专利名称：一种多通道表面等离子波传感检测系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及生物传感器领域，特别涉及一种多通道表面等离子波传感检测 系统。
背景技术：
表面等离子体共振(SPR)是一种物理光学现象。表面等离子体共振检测是 一种利用表面等离子体波(SPW， Surface Plasma Wave )进行检测的技术，具有 无须标记、高速化、专一性、灵敏度高以及大量平行筛选等优点。表面等离子 体(SP)是沿着金属和电介质间界面传播的电磁波形成的。当平行表面的偏振 光以称之为表面等离子体共振角入射在界面上，发生衰减全反射时，入射光被 耦合入表面等离子体内，光能大量被吸收，在这个角度上由于表面等离子体共 振引起界面反射光显著减少。由于SPR对金属表面电介质的折射率非常敏感， 不同电介质其表面等离子体共振角不同。同种电介质，其附在金属表面的量不 同，则SPR的响应强度不同。基于这种原理，SPR生物传感器通常将一种具特 异识别属性的分子即配体固定于金属膜表面，监控溶液中的被分析物与该配体 的结合过程。在复合物形成或解离过程中，金属膜表面溶液的折射率发生变化， 随即被SPR生物传感器检测出来。
与传统的相互作用技术如超速离心、荧光法、热量测定法等相比，SPR生 物传感器具有如下显著特点(1)实时检测，能动态地监测生物分子相互作用 的全过程；(2)无需标记样品，保持了分子活性；(3)样品需要量极少， 一般 一个表面仅需约1 jag蛋白配体；(4)检测过程相对传统方法，灵敏度更高；(5) 应用范围非常广泛；(6)高通量、高质量的分析数据；(7)能跟踪监控固定的 配体的稳定性；(8)复合物的定量测定不干扰反应的平衡；(9)大多数情况下，
不需对样品进行预处理；(10)由于SPR基于对未穿透样品的反射光的测量， 所以检测能在混浊的甚至不透明的样品中进行。基于以上特点，SPR生物传感 器得以在生物分子相互作用、药物筛选、临床诊断、食物检测及环境监控、膜 生物学等领域广泛应用。
目前对病原微生物的检测和鉴定通常是使用分离培养结合形态特性、生化 鉴定、免疫分析的方法，培养法存在操作复杂、所需时间长等缺点，且许多细 菌培养要求高；生化特征、抗生素敏感型等表型特征不稳定，易受到基因调控、 质粒获失及技术操作等方面的影响。而以分子生物学为基础的鉴定方法如质粒 分析、核酸杂交、限制性片段多态性分析、PCR等，能够克服以微生物表型特 征为基础检测方法的缺点和影响因素，大大缩短了检测时间，提高了检测效率， 但是这些技术仍不同程度存在着操作复杂、假阳性率高、低通量、特异性差等 缺点，从而限制了这些技术在临床，尤其是在复杂环境中的应用。我国目前的 室外病原微生物的检查和鉴定，仍然采用的是传统技术和方法，检测项目少， 耗时长，灵敏度低，有些还需要在专门的实验室才能进行，这显然已不能满足 现代医学检测的需要。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的是提供一种多通道表面等离子波传感检测系统， 能够克服现有技术存在的操作复杂、假阳性率高、低通量、特异性差等缺点， 并且检测项目多样，耗时少，灵敏度高、方^更携带，特别是能充分满足复杂环 境的使用需要，具有广阔的应用前景。
本发明的一种多通道表面等离子波传感检测系统，包括SPR生物传感检测 装置、入射光通道、出射光通道和智能分析处理平台；
所述SPR生物传感4企测装置包括SPR生物传感器和可调检测光源所述 SPR生物传感器包括反应池、透镜I和基质，所述反应池设置在SPR生物传感 器上部，所述透镜I设置在SPR生物传感器下部，所述基质设置在反应池与透
