基于纳米表面等离子共振传感器的生物分析传感装置的制作方法

本发明属于生化分析检测技术领域，具体而言，涉及一种用于分析生物分子的基于纳米表面等离子共振传感器的生物分析传感装置。

背景技术：

随着现代生物医学的发展，高通量及高灵敏度的检测技术在生物分析中发挥着极其重要的作用。作为高灵敏度检测的表面等离子分析技术，广泛被使用在多种生化检测技术领域，其已成为生物传感器应用和研究领域的热点，用于分析生物分子如蛋白质与蛋白质、蛋白质与药物、蛋白质与核酸、核酸与核酸等之间的相互作用，以此进行药物筛选、病毒检测、抗体定性、免疫识别等分析中。基于表面等离子体共振技术的光电生物传感器具有其它检测技术所无法比拟的优点，如无需对分子进行标记、能实时检测生物分子结合反应的全过程等，其发展非常迅速，已经成为一种十分重要的检测生物分子间相互作用的方法。表面等离子共振是一种光学物理现象，入射光在一定条件下与金属界面的电子耦合引发共振，即表面等离子共振，此共振对金属表面附近的介质变化而引致光信号角度或者强度的变化极为敏感，因此，可以利用这一特性，来检测金属表面的生物分子、化合物或者金属离子的介质特性；分析生物分子、化合物或者金属离子的在界面的相互作用，得到相应成分的浓度、相互作用的速率、结合及解离的比例等参数，提供了一种免标记的实时检测生物分子间相互作用的技术手段。表面等离子共振传感器是基于表面等离子共振吸收的基础上研制而成的一种装置，其原理主要是等离子体共振频率(或共振角度)会因金属薄膜相邻介质的折射率的变化而改变，从而引起消光光谱的移动。当吸附分子的折射率与周围环境的折射率存在差异时，吸附于基底表面的生物分子与目标分子的反应会改变基底表面的折射率，从而引起共振峰的移动，实现目标物质的检测。

现有的表面等离子体共振分析普遍建立在全反射模式上，利用衰减全反射棱镜藕合方法，实现激光激发表面等离子波，通过检测全反射角度的变化获取生化反应的信息。由于采用棱镜、激光以及角度探测方式，需使用精密的光学仪器，占据空间大，难于小型化及实现多点检测。纳米表面等离子体传感器是基于局域表面等离子体共振的原理，通过入射光与金属纳米结构的共振耦合，利用局域表面等离子体共振的波长对于纳米结构周围介电环境的敏感性，实现对生化反应的检测。因此，纳米表面等离子体传感器的共振分析无需使用传统表面等离子体共振技术那样的复杂光学系统。但是，纳米表面等离子传感器主要使用电子束曝光及刻蚀技术直接制造的金属纳米结构，局限于低的耦合效率、复杂的纳米结构及其制造方法，非常难于实现大规模的高通量和高灵敏度的生化检测。而且现有纳米表面等离子体技术中的纳米结构棱角尖锐，导致其信号差，重复性差，制造昂贵。

技术实现要素：

本发明的目的在于解决以上现有技术中存在的技术问题，提供一种建立在透射光模式下的高通量和高灵敏度的基于纳米表面等离子共振传感器的生物分析传感装置。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

一种基于纳米表面等离子共振传感器的生物分析传感装置，其特征在于，包括纳米表面等离子共振传感器集成板和反应池集成板；所述纳米表面等离子共振传感器集成板包括基底和纳米表面等离子共振传感器，所述基底上设有纳米表面等离子共振传感器，所述反应池集成板上设有反应池，所述纳米表面等离子共振传感器集成板采用透光材料制成；所述纳米表面等离子共振传感器与反应池的位置相对。

进一步的改进是，所述纳米表面等离子共振传感器包括纳米结构金属薄膜和纳米结构单元；所述纳米结构金属薄膜、纳米结构单元、基底依次连接；所述纳米结构金属薄膜与反应池的位置相对。

进一步的改进是，所述纳米表面等离子共振传感器的数量为一个以上；所述反应池集成板为第一反应池集成板，所述第一反应池集成板包括腔室、一个以上的第一反应池；所述腔室的两端分别设有液体入口和液体出口；所述液体入口、第一反应池、液体出口相连通；所述纳米表面等离子共振传感器的纳米结构金属薄膜与第一反应池的位置相对，所有的所述第一反应池设于腔室内，所有的所述第一反应池为一端开口结构。

