專利名稱：一種基于表面等離子體共振與生物傳感的水芯片的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及工業(yè)測試技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種基于表面等離子體共振與生物傳感 的水芯片。
背景技術(shù)：
表面等離子體共振(Surface Plasmon resonance，SPR)技術(shù)是一種高精度檢測技 術(shù)。SI^R的基本原理是入射的ρ光在棱鏡與金屬薄膜交界面發(fā)生全內(nèi)反射，產(chǎn)生的倏逝波會(huì) 引起金屬薄膜表面自由電子產(chǎn)生表面等離子，當(dāng)倏逝波和表面等離子波的頻率和波數(shù)相等 時(shí)兩者會(huì)發(fā)生共振。共振發(fā)生時(shí)，入射光的能量急劇下降，反射光譜上出現(xiàn)最小光強(qiáng)值。SPR 共振發(fā)生的條件與金屬薄膜另一面的介質(zhì)折射率有關(guān)，通過檢測反射光譜可精確測得金屬 薄膜另一面的介質(zhì)折射率。捷克人Homola于1998年在《Sensors and Actuators》上發(fā)表 的文章"Novel polarization control scheme for spectral surface ρlasmon resonance sensors”中提出了一種包括光發(fā)射組件、光反射組件、光偏振態(tài)調(diào)制組件和光接收組件的 表面等離子體共振傳感器，并用不同折射率介質(zhì)驗(yàn)證了這種偏振調(diào)制方法和理論數(shù)值的契
口 /又O如果金屬薄膜另一面的介質(zhì)是一種溶液，并針對溶液中某種雜質(zhì)或生物分子對金 屬膜表面進(jìn)行相應(yīng)的化學(xué)生物修飾，使雜質(zhì)與修飾層發(fā)生反應(yīng)，改變?nèi)芤旱恼凵渎?，從而?變反射光譜。通過表面等離子體共振傳感器檢測此反射光譜則可精確測得該種雜質(zhì)或生物 分子的濃度。SI^R相對于其他檢測技術(shù)，具有靈敏度高、所需樣品少、樣品無需標(biāo)記和快速檢 測的優(yōu)點(diǎn)，因此被廣泛應(yīng)用于生物、化學(xué)、醫(yī)學(xué)、環(huán)境監(jiān)測等領(lǐng)域。目前，可短時(shí)間內(nèi)分析大量樣本的高通量sra檢測方法有光強(qiáng)調(diào)制法和相位調(diào)制 法。相位調(diào)制法具有很高的靈敏度，它通過觀察干涉圖樣的變化來測定相位的變化，從而測 定樣品的折射率。但是這種方法中實(shí)現(xiàn)波面相位的高精度實(shí)時(shí)檢測較困難，并且系統(tǒng)的光 路復(fù)雜，機(jī)械精度要求較高，制作困難。普通的光強(qiáng)檢測法采用入射角固定的平行光入射， 通過監(jiān)視反射光強(qiáng)的變化分布來測定樣品的折射率。這種方法系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，測量算法簡 便，但是測量精度低。在現(xiàn)今的水質(zhì)檢測分析項(xiàng)目中，經(jīng)常涉及到檢測水樣品中某幾種特定物質(zhì)的含 量。現(xiàn)有的分析方法大多是化學(xué)方法，需要在實(shí)驗(yàn)室條件下完成，從取樣到獲得數(shù)據(jù)耗時(shí)較 長，且一次只能檢測出一種指標(biāo)，無法滿足快速精確、多參數(shù)測量的水體檢測需求。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明針對水體檢測中無法快速測試出水體中多種雜質(zhì)濃度的問題，提供一種基 于表面等離子體共振與生物傳感的水芯片，采用特定的生物化學(xué)修飾層和sra原理，能夠 同時(shí)檢測出水體中多種雜質(zhì)的濃度?！N基于表面等離子體共振與生物傳感的水芯片，包括光發(fā)射組件、光反射組件、 光偏振態(tài)調(diào)制組件、光接收組件；
所述的光發(fā)射組件由光源、擴(kuò)束鏡組成，光源發(fā)出的光線經(jīng)擴(kuò)束鏡后變?yōu)槠叫泄?線.
