一种基于纳米阵列结构的生物大分子检测方法及装置

1.本发明属于生物检测技术领域，具体为一种基于纳米阵列结构的生物大分子 检测方法及装置。


背景技术：

2.生物大分子包括多个种类的分子结构，包括核酸、蛋白质以及病毒等。生物 大分子的鉴定对于dna研究、传染性动植物致病菌、药物开发等医药学、生物 学领域具有重要意义。如果生物大分子的数量微弱，即生物大分子呈现低浓度状 态，则难以被直接检测到。
3.为了解决生物大分子在低浓度状态下，难以被检测到的问题，研究人员中采 用了多种解决方案。常见的方案有分离培养方法、免疫学方法、基于探针标记方 法(荧光，pcr，胶体金)，高分辨率显微镜成像方法(tem，可实现单分子探 测)
……
。其中分离培养的方法，虽然简单，但是检测时间漫长，并且检测精确 度低，无法满足大范围快速检测的要求；免疫学方法需要多个步骤的洗涤，检测 方法耗时耗力；作为最常见的探针标记的方法包括聚合酶链反应、滚圈扩增、链 位移扩增以及杂交链式反应等多个反应过程，其中的链位移扩增以及杂交链式反 应成本高且耗时长，无法大规模应用。目前的方案虽然各有改进点，但是大部分 方案都存在检测时间过长，无法快速获取检测结果的问题。


技术实现要素：

4.本发明的目的在于提供了一种基于纳米阵列结构的生物大分子检测方法，以 来解决低浓度状态下生物大分子难以被快速检测到的问题。
5.实现本发明目的的技术方案为：一种基于纳米阵列结构的生物大分子检测方 法，其特征在于，包括：
6.获取纳米阵列基片上待检测生物大分子与阵列结合后对应的散射原图；
7.根据所述散射原图中每个像素点的光强变化信息，绘制初始偏振参数图谱；
8.对所述初始偏振参数图谱进行降噪处理，获取待对比的偏振参数图谱；
9.将所述待对比的偏振参数图谱与预设数据库中的偏振参数图谱进行对比，获 取与所述待对比的偏振参数图谱一致的目标偏振参数图谱，根据对照关系就可以 确定是否结合生物大分子，以及每一处纳米阵列对应的生物大分子数量；所述预 设数据库包括生物大分子的数量以及结合位置和偏振参数图谱的对照关系；；
10.根据所述目标偏振参数图谱、生物大分子的数量以及结合位置和偏振参数图 谱的对照关系，确定位点是否结合生物大分子，以及每一处纳米阵列对应的生物 大分子数量；
11.根据所述纳米基片上所有纳米阵列对应的目标偏振参数图谱对应的生物大 分子的数量，确定待检测生物大分子的数量。
12.本发明还提出了一种基于纳米阵列结构的生物大分子检测装置，包括：
13.获取模块，用于获取纳米阵列基片上每一纳米阵列结合的待检测生物大分子 对
应的散射原图；所述纳米阵列基片为表面具有周期性结构的特异性抗体的纳米 检测基板；所述特异性抗体为针对所述待检测生物大分子的抗体；
14.处理模块，用于根据所述散射原图中每个像素点的光强变化信息，绘制初始 偏振参数图谱；所述初始偏振参数图谱包括光子态的振幅以及光子态的相位；
15.降噪模块，用于对所述初始偏振参数图谱进行降噪处理，获取待对比的偏振 参数图谱；
16.所述处理模块，还用于将所述待对比的偏振参数图谱与预设数据库中的偏振 参数图谱进行对比，获取与所述待对比的偏振参数图谱一致的目标偏振参数图谱； 所述预设数据库包括生物大分子的数量以及结合位置和偏振参数图谱的对照关 系；所述结合位置为生物大分子和所述纳米阵列的结合位置；以及根据所述目标 偏振参数图谱、生物大分子的数量以及结合位置和偏振参数图谱的对照关系，确 定所述每一处纳米阵列对应的生物大分子数量；以及根据所述纳米基片上所有纳 米阵列对应的目标偏振参数图谱对应的生物大分子的数量，确定物大分子的数量。
