一种基于外场调制的spr检测系统的检测方法
【专利摘要】本发明提供一种基于外场调制的SPR检测系统的检测方法，包括：1）得到第一样品溶液和第二样品溶液的SPR角度扫描曲线，计算0外场下的SPR检测系统灵敏度，标定检测的动态范围；2）选定动态范围内的某一角度作为入射角度进行外场扫描，得到反射光强随外场强度变化的线性系数；3）通入待测溶液，选定与步骤2）相同的入射角度，调节所施加的外场强度，使所检测到的反射光强度始终保持在所述动态范围内，读出外场强度和反射光强度；4）基于所得出的线性系数将测得的反射光强度转换为0外场下的等效反射光强度，再基于所述SPR检测系统的灵敏度，利用等效反射光强度计算出待测溶液的折射率或浓度。本发明能够显著扩大可调谐表面等离子体共振传感器的动态范围。
【专利说明】-种基于外场调制的SPR检测系统的检测方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及传感器及传感【技术领域】，具体地说，本发明涉及一种基于可调谐表面 等离子体共振传感器的检测方法。
【背景技术】
[0002] 表面等离子共振传感器是一种可以检测金属界面附近区域折射率变化的光学传 感技术。从20世纪80年代开始，SPR生物传感器由于其突出的免标记，快速灵敏以及实时 检测的优势而得到飞速发展并得到广泛的应用。目前已经应用于蛋白质相互作用，核酸相 互作用，食品安全，农药残留，环境安全以及药物筛选，传染病快速灵敏检测等领域。
[0003] 可调谐SPR生物传感器是基于棱镜和波导两种耦合方式结合激发的表面等离 子体共振，具体原理可参考文献"J. Homola, Surface plasmon resonance sensors for detection of chemical and biological species，Chem. Rev·，（2008) 108:462-493"。由 于可调谐SPR生物传感器对耦合条件的要求更为苛刻，使得可调谐SPR反射率曲线（SPR芯 片表面反射率随入射角度变化的曲线）更为尖锐，因此具有更高的灵敏度。目前，基于可调 谐SPR生物传感器的检测方法主要有角度扫描法和强度检测法。其中，角度扫描法需要通 过机械结构对光路进行改变，操作难度较大，容易人为引入误差。强度检测法是固定入射光 的角度，测量经SPR芯片表面反射的反射光的强度，由于入射光的强度已知，因此可以算出 SPR芯片表面的反射率，并进而获得待检测物质的折射率等特性。这种方法能够避免通过 机械结构对光路进行改变，操作简单，误差相对较小。强度检测一般是先选定一定强度的入 射光，固定入射光的入射角度，然后在SPR芯片表面通入待检测物质后测量反射光的强度， 根据反射光强度计算出待检测物质的折射率以及其它性质。其原理如下：检测表面(指结 合了待测溶液中物质的SPR芯片表面）折射率的改变会引起SPR反射率曲线位置的移动， 图I (a)示出了一个强度检测法下反射率曲线移动的例子，由于实际检测中反射率对应于 所检测到的反射光强度，图中以反射光强度代替反射率不会改变反射率曲线的形状。参考 图I (a)，图中实线是原始SPR芯片表面的反射率曲线，虚线是结合了待测溶液的SPR芯片 表面的反射率曲线。可以看出，SPR芯片表面通入待测溶液后，SPR芯片表面折射率增大，反 射率曲线向右移动。在某个固定的角度对反射率进行检测，当表面折射率发生变化时，检测 到的反射率发生变化。折射率增大引起反射率曲线向右移动，在固定的入射角度下，检测到 的反射率信号增大。当固定的入射角度选择在合适的位置，且检测的折射率变化控制在一 定的范围时，待测溶液折射率和SPR传感器芯片表面的反射率变化成线性关系，如图1(b)。 图中的线段可以用函数Y=A+B*X表示，其中B为强度灵敏度，单位为RU或RIU。这样就可 以根据反射率变化换算出待检测物质表面折射率，从而得到检测物质浓度、亲和性等参数。 