进一步的改进是，所述纳米表面等离子共振传感器的数量为一个以上；所述反应池集成板为第二反应池集成板；所述第二反应池集成板包括一个以上互不连通的第二反应池，所有的所述第二反应池为两端开口结构；所述纳米表面等离子共振传感器的纳米结构金属薄膜与第二反应池的位置相对。

进一步的改进是，所述纳米结构单元的高度为30-200nm，周期为200-800nm。

进一步的改进是，所述纳米结构金属薄膜的厚度为20-200nm。

进一步的改进是，所述纳米结构单元的形状为栅状、孔状或柱状。

进一步的改进是，所述基底的厚度为0.5-2mm。

本发明相对于现有技术的有益效果是：

1、本发明的基于纳米表面等离子共振传感器的生物分析传感装置在进行检测时，通过纳米结构的金属纳米薄膜实现表面等离子共振的耦合，纳米结构单元可以选择性的与特定波长的光信号进行耦合，无需使用棱镜和激光，而是使用白色或宽带的入射光从固定角度入射，与设置于反应池中的纳米金属薄膜发生共振，反应池内的生物或化学反应会引起相应的纳米结构等离子共振的光信号的变化，从而通过光谱探测器探测出射光束或者反射光束的光谱，以此进行免标记的生物或化学反应的等离子共振检测。本发明所提供的基于纳米表面等离子共振传感器的生物分析传感装置，通过设置于基底上的纳米表面等离子共振传感器与入射光相互作用产生共振，并根据反应池中的生物或化学反应而引起相应的光信号，产生能够被光谱探测器探测的光谱。通过多阵列纳米表面等离子共振传感器和反应池的结构，能为一种或多种待测检体提供多次及多样化的定量分析。从而实现生化反应免标记的高灵敏度的高通量检测。

2、本发明的基于纳米表面等离子共振传感器的生物分析传感装置采用透明材料制成的纳米表面等离子共振传感器集成板和反应池集成板，通过两者的配合使用，采用检测反应物反应后导致的透射光强度的变化来实现检测的目的，避免了现有的检测方法采用棱镜、激光以及角度探测方式，需使用精密的光学仪器，占据空间大，难于小型化及实现多点检测的缺点。3、本发明的基于纳米表面等离子共振传感器的生物分析传感装置通过设置两种反应池集成板即第一反应池集成板和第二反应池集成板，提供两种面向不同的检测目的的检测方法，从而使本发明的应用范围更加广泛，使得对生化反应的检测更加的多样化。

附图说明

图1A 本发明实施例1的整体结构示意图。

图1B 图1A的组合状态示意图。

图1C 图1A的纵截面示意图。

图2A 本发明实施例2的整体结构示意图。

图2B 图2A的组合状态示意图。

图2C 图2A的纵截面示意图。

图3A 本发明的第一纳米结构单元示意图。

图3B 本发明的第二纳米结构单元示意图。

图4 本发明检测原理示意图。

其中，附图中相应的附图标记为，纳米表面等离子共振传感器集成板100，第一反应池集成板110，纳米表面等离子共振传感器120，第一反应池130，液体通道140，基底150，液体入口160，液体出口170，纳米结构金属薄膜180，第二反应池集成板210，第二反应池220，第一纳米结构单元310，第二纳米结构单元320，传感装置400，光源410，光信号接收探头420，光谱仪检测单元430。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明的技术方案进行如下详细说明，以使所属领域的技术人员在阅读了本发明说明书的基础上能够实现本发明的技术方案，解决现有技术中存在的技术问题，达到相应的技术效果；应当说明的是，以下仅是本发明优选的实施方式，在不脱离本发明创造构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都应当属于本发明的保护范围。

实施例1

如图1A、图1B、图1C所示的，一种基于纳米表面等离子共振传感器的生物分析传感装置，包括纳米表面等离子共振传感器集成板100和反应池集成板；所述纳米表面等离子共振传感器集成板100包括基底150和纳米表面等离子共振传感器120，所述基底150上设有纳米表面等离子共振传感器120，所述反应池集成板上设有反应池，所述纳米表面等离子共振传感器集成板100采用透光材料制成；所述纳米表面等离子共振传感器120与反应池的位置相对。

