基于平面波导技术的高通量生物、化学、环境检测系统和方法与流程

本申请涉及一种基于平面波导技术的高通量生物、化学、环境检测系统和方法，可以用于生物，医学，化学，环境等技术领域在一次检测中同时并行检测多个待测指标。

背景技术

21世纪是科技快速发展的时代，尤其是化学，生物学，环境科学，医学和电子信息等多个学科的融合将得到蓬勃的发展。传感技术是电子信息学科的重要研究领域，是信息获取的重要手段。而生物，医学，化学，环境等技术领域发展离不开相应检测技术的改进和提高。因此，将传感技术和这些学科的实际联系起来开发新的高效，高通量的检测系统也是目前这些领域的重要工作。

波导技术是基于光学技术上开发的一种新的检测方法，它利用光波在波导内以全反射方式传输时在传感器所处的界面产生消逝波，而这个消逝波可以激发传感器表面连接的探针上的荧光基团或探针捕获的目标分子荧光基团，同时结合产生荧光的变化，实现目标分子的定量检测。由于这个消逝波在传感器的表面的渗入深度只有几十到几百纳米，而溶液本体里面游离的荧光分子对检测结果几乎没有影响，可以减少溶液中杂质对检测结果的影响，因而该方法具有特异性强，灵敏度高，检测速度快等特点，在生物医学，环境检测，化学检测方面有着很强的使用前景。

波导技术平台在发展中有两个方向，第一种是光纤波导检测平台，其特征是使用简单，价格便宜，但其检测通量不高，一次只能检测一个靶标。为克服通量问题，目前已经有几种平面波导检测平台被开发出来用在同步高通量检测方面，即同时检测多个靶标。然而，但这些系统都是基于点光源或线光源开发的，在具体使用过程中为了实现平面区域的成像，必须使用移动部件来实现光源激发光在波导材料内部的扫描，这样就增加了系统的复杂度，成本和同步检测的难度，无法实现低成本和高速检测的要求。同时，平台波导的绝大部分检测平台都是敞开体系，即样品溶液直接添加到传感器的上面，然后同时使用消逝波激发检测。这样做的好处是传感器设计简单，成本低，但使用过程中由于与空气接触，不仅实验结果的准确难以保证，而且检验的相互干扰也很严重。同时，在实际使用中，生物，化学样品溶液是需要做一些预处理或反应后才能使用荧光检测，而处理后再使用波导检测就没有太多必要了。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种基于平面波导技术的高通量生物、化学、环境检测系统和方法，克服现有波导检测平台的技术(光纤和平面波导现有平台)并不能满足于生物，医学，化学，环境等技术领域的高通量，低成本，快速检测的要求。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

本申请实施例公开一种基于平面波导技术的高通量生物、化学、环境检测系统，包括：

平面光波导传感器，包括相对的第一侧和第二侧，位于第一侧的表面固定有探针分子或含荧光基团的底物分子；

线性激发光源，可产生进入到平面光波导传感器的激发光，并在第一侧的表面产生消逝波；

芯片容器，与所述第一侧的表面之间围成一密封的待测溶液腔体；

成像检测装置，设置于平面光波导传感器的第二侧。

优选的，在上述的基于平面波导技术的高通量生物、化学、环境检测系统中，所述成像检测装置和芯片容器分别设置于平面光波导传感器的上下两侧。

优选的，在上述的基于平面波导技术的高通量生物、化学、环境检测系统中，还包括设置于线性激发光源和平面光波导传感器之间的光学挡板，光学挡板上开设有狭缝。

优选的，在上述的基于平面波导技术的高通量生物、化学、环境检测系统中，所述狭缝尺寸满足：在第一侧的表面产生消逝波能够覆盖探针分子或含荧光基团的底物分子的所有区域。

优选的，在上述的基于平面波导技术的高通量生物、化学、环境检测系统中，还包括控制芯片容器温度的加热装置。

优选的，在上述的基于平面波导技术的高通量生物、化学、环境检测系统中，所述探针分子或含荧光基团的底物分子通过化学键、范德华力、氢键或疏水作用固定于平面光波导传感器的第一侧表面。