在定量分析过程中，图1(b)中的线段必须保持良好的线性，这就要求图1(a)中的入射角度 及SPR反射率曲线的移动范围满足一定的条件：即无论反射率曲线出现在怎样的位置，入 射角度都应该在它的线性区域当中，满足上述条件的检测范围就是该入射角度所对应的动 态范围。对于原始SPR芯片表面的反射率曲线（实际上就是反射光强随入射角度变化的扫 描曲线）而言，其中的线性区域一般在曲线最低点与最高点之间的20%?80%的范围内当 通入待测溶液后，结合了待测溶液中物质的SPR芯片表面的折射率变大，会引起SPR曲线沿 X轴（X轴表示入射角度）方向向右平移，SPR反射率曲线的线性区域也随之向右平移，当待 测溶液的折射率过大时，这个平移可能导致原先的入射光角度在SPR反射率曲线的线性区 域之外，即超出了在原角度下的强度检测的动态范围。对于可调谐SPR生物传感器来说，其 SPR芯片表面的原始SPR反射率曲线本身就较为尖锐，这样，所允许的SPR反射率曲线平移 的范围就较小，导致其强度检测的动态范围较小，不利于实际使用。
[0004] 在传统强度检测方法中，当检测信号超出了动态检测范围时，需要移动SPR扫描 角度，再继续进行检测。这一方案需要通过机械结构对光路进行改变，往往会影响实验的准 确性和一致性，并且还需要中断实验，并对SPR曲线进行重新扫描和校准。
[0005] 因此，较小的动态范围严重的影响了可调谐SPR这一新型SPR传感器的实用性，当 前迫切需要一种具有较大动态范围的基于可调谐SPR生物传感器的检测方案。
【发明内容】
[0006] 本发明提出了一种具有较大动态范围的基于可调谐SPR生物传感器的检测方案。
[0007] 为实现上述发明目的，本发明提供了一种基于可调谐表面等离子体共振传感器的 检测方法，所述可调谐表面等离子体共振传感器是一种外场调制的使用可调谐SPR生物芯 片的SPR检测系统，所述检测方法包括下列步骤：
[0008] 1)将外场设置为0,在所述可调谐SPR生物芯片上的样品池中分别通入折射率或 浓度已知的第一、第二样品溶液，分别完成角度扫描，得到第一样品溶液和第二样品溶液的 SPR角度扫描曲线；计算出0外场下的所述SPR检测系统的灵敏度，并根据第一、第二样品 溶液SPR角度扫描曲线的线性范围标定检测的动态范围；
[0009] 2)选定所述动态范围内的某一角度作为入射角度，进行外场扫描，得到反射光强 随外场强度变化扫描曲线，进而计算得到反射光强随外场强度变化的线性系数；
[0010] 3)在所述可调谐SPR生物芯片上的样品池中通入待测溶液，选定与步骤2)相同的 入射角度，当反射光强随时间的变化超出或即将超出所述动态范围时，保持同一入射角度， 调节所施加的外场强度，使所检测到的反射光强度保持在所述动态范围内，读出此时的外 场强度和反射光强度；
[0011] 4)基于步骤2)所得出的线性系数将当前外场强度下的反射光强度转换为0外场 下的等效反射光强度，再基于步骤1)所得到的〇外场下的所述SPR检测系统的灵敏度，利 用该等效反射光强度计算出待测溶液的折射率或浓度。
[0012] 其中，所述步骤1)中，在不同强度的外场下分别进行角度扫描，得到第一样品溶液 和第二样品溶液的SPR角度扫描曲线，根据第一、第二样品溶液SPR角度扫描曲线的线性范 围标定对应于每个强度的外场所对应的动态范围；
[0013] 所述步骤3)中，当待测溶液的反射光强超过0外场下的动态范围时，通过调节外 场强度，使得检测信号反射光强度回到相应外场强度下的动态范围中，然后再读出外场强 度和反射光强度。
[0014] 其中，所述线性区域是使线性度大于0. 9995的反射光强度区域。
[0015] 其中，所述步骤1)中，基于每个外场强度下的SPR角度扫描曲线的线性区域，以线 性区域的最大反射光强度和最小反射光强度作为1和0,对SPR角度扫描曲线做归一化处 理；并且，用第一样品溶液和第二样品溶液的归一化后的SPR角度扫描曲线，计算出0外场 下的所述SPR检测系统的归一化灵敏度；