如图1A所示，纳米表面等离子共振传感器集成板100和反应池集成板相互配合使用，实现将反应物进行生化反应后变化的光信号在光谱分析仪中进行检测分析；本发明的基于纳米表面等离子共振传感器的生物分析传感装置包括纳米表面等离子共振传感器集成板100和反应池集成板，如图1B所示，所述纳米表面等离子共振传感器集成板100的基底150上设有多行多列的一个以上的纳米表面等离子共振传感器120，所述反应池集成板上设有一个以上的反应池；所述纳米表面等离子共振传感器集成板100采用透光材料制成；优选地，所述纳米表面等离子共振传感器集成板100可选用玻璃、石英或者环烯烃类共聚物塑料等医疗级别的透明材料制成；所述反应池集成板可采用透明材料制成，也可采用其它对光吸收不强的材料制成，优选地，所述反应池集成板采用透明材料制成。

进一步的改进是，所述纳米表面等离子共振传感器120包括纳米结构金属薄膜180和纳米结构单元；所述纳米结构金属薄膜180、纳米结构单元、基底150依次连接；所述纳米结构金属薄膜180与反应池的位置相对。

结合图3A、图3B和图1A所示，每个纳米表面等离子共振传感器120包括纳米结构单元和纳米结构金属薄膜180；所述纳米结构单元设在基底150上，纳米结构单元的上方镀膜形成纳米结构金属薄膜180，检测时纳米结构金属薄膜180与反应池的位置相对，在反应池底部的正下方；优选地，纳米结构金属薄膜180可以选用金、银或合金等材料制成。优选地，基底150选用玻璃、石英或者环烯烃类共聚物塑料等医疗级别的透明材料制成。

进一步的，所述纳米表面等离子共振传感器120的数量为一个以上；所述反应池集成板为第一反应池集成板110，所述第一反应池集成板110包括腔室、一个以上的第一反应池130；所述腔室的两端分别设有液体入口160和液体出口170；所述液体入口160、第一反应池130、液体出口170相连通；所述纳米表面等离子共振传感器120的纳米结构金属薄膜180与第一反应池130的位置相对，所有的所述第一反应池130设于腔室内，所有的所述第一反应池130为一端开口结构。

如图1A、图1B和图1C所示，所述反应池集成板为第一反应池集成板110，其截面图如图1C所示，所述第一反应池集成板110的液体入口160和液体出口170分别在第一反应池集成板110的左端和右端，如图1B所示，第一反应池集成板110上设有多行多列均匀分布的第一反应池130，优选地，如图1B所示，一个以上的第一反应池130 相互连通；液体入口160和液体出口170通过液体通道140与一个以上的第一反应池130相连通；当使用时，反应物可预先置于每个第一反应池130内，与之反应的液体从液体入口160通过液体通道140进入各个第一反应池130中与反应物进行反应；反应过程中或者完成后进行检测，液体经过液体通道140从液体出口170流出。

进一步的，所述纳米结构单元的高度为30-200nm，周期为200-800nm。

纳米结构金属薄膜通过镀膜工艺设置在均匀分布的纳米结构单元上形成纳米结构金属薄膜180。本领域中，周期是指等距排列的单个纳米结构单元的凸部间的固定距离。

优选地，使用白色光源时，纳米结构单元的高度为100nm，以保证其具有高效的表面等离子共振耦合；优选地，纳米结构的分布周期为600nm，以保证与表面等离子体共振耦合的光的波长具有足够高的信号强度，并适用于普遍使用的200-1100nm检测范围的光谱仪。

纳米结构单元里的纳米结构呈周期分布，其周期决定了共振分析时的光谱的敏感波长。周期选择在普遍使用的光谱仪的测量范围内。纳米结构单元的高度通过周期决定，短周期的纳米结构单元可采用低的高度来提高制造的重复性及降低制造的复杂度，长周期的纳米结构则需增加高度已获得有效的光耦合效率。随着周期值的增加，结构单元的高度需相应的增加。例如，为获得足够有效的共振耦合效率，周期200nm的纳米结构的高度可为30nm，周期800nm的纳米结构则需增加高度到100nm。对于不同周期的纳米结构，选择相应的高度，这样可以在兼顾光耦合效率的前提下提高纳米结构的制造重复性及降低制造的复杂度。

