一种衍射成像分子检测装置及其应用

1.本发明涉及光学器件技术领域，更具体地，涉及一种衍射成像分子检测装置及其应用。


背景技术：

2.由于金属和介电纳米光子结构的超表面具有在亚波长范围内操纵光散射的独特能力，其广泛应用于纳米光子领域。而且，局域表面等离子体共振效应是金属纳米结构的特有的光学性质，当一束光照射到超表面时，光的频率与金属纳米粒子表面的自由电子振动频率相同时会产生共振，进而使得金属纳米结构对周围环境的折射率变化十分敏感，因此金属纳米结构十分适合应用于超表面纳米结构上的薄层附着物的折射率变化的传感，以检测附着物分子在溶液中的变化及其传感器界面吸附变化的过程。
3.然而，当超表面纳米结构上附着物的量非常小时，采用常规的光谱仪难以检测上述附着物分子在溶液中的变化过程及其在传感器界面吸附变化过程，需要高灵敏度和高分辨率的光谱仪才可以记录附着物的变化过程，但这种光谱仪通常体积庞大，昂贵且复杂，严重阻碍了超表面在分子传感和许多其他日常检测场景中的应用。


技术实现要素：

4.本发明的目的是克服现有技术中检测微量附着物分子在溶液中的变化及其在传感器界面的吸附变化过程需要使用高灵敏度、高分辨率光谱仪的缺陷和不足，提供一种衍射成像分子检测装置，将作为lspr传感单元的等离子体超表面和作为分光单元的曲面全息光栅相结合，在检测光依次经过待测样品溶液和传感lspr传感单元后到达分光单元，仅需经过分光单元分光处理即可形成衍射图像，不需要使用昂贵且复杂的高分辨率光谱仪，即可检测分子在溶液中的变化及其在传感单元界面的吸附变化过程。
5.本发明的另一目的是提供一种基于单色相机分子检测装置。
6.本发明的又一目的是提供一种衍射成像分子检测装置在检测溶液折射率中的应用。
7.本发明上述目的通过以下技术方案实现：
8.一种衍射成像分子检测装置，包括光源单元1、lspr传感单元2、分光单元3和显示单元4；所述lspr传感单元2设于光源单元1和分光单元3之间，且三者水平分布在同一光路上；所述分光单元3为曲面全息光栅；所述光源单元1为检测装置提供光信号，光穿透lspr传感单元2上的待测溶液后，再穿过lspr传感单元2到达分光单元3，分光单元3将光信号分光后投射于显示单元4形成衍射图像。
9.本发明的衍射成像分子检测装置将lspr传感单元(等离子体超表面)和分光单元(曲面全息光栅)相结合，在检测光依次经过待测样品溶液和传感lspr传感单元后，到达分光单元，在经过分光单元分光处理投射于显示单元(光屏)形成衍射图像，对衍射图像中像素位置和强度(亮度)的最大值的变化进行分析后可得到待测样品溶液折射率的变化，进而
获得待测样品分子在lspr传感单元界面吸附变化的过程。
10.一种曲面全息光栅的制备方法，包括以下步骤：
11.s1.以氧化铟锡导电玻璃为载体，先通过纳米压印，再电镀形成铜纳米光栅；
12.s2.将聚乙烯醇水溶液均匀涂覆于s1中的铜纳米光栅上，再进行干燥处理形成铜纳米光栅/聚乙烯醇复合膜；
13.s3.将s2中的铜纳米光栅/聚乙烯醇复合膜固定于球面透镜的凸侧面并加热处理；
14.s4.去除铜纳米光栅/聚乙烯醇复合膜中的聚乙烯醇，即可获得曲面全息光栅。
15.本发明曲面全息光栅的制备方法步骤s2中干燥处理的目的是除去聚乙烯水溶液中的溶剂水，使其固化形成连续膜，其干燥程度以保证铜纳米光栅/聚乙烯醇复合膜与氧化铟锡导电玻璃完整分离即可；而步骤s3中加热处理的目的是保证铜纳米光栅/聚乙烯醇复合膜与球面透镜的凸侧面紧密、无气泡贴合，进而使得步骤s4中除去聚乙醇后，铜纳米光栅可以完整地转移至球面透镜的凸侧面形成曲面全息光栅，其中加热处理的具体温度可以控制在100℃左右，铜纳米光栅通过静电吸附作用吸附于球面透镜的凸侧面。
16.需要说明的是，在具体实施方式中，本发明的铜纳米栅的周期为606nm，球面透镜的焦距14mm，而铜纳米光栅的周期和球面透镜的焦距会影响显示单元4对衍射图像的接收，在具体应用中，本领域技术人员可以根据根据光栅方程sinθ＝kλ/λ，其中θ是衍射角，λ是入射光波长，λ是光栅的周期，改变铜纳米光栅的周期，衍射角也会相应改变，此时调整显示单元的倾斜角就可以获得清晰的衍射图像。
