专利名称：一种基于声光调制的微悬臂梁阵列生化传感方法及装置的制作方法
技术领域：
本发明属于或涉及生化传感技术领域，其发明创造可具体应用于食品安全、环境污染、生物医学、科学研究和生产制造等领域的监控和检测。
背景技术：
基于表面应力检测的微悬臂梁(以后均称微梁)生化传感技术是近年出现的一种新兴传感技术，其原理是把探针(抗原或抗体)分子用直接或间接的方式固定(修饰)到微梁一侧的镀金层上，当被检测样品液中的靶分子与微梁金表面上的探针分子发生特异性反应时，会使微梁表面应力改变，从而导致微梁弯曲变形，通过光学或电学方法检测这种变形的过程，可得到生化反应的实时信息。与传统的免疫传感方法相比，该方法无需使用任何酶标、荧光物质和放射性作为反应示踪剂，消除了标记过程的影响，灵敏度高(比酶联免疫试验高数倍)，还可以通过监测微梁变形来实时、定量的监测抗原抗体的反应过程，得到更丰富的免疫生化反应的信息。经过这些年的发展，微梁传感被作为一种新兴技术，在生物工程和环境污染监测技术等方面与传统的方法进行对比研究，如RNA转录因子、酶、汞排放及挥发性化合物等，由于微悬臂梁的厚度尺寸仅为亚微米量级，对微梁表面生化反应(比如，修饰的探针分子与靶分子结合)导致的应力变化极为敏感，使其检测极限达到纳克甚至亚纳克级每毫升，优于常规的酶联免疫方法。在单微悬臂梁检测系统基础上，为进一步消除环境温漂、溶液折射率变化等背景噪声影响、实现多种靶标分子的快速并行检测，微梁传感技术正逐步向多阵列发展。已报道实现微梁阵列传感研究的方法主要有(I)利用垂直共振腔面射型激光器提供时序阵列光源，对微梁阵列进行逐一照射，再利用光电位置敏感探测器(PSD)对各微梁的偏转信号进行接收检测；(2)利用扩束后的面光源照射微梁阵列，用CCD记录二维微梁阵列变形前后的图像进行微梁的变形检测。但由于垂直共振腔面射型激光器发射光束的相邻距离不能调节，它只能针对间距一定的微梁阵列进行照射，灵活性较低且价格也很昂贵；CCD面光源检测法中，由于微梁尖端的弯曲会使图像产生弥散，严重影响光斑位移的检测质量，导致其检测灵敏度不高，且多通道检测时速度也较慢。如何利用简单光路设计出方便实用的传感系统，实现微梁阵列高灵敏度、快速、并行的变形检测，研制出微梁阵列免疫传感装置，并利用阵列免疫传感器进行抗体亲和常数测定以及应用于食品安全中多残留和多种重金属离子并行实时原位检测，一直是生化检测领域关注的焦点。
发明内容
本发明的设计思路是利用声光偏转器驱使激光器发射出来的激光束产生周期性偏转，以扫描微梁阵列；再通过光杠杆原理将微梁阵列中各微梁的弯曲变形信号放大，用光电位置敏感探测器(PSD)时序接收检测，从而实时监测各微梁上的生化反应过程信息。一种基于声光调制的微悬臂梁阵列生化传感方法，步骤包括
先利用声光偏转器驱使激光器发射出来的激光束产生周期性偏转，用该周期性偏转的激光束来扫描微梁阵列；再通过光杠杆原理将微梁阵列中各微梁的弯曲变形信号放大；然后用光电位置敏感探测器PSD时序接收检测所述放大后的弯曲形变信号，从而实时监测各微梁上的生化反应过程信息。所述声光偏转器采用声光调制器即可。一种使用上述方法的装置，包括激光器、声光调制器、生化反应池、微梁阵列、光电位置敏感探测器PSD和监测单元； 所述声光调制器在激光器发出的准直激光束的光路上；所述微梁阵列在生化反应池内，微梁阵列在调整声光调制器的出射光的光路上；所述光电位置敏感探测器PSD靶面在微梁阵列的反射光的光路上；所述光电位置敏感探测器PSD的信号输出端连接监测单元的信号输入端；所述声光调制器包括声光介质和压电换能器；所述压电换能器接收载波频率信号后产生相同频率的超声波传入声光介质；所述准直激光束经过声光介质后产生折射后得到出射光。所述准直激光束射入声光调制器的入射角度符合布拉格衍射角。所述载波频率信号为超声波。