一入 ，所述的光反射組件包括等腰直角棱鏡及其斜邊面上的金膜，金膜的反光面朝向等 腰直角棱鏡，厚度一般為幾十納米；所述的光偏振態(tài)調(diào)制組件包括位于擴(kuò)束鏡與等腰直角棱鏡入射直角面之間的起 偏器和位于等腰直角棱鏡出射直角面之后的四分之一波片、檢偏器；所述的光接收組件包括位于檢偏器之后的成像透鏡和面陣CXD ；所述的金膜的非反光面上設(shè)有生物敏感膜，生物敏感膜上設(shè)置鏤空薄膜，鏤空區(qū) 域形成若干個(gè)反應(yīng)池。所述的鏤空薄膜由聚二甲基硅氧烷(PDMS)制備，這種材料透光、無毒、廉價(jià)，具有 一定的化學(xué)惰性，不會(huì)與溶液中的雜質(zhì)反應(yīng)而干擾測試結(jié)果。所述的生物敏感膜由在反應(yīng)池底部的金膜上進(jìn)行特異性抗原或抗體的生物修飾 制備，其上表面為能與待測水溶液中的生物雜質(zhì)發(fā)生特異性吸附的抗原或抗體，其下表面 為將上表面的抗原或抗體與金膜通過共價(jià)鍵偶聯(lián)在一起的基質(zhì)層物質(zhì)。例如，檢測水溶液 中的微囊藻毒素(MC-LR)，生物敏感膜上表面為與微囊藻毒素發(fā)生特異性吸附的微囊藻毒 素抗體。為了使得微囊藻毒素抗體與金膜緊密連接，需要基質(zhì)層物質(zhì)將微囊藻毒素抗體與 金膜偶聯(lián)起來，基質(zhì)層物質(zhì)可選用牛血清蛋白(BSA)。所述的光源采用740nm的紅光光源，采用這種光源可增大整個(gè)水芯片系統(tǒng)的測量 靈敏度。在測量時(shí)，在反應(yīng)池內(nèi)滴入待測溶液后，調(diào)整所述的起偏器的起偏角度、四分之一 波片的快軸方向和檢偏器的檢偏角度組合使經(jīng)過金膜反射后的光線在面陣CCD上出現(xiàn)消 光點(diǎn)，當(dāng)出現(xiàn)消光點(diǎn)時(shí)，表示水芯片系統(tǒng)對所滴入的待測溶液的折射率具有最大的靈敏度。 一旦調(diào)整好光學(xué)元件的角度組合之后，只要待測溶液的折射率變化不大，則無需再調(diào)整系 統(tǒng)也會(huì)出現(xiàn)消光點(diǎn)。這些光學(xué)元件的角度組合并不唯一，但為了簡化光路結(jié)構(gòu)和調(diào)整過程， 可將光源發(fā)出的光線設(shè)置為垂直入射于所述的擴(kuò)束鏡、起偏器、等腰直角棱鏡、四分之一波 片、檢偏器、成像透鏡和面陣(XD。由光源發(fā)出的光線，經(jīng)擴(kuò)束鏡發(fā)散成平行光，此平行光束經(jīng)起偏器起振后，變成同 時(shí)包含P光和S光的線偏振光，線偏振光從等腰直角棱鏡的入射直角面入射，被等腰直角棱 鏡折射至等腰直角棱鏡斜邊面上的金膜的反光面。由于在金膜和等腰直角棱鏡的交界面發(fā) 生了表面等離子體共振，P光和s光有著不同的相位變化和反射率，經(jīng)過金膜反射后的反射 光成為偏振態(tài)可知的橢圓偏振光，此橢圓偏振光從等腰直角棱鏡的出射直角面出射，調(diào)整 四分之一波片，使得四分之一波片的快軸方向與此橢圓偏振光的長軸方向一致，則經(jīng)過四 分之一波片后，此橢圓偏振光變成為線偏振光，再經(jīng)過與此線偏振光正交放置的檢偏器，則 可以在面陣CCD上得到消光點(diǎn)。在消光點(diǎn)附近，存在著一段近似線性的折射率-反射光強(qiáng)曲線，反應(yīng)池中的溶液 里待測物質(zhì)與生物敏感膜發(fā)生反應(yīng)導(dǎo)致溶液折射率改變，將改變之后的曲線與標(biāo)準(zhǔn)折射 率-反射光強(qiáng)曲線比對即可得到此反應(yīng)池中溶液的折射率，再與物質(zhì)濃度-折射率標(biāo)準(zhǔn)曲 線對比即可得到溶液中此物質(zhì)的濃度。