[0016] 所述步骤2)中，以线性区域的最大反射光强度和最小反射光强度作为1和0,对外 场扫描得到的反射光强随外场强度变化的曲线做归一化处理；
[0017] 所述步骤3)中，根据所读出的外场强度，依照步骤1)所得出的相应外场强度的归 一化SPR角度扫描曲线，对所读出的反射光强度进行归一化处理；
[0018] 所述步骤4)中，基于步骤2)所得出的归一化后的反射光强随外场强度变化的曲 线的线性系数，将当前外场强度下的归一化后的反射光强度转换为0外场下的归一化等效 反射光强度，再基于步骤1)所得到的〇外场下的所述SPR检测系统的归一化灵敏度，利用 该归一化等效反射光强度计算出待测溶液的折射率或浓度。
[0019] 其中，所述第一、第二样品溶液是折射率或浓度已知的1XPBS、2XPBS、去离子水、 1:200磷酸缓冲液或者甘油溶液。
[0020] 其中，所述外场为电场、热场、磁场或者声场，所述外场强度为电压、温度、磁场强 度或者声强。
[0021] 与现有技术相比，本发明具有下列技术效果：
[0022] 1、显著扩大了可调谐SPR传感器的动态范围。
[0023] 2、在扩大强度检测法动态范围的同时，抑制检测误差。
[0024] 3、在扩大强度检测法动态范围的同时，保持较高的灵敏度。
【专利附图】
【附图说明】
[0025] 图I (a)示出了原始SPR芯片表面和通入待测溶液后SPR芯片表面的反射率曲 线.
[0026] 图I (b)示出了反射率随待测溶液折射率变化的关系曲线；
[0027] 图2示出了本发明一个实施例中所采用的外场调制的SPR检测系统的原理示意 图；
[0028] 图3示出了本发明一个实施例中用于对强度灵敏度S进行标定的反射率曲线的示 意图；
[0029] 图4示出了本发明一个实施例中用于对外场调制电压与反射光强的线性系数V进 行标定的反射率曲线的示意图；
[0030] 图5示出了本发明一个实施例中基于可调谐表面等离子体共振传感器的检测方 法的流程图。
【具体实施方式】
[0031] 下面，结合附图和具体实施例对本发明做进一步地描述。
[0032] 根据本发明的第一个实施例，提供了一种基于可调谐SPR传感器的检测方法。该 检测方法基于一种电场调制的SPR检测系统实现。为便于理解，首先对所述外场调制的SPR 检测系统进行简要介绍。
[0033] 图2示出了现有技术中的一种可调谐SPR传感器--电场调制的SPR检测系统， 该检测系统包括：单色光源1、光学组件2、高折射率棱镜3、光探测器4、电场可调谐WCSPR 生物芯片5、样品池6、微流控系统7、电压源8和控制系统9。其中，单色光源1和光学组件 2组成平行光输出装置，用于提供单色、线性偏振（p偏振光)、准直的光束。光学组件2包括 不限顺序的透镜组、滤波片和偏振片等。高折射率棱镜3用于使所述平行光输出装置提供 的光束耦合进入电场可调谐WCSPR生物芯片5。电场可调谐WCSPR生物芯片5从上至下依 次由生物检测层、上层金属、电调制层、下层金属以及基底组成。电压源8通过上层金属和 下层金属对可调谐WCSPR生物芯片5施加电压，用于调谐电场可调谐WCSPR生物芯片5中的 电调制层的物理性质(如折射率、厚度)。本实施例采用的是对电调制层折射率进行调谐的 装置，电调制层为电光调制层。样品池6是将检测物质局限于电场可调谐WCSPR生物芯片 5检测表面的装置，其数量、形状及尺寸由检测需要决定。光探测器4用于对来自电场可调 谐WCSPR生物芯片5的检测层的反射或透射光强进行检测。控制系统9是确定检测角度、 完成外场扫描、确定调制外场强度、记录检测信号、完成数据分析处理的软硬件系统，包括 但不限于转台控制器、场发生器控制器、数据采集器、中央控制器以及控制及分析软件。微 流控系统7用于实现样品池中样品更换，微流控系统7包括用于生物芯片表面清洗、重生的 流体控制器，该流体控制器包括流体泵、选通阀和微流管道。