还包括反光镜，反光镜位于声光调制器和微梁阵列之间的光路上；声光调制器的出射光经反光镜反射后射到微梁阵列上。所述生化反应池连接有加热装置，加热装置由温控器控制。鉴于微梁阵列生化传感并行检测技术的灵敏度与照射在微梁阵列上的激光束有较大关系，本发明利用声光调制的方法原理对准直激光束调制，与已有的微梁阵列生化传感并行检测方法相比较有如下优点I)探测光路结构简单，容易实现；2)扫描步进量可以任意调节，对各种间距的微梁阵列都能方便快捷的进行定位探测，灵活性较强；3)使用同一激光器扫描，保证了微梁阵列各根微梁上照射光源的一致性；4)扫描过程中没有机械转动，精度高；5)使用此方法集成的微梁阵列生化传感器体积小、重量轻，移动方便。
图I基于声光调制的微梁阵列生化传感装置整体设计示意图；图2声光调制器原理不意图；图3声光调制驱动激光束扫描微梁阵列原理图；图4(a)和图4(b)是微梁阵列基底上间隔250 μ m两点处的扫描位移曲线图，其中，图4(a)是X方向的，图4(b)是Y方向的。激光束周期性来回扫射微梁阵列基底上间距250 μ m的两定点9小时，在X方向和Y方向上，两扫描位点都保持平行一致，没有出现较大偏移，说明系统扫描光路稳定。图5是两根微梁上的光点扫描信号不意调节激光束扫描位点，分别准确定位两根微梁的尖端，周期性来回切换，采集两根微梁位移信号。图6是在温度激励下两微梁的位移曲线图；将微梁阵列的温度从23°C逐步升至29°C，升温6°C后，两根微梁的位移响应信号相差了 2011111左右，误差5.6% (相差量20nm除以总的变形量360nm)，在同一温度变化激励下基本保持一致。由于微梁传感技术对生化反应的检测主要是针对分子间的特异性结合，因此只要能准确的测出这种特有的反应信息，PSD靶面上接收到的微梁弯曲信号误差在10%左右是不影响检测结果的。
图7是利用微梁阵列检测CLEN抗原抗体的特异性结合；在流动PBS半小时后，先加入500ng/mL的CAP标样，此时两梁响应量一致，且幅度较小，说明(I)此响应信号可能是由环境扰动(温漂、溶液折射率及酸碱度变化等)引起；
(2)梁I上修饰的瘦肉精抗体和CAP标样不发生反应。待信号平稳后，再加入10ng/mL的CLEN标样，此时修饰有CLEN抗体的梁I响应信号明显大于未修饰CLEN抗体的梁2响应信号，说明(1)梁I上发生了 CLEN抗原抗体的特异性反应导致了梁上表面应力的变化；(2)梁2的响应信号幅度较小，可能是由环境扰动引起。最后，将梁I响应信号减去梁2 (参考梁)响应信号，即可得到仅由CLEN抗原抗体特异性结合产生的真实微梁变形信号(45nm)。
具体实施例方式一种基于声光调制的微悬臂梁阵列生化传感方法，步骤包括先利用声光偏转器驱使激光器发射出来的激光束产生周期性偏转，用该周期性偏转的激光束来扫描微梁阵列；再通过光杠杆原理将微梁阵列中各微梁的弯曲变形信号放大；然后用光电位置敏感探测器PSD时序接收检测所述放大后的弯曲形变信号，从而实时监测各微梁上的生化反应过程信息。所述声光偏转器采用声光调制器即可。—种使用上述方法的装置，包括激光器、声光调制器、生化反应池、微梁阵列、光电位置敏感探测器PSD和监测单元；所述声光调制器在激光器发出的准直激光束的光路上；所述微梁阵列在生化反应池内，微梁阵列在调整声光调制器的出射光的光路上；所述光电位置敏感探测器PSD靶面在微梁阵列的反射光的光路上；所述光电位置敏感探测器PSD的信号输出端连接监测单元的信号输入端；所述声光调制器包括声光介质和压电换能器；所述压电换能器接收载波频率信号后产生相同频率的超声波传入声光介质；所述准直激光束经过声光介质后产生折射后得到出射光。所述准直激光束射入声光调制器的入射角度符合布拉格衍射角。所述载波频率信号为超声波。还包括反光镜，反光镜位于声光调制器和微梁阵列之间的光路上；声光调制器的出射光经反光镜反射后射到微梁阵列上。