镜I之间，所述基质上设置有金属膜，所述金属膜与反应池保持接触，所述反应
池中设置有多个生物探针放置点；
所述入射光通道包括巡航可调式偏振光源，所述巡航可调式偏振光源包括 偏振光源及控制系统；
所述出射光通道包括会聚透镜和光电探测器，所述光电探测器设置在会聚 透镜的焦点上；
进一步，所述智能分析处理平台包括信号放大电路、A/D转换电路、显示 接口电路和以微处理器为核心的信号分析/处理电路，所述经光电探测器采集的 信号依次经信号放大电路、A/D转换电路后送入信号分析/处理电路进行分析处 理，所述显示接口电路与信号分析/处理电路电连接；
进一步，所述偏振光源包括光发射器、透镜II、滤光片、偏振片，所述光发 射器发出的光依次通过透镜II、滤光片和偏振片后，射向透镜I底部；
进一步，还包括柱面透镜，所述光发射器发出的光依次通过透镜n、滤光片
和偏振片后，通过柱面透镜发生角向会聚，射向透镜I底部；
进一步，控制系统包括步进电机、细分驱动装置和步进电机控制器，所述
步进电机控制器发出的脉冲信号通过细分驱动装置转化为步进电机的角位移，
通过控制步进脉冲信号的频率，可以对步进电机精确调速；控制步进脉沖的个
数,可以对步进电4几精确定位；
进一步，还包括温度控制装置，通过温度控制装置控制反应池中的反应温
度；
进一步，所述温度控制装置由微处理器、测温电路、信号放大电路、A/D 转换电路、显示接口电路、控温电路、定温超限报警电路组成，所述测温电路 包括温度传感器及其外围器件，所述温度传感器设置在能探测反应池温度的位 置，所述经温度传感器采集的信号依次经信号放大电路、A/D转换电路后送入 微处理器进行分析处理，所述显示接口电路、控温电路、定温超限报警电路与 微处理器电连接；
进一步，所述金属膜为4各膜外镀金膜的结构；
进一步，还包括样本进液口和样本出液口，所述样本进液口和样本出液口 i殳置在反应池的上部；
进一步，所述透镜I为J求面透镜或三棱透4竟。
本发明的工作原理在于当待测溶液与SPR生物传感器相接触时，其生物 单分子层的各生物分子与待测样品溶液中的目标分子特异性结合，形成复合物， 使生物单分子层的表面结构发生变化，这一变化可导致该单分子层上的各生物 分子出现SPR现象的改变，通过检测装置可以检测出SPR角的变化。
本发明实现多个生物学信号并行检测(浓度)的工作方式为l.采样准备 数份样品，该样品含有可与预包被的生物探针特异性结合的已知浓度的目标分 子，且数份样品中目标分子的浓度是依次递增的，通过本发明的检测系统记录 不同时刻t和生物分子SPR角(o的变化，根据t和co的关系做出co/t曲线；2.得 出标准曲线通过co/t曲线，可以得到当反应达到平衡时，各生物分子的SPR 平衡角度coo的值，做出此角度值与该点对应的目标分子浓度C的标准曲线，即 对应于各目标分子的(o o/C曲线，该对应关系存入检测系统的智能分析平台中， 形成数据库；3.检测当检测位置浓度溶液时，先根据各点的SPR角co与t的时 间关系得到co/t曲线，由w/t曲线得到各SPR的coo值，再由ccq/C曲线的对应关 系，可以得到该目标分子的浓度值。
本发明的有益效果是
(1) 通过遴选病原菌进行检测，并设计出相对应的生物探针，预包被在反 应池中，实现了多通道检测，筒化了检测过程，提高了检测效率；
(2) 能够较好地克服非特异性响应，实现对待测生物分子及其相互作用的 检测，从整体上提高了传感器性能；
(3) 改变了传统光源的设置方式，通过巡航可调式偏振光源的设置，利用 偏振光源控制器控制其移动方式和位置，从而实现在每个位置保证都以最佳的 入射角入射，确保了每个指标的一致性，能够实现多种指标的同步检测，尤其 适合于基因组的功能分析，克服了传统的检测装置由于固定了最佳入射角而导