17.在具体实施例中，本发明s2中所述聚乙烯醇水溶液中聚乙烯醇的质量百分数为8％～10％。
18.本发明s2中所述聚乙烯醇水溶液中聚乙烯醇的质量百分数为8％～10％时，旋涂干燥后易形成连续的铜纳米光栅/聚乙烯醇复合膜，使得铜纳米光栅/聚乙烯醇复合膜与氧化铟锡导电玻璃载体完整分离，进而保证曲面全息光栅中的铜纳米光栅的完整性，提高曲面全息光栅作为分光单元3使用时的分光效果，提高衍射图像的清晰度。
19.优选地，s2中所述聚乙烯醇的重均分子量≤110000。
20.优选地，s2中所述聚乙烯醇的重均分子量为80000～110000。
21.具体地，本发明的聚乙烯醇为1788型，其重均分子量为80000～110000时，既可以形成连续的聚乙烯醇膜以保证铜纳米光栅的完整性，提高衍射图像的清晰度；还可以保证后续使用水溶解去除聚乙烯醇时所需时间较少。
22.优选地，s2中所述铜纳米光栅/聚乙烯醇复合膜的厚度为10～20μm。
23.本发明中铜纳米光栅/聚乙烯醇复合膜的厚度为10～20μm时，可以更好地将其与氧化铟锡导电玻璃载体完整分离，且可以缩短后续使用水溶解去除聚乙烯醇的所需时间。
24.优选地，s3中所述球面透镜的凸侧经过等离子清洗处理。相较于其他清洗方式，等离子清洗可以更好地去除曲面透镜表面的杂质。
25.优选地，所述光源单元1为单色光源。
26.本发明还保护一种基于单色相机分子检测装置，所述基于单色相机分子检测装置由单色相机和上述衍射成像分子检测装置和单色相机组成；
27.所述衍射成像分子检测装置包括光源单元1、lspr传感单元2、分光单元3和显示单元4；所述lspr传感单元2设于光源单元1和分光单元3之间，且三者水平分布在同一光路上；
所述分光单元3为曲面全息光栅；所述光源单元1为检测装置提供光信号，光穿透lspr传感单元2上的待测溶液后，再穿过lspr传感单元2到达分光单元3，分光单元3将光信号分光后投射于显示单元4形成衍射图像；
28.所述单色相机用于记录衍射成像分子检测装置检测出的衍射图像。
29.一种衍射成像分子检测装置检测装置在检测溶液折射率中的应用，也本发明的保护范围之内。
30.具体地，以检测抗原和抗体分子在水溶液中相互作用的过程以及其在传感界面吸附变化的过程为例，首先在lspr传感器表面滴加11-巯基十一烷酸(mua)对其进行改性，在lspr传感器表面的金纳米颗粒上形成用于固定抗体分子的巯基-金联合的化学键，再滴加抗原溶液，抗原与金纳米颗粒表面的mua相结合，待加入抗体后，抗体与抗原特异性结合，进而改变金纳米颗粒表面自由电子，从从而使得lspr传感器表面的折射率发生变化。此时，光经过折射率变化后的溶液到达曲面光栅，曲面光栅同时具有光栅的衍射功能和透镜会聚或扩散入射光的功能，对到达的光进行分光、聚焦后，在显示单元(光屏)上产生衍射图像，然后通过对衍射图像上每一行像素的强度(亮度)求平均值即可获得其位置-强度(亮度)曲线。其中，强度(亮度)的平均值是将不同位置处的一行像素中的每个像素的亮度值求和除以该行像素数得到(如图3所示)。当改变抗体的浓度时会得到不同的位置-强度(亮度)曲线，再通过分析衍射图像中像素位置和强度(亮度)的分布关系，就可以获得传感单元界面分子吸附变化的过程。
31.在具体实施例中，本发明衍射成像分子检测装置在检测装置在检测生物分子在溶液中变化过程及其在传感器界面吸附变化过程中的应用，包括以下步骤：
32.s1.将不同浓度的待测样品溶液分别滴加在所述衍射成像分子检测装置的lspr传感单元2上，即可获得投射于显示单元4所形成的不同衍射图像；
33.s2.将s1中的不同衍射图像的不同位置的每行像素求平均，即可获得衍射图像的位置-强度曲线。
34.与现有技术相比，本发明的有益效果是：
35.本发明提供一种衍射成像分子检测装置，将曲面全息光栅作为分光器，与lspr传感器相结合，使得检测光依次经过微量待测样品溶液及lspr传感器界面，再经过曲面全息光栅分光处理即可形成衍射图像，无需使用高灵敏度、高分辨率的光谱仪，仅需通过分析衍射图像中像素位置-强度的分布关系，即可获得传感单元界面分子吸附变化的过程。
附图说明