所述生化反应池连接有加热装置，加热装置由温控器控制。具体到本例中声光调制器由声光介质和压电换能器构成如图2所示，其原理是，当某种特定载波频率信号驱动换能器时，换能器即产生同一频率的超声波并传入声光介质，在介质内形成折射率变化，此时介质的作用类似“相位光栅”，光束通过介质时即发生相互作用而改变光的传播方向即产生衍射，当入射角为布拉格衍射角时，出射光束仅为其±1级衍射光，且出射方向随加载载波信号频率的变化而偏转。为实现对微梁阵列上生化反应信息的高灵敏度、快速、并行检测，本发明利用声光调制方法来实现激光束对微梁阵列生化传感并行检测，方案如下基于声光调制的微梁阵列生化传感装置整体设计示意图如图I所示将频率在70MHz与90MHz之间周期性变化的超声波信号加载至声光调制器的压电换能器端，激光器(直径8mm，长40mm，汇聚激光点焦距可调)发出的准直激光束(直径200 μ m,波长650nm)以布拉格衍射角入射声光调制器(声光介质TeO2),调整激光束的入射角度,使从声光调制器中发射出的激光的光功率保持恒定，此时出射光束在3°角范围内周期性扫描，调整反光镜位置使激光束经反射后照射到固定在密闭生化反应池(容积O. 5ml)中的微梁阵列镀金面(池中环境温度由温控器通过加热片控制)，通过采集反射到光电位置敏感探测器(PSD)上的光斑位移信号可还原微梁阵列上各根微梁的竖向偏移量，经A/D转换后输入计算机，实现微梁阵列生化传感的并行检测。具体到实施例中实施例I、基于声光调制的微梁阵列传感方法对温度变化的测量将一商品化微梁阵列(德国micromotive公司，其中微梁长500 μ m,宽90 μ m,厚Iym,表面镀有O. 02 μ m厚的金层,相邻微梁中心间距为250 μ m)放置于图I所不系统中；如图I所示将声光调制器(调制波长633 670nm，中心频率80MHz，调制带宽50MHz)和半导体激光器放置到系统中，声光调制器加载信号频率在70MHz至90MHz之间周期性变化的超声波，调整激光束入射声光调制器的位使经射声光调制器后发射出的激光束的光功率保持稳定；将激光束照射到微梁阵列基底上，并周期性来回扫射间距250 μ m的两定点9小时，扫描位移曲线图如图4所示在X方向和Y方向上，两扫描位点都保持平行一致，没有出现较大偏移，说明系统扫描光路稳定；调节激光束扫描位点，准确定位两根微梁的尖端，周期性来回切换并采集位移信号，示意图如图5所示；在微梁位移信号稳定后，用高精度温控器(精度0.01°C)将微梁阵列的温度从23°C逐步升至29°C，所得对应数据曲线如图6所示。从图6中可以看出在升温6°C后，两根微梁的位移响应信号相差了 20nm左右，误差5. 6% (相差量20nm除以总的变形量360nm)，在同一温度变化激励下基本保持一致。由于微梁传感技术对生化反应的检测主要是针对分子间的特异性结合，因此只要能准确的测出这种特有的反应信息，PSD靶面上接收到的微梁弯曲信号误差在10%左右是不影响检测结果的。实施例2、基于声光调制的微梁阵列生化传感方法对瘦肉精的检测实验试剂瘦肉精抗体,瘦肉精标准样品CLEN，氯霉素标准样品CAP(以上3种样品均取自中国农业大学农学与生物技术学院)；活化剂l-ethyl_3-(3-dimethyl aminopropyl)carbodiimide (EDC), N-Hydroxysulfosuccinimide (NHS);硫醇肥-012-(1)0!1(以上 3 种药品均购置于 SIGMA 公司)；PBS(4. Og NaCI+0. IgKH2PO4+1. 48g Na2HPO4 ·Η20+500ι 1 去离子水)；TPBS(PBS+0. 5% Tween-20) ;98%浓硫酸；30%双氧水，均为分析纯。微梁阵列上抗体的修饰