进一步的，所述纳米结构金属薄膜180的厚度为20-200nm。

进一步的，在透射光检测模式下，纳米结构金属薄膜180的厚度可选自20-100nm范围内；在反射光检测模式下，纳米结构金属薄膜180的厚度可选自50-200nm范围内。

纳米结构金属薄膜180的厚度选择取决于使用的金属种类、纳米结构的周期及检测的模式，例如，在投射光检测模式下，金或者银的薄膜厚度为20nm可以获得相应的光耦合共振，优化的，600nm的纳米结构周期、50nm厚度的金属膜则可获得高的光耦合共振及信噪比；而在反射光检测模式下，200nm金属薄膜可以有效的降低透射率，提高检测的反射光强度。

进一步的，所述纳米结构单元的形状为栅状、孔状或柱状。

所述纳米结构单元可以是如图3A所示的呈栅状分布的第一纳米结构单元310，也可以是如图3B所示的呈柱状的第二纳米结构单元320，或者为孔状的第三纳米结构单元。

进一步的，对第一纳米结构单元310或第二纳米结构单元320或第三纳米结构单元的表面进行平滑处理，提高表面的平滑度并削弱边角的尖锐度，以增强表面等离子体共振耦合的光信号敏感度，从而提高在检测时的精确度。

栅状、孔状或柱状周期分布的纳米结构均可使用非偏振光或者偏振光作为检测的光源。在使用平面偏振光作为检测光源时，栅状纳米结构的周期分布方向与光波中的电振动矢量需一致以获得有效的光耦合效率。

进一步的，所述基底150的厚度为0.5-2mm。

纳米表面等离子共振传感器120的基底150的厚度为0.5-2mm，以此保证基底150的结构强度，同时具有良好的透光性。

其检测原理如图4所示，光源 410为白色或宽带光源，其波长范围可覆盖400-1000nm；光谱分析仪的探测范围可为普遍使用的200-1100nm范围。检测时，光源410出射的光透过本发明的传感装置400的纳米表面等离子共振传感器120和反应池，反应池中的纳米金属薄膜附近的生化反应引致表面等离子共振光信号的变化，光信号接收探头420接收到光信号，通过光谱仪检测单元430检测此光谱信号，并分析信号的共振波波长的偏移，以此定量的检测生化反应。优选地，入射光垂直于所述纳米表面等离子共振传感器120。在分析中，将多行多列的各个反应池移动至检测位置进行检测，或者将光信号接收探头420和光源410同时沿着横向或纵向移动到各个反应池位置，以达到对多阵列样品的分时高通量检测。

检测时，可以提供静态和动态多阵列的两种检测模式。

所述静态检测模式下，首先检测待测样品注入前的光谱信号，确定表面等离子共振的波长，等注入待测样品后，再检测表面等离子共振的波长的变化。在待测样品的液态条件下检测，基准的表面等离子共振信号可通过检测无待测样品的相同液态载体获得。所述动态检测模式下，多阵列纳米表面等离子传感器芯片的每个检测单元可以分时定点进行检测，在同样的时间间隔内，获取当前的表面等离子共振的波长信号，通过记录波长信号随时间的变化，提供生化反应的参数。每个检测单元的动态检测的时间间隔由检测的时间和检测的单元决定。

实施例2

本实施例与实施例1的区别在于，如图2A、图2B和图2C所示，所述纳米表面等离子共振传感器120的数量为一个以上；所述反应池集成板为第二反应池集成板210；所述第二反应池集成板210包括一个以上互不连通的第二反应池220，所有的所述第二反应池220为两端开口结构；所述纳米表面等离子共振传感器120的纳米结构金属薄膜180与第二反应池220的位置相对。

如图2A所示，所述反应池集成板为第二反应池集成板210，第二反应池集成板210包括一个以上的第二反应池220，第二反应池220为两端开口的圆柱形，每个第二反应池220不相互连通，每个纳米表面等离子共振传感器120的纳米结构金属薄膜180在每个第二反应池220底部的下方。当纳米表面等离子共振传感器集成板100和第二反应池集成板210组合成一体使用时，每个第二反应池220的底部边缘与每个纳米表面等离子共振传感器120的边缘部分密封连接。检测时，在每个第二反应池220中单独放入反应物通过如实施例1所示的图4的检测方式进行检测。其它的技术特征与实施例1相同。

根据本发明说明书的记载即可较好的实现本发明的技术方案。