专利名称：固定化单层dna探针取向调控和实时监测装置的制作方法
技术领域：
本实用新型属于一种调控和监测的光学装置，具体涉及一种基于电场与表面等离子体子共振(Surface Plasmon Resonance，SPR)传感相结合的固定化单层DNA探针取向调控和实时监测的装置。
背景技术：
在生物传感器、生物芯片、药物释放系统和纳米计算机等领域，固定化单层分子取向的调控对于相关器件的性能有着重要影响。这些固定化单层分子通常由一些线型分子组成，如16-巯基十六烷酸、DNA、双吡啶等等，其取向可以被电场、pH或者机械力可逆地调控。固定在金属、硅片等基底表面的单层DNA探针是多种生物医学器件，如DNA微阵列、生物传感器和仿生离子通道等的基础技术。DNA可以看作是一种聚阴离子，荷负电，因此固定化单层DNA探针很容易被电场驱动而改变取向，远离或者靠近基底表面，且这种取向变化是可逆的。目前用于电场调控的固定化单层DNA探针取向研究方法主要有荧光光谱法和原子力显微镜(Atomic Force Microscopy，AFM)方法，分别采用荧光光谱仪和原子力显微镜进行监测。荧光光谱法中需要对DNA探针进行荧光标记，存在耗时、试剂价格昂贵、光漂白等缺点；原子力显微镜方法需要昂贵的专门设备，并且其针尖直接接触DNA探针，很有可能损伤固定化单层。上述方法对于研究电场调控的固定化单层DNA探针取向而言均不是很理想的。
表面等离子体子共振(Surface Plasmon Resonance，SPR)是一种表面物理光学现象。当p偏振光在玻璃与金属薄膜界面处发生全内反射时，渗透到金属薄膜内的消失波引发金属中的自由电子产生表面等离子体子，当表面等离子体子与消失波的频率相等时，二者将发生共振，界面处的全反射条件将被破坏，呈现衰减全内反射现象，入射光被金属表面电子吸收，使反射光能量急剧下降。当入射光波长固定时，反射光强度是入射角的函数，其中反射光强度最低时所对应的入射角称为共振角；反之，当入射光角度固定时，反射光强度最低时所对应的入射波长称为共振波长。基于这一原理发展起来的表面等离子体子共振传感技术对附着在金属薄膜表面的介质折射率非常敏感，当表面介质的属性改变或者附着量改变时，共振角或共振波长将不同。因此，表面等离子体子共振(SPR)信号(即共振角或共振波长)的变化能够高灵敏地反映与金属膜表面接触的体系的变化。
实用新型内容本实用新型所要解决的技术问题是克服上述现有技术的缺陷，提供一种无需标记的、非接触的、对固定化单层DNA探针无损伤、使用成本低且快速准确的基于电场调控与表面等离子体子共振传感相结合的固定化单层DNA探针取向调控和实时监测装置。
为解决上述技术问题，本实用新型采用下述技术方案。
本实用新型的固定化单层DNA探针取向调控和实时监测装置，其特征在于它包括光源、平行光管、p偏振片、棱镜、棱镜支架、流通池、可调直流电源、光栅光谱仪和计算机，所述光源置于平行光管之前，p偏振片置于平行光管的出射口，固定于棱镜支架中的棱镜位于平行光管之后，光栅光谱仪设置于棱镜的出射光路上，并通过数据线与计算机的接口相连，所述流通池置于棱镜上方，该流通池由金膜和导电玻璃组成，所述金膜由折射率匹配油粘合于棱镜底面上，导电玻璃的玻璃层底面与金膜粘合，导电玻璃的玻璃层底部开设有进样槽，在玻璃层与金膜之间形成进样通道，位于玻璃层顶面的导电玻璃的导电层和金膜分别通过导线与可调直流电源相连。
所述棱镜为等腰直角三棱镜，或等腰梯形棱镜。
所述光源、平行光管和棱镜支架通过可调升降台固定于底座上，光栅光谱仪和计算机安放于底座上。
所述进样槽的深度为0.05～0.15mm。