清洗微梁阵列，浸入比例为I : 3的H2O2和H2SO4混合溶液中IOmin (室温)，取出用去离子水冲洗，放入孔板中，加入200 μ L的O. lmol/L硫醇后封口静置20h (室温)，利用硫醇自带的巯基(-HS)自组装到微梁阵列一侧的镀金表面上。反应完成后，取出微梁阵列用乙醇冲洗,再用去离子水冲洗,放入新孔板中，注入100 μ L的02mol/L EDC和100 μ L的O.05mol/L NHS静置I. 5h，活化微梁阵列上硫醇的羧基。随后将微梁阵列取出用去离子水冲洗，再放到毛细管阵列套合修饰平台上，对I号微梁进行瘦肉精抗体修饰。然后取出微梁阵列用TPBS冲洗，再固定在生化反应池中，流动PBS缓冲液，调试好光路进行实验。微梁阵列检测结果微梁阵列对CLEN抗原抗体特异性反应的检测结果如图7所示，图中先加入500ng/mL的CAP标样后，两梁响应量一致，且幅度较小，说明(1)此响应信号可能是由环境扰动(温漂、溶液折射率及酸碱度变化等)引起；(2)梁I上修饰的瘦肉精抗体和CAP标样不发生反应。待信号平稳后，再加入10ng/mL的CLEN标样，此时修饰有CLEN抗体的梁I响应信号明显大于未修饰CLEN抗体的梁2响应信号，说明(I)梁I上发生了 CLEN抗原抗体的特异性反应导致了梁上表面应力的变化；(2)梁2的响应信号幅度较小，可能是由环境扰动引起。最后，将梁I响应信号减去梁2 (参考梁)响应信号，即可得到仅由CLEN抗原抗体特异性结合产生的真实微梁变形信号(45nm)。
权利要求
1.一种基于声光调制的微悬臂梁阵列生化传感方法，其特征是步骤包括 先利用声光偏转器驱使激光器发射出来的激光束产生周期性偏转，用该周期性偏转的激光束来扫描微梁阵列； 再通过光杠杆原理将微梁阵列中各微梁的弯曲变形信号放大； 然后用光电位置敏感探测器PSD时序接收检测所述放大后的弯曲形变信号，从而实时监测各微梁上的生化反应过程信息。
2.根据权利要求I所述的基于声光调制的微悬臂梁阵列生化传感方法，其特征是所述声光偏转器是声光调制器。
3.一种使用权利要求I或2所述方法的装置，其特征是包括激光器、声光调制器、生化反应池、微梁阵列、光电位置敏感探测器PSD和监测单元； 所述声光调制器在激光器发出的准直激光束的光路上； 所述微梁阵列在生化反应池内，微梁阵列在调整声光调制器的出射光的光路上；所述光电位置敏感探测器PSD靶面在微梁阵列的反射光的光路上；所述光电位置敏感探测器PSD的信号输出端连接监测单元的信号输入端； 所述声光调制器包括声光介质和压电换能器；所述压电换能器接收载波频率信号后产生相同频率的超声波传入声光介质；所述准直激光束经过声光介质后产生折射后得到出射光。
4.根据权利要求3所述装置，其特征是所述载波频率信号为超声波。
5.根据权利要求3所述装置，其特征是还包括反光镜，反光镜位于声光调制器和微梁阵列之间的光路上；声光调制器的出射光经反光镜反射后射到微梁阵列上。
全文摘要
一种基于声光调制的微悬臂梁阵列生化传感方法，步骤包括先利用声光偏转器驱使激光器发射出来的激光束产生周期性偏转，用该周期性偏转的激光束来扫描微梁阵列；然后用光电位置敏感探测器时序接收微梁阵列中各微梁的弯曲变形信号，从而实时监测各微梁上的生化反应过程信息。一种使用上述方法的装置，包括激光器、声光调制器、生化反应池、微梁阵列、光电位置敏感探测器和监测单元。本发明探测光路结构简单，容易实现；扫描步进量可以任意调节，对各种间距的微梁阵列都能方便快捷的进行定位探测，灵活性较强；使用同一激光器扫描，保证了微梁阵列各根微梁上照射光源的一致性；扫描过程中没有机械转动，精度高。
文档编号G01N33/53GK102645529SQ201210129880
公开日2012年8月22日 申请日期2012年4月27日 优先权日2012年4月27日
发明者张勇, 张青川, 程腾, 邬林 申请人:南京中迅微传感技术有限公司