一種基于外場調(diào)制的spr檢測系統(tǒng)的檢測方法
【專利摘要】本發(fā)明提供一種基于外場調(diào)制的SPR檢測系統(tǒng)的檢測方法，包括：1）得到第一樣品溶液和第二樣品溶液的SPR角度掃描曲線，計(jì)算0外場下的SPR檢測系統(tǒng)靈敏度，標(biāo)定檢測的動態(tài)范圍；2）選定動態(tài)范圍內(nèi)的某一角度作為入射角度進(jìn)行外場掃描，得到反射光強(qiáng)隨外場強(qiáng)度變化的線性系數(shù)；3）通入待測溶液，選定與步驟2）相同的入射角度，調(diào)節(jié)所施加的外場強(qiáng)度，使所檢測到的反射光強(qiáng)度始終保持在所述動態(tài)范圍內(nèi)，讀出外場強(qiáng)度和反射光強(qiáng)度；4）基于所得出的線性系數(shù)將測得的反射光強(qiáng)度轉(zhuǎn)換為0外場下的等效反射光強(qiáng)度，再基于所述SPR檢測系統(tǒng)的靈敏度，利用等效反射光強(qiáng)度計(jì)算出待測溶液的折射率或濃度。本發(fā)明能夠顯著擴(kuò)大可調(diào)諧表面等離子體共振傳感器的動態(tài)范圍。
【專利說明】-種基于外場調(diào)制的SPR檢測系統(tǒng)的檢測方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及傳感器及傳感【技術(shù)領(lǐng)域】，具體地說，本發(fā)明涉及一種基于可調(diào)諧表面 等離子體共振傳感器的檢測方法。

【背景技術(shù)】
[0002] 表面等離子共振傳感器是一種可以檢測金屬界面附近區(qū)域折射率變化的光學(xué)傳 感技術(shù)。從20世紀(jì)80年代開始，SPR生物傳感器由于其突出的免標(biāo)記，快速靈敏以及實(shí)時(shí) 檢測的優(yōu)勢而得到飛速發(fā)展并得到廣泛的應(yīng)用。目前已經(jīng)應(yīng)用于蛋白質(zhì)相互作用，核酸相 互作用，食品安全，農(nóng)藥殘留，環(huán)境安全以及藥物篩選，傳染病快速靈敏檢測等領(lǐng)域。
[0003] 可調(diào)諧SPR生物傳感器是基于棱鏡和波導(dǎo)兩種耦合方式結(jié)合激發(fā)的表面等離 子體共振，具體原理可參考文獻(xiàn)"J. Homola, Surface plasmon resonance sensors for detection of chemical and biological species，Chem. Rev·，（2008) 108:462-493"。由 于可調(diào)諧SPR生物傳感器對耦合條件的要求更為苛刻，使得可調(diào)諧SPR反射率曲線（SPR芯 片表面反射率隨入射角度變化的曲線）更為尖銳，因此具有更高的靈敏度。目前，基于可調(diào) 諧SPR生物傳感器的檢測方法主要有角度掃描法和強(qiáng)度檢測法。其中，角度掃描法需要通 過機(jī)械結(jié)構(gòu)對光路進(jìn)行改變，操作難度較大，容易人為引入誤差。強(qiáng)度檢測法是固定入射光 的角度，測量經(jīng)SPR芯片表面反射的反射光的強(qiáng)度，由于入射光的強(qiáng)度已知，因此可以算出 SPR芯片表面的反射率，并進(jìn)而獲得待檢測物質(zhì)的折射率等特性。這種方法能夠避免通過 機(jī)械結(jié)構(gòu)對光路進(jìn)行改變，操作簡單，誤差相對較小。強(qiáng)度檢測一般是先選定一定強(qiáng)度的入 射光，固定入射光的入射角度，然后在SPR芯片表面通入待檢測物質(zhì)后測量反射光的強(qiáng)度， 根據(jù)反射光強(qiáng)度計(jì)算出待檢測物質(zhì)的折射率以及其它性質(zhì)。其原理如下：檢測表面(指結(jié) 合了待測溶液中物質(zhì)的SPR芯片表面）折射率的改變會引起SPR反射率曲線位置的移動， 圖I (a)示出了一個(gè)強(qiáng)度檢測法下反射率曲線移動的例子，由于實(shí)際檢測中反射率對應(yīng)于 所檢測到的反射光強(qiáng)度，圖中以反射光強(qiáng)度代替反射率不會改變反射率曲線的形狀。參考 圖I (a)，圖中實(shí)線是原始SPR芯片表面的反射率曲線，虛線是結(jié)合了待測溶液的SPR芯片 表面的反射率曲線?？梢钥闯觯琒PR芯片表面通入待測溶液后，SPR芯片表面折射率增大，反 射率曲線向右移動。在某個(gè)固定的角度對反射率進(jìn)行檢測，當(dāng)表面折射率發(fā)生變化時(shí)，檢測 到的反射率發(fā)生變化。