[0034] 上述电场调制的SPR检测系统的工作机理如下：单色光源1发出的光束经过光学 组件2整形、滤波、偏振处理，产生单色、平行、p型偏振的光通过高折射率棱镜3耦合入电 场可调谐WCSPR生物芯片5。光探测器4接受来自电场可调谐WCSPR生物芯片5的反射光， 通过光强的变化对可调谐WCSPR生物芯片5表面的信息进行检测。以电场可调谐WCSPR生 物芯片5的上下层金属为电极，电压源8向电光调制层施加电场。电光调制层采用线性电 光材料，其折射率变化与外加电场的关系为：
[0035]
【权利要求】
1. 一种基于外场调制的SPR检测系统的检测方法，包括下列步骤： 1) 用折射率或浓度已知的第一、第二样品溶液，通过角度扫描得出〇外场下的所述SPR 检测系统的灵敏度，并根据第一、第二样品溶液SPR角度扫描曲线的线性范围标定检测的 动态范围；计算出〇外场下的所述SPR检测系统的灵敏度，并根据第一、第二样品溶液SPR 角度扫描曲线的线性范围标定检测的动态范围； 2) 选定所述动态范围内的某一角度作为入射角度，进行外场扫描，得到反射光强随外 场强度变化的线性系数； 3) 在所述SPR检测系统的可调谐SPR生物芯片上的样品池中通入待测溶液，选定与步 骤2)相同的入射角度，当反射光强超出或即将超出所述动态范围时，保持同一入射角度，调 节所施加的外场强度，使所检测到的反射光强度保持在所述动态范围内，读出此时的外场 强度和反射光强度； 4) 基于步骤2)所得出的线性系数将当前外场强度下的反射光强度转换为0外场下的 等效反射光强度，再基于步骤1)所得到的〇外场下的所述SPR检测系统的灵敏度，利用该 〇外场下的等效反射光强度计算出待测溶液的折射率或浓度。
2. 根据权利要求1所述的检测方法，其特征在于，所述步骤1)中，在不同强度的外场 下分别进行角度扫描，得到第一样品溶液和第二样品溶液的SPR角度扫描曲线，根据第一、 第二样品溶液SPR角度扫描曲线的线性范围标定对应于每个强度的外场所对应的动态范 围； 所述步骤3)中，当待测溶液的反射光强超过0外场下的动态范围时，通过调节外场强 度，使得检测信号反射光强度回到相应外场强度下的动态范围中，然后再读出外场强度和 反射光强度。
3. 根据权利要求1所述的检测方法，其特征在于，所述线性区域是使线性度大于 0. 9995的反射光强度区域。
4. 根据权利要求2所述的检测方法，其特征在于，所述步骤1)中，基于每个外场强度 下的SPR角度扫描曲线的线性区域，以线性区域的最大反射光强度和最小反射光强度作为 1和0,对SPR角度扫描曲线做归一化处理；并且，用第一样品溶液和第二样品溶液的归一化 后的SPR角度扫描曲线，计算出0外场下的所述SPR检测系统的归一化灵敏度； 所述步骤2)中，以线性区域的最大反射光强度和最小反射光强度作为1和0,对外场扫 描得到的反射光强随外场强度变化的曲线做归一化处理； 所述步骤3)中，根据所读出的外场强度，依照步骤1)所得出的相应外场强度的归一化 SPR角度扫描曲线，对所读出的反射光强度进行归一化处理； 所述步骤4)中，基于步骤2)所得出的归一化后的反射光强随外场强度变化的曲线的 线性系数，将当前外场强度下的归一化后的反射光强度转换为〇外场下的归一化等效反射 光强度，再基于步骤1)所得到的〇外场下的所述SPR检测系统的归一化灵敏度，利用该归 一化等效反射光强度计算出待测溶液的折射率或浓度。
5. 根据权利要求1所述的检测方法，其特征在于，所述第一、第二样品溶液是1XPBS、 2XPBS、去离子水、1:200磷酸缓冲液或者甘油溶液。
6. 根据权利要求1所述的检测方法，其特征在于，所述外场为电场、热场、磁场或者声 场，所述外场强度为电压、温度、磁场强度或者声强。
【文档编号】G01N21/552GK104237169SQ201310226200
【公开日】2014年12月24日 申请日期:2013年6月7日 优先权日:2013年6月7日
【发明者】朱劲松, 李少鹏, 周大苏, 宋炉胜 申请人:国家纳米科学中心