17.本发明与现有技术相比，其显著优点为：本发明利用纳米阵列与生物大分子 结合后散射原图周期性被破坏的特殊性质，获取在本技术提供的特制的纳米基板 上的待检测生物大分子对应的散射原图，并对散射原图进行分析，通过预设的数 据库，直接得到纳米基板上每点结合的生物大分子的数量，利用光学性质，直接 并且快速判断待检测的生物大分子是否存在及其位置，检测方法避免了繁琐的物 化反应，检测速率高，精确度高。
附图说明
18.图1为本技术实施例提供的一种制备待检测样品的示意图；
19.图2为本技术实施例提供的一种基于纳米结构阵列的生物大分子检测方法 的流程示意图；
20.图3为本技术实施例提供的一种设备结构示意图；
21.图4为为本技术实施例提供的一种纳米阵列与生物大分子结合后的散射原 图；
22.图5为本技术实施例提供的一种纳米阵列与生物大分子结合后fdtd模拟 散射图；
23.图6为本技术实施例提供的一种纳米阵列与生物大分子结合后对应的偏振 参数图谱；
24.图7为本技术实施例提供的一种基于纳米颗粒的生物大分子检测装置的结 构示意图。
具体实施方式
25.为使本技术的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本技术施 方式作进一步地详细描述。
26.在本技术提供的方法利用偏振成像系统成像于使用计算机进行数据处理之 前，首先需要获取可能带有待检测生物大分子的待检测样品。
27.本技术实施例提供的一种方法为，将待检测液体滴于纳米阵列基片上，烘干 纳米基片。
28.如图1所示，为本技术实施例提供的一种制备待检测样品的示意图。图中包 括待
检测生物大分子提取装置103、待检测生物大分子液体102以及纳米基片101。 其中，纳米基片101上包括多个阵列纳米结构1011。待检测生物大分子液体102 可能包含待检测生物大分子，即本技术实施例的检测对象。
29.本技术实施例提供的纳米金盘阵列基片101，纳米基片为附着有特异性抗体 的纳米金盘阵列的检测基板；特异性抗体为针对待检测生物大分子的抗体。
30.本技术实施例不对纳米金盘进行特殊限定，即在实验中常用的纳米金盘、纳 米银盘等，均可作为本技术实施例中的纳米结构。
31.需要说明的是，本技术实施例提供的纳米基片101可以采用制备方法为，在 基片上蚀刻形成纳米结构阵列。
32.需要说明的是，纳米阵列基片表面的任意两个纳米金盘之间的距离大于或等 于预设距离，本技术实施例中，一种可行的预设距离为1μm，待检测的生物大 分子偶联在纳米阵列上。
33.本技术实施例提供的方法基于的原理为，当生物大分子与纳米结构阵列结合 后，会破坏散射原图的周期性结构，获得了信号的增强。单纯的纳米结构阵列对 应的散射原图呈现为周期性结构，而当纳米基片与生物大分子结合之后，散射原 图的周期性状态便被破坏，通过观测散射原图，即可快速判断纳米结构基片是否 与生物大分子结合且可以快速确定生物大分子的位置，进而可以获知待检测生物 大分子液体是否存在待检测的生物大分子。
34.下面开始阐述本技术实施例提供的对数据处理的步骤。
35.如图2所示，为本技术实施例提供的一种基于纳米结构则阵列的生物大分子 检测方法的流程示意图。
36.本技术实施例提供的方法包括以下步骤：
37.步骤s201，获取纳米基片上纳米结构阵列结合的待检测生物大分子对应的 散射原图。
38.步骤s202，根据散射原图中每个像素点的光强变化信息，绘制初始偏振参 数图谱。
39.初始偏振参数图谱包括光子态的振幅以及光子态的相位。