36.图1为本发明衍射成像分子检测装置整体结构示意图，其中，1-光源单元，2-传感单元，3-分光单元，4-显示单元。
37.图2为本发明曲面全息光栅的制备方法示意图。
38.图3为本发明中衍射图像的示意图。
39.图4为本发明衍射成像分子检测装置检测兔抗人免疫球蛋白g(igg)和人igg在传感器界面吸附变化时所获得位置-强度曲线图。
具体实施方式
40.下面结合具体实施方式对本发明作进一步的说明，但实施例并不对本发明做任何形式的限定。除非另有说明，本发明实施例采用的原料试剂为常规购买的原料试剂。
41.实施例1
42.一种衍射成像分子检测装置(如图1所示)，包括光源单元1、lspr传感单元2、分光单元3和显示单元4；所述lspr传感单元2设于光源单元1和分光单元3之间，且三者水平分布在同一光路上；所述分光单元3为曲面全息光栅；所述光源单元1为检测装置提供光信号，光穿透lspr传感单元2上的待测溶液后，再穿过lspr传感单元2到达分光单元3，分光单元3将光信号分光后投射于显示单元4形成衍射图像。
43.其中，上述lspr传感单元2的制备方法，包括以下步骤：
44.s1.将面积为3
×
3cm2的氧化铟锡导电玻璃(ito)清洗干净，再使用丙酮和异丙醇分别超声10min；然后使用氮气吹干，再使用等离子体清洗机处理1min备用；
45.s2.将压印胶以4000r/rmp的速度旋涂在清洁后的ito导电玻璃上，并在120℃的热板上烘烤1min；
46.s3.按照从下到上分别为玻璃、ito导电玻璃、压印硅模板、硅胶垫的顺序放进压膜机中，打开冷凝水循环，将压膜机温度升至100℃，加压0.3ton，热压印5min，再进行降温，待温度降到室温后，将玻璃、ito导电玻璃、压印模板、硅胶垫取出；
47.s4.将压印模板与ito导电玻璃分离，即可获得带有纳米结构的ito导电玻璃；
48.s5.将带有纳米结构的ito导电玻璃置于等离子体清洗机中处理30s；
49.s6.使用丙酮在ito玻璃上擦除一小块压印胶，以ito导电玻璃为阳极，钛网为阴极，放入金电镀液中建立电沉积系统，在源表电流密度为2.5ma cm-2
条件下进行金沉积；
50.s7.金沉积完成后使用去离子水冲洗样品，并用氮气吹干；然后再放入丙酮中2min，取出，用氮气吹干。
51.s8.按照从下到上分别为玻璃、聚对苯二甲酸乙二醇酯(pet)、带有金属纳米结构的ito、硅胶垫的顺序放进压膜机中，打开冷凝水循环，将压膜机温度升至100℃，加压0.3ton，热压印5min，再进行降温，待温度降到室温后将其取出；
52.s9.将pet与ito玻璃分离即可获得lspr传感单元2。
53.上述曲面全息光栅的制备方法，包括以下步骤(如图2所示)：
54.s1.以氧化铟锡导电玻璃为载体，通过纳米压印、电镀形成铜纳米光栅；
55.s2.将聚乙烯醇水溶液旋涂于s1的铜纳米光栅上，再进行干燥处理，即可获得铜纳米光栅/聚乙烯醇复合膜，旋涂完成后在80℃的热板上烘烤1min；
56.s3.将s2中的铜纳米光栅/聚乙烯醇复合膜固定于球面透镜的凸侧面并在100℃条件下加热处理1h；
57.s4.将s3中加热处理后的球面透镜置于水中浸泡除去聚乙烯醇，即可获得曲面全息光栅；
58.其中，s2中所述聚乙烯醇的重均分子量为80000；s2中所述聚乙烯醇水溶液中聚乙烯醇的质量分数为8％；s2中所述铜纳米光栅/聚乙烯醇复合膜的厚度为10μm。
59.其中铜纳米光栅的具体制备方法如下：
60.s1.将面积为3
×
3cm2的氧化铟锡导电玻璃(ito)清洗干净，再使用丙酮和异丙醇
分别超声10min；然后使用氮气吹干，再使用等离子体清洗机处理1min备用；
61.s2.将压印胶以4000r/rmp的速度旋涂在清洁后的ito导电玻璃上，并在120℃的热板上烘烤1min；
62.s3.按照从下到上分别为玻璃、ito导电玻璃、光栅模板、硅胶垫的顺序放进压膜机中，打开冷凝水循环，将压膜机温度升至100℃，加压0.3ton，热压印5min，再进行降温，待温度降到室温后，将玻璃、ito导电玻璃、压印模板、硅胶垫取出；
63.s4.将压印模板与ito导电玻璃分离，即可获得带有纳米结构的ito导电玻璃；