致检测效率低下的缺点，充分满足了检测需要；
(4)本发明利用微机电系统MEMS工艺，基于仪器的小型化设计，不仅 结构紧凑，同时提高了仪器的热稳定性和机械稳定性。
本发明能够准确分析标本中多种物质的相互间作用(多因素的作用)，避免 了单一测定带来的批间差异；并且极大减少了检测时间，加速了检测过程；使 用方便，检测灵敏度高，能够能用于多个领域，特别是能充分满足复杂环境的 使用需要，具有广阔的应用前景。
本发明的其他优点、目标和特征在某种程度上将在随后的说明书中进行阐 述，并且在某种程度上，基于对下文的考察研究对本领域技术人员而言将是显 而易见的，或者可以从本发明的实践中得到教导。本发明的目标和其他优点可 以通过下面的说明书和权利要求书来实现和获得。
为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本 发明作进一步的详细描述，其中 图1为本发明的结构示意图； 图2为生物纟笨4十包被示意图； 图3为光电信号传递示意图； 图4为巡航可调式光源的控制结构示意图。
具体实施例方式
l一反应池；2—透镜I; 3—基质；4—金属膜；5—生物探针放置点；6—偏 振光源；7—控制系统；8—会聚透镜；9—光电探测器；10—信号放大电路；11 一A/D转换电路、12—信号分析/处理电路；13—显示电路；14一光发射器；15 —透镜II; 16—滤光片；17—偏振片；18—柱面透镜；19一温度控制装置；20
—样本进液口； 21—样本出液口； 22—智能分析平台；23 —步进电机；24—细 分驱动装置；25—步进电才儿控制器。
图1为本发明的结构示意图；图2为生物探针包被示意图；图3为光电信 号传递示意图；图4为巡航可调式光源的控制结构示意图。如图所示，本发明 包括SPR生物传感检测装置、入射光通道、出射光通道和智能分析处理平台22:
其中，SPR生物传感^f企测装置包4舌SPR生物传感器和可调检测光源SPR 生物传感器包括反应池l、透镜I2和基质3，反应池1设置在SPR生物传感器 上部，透镜I2设置在SPR生物传感器下部，基质3设置在反应池1与透镜I2 之间，基质3上设置有金属膜4，金属膜4与反应池1保持接触，反应池1中设 置有多个生物探针放置点5;
入射光通道包括巡航可调式偏振光源，巡航可调式偏振光源包括偏振光源6 及控制系统7;偏振光源6包括光发射器14、透镜II 15、滤光片16和偏振片17， 光发射器14发出的光依次通过透镜I1 15、滤光片16和偏振片17后，经柱面透 镜18发生角向会聚，射向透镜I2底部，其中，滤光片16能够改善入射光的单 色性，偏振片17为可调式偏振片，用以产生符合要求的P偏振光。本实施例中 的光发射器14采用能耗低，发光稳定的LED光源，
控制系统7包括步进电机23、细分驱动装置24和步进电机控制器25，步 进电机控制器25发出的脉冲信号通过细分驱动装置24转化为步进电机23的角 位移，通过控制步进脉冲信号的频率，可以对步进电机23精确调速；控制步进 脉冲的个数，可以对步进电机23精确定位控制。其调节可以通过中间的细分驱 动24装置进行控制，并且此参数为可变参数。本实施例中的控制程序根据实施 例的要求设置为0.1秒/步，每步的移动精度为lmm。
出射光通道包括会聚透镜8和光电探测器9,光电探测器9设置在会聚透镜 8的焦点上；本实施例中的光电探测器9采用精度高、性能稳定的面阵CCD。
智能分析处理平台22包括信号放大电路10、 A/D转换电路11、以微处理 器为核心的信号分析/处理电路12和显示电路13,经光电探测器9采集的信号 依次经信号放大电路10、 A/D转换电路11后送入信号分析/处理电路12进行分 析处理，所得结果通过显示电路13输入显示装置进行显示。