优选的，在上述的基于平面波导技术的高通量生物、化学、环境检测系统中，平面光波导传感器的表面固定有针对不同待测核酸序列的多种核酸探针。

优选的，在上述的基于平面波导技术的高通量生物、化学、环境检测系统中，平面光波导传感器的表面固定有待测目标生物、化学分子(组)；

或能与待测分子(组)有效竞争结合溶液中抗体或核酸适体的分子(组)；

或是直接和待测分子结合的抗体或核酸适体分子；

或是能够被待测分子降解或切割而失去荧光标记的底物分子。

优选的，在上述的基于平面波导技术的高通量生物、化学、环境检测系统中，成像检测装置为pmt、ccd相机或cmos相机。

相应的，本申请还公开了一种检测方法，包括：

待测溶液腔体内装有含有待测样品的反应溶液；

启动线性激发光源，在平面光波导传感器第一侧的表面产生消逝波；

反应溶液和待测样品发生的化学或生物反应在消逝波的区间内产生荧光的变化；

采集含荧光信号的图像，判断待测样品的浓度信息。

与现有技术相比，本发明的优点在于：

1、样品溶液内可以完成各种生物，化学反应，并产生荧光强度的变化供检测。

2、激发光源是线性区域光源，可以不用采用机械运动部件进行扫描，更加稳定可靠。

3、传感器表面可以固定多种探针或底物分子，溶液中的物质可以和表面的多种分子产生作用，并分别在特定探针区域产生荧光变化，这样就完成了多种指标的并行高通量检测。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1所示为本发明具体实施例中检测系统的结构示意图。

图2所示为本发明具体实施例中平面光波导传感器的工作原理示意图；

图3所示为本发明应用实施例1中探针的排布示意图。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

结合图1所示，本申请实施例提供一种基于平面波导技术的高通量生物、化学、环境检测系统，包括线性激发光源101、芯片容器107、平面光波导传感器109和成像检测装置111。

结合图2所示，平面光波导传感器109采用光密介质，包括玻璃、石英、高分子材料等，平面光波导传感器109包括相对的第一侧1091和第二侧1092，位于第一侧1091的表面固定有探针分子或含荧光基团的底物分子112(如图3)。

线性激发光源101采用激光或led光源。线性激发光源101可产生进入到平面光波导传感器109的激发光，并在第一侧1092的表面产生消逝波。

芯片容器107与第一侧的表面之间围成一密封的待测溶液腔体1071。

在优选的实施例中，平面光波导传感器水平遮盖于芯片容器107的顶端。

成像检测装置111为pmt、ccd相机或cmos相机，设置于平面光波导传感器109的第二侧。通过成像检测装置111可以获取平面光波导传感器的图像，通过图像中荧光信号可以得到待测物质或被扩增或待测物质导致的反应的浓度信息。

在一实施例中，成像检测装置111的前端还设置有透镜组110，该透镜组110包括光学滤光片，通过光学滤光片用来过滤到激发光的干扰

在一实施例中，还包括设置于线性激发光源101前端的透镜或透镜组102。

在一实施例中，还包括设置设置于线性激发光源101和平面光波导传感器109之间的光学挡板103，光学挡板103上开设有狭缝104。

挡板上的狭缝，用来产生特定长宽度(比如长方形)的线性透光。

在一实施例中，还包括底座106，芯片容器107和光学挡板103支撑于底座106上。

进一步地，底座106支撑于样品平台105上，样品平台105上可设置有控制芯片容器温度的加热装置。

在一实施例中，样品平台105还可以实现一轴或多轴移动。

操作时，首先在平面光波导传感器109的第一侧表面(优选为下表面)固定探针分子或是含荧光集团的底物分子112，其固定方法可以是化学键，范德华力，氢键，疏水作用等多种方式。

然后平面光波导传感器109和芯片容器107组成一个封闭的检测芯片，用来容纳含有待测样品的反应溶液108。

接着，将载有反应溶液的芯片容器107放入样品平台105上，启动温度控制程序，通过时间温度控制在检测芯片内反应溶液和待测样品发生化学或生物反应，包括但不限于：

(1)、核酸(dna或rna)的扩增，切割，修饰反应；

(2)、核酸和探针之间的杂交结合；

(3)、抗体抗原之间的免疫作用；

(4)、核酸适体和底物之间的相互作用；

(5)、芯片下表面固定的探针，待测物质，和同一个含荧光标记的抗体之间的间接竞争免疫反应；

(6)、待测物质直接或间接对固定在芯片下表面的含荧光底物的切割反应。

而这些反应会在平面光波导传感器109下表面消逝波的区间内产生荧光的变化。而不在消逝波区域内的目标分子没有被激发光激发则不产生荧光。

接下来，在反应的适当时机，或是反应结束后，打开线性激发光源101，让激发光通过狭缝从侧面以产生消逝波的临界角照射到平面光波导传感器109的测边，狭缝的大小设计以入射光进入波导材料后产生在底面全反射(消逝波)能够覆盖波导材料下表面存在探针的所有区域。