每個(gè)反應(yīng)池底部所鍍的生物敏感膜不同，經(jīng)過不同反應(yīng)池的光線形成不同的光路 通道，不同反應(yīng)池內(nèi)溶液折射率的改變量不同，使每路光路通道所攜帶的信息不同，通過檢測每路光路通道可以檢測出水體里多種不同物質(zhì)的濃度。為了進(jìn)一步提高系統(tǒng)檢測靈敏度，減小光源光強(qiáng)波動(dòng)，及等腰直角棱鏡、金膜表面 缺陷對檢測結(jié)果的影響，可以將所有反應(yīng)池內(nèi)為空(即不滴入待測溶液)時(shí)的測量結(jié)果作 為校準(zhǔn)數(shù)據(jù)，同時(shí)在對樣品溶液進(jìn)行測量時(shí)保留一個(gè)反應(yīng)池為空，這個(gè)反應(yīng)池的測試數(shù)據(jù) 作為參比通道數(shù)據(jù)。則校準(zhǔn)數(shù)據(jù)與參比通道數(shù)據(jù)含有兩次測量時(shí)光源光強(qiáng)波動(dòng)誤差，通過 歸一化可以減小兩次測量時(shí)光源光強(qiáng)波動(dòng)的影響。其他裝有樣品溶液的反應(yīng)池所測得的結(jié) 果與這些反應(yīng)池的校準(zhǔn)數(shù)據(jù)都攜帶有等腰直角棱鏡及金膜的表面缺陷等信息，通過歸一化 方法便可消除上述因素對檢測結(jié)果的影響，可提高測試精度。本發(fā)明利用sra檢測技術(shù)及生物修飾技術(shù)實(shí)現(xiàn)了一次性測量水體中多種不同含 量成分濃度的功能，將sra對光線產(chǎn)生的偏振態(tài)變化轉(zhuǎn)化為光強(qiáng)變化，實(shí)現(xiàn)測量的高靈敏 度，簡化了測量方式和測量過程，簡化了光路和機(jī)械結(jié)構(gòu)，便于水質(zhì)檢測分析項(xiàng)目中的現(xiàn)場 實(shí)時(shí)檢測。


圖1為本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖；圖2為本發(fā)明反應(yīng)池的結(jié)構(gòu)示意圖；圖3為實(shí)驗(yàn)測得的微囊藻毒素-LR抗體溶液的濃度_光強(qiáng)曲線；圖4為實(shí)驗(yàn)測得的OA抗體溶液的濃度_光強(qiáng)曲線。
具體實(shí)施例方式實(shí)施例1如圖1所示，本發(fā)明一種基于表面等離子體共振與生物傳感的水芯片，包括光發(fā) 射組件、光反射組件、光偏振態(tài)調(diào)制組件、光接收組件；光發(fā)射組件由光源1、擴(kuò)束鏡2組成，光源1采用波長為740nm的紅光光源，光源1 發(fā)出的光線經(jīng)擴(kuò)束鏡后變?yōu)槠叫泄饩€；光反射組件包括等腰直角棱鏡4及其斜邊面上的金膜5，金膜5的反光面朝向等腰 直角棱鏡4，金膜5的厚度約為50nm ；光偏振態(tài)調(diào)制組件包括位于擴(kuò)束鏡2與等腰直角棱鏡4的入射直角面14之間的 起偏器3、位于等腰直角棱鏡4的出射直角面15之后的四分之一波片7和檢偏器8 ；光接收組件包括位于檢偏器8之后的成像透鏡9和面陣(XD10。將98% (質(zhì)量百分比)的濃硫酸和30% (質(zhì)量百分比)的雙氧水按照濃硫酸 雙氧水=7 3的體積比配置成混合溶液，將等腰直角棱鏡4斜邊面上的金膜5在混合溶 液中浸泡12小時(shí)，以去除金膜5表面的雜質(zhì)。取MC-LR-BSA溶液(微囊藻毒素-LR-牛血 清蛋白溶液，該溶液采用北京伊普瑞斯科技有限公司微囊藻毒素Microcystin ELISA試劑 盒)滴到金膜5表面，反應(yīng)24小時(shí)，使MC-LR-BSA通過巰基(-SH)與金膜5表面的金原子 形成牢固的Au-S共價(jià)鍵，在金膜表面形成自組裝單分子層，從而形成一層覆蓋金膜5的生 物敏感膜11。