40.如图3所示，为本技术实施例提供的一种设备结构示意图。其中，图3中， 包括光源01、偏振调节模块02、分束镜03、物镜04、待检测样品05、检偏模 块06、成像元件07以及计算机08。光源01通过偏振调节模块02，经过分束器 03与物镜04对待检测样品05进行照明，反射的散射光场经过物镜04检偏模块 06后在成像元件07上成像，通过旋转起偏器，获得像面各点在不同偏振角度下 的散射信息，获取初始偏振参数图谱。
41.步骤s203，对初始偏振参数图谱进行降噪处理，获取待对比的偏振参数图 谱。
42.具体的，本技术实施例中，将初始偏振参数图谱输入预先设定好参数的降噪 神经网络模型中，进行降噪处理，获取待对比的偏振参数图谱。由于阵列结构的 散射偏振图谱有强烈的周期性，在处理的过程中可以更加简便，节省大量时间。
43.本技术实施例中，降噪神经网络模型为u型生成网络。
44.u型生成网络，由左侧的下采样路径、右侧的上采样路径和中间的两个桥接 路径组成，用于结合下采样路径和上采样路径。下采样路径由两个3
×
3卷积的五 个重复阶段组
成。在下采样路径的每一级中，通过第一次卷积增加特征通道的数 目(第一级从16个通道增加到8个通道，其余各级增加一倍通道)。通过对下采 样路径进行卷积，提取特征映射，得到桥接路径。上采样路径由上采样的五个重 复阶段组成，上采样通过跳转结合和两个3
×
3卷积与下采样路径上相应的特征图 结合。上采样路径的每一级的最后一次卷积减少了特征通道的数目(最后一级从 8个通道减少到1个通道，其余各级将通道减半)。为了提高训练速度和非线性 能力，降噪神经网络中的所有卷积都紧跟着一个批归一化和一个线性整流函数。
45.步骤s204，将待对比的偏振参数图谱与预设数据库中的偏振参数图谱进行 对比，获取与待对比的偏振参数图谱一致的目标偏振参数图谱。
46.预设数据库包括生物大分子的数量以及结合位置和偏振参数图谱的对照关 系。结合位置为生物大分子和纳米结构阵列的结合位置。
47.本技术实施例中，预设数据库利用时域有限差分(finite difference timedomain，fdtd)的方法建立。
48.具体的，预设数据库中生物大分子的数量以及结合位置和偏振参数图谱的对 照关系采用以下方法确定：
49.模拟不同数量的待检测生物大分子在不同结合位置与所述纳米阵列结合的 第一偏振参数图谱；
50.建立偏振参数图谱与相应数量的待检测生物大分子在相应结合位置的对照 关系，完成预设数据库的建立。
51.在执行步骤s204时，从预设数据库中获取与待对比的偏振参数图谱一致的 目标偏振参数图谱。
52.步骤s205，根据目标偏振参数图谱，以及生物大分子的数量以及结合位置 和偏振参数图谱的对照关系，确定纳米结构阵列对应的生物大分子数量。
53.针对纳米基板中的任一结合点而言，与偏振参数图谱一致的目标偏振参数图 谱所对应的生物大分子的数量即为此点所结合的生物大分子的数量。
54.步骤s206，根据纳米基片上所有纳米阵列结合点对应的目标偏振参数图谱 对应的生物大分子的数量，确定待检测生物大分子的数量。
55.需要说明的是，由于本身申请实施例提供的方法主要针对低浓度状态的生物 大分子，因此对于同一纳米基板而言，可能只有部分纳米结构阵列与待检测生物 大分子结合，因此本技术实施例提供的方法需要确定纳米基片上所有结合点对应 结合的生物大分子的数量，一旦检测到生物大分子，则在待检测生物大分子液体 中存在生物大分子。
56.需要说明的是，本技术实施例提供的方法不仅可以快速确定待检测生物大分 子液体即待检测样品中，是否存在生物大分子，并且还可以确定待检测样品中生 物大分子的浓度。具体的，根据纳米基片上生物大分子的数量以及待检测样品的 体积，确生物大分子的浓度。
57.下述为本技术装置实施例，可以用于执行本技术方法实施例。对于本技术装 置实施例中未披露的细节，请参照本技术方法实施例。