本实施例还设置有温度控制装置19,温度控制装置19与样本池1相联，温 度控制装置19由单片机、测温电路、A/D转换电路、显示接口电路、按键接口 电路、控温电路、定温超限报警电路及数据存储电路等几部分组成。控温电路 包括可控硅和加热丝，测温电路包括温度传感器及外围器件，通过温度传感器 感测温度变化，把温度信号通过A/D转换电路转换成频率信号，当温度低于或 者高于设定值下限时，单片机控制可控硅导通或者关断对加热丝进行控制，使 温度升高或者降低。存储电路是用来存储温控系统进行工作的温度和时间，使 得在系统掉电的情况下数据不会丢失。
本实施例中，金属膜4为使用真空镀膜法在基质上先镀上一层铬，再在铬 膜上镀上一层金膜的结构，从而可以有效地消除声电干扰。
本实施例中，基质3选用玻璃基片；透镜I2为三棱透镜。
所有光学元件都设置在一煮黑的可密封筒体内，从而减少外界杂散光的影 响，提高了检测精度。
测量试液中多种分子浓度的实施例的实验步骤如下
1. 生物探针的包被向反应池内通入摩尔比为1: 9的生物素化疏醇衍生 物和OH根硫醇稀释液的混合物(PBS緩沖液环境)，反应足够长的时间， 在各生物探针放置点表面形成紧密覆盖的自组装单分子膜(SAM),再用PBS 缓冲液冲洗，接着使用微量加样器将金黄色葡萄球菌、铜绿假单胞菌、破伤风 杆菌、产气荚膜杆菌、痢疾杆菌、炭疽杆菌、霍乱弧菌七种病原菌的生物探针 注入反应池中的各生物探针放置点；
2. 测定当反应池中包被了生物探针以后，将待测样品通入反应池，调 节棱镜的角度，使发生共振的黑线落入光电探测器的检测范围之内。开始检 测，同时通过光电探测器9记录各点的SPR信号，送入智能分析平台进行分 析处理，智能分析平台的工作过程如下由SPR信号得到各点的co/t曲线，
再由各点的co/t曲线得到各点的SPR平衡角coo，通过与数据库中的存储的(Oo/C 曲线数据进行比对，从而得到各点的浓度值。
利用偏振光源控制器控制其移动方式和位置，可以实现在每个位置保证都 以最佳的入射角入射，确保了每个指标的一致性，能够实现多种指标的同步检 测，尤其适合于基因组的功能分析。
最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽 管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理 解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本技术方案 的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。
权利要求
1.一种多通道表面等离子波传感检测系统，其特征在于包括SPR生物传感检测装置、入射光通道、出射光通道和智能分析处理平台(22)；所述SPR生物传感检测装置包括SPR生物传感器和可调检测光源；所述SPR生物传感器包括反应池(1)、透镜I(2)和基质(3)，所述反应池(1)设置在SPR生物传感器上部，所述透镜I(2)设置在SPR生物传感器下部，所述基质(3)设置在反应池(1)与透镜I(2)之间，所述基质(3)上设置有金属膜(4)，所述金属膜(4)与反应池(1)保持接触，所述反应池(1)中设置有有多个生物探针放置点(5)；所述入射光通道包括巡航可调式偏振光源，所述巡航可调式偏振光源包括偏振光源(6)及控制系统(7)；所述出射光通道包括会聚透镜(8)和光电探测器(9)，所述光电探测器(9)设置在会聚透镜(8)的焦点上。
