | 2024-03-19 | 中国科学院苏州生物医学工程技术研究所 | 荧光检测器件及制备方法、荧光检测系统和荧光检测方法 |
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