本实用新型利用电场-表面等离子体子共振传感系统来调控固定化单层DNA探针的取向并实时监测这种取向变化，一方面可以通过电场方便地调控金膜表面固定化单层DNA探针的取向，另一方面可通过表面等离子体子共振传感系统实时地给出固定化单层DNA探针取向变化时的共振波长的变化，即可以通过共振波长的变化实时高灵敏地监测固定化单层DNA探针的取向变化。本实用新型中采用流通池施加电场，由于仅有金膜直接接触溶液，导电玻璃的导电层不接触溶液，没有法拉第电流，避免了外加电场对金膜的SPR光谱的影响，有利于信号的提取，测量准确。本实用新型可以免荧光标记，对固定化单层DNA探针进行不接触、无损伤测量，具有稳定性好、试剂成本低、结构简单、调试方便、测量快速准确和省时等特点。
图1为本实用新型的结构示意主视图；图2为本实用新型的结构示意俯视图；图3为流通池的结构示意主剖视放大图；
图4为流通池的结构示意左视放大图；图5为流通池对裸金膜施加电场时SPR光谱的变化图；图6为金膜表面带不同电荷时金膜表面固定化单层DNA探针的取向示意图；(A)为金膜表面未带电荷时金膜表面固定化单层DNA探针的取向示意图；(B)为金膜表面带正电荷时金膜表面固定化单层DNA探针的取向示意图；(C)为金膜表面带负电荷时金膜表面固定化单层DNA探针的取向示意图；图中各标号表示1、光源 2、平行光管3、p偏振片4、棱镜5、金膜 6、进样通道7、导电玻璃 71、导电层72、玻璃层8、可调直流电源9、棱镜支架 10、光栅光谱仪11、数据线12、计算机13、底座 14、可调升降台15、导线 16、螺钉具体实施方式
如图1～4所示，本实用新型的固定化单层DNA探针取向调控和实时监测装置包括光源1、平行光管2、p偏振片3、棱镜4、棱镜支架9、流通池、可调直流电源8、光栅光谱仪10和计算机12，棱镜4通过螺钉16固定于棱镜支架9中，光源1置于平行光管2之前，p偏振片3粘在平行光管2的出射口，置于棱镜支架9中的棱镜4位于平行光管2之后，光栅光谱仪10设置于棱镜4的出射光路上，并通过数据线11与计算机12的接口相连。光源1、平行光管2和棱镜支架9分别通过可调升降台14固定于底座13上，光栅光谱仪10和计算机12安放于底座13上。流通池置于棱镜4上方，该流通池由金膜5和导电玻璃7组成，金膜5由折射率匹配油如香柏油粘合于棱镜4底面上，本实施例中棱镜4为等腰直角三棱镜，也可为等腰梯形棱镜，金膜5粘合于棱镜4的底面(即本等腰直角三棱镜中与直角相对的面)。导电玻璃7的玻璃层72底面与金膜5粘合，导电玻璃7的玻璃层72底部开设有进样槽73，进样槽73的深度H为0.05～0.15mm，长度等于导电玻璃7的长度，在玻璃层72与金膜5之间形成进样通道6(见图3、4)，位于玻璃层72顶面的导电玻璃7的导电层71与金膜5分别通过导线15与可调直流电源8相连。本实例中光源1采用卤钨灯；光栅光谱仪10由平面光栅、准光系统、电荷耦合器件(CCD)检测器组成，电荷耦合器件(CCD)检测器的光谱响应区间为300～900nm。
本实用新型的工作过程为通过可调升降台14调整本装置的光路，使光源1发出的光束经过平行光管2、p偏振片3后射入等腰直角三棱镜4，与棱镜4上的金膜5发生耦合，反射光入射到光栅光谱仪10，经光栅光谱仪10中的准光系统入射到光栅光谱仪10的平面光栅上，平面光栅将光束分为不同波长的平行单色光投射到光栅光谱仪10的电荷藕荷器件(CCD)检测器上，电荷藕荷器件(CCD)检测器将光信号转换为电信号，经模/数转换后通过数据线11传输到计算机12中得到相应的光谱图。利用共价交联的方法(如巯基偶联、氨基偶联、或生物素-亲和素交联)将荷负电的DNA探针固定于流通池中的金膜5表面，此时固定化单层DNA探针取向是任意的。光源1发出经平行光管2、p偏振片3后入射至棱镜4的光束，与棱镜4底面上的固定有DNA探针的金膜5耦合，经棱镜4底面产生全反射，反射光入射到光栅光谱仪10，光栅光谱仪10将光信号转换为电信号再传输至计算机12中得到相应的光谱图。通过可调直流电源8给流通池施加电压，调节可调直流电源8，改变金膜5的极性和调节金膜5表面的电场强度，通过静电引力和斥力的作用，调控DNA探针的取向；同时通过计算机12中显示的光谱图实时监测DNA探针的取向。