线性激发光源101打开的同时，在平面光波导传感器109下表面存在探针的所有区域会有激发光的消逝波，会激发该区域内荧光分子发光，而溶液本体内荧光分子不会发光产生干扰。这时，打开成像检测装置111，从上往下采集平面光波导传感器109上表面的图像，在图像中包含了探针或荧光底物区域的荧光信号。从该图像中结合原探针位置可以得到待测物质或被扩增或待测物质导致的反应的浓度信息。

最后按照时限设定的温度-时间-数据采集参数，我们可以获得若干张波导材料的荧光图片，对这些图片进行分析，我们就可以最终判断所测物质的浓度及其他信息(分析方法和判断方法现有技术已经成熟，本实施例不再赘述)。

综上所述，该检测系统是低成本和可靠的，具有方便的控制，快速的读取和高的灵敏度，而且可以用于多种检测场景中。检测系统还包括温度控制，采样同步及数据处理贮存部件。

应用实施例1-生物学检测(以核酸检测为例)

性传播疾病(std)---由性传播细菌通过性行为传播，引起生殖泌尿道，甚至整个系统感染的疾病称为性传播疾病，国内俗称性病。常见性传播疾病有好多种，其中最重要的是淋病，梅毒，解脲支原体，沙眼衣原体，肉芽肿荚膜杆菌等几种，在临床检验中需要分清病人所感染性病病原体的种类和严重程度，但常见培养或pcr方法无法满足高通量检测的要求。

结合图3所示，在本实施例中完成std的多重检测可以概述为以下过程：

1、设计一对cy5荧光标记的通用引物来同时扩增样品中的不同种类病原体的dna，并针对不同不同病原体设计各自独特的探针做杂交。

2、采集病患生殖器脓肿或渗出液，局部淋巴结抽出物，使用核酸提取设备提取样本中的核酸，并加入芯片容器107中，补充完引物(pcr引物为dna片段，细胞内dna复制的引物为一段rna链)、酶、dntp和缓冲液，放入高通量生物、化学、环境检测系统。

3、控制波导芯片的温度变化，完成经典聚合酶链式反应pcr循环温度变化，每一循环经过变性、退火和延伸。

并在pcr反应的循环的延伸步骤的最后打开线性激发光源101，按照消逝波的临界角照射平面光波导传感器109的侧面，在平面光波导传感器109下表面产生激发光的消逝波。此时平面光波导传感器109下表面的探针可以捕获(杂交反应)pcr扩增出的含荧光基团样品核酸拷贝，这些捕获的核酸拷贝被平面光波导传感器109下的消逝波诱导产生荧光，并被成像检测装置111收集。

4、分析收集到的荧光信号，判断探针对应的目标分子是否存在，强度多少。

5重复pcr和信号采集的循环35-40次，对单个探针对应的目标分子荧光强度和循环数作图，根据实时定量pcr的ct判断方法确定对应的循环数，算出对应目标分子的起始浓度。

6、分析探针1-7对应的性传播疾病病原体在临床样本中的浓度，出检测报告。

由此可知，使用本发明的高通量生物、化学、环境检测系统，可以并行测试样品中目标核酸分子的浓度，在生物医学方面有很强的应用前景。

应用实施例2-间接竞争免疫检测(以检测黄曲霉素为例)

我们需要选择一个间接竞争免疫模型，即使用荧光标记的黄曲霉素抗体(或核酸适体)作为检测试剂，在平面光波导传感器109的下表面固定被检测物种分子(在此为黄曲霉素分子)，该荧光标记的抗体(或核酸适体)可与被检测样品中黄曲霉素以及固定在平面光波导传感器109下表面的黄曲霉素产生竞争性结合，即溶液中黄曲霉素多了，和平面光波导传感器109下表面固定化的黄曲霉素分子结合的抗体就会变少，表现出来就是荧光强度变小。

接下来，将待测样品加入芯片容器107，启动控温程序，反应到一定程度打开激发光源，在平面光波导传感器109下表面产生消逝波，消逝波激发该区域内被捕获的黄曲霉素抗体产生荧光。这时，打开成像检测装置111，获得检测图片，在图片中分析探针区域的荧光强度，可以由此分析出样品中待测黄曲霉素的浓度。如果我们同时在平面光波导传感器109下表面固定其他霉素的分子，溶液中添加其他霉素的抗体(荧光标记)，我们就可以同时检测待测样品中多种霉素的浓度，完成高通量检测。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。