將聚二甲基硅氧烷的鏤空薄膜12放置在生物敏感膜11上，由于聚二甲基硅氧烷 自身具有一定的重量和粘性，可以粘附在生物敏感膜11上。薄膜被鏤空的區(qū)域形成了反應(yīng)池13，反應(yīng)池13組成6X6的矩陣形狀。如圖2所示。生物敏感膜11通過鏤空薄膜12上 被鏤空的區(qū)域與待測溶液發(fā)生反應(yīng)。同時(shí)，生物敏感膜11也作為金膜5的保護(hù)層，防止鏤 空薄膜12對金膜5的破壞。本實(shí)施例中鏤空薄膜的制備方法為取Dow Corning Corp公司的Sylgardl84型套件產(chǎn)品，其中包括PDMS預(yù)聚體和固 化劑，將PDMS預(yù)聚體和固化劑按照10 1的質(zhì)量比混合均勻，室溫下在真空干燥箱中脫氣 IOmin后，澆注在黃銅模具上，形成5mm的液層，在75°的溫度下加熱固化lh，然后從模具中 取出，即制得所需的PDMS鏤空薄膜。實(shí)際測量時(shí)，先用折射率為1. 33的去離子水校準(zhǔn)儀器。在某個(gè)反應(yīng)池13內(nèi)滴入 去離子水，調(diào)整起偏器3、四分之一波片7和檢偏器8，使得面陣CXDlO上達(dá)到消光。本實(shí)施 例測量待測溶液的折射率范圍為1. 33 1. 38，由于表面等離子體共振具有很高的精度，只 要滴入反應(yīng)池13中待測溶液折射率在此范圍內(nèi)，無需再調(diào)整光路，簡化了測量過程。標(biāo)定MC-LR(微囊藻毒素-LR)抗體的濃度-光強(qiáng)標(biāo)準(zhǔn)曲線。標(biāo)定方法為配置不 同濃度的MC-LR抗體溶液，分別滴入不同的反應(yīng)池13的中，在面陣CCDlO上得到不同濃度 溶液所對應(yīng)的不同亮度，一般濃度越大，折射率越大，對應(yīng)的光強(qiáng)亮度越大。由此測量結(jié)果 可以繪制出定MC-LR抗體的濃度-光強(qiáng)的標(biāo)準(zhǔn)曲線。如圖3所示，橫軸表示MC-LR抗體溶 液中MC-LR抗體的濃度，縱軸表示不同濃度的溶液所對應(yīng)的光強(qiáng)。實(shí)驗(yàn)中以一個(gè)基準(zhǔn)光強(qiáng) 作為參照，測得不同濃度溶液的相對光強(qiáng)?？梢钥闯?，溶液的濃度越大，對應(yīng)的光強(qiáng)越大。將含有MC-LR抗體的待測溶液樣品進(jìn)行沉降分離，用蒸餾水稀釋(稀釋倍數(shù)視樣 品溶液的具體情況而定，使稀釋后的溶液的折射率落在測量范圍1. 33 1. 38之間)，滴入 反應(yīng)池13中未使用過的通道，在面陣CCDlO上得到相應(yīng)的光強(qiáng)，與繪制出的標(biāo)準(zhǔn)濃度-光 強(qiáng)曲線比對即可得到此時(shí)溶液中MC-LR抗體的濃度，按稀釋倍數(shù)換算即可得到原樣品溶液 的MC-LR抗體濃度。實(shí)施實(shí)例2本實(shí)施例的結(jié)構(gòu)與實(shí)施例1相同，本實(shí)施例中生物敏感膜的成分與實(shí)施例1不同。 將98% (質(zhì)量百分比)的濃硫酸和30% (質(zhì)量百分比)的雙氧水按照濃硫酸雙氧水= 7 3的體積比配置成混合溶液，將等腰直角棱鏡4斜邊面上的金膜5在混合溶液中浸泡12 小時(shí)，以去除金膜5表面的雜質(zhì)。取lOmmol/L的11-巰基i^一烷酸溶液滴在金膜5表面， 反應(yīng)3分鐘，使11-巰基十一烷酸通過巰基(-SH)與金膜5表面的金原子形成牢固的Au-S 共價(jià)鍵，在金膜表面形成自組裝單分子層，作為基質(zhì)層。