下面对照图5、6作进一步说明，利用共价交联的方法使DNA探针固定于本发明装置的金膜5表面，此时固定化单层DNA探针的取向是任意的，如图5A，记录此时的共振波长，以下步骤中得到的共振波长位移均是以该共振波长作为参比而得到的，如图6中A表示共振波长位移值为0；然后通过可调直流电源8调节金膜5与导电玻璃7间的电位差至1.5V。使金膜5与可调直流电源8的正极相连，导电玻璃7的导电层71与可调直流电源8的负极相连，此时金膜5带正电，由于静电引力的作用，可以使DNA探针平躺在金膜5表面，如图5B；通过计算机12观测到共振波长朝长波方向移动，即共振波长位移值大于0(如图6中B所示)，且随着时间共振波长位移值增大，直到达到最大值(如图6中C所示)；然后断开可调直流电源8，共振波长逐渐恢复至最初未加电场时的情况(如图6中D所示)；接着使金膜5与可调直流电源8的负极相连，导电玻璃7的导电层71与可调直流电源8的正极相连，此时金膜5表面带负电荷，由于静电斥力的作用，可以使荷负电荷的DNA探针直立在金膜5表面，如图5C；可观测到共振波长朝短波方向移动，即共振波长位移值小于0(如图6中E所示)，且随着时间共振波长位移值越来越负，直到达到负的最大值(如图6中F所示)；再断开可调直流电源8，共振波长逐渐恢复至最初未加电场时的情况(如图6中G所示)。
权利要求1.一种固定化单层DNA探针取向调控和实时监测装置，其特征在于它包括光源(1)、平行光管(2)、p偏振片(3)、棱镜(4)、棱镜支架(9)、流通池、可调直流电源(8)、光栅光谱仪(10)和计算机(12)，所述光源(1)置于平行光管(2)之前，p偏振片(3)置于平行光管(2)的出射口，固定于棱镜支架(9)中的棱镜(4)位于平行光管(2)之后，光栅光谱仪(10)设置于棱镜(4)的出射光路上，并通过数据线(11)与计算机(12)的接口相连，所述流通池置于棱镜(4)上方，该流通池由金膜(5)和导电玻璃(7)组成，所述金膜(5)由折射率匹配油粘合于棱镜(4)底面上，导电玻璃(7)的玻璃层(72)底面与金膜(5)粘合，导电玻璃(7)的玻璃层(72)底部开设有进样槽，在玻璃层(72)与金膜(5)之间形成进样通道(6)，位于玻璃层(72)顶面的导电玻璃(7)的导电层(71)和金膜(5)分别通过导线(15)与可调直流电源(8)相连。
2.根据权利要求1所述的固定化单层DNA探针取向调控和实时监测装置，其特征在于所述棱镜(4)为等腰直角三棱镜，或等腰梯形棱镜。
3.根据权利要求1或2所述的固定化单层DNA探针取向调控和实时监测装置，其特征在于所述光源(1)、平行光管(2)和棱镜支架(9)通过可调升降台(14)固定于底座(13)上，光栅光谱仪(10)和计算机(12)安放于底座(13)上。
4.根据权利要求3所述的固定化单层DNA探针取向调控和实时监测装置，其特征在于所述进样槽的深度(H)为0.05～0.15mm。
专利摘要一种固定化单层DNA探针取向调控和实时监测装置，包括光源、平行光管、p偏振片、棱镜、流通池、可调直流电源、光栅光谱仪和计算机，光源置于平行光管前，p偏振片置于平行光管出射口，固定于棱镜支架中的棱镜位于平行光管后，光栅光谱仪置于棱镜出射光路上，并通过数据线与计算机接口相连，流通池置于棱镜上方，该流通池由金膜和导电玻璃组成，金膜粘合于棱镜底面上，导电玻璃的玻璃层底面与金膜粘合，玻璃层底部开有进样槽，在玻璃层与金膜之间形成进样通道，位于玻璃层顶面的导电玻璃导电层与金膜分别通过导线与可调直流电源相连。本实用新型具有无需标记、非接触、对固定化单层DNA探针无损伤、结构简单，调试方便、使用成本低且快速准确等特点。
文档编号G01N21/41GK2888447SQ20062004985
公开日2007年4月11日 申请日期2006年1月19日 优先权日2006年1月19日
发明者王柯敏, 羊小海, 王青 申请人:湖南大学