64.s5.将带有纳米结构的ito导电玻璃置于等离子体清洗机中处理30s；
65.s6.使用丙酮在ito玻璃上擦除一小块压印胶，以ito导电玻璃为阳极，钛网为阴极，放入铜电镀液中建立电沉积系统，在源表电流密度为5ma cm-2
条件下进行铜沉积；
66.s7.铜沉积完成后使用去离子水冲洗样品，并用氮气吹干；然后再放入丙酮中2min，取出，用氮气吹干即可获得铜纳米光栅。
67.实施例2
68.一种衍射成像分子检测装置同实施例1，其区别在于：所述曲面全息光栅制备方法的步骤s2中，所述聚乙烯醇水溶液中聚乙烯醇的质量分数为10％。
69.采用上述制备方法制得的曲面全息光栅，在检测过程中所形成的衍射图像的清晰度与实施例1基本处于同一水平。
70.实施例3
71.一种衍射成像分子检测装置同实施例1，其区别在于：所述曲面全息光栅制备方法的步骤s2中，所述聚乙烯醇的重均分子量为18000。
72.当聚乙烯醇的重均分子量较小时，会造成铜纳米光栅与氧化铟锡导电玻璃分离时局部缺失，从而影响上述制备方法所得曲面全息光栅的功能，进而使得检测过程中所形成的衍射图像的清晰度略低于实施例1。
73.实施例4
74.一种衍射成像分子检测装置同实施例1，其区别在于：所述曲面全息光栅制备方法的步骤s2中，所述聚乙烯醇的重均分子量为110000。
75.采用上述制备方法制得的曲面全息光栅，在检测过程中所形成的衍射图像的清晰度与实施例1基本处于同一水平。
76.实施例5
77.一种衍射成像分子检测装置同实施例1，其区别在于：所述曲面全息光栅制备方法的步骤s2中，所述聚乙烯醇的重均分子量为120000。
78.当聚乙烯醇的重均分子量较大时，以水为溶剂，溶解去除聚乙烯醇时，不仅所需时间较长，而且还会导致聚乙烯醇去除不彻底，残留于铜纳米光栅之间，从而影响上述制备方法所得曲面全息光栅的功能，进而使得检测过程中所形成的衍射图像的清晰度略低于实施例1。
79.实施例6
80.一种衍射成像分子检测装置同实施例1，其区别在于：所述曲面全息光栅制备方法的步骤s2中，所述铜纳米光栅/聚乙烯醇复合膜的厚度为20μm。
81.采用上述制备方法制得的曲面全息光栅，在检测过程中所形成的衍射图像的清晰
度与实施例1基本处于同一水平。
82.实施例7
83.以实施例1中衍射成像分子检测装置检测兔抗人免疫球蛋白g(igg)和人igg生物分子在水溶液中相互作用过程以及传感界面吸附变化过程为例，主要过程如下：
84.步骤1)首先，将pbs溶液滴加在lspr传感单元2表面，再滴加11-巯基十一烷酸(mua)溶液并孵育60min对lspr传感单元2表面进行表面修饰；然后，滴加n-羟基琥珀酰亚胺(nhs)和1-乙基-3-(3-二甲基氨基丙基)碳二亚胺(edc)溶液活化30min，再使用pbs缓冲溶液进行清洗；最后，在lspr传感单元2表面滴加兔抗人免疫球蛋白g，静置120min。
85.步骤2)将浓度为0、0.2ng/ml、0.4ng/ml、0.8ng/ml、1ng/ml、10ng/ml、100ng/ml、1000ng/ml的人igg的pbs缓冲溶液依次滴加于lspr传感单元2表面，每次孵育30min使兔抗人免疫球蛋白g与人igg充分特异性结合。打开光源，使用单色相机记录兔抗人免疫球蛋白g与人igg特异性结合吸附后的衍射图像，整个检测过程中无仪器移动；其中，每次在滴加更高浓度的人igg溶液之前，使用pbs溶液将未结合的人igg冲洗去除。
86.步骤3)通过对衍射图像进行分析并绘制位置-强度的关系曲线(如图4所示)，由图4可知，在不同的人igg浓度下，衍射图像强度最大值的位置发生移动，当人igg的浓度为0.2ng/ml、0.4ng/ml、0.8ng/ml、1ng/ml、10ng/ml、100ng/ml、1000ng/ml时，分别导致衍射图像强度最大值的位置发生2、4、6、10、13、16和24个像素的偏移，从而说明待测样品溶液的折射率发生了变化，进而说明仅通过本发明的衍射成像分子检测装置就可以检测传感单元界面分子吸附变化的过程。
87.本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。