58.图7示例性示出了本技术实施例提供的一种基于纳米阵列的生物大分子检 测装置的结构示意图。如图7所示，该装置具有实现上述基于纳米阵列的生物大 分子检测方法
的功能，所述功能可以由硬件实现，也可以由硬件执行相应的软件 实现。该装置可以包括：获取模块1001、处理模块1002以及降噪模块1003。
59.获取模块1001，用于获取纳米基片上每一纳米阵列结合点的待检测生物大 分子对应的散射原图；所述纳米阵列基片为表面具有周期性结构的特异性抗体的 纳米检测基板；所述特异性抗体为针对所述待检测生物大分子的抗体；；
60.处理模块1002，用于根据散射原图中每个像素点的光强变化信息，绘制初 始偏振参数图谱；初始偏振参数图谱包括光子态的振幅以及光子态的相位；
61.降噪模块1003，用于对初始偏振参数图谱进行降噪处理，获取待对比的偏 振参数图谱；
62.处理模块1002，还用于将待对比的偏振参数图谱与预设数据库中的偏振参 数图谱进行对比，获取与待对比的偏振参数图谱一致的目标偏振参数图谱；预设 数据库包括生物大分子的数量以及结合位置，和偏振参数图谱的对照关系；结合 位置为生物大分子和纳米阵列的结合位置；以及，根据目标偏振参数图谱，以及 生物大分子的数量以及结合位置和偏振参数图谱的对照关系，确定每一结合点对 应的生物大分子数量；以及根据纳米基片上所有结合点对应的目标偏振参数图谱 对应的生物大分子的数量，确定待检测生物大分子的数量。
63.可选的，预设数据库中生物大分子的数量以及结合位置和偏振参数图谱的对 照关系采用以下方法确定：
64.模拟不同数量的待检测生物大分子在不同结合位置与所述纳米阵列结合的 第一偏振参数图谱；
65.建立偏振参数图谱与相应数量的待检测生物大分子在相应结合位置的对照 关系。
66.可选的，处理模块1002还用于：
67.将待检测液体滴于纳米基片上，烘干纳米基片。
68.可选的，处理模块1002具体用于：
69.将初始偏振参数图谱输入预先设定好参数的降噪神经网络模型中，进行降噪 处理，获取待对比的偏振参数图谱。
70.可选的，降噪神经网络模型为u型生成网络。
71.可选的，纳米基片表面的任意两个纳米结构之间的距离大于或等于预设距离。
72.本技术实施例提供的方法，利用纳米阵列与生物大分子结合后散射原图周期 性被破坏的性质，获取在本技术提供的特制的纳米基板上的待检测生物大分子对 应的散射原图，并对散射原图进行分析，通过预设的数据库，直接获知每个结合 点结合的生物大分子的数量，利用光学性质，直接并且快速判断待检测的生物大 分子是否存在及其结合的位置，检测方法避免了繁琐的物化反应，检测速率高， 精确度高。
73.本领域的技术人员可以清楚地了解到本技术实施例中的技术可借助软件加 必需的通用硬件平台的方式来实现。基于这样的理解，本技术实施例中的技术方 案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分可以以软件产品的形式体现出来，该 计算机软件产品可以存储在存储介质中，如rom/ram、磁碟、光盘等，包括若干 指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等) 执行本技术各个实施例或者实施例的某些部
分所述的方法。
74.本说明书中各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可。尤其，对于服务 构建装置和服务加载装置实施例而言，由于其基本相似于方法实施例，所以描述 的比较简单，相关之处参见方法实施例中的说明即可。
75.以上所述的本技术实施方式并不构成对本技术保护范围的限定。