取N-羥基琥珀酰亞胺(NHS)和二 氯乙烷(EDC)的混合溶液50uL滴在基質(zhì)層上，NHS在混合液中的濃度為50mmol/L，EDC在 混合液中的濃度為200mmol/L，反應(yīng)5h，活化11-巰基i^一烷酸的羧基。將R田酸(OA)溶 液(美國Sigma公司產(chǎn)品)20uL滴在芯片表面，使得11-巰基十一烷酸的羧基與OA的氨基 偶聯(lián)，從而形成一層覆蓋基質(zhì)層的OA生物敏感膜，它能夠與待測水溶液中的R田酸抗體發(fā) 生特異性吸附，從而檢測出待測水溶液中的R田酸抗體濃度。實(shí)驗(yàn)中測出的OA抗體溶液的 濃度_光強(qiáng) 線如圖4所示，由圖可看出，與實(shí)施例1檢測MC-LR抗體的結(jié)果類似，OA抗體 溶液濃度越大，對應(yīng)的光強(qiáng)越大。
權(quán)利要求
一種基于表面等離子體共振與生物傳感的水芯片，其特征在于包括光發(fā)射組件、光反射組件、光偏振態(tài)調(diào)制組件、光接收組件；所述的光發(fā)射組件由光源、和位于光源之后的擴(kuò)束鏡組成；所述的光反射組件包括等腰直角棱鏡及其斜邊面上的金膜，金膜的反光面朝向等腰直角棱鏡；所述的光偏振態(tài)調(diào)制組件包括位于擴(kuò)束鏡與等腰直角棱鏡入射直角面之間的起偏器、位于等腰直角棱鏡出射直角面之后的四分之一波片和檢偏器；所述的光接收組件包括位于檢偏器之后的成像透鏡和面陣CCD；所述的金膜的非反光面上設(shè)有生物敏感膜，生物敏感膜上設(shè)有鏤空薄膜，鏤空區(qū)域形成若干個(gè)反應(yīng)池；所述的生物敏感膜的下表面通過共價(jià)鍵與金膜偶聯(lián)，生物敏感膜的上表面為與待測生物雜質(zhì)發(fā)生特異性吸附的抗原或抗體。
2.如權(quán)利要求1所述的水芯片，其特征在于，所述的鏤空薄膜為聚二甲基硅氧烷材料。
3.如權(quán)利要求1所述的水芯片，其特征在于，所述的光源采用740nm的紅光光源。
4.如權(quán)利要求3所述的水芯片，其特征在于，所述的起偏器的起偏角度、四分之一波片 的快軸方向和檢偏器的檢偏角度組合使經(jīng)過金膜反射后的光線在面陣CCD上出現(xiàn)消光點(diǎn)。
5.如權(quán)利要求4所述的水芯片，其特征在于，由光源發(fā)出的光線對所述的擴(kuò)束鏡、起偏 器、等腰直角棱鏡、四分之一波片、檢偏器、成像透鏡和面陣C⑶均為垂直入射。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種基于表面等離子體共振與生物傳感的水芯片，沿光線方向依次設(shè)有光源、擴(kuò)束鏡、起偏器、等腰直角棱鏡、四分之一波片、檢偏器、成像透鏡和面陣CCD，等腰直角棱鏡的斜邊面鍍有金膜，通過在金膜上進(jìn)行生物修飾形成能與待測水溶液中的雜質(zhì)發(fā)生特異性吸附的生物敏感膜，將雜質(zhì)對待測水溶液的折射率變化轉(zhuǎn)化為反射光光強(qiáng)變化，通過金膜與等腰直角棱鏡的界面處發(fā)生的SPR效應(yīng)來檢測出折射率變化，從而檢測出溶液中的物質(zhì)濃度。本發(fā)明可以一次性檢測出水體中多種不同物質(zhì)成分的濃度，簡化了光路和機(jī)械結(jié)構(gòu)，提高水體檢測效率。
文檔編號(hào)G01N21/41GK101929956SQ201010239909
公開日2010年12月29日 申請日期2010年7月29日 優(yōu)先權(quán)日2010年7月29日
發(fā)明者劉旭, 孫博書, 王曉萍, 黃子昊 申請人:浙江大學(xué)