2. 根据权利要求1所述的一种多通道表面等离子波传感检测系统，其特征 在于所述智能分析处理平台(22 )包括信号放大电路(10 )、 A/D转换电路(11 )、 显示接口电路(13 )和以微处理器为核心的信号分析/处理电路(12 )，所述经光 电探测器(9)釆集的信号依次经信号放大电路(10)、 A/D转换电路(11 )后 送入信号分析/处理电路(12 )进行分析处理，所述显示接口电路(13 )与信号 分析/处理电路(12)电连接。
3. 根据权利要求1或2所述的一种多通道表面等离子波传感检测系统，其 特征在于所述偏振光源(6 )包括光发射器(14 )、透镜II ( 15 )、滤光片(16 )、 偏振片(17)，所述光发射器(14)发出的光依次通过透镜I1(15)、滤光片(16) 和偏振片(17)后，射向透镜I (2)底部。
4. 根据权利要求3所述的一种多通道表面等离子波传感检测系统，其特征 在于还包括柱面透镜(18)，所述光发射器(14)发出的光依次通过透镜I1( 15)、 滤光片(16)和偏振片(17)后，通过柱面透镜(18)发生角向会聚，射向透 镜I (2)底部。
5. 根据权利要求1所述的一种多通道表面等离子波传感检测系统，其特征 在于控制系统7包括步进电机(23)、细分驱动装置(24)和步进电机控制器(25),所述步进电才几控制器(25)发出的脉沖信号通过细分驱动装置(24)转 化为步进电机(23)的角位移，通过控制步进脉冲信号的频率，可以对步进电 机(23)精确调速；通过控制步进脉冲的个数，可以对步进电机(23)精确定 位控制。
6. 根据权利要求1所述的一种多通道表面等离子波传感检测系统，其特征 在于还包括温度控制装置(19),通过温度控制装置(19)能够控制反应池中 的反应温度。
7. 根据权利要求6所述的一种多通道表面等离子波传感检测系统，其特征 在于所述温度控制装置(19)由微处理器、测温电路、信号放大电路、A/D 转换电路、显示接口电路、控温电路、定温超限报警电路组成，所述测温电路 包括温度传感器及外围器件，所述温度传感器设置在能探测反应池温度的位置， 所述经温度传感器采集的信号依次经信号放大电路、A/D转换电路后送入微处 理器进行分析处理，所述显示接口电路、控温电路、定温超限报警电路与微处 理器电连接。
8. 根据权利要求7所述的一种多通道表面等离子波传感检测系统，其特征 在于所述金属膜(4)为铬膜外镀金膜的结构。
9. 根据权利要求8所述的一种多通道表面等离子波传感检测系统，其特征 在于还包括样本进液口 (20)和样本出液口 (21),所述样本进液口和样本出 液口设置在反应池(1 )的上部。
10. 根据权利要求9所述的能用于野外环境的病原微生物快速检测装置，其 特征在于所述透镜I (2)为球面透镜或三棱透镜。
全文摘要
本发明公开了一种多通道表面等离子波传感检测系统，包括SPR生物传感检测装置、入射光通道、出射光通道和智能分析处理平台；SPR生物传感检测装置包括SPR生物传感器和可调检测光源；入射光通道包括巡航可调式偏振光源，巡航可调式偏振光源包括偏振光源及控制系统；出射光通道包括会聚透镜和光电探测器；本发明能够准确分析标本中多种物质的相互间作用(多因素的作用)，避免了单一测定带来的系统偏差；并且极大减少了检测时间，提高了检测效率；本发明结构紧凑，方便携带，使用方便，灵敏度高，能够应用于多个领域和多种环境，具有广阔的应用前景。
文档编号G01N21/41GK101349643SQ20081007013
公开日2009年1月21日 申请日期2008年8月18日 优先权日2008年8月18日
发明者府伟灵, 珏 王, 阳 罗 申请人:中国人民解放军第三军医大学第一附属医院