折射率增大引起反射率曲線向右移動，在固定的入射角度下，檢測到 的反射率信號增大。當(dāng)固定的入射角度選擇在合適的位置，且檢測的折射率變化控制在一 定的范圍時(shí)，待測溶液折射率和SPR傳感器芯片表面的反射率變化成線性關(guān)系，如圖1(b)。 圖中的線段可以用函數(shù)Y=A+B*X表示，其中B為強(qiáng)度靈敏度，單位為RU或RIU。這樣就可 以根據(jù)反射率變化換算出待檢測物質(zhì)表面折射率，從而得到檢測物質(zhì)濃度、親和性等參數(shù)。 在定量分析過程中，圖1(b)中的線段必須保持良好的線性，這就要求圖1(a)中的入射角度 及SPR反射率曲線的移動范圍滿足一定的條件：即無論反射率曲線出現(xiàn)在怎樣的位置，入 射角度都應(yīng)該在它的線性區(qū)域當(dāng)中，滿足上述條件的檢測范圍就是該入射角度所對應(yīng)的動 態(tài)范圍。對于原始SPR芯片表面的反射率曲線（實(shí)際上就是反射光強(qiáng)隨入射角度變化的掃 描曲線）而言，其中的線性區(qū)域一般在曲線最低點(diǎn)與最高點(diǎn)之間的20%?80%的范圍內(nèi)當(dāng) 通入待測溶液后，結(jié)合了待測溶液中物質(zhì)的SPR芯片表面的折射率變大，會引起SPR曲線沿 X軸（X軸表示入射角度）方向向右平移，SPR反射率曲線的線性區(qū)域也隨之向右平移，當(dāng)待 測溶液的折射率過大時(shí)，這個(gè)平移可能導(dǎo)致原先的入射光角度在SPR反射率曲線的線性區(qū) 域之外，即超出了在原角度下的強(qiáng)度檢測的動態(tài)范圍。對于可調(diào)諧SPR生物傳感器來說，其 SPR芯片表面的原始SPR反射率曲線本身就較為尖銳，這樣，所允許的SPR反射率曲線平移 的范圍就較小，導(dǎo)致其強(qiáng)度檢測的動態(tài)范圍較小，不利于實(shí)際使用。
[0004] 在傳統(tǒng)強(qiáng)度檢測方法中，當(dāng)檢測信號超出了動態(tài)檢測范圍時(shí)，需要移動SPR掃描 角度，再繼續(xù)進(jìn)行檢測。這一方案需要通過機(jī)械結(jié)構(gòu)對光路進(jìn)行改變，往往會影響實(shí)驗(yàn)的準(zhǔn) 確性和一致性，并且還需要中斷實(shí)驗(yàn)，并對SPR曲線進(jìn)行重新掃描和校準(zhǔn)。
[0005] 因此，較小的動態(tài)范圍嚴(yán)重的影響了可調(diào)諧SPR這一新型SPR傳感器的實(shí)用性，當(dāng) 前迫切需要一種具有較大動態(tài)范圍的基于可調(diào)諧SPR生物傳感器的檢測方案。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 本發(fā)明提出了一種具有較大動態(tài)范圍的基于可調(diào)諧SPR生物傳感器的檢測方案。
[0007] 為實(shí)現(xiàn)上述發(fā)明目的，本發(fā)明提供了一種基于可調(diào)諧表面等離子體共振傳感器的 檢測方法，所述可調(diào)諧表面等離子體共振傳感器是一種外場調(diào)制的使用可調(diào)諧SPR生物芯 片的SPR檢測系統(tǒng)，所述檢測方法包括下列步驟：
[0008] 1)將外場設(shè)置為0,在所述可調(diào)諧SPR生物芯片上的樣品池中分別通入折射率或 濃度已知的第一、第二樣品溶液，分別完成角度掃描，得到第一樣品溶液和第二樣品溶液的 SPR角度掃描曲線；計(jì)算出0外場下的所述SPR檢測系統(tǒng)的靈敏度，并根據(jù)第一、第二樣品 溶液SPR角度掃描曲線的線性范圍標(biāo)定檢測的動態(tài)范圍；
[0009] 2)選定所述動態(tài)范圍內(nèi)的某一角度作為入射角度，進(jìn)行外場掃描，得到反射光強(qiáng) 隨外場強(qiáng)度變化掃描曲線，進(jìn)而計(jì)算得到反射光強(qiáng)隨外場強(qiáng)度變化的線性系數(shù)；
[0010] 3)在所述可調(diào)諧SPR生物芯片上的樣品池中通入待測溶液，選定與步驟2)相同的 入射角度，當(dāng)反射光強(qiáng)隨時(shí)間的變化超出或即將超出所述動態(tài)范圍時(shí)，保持同一入射角度， 調(diào)節(jié)所施加的外場強(qiáng)度，使所檢測到的反射光強(qiáng)度保持在所述動態(tài)范圍內(nèi)，讀出此時(shí)的外 場強(qiáng)度和反射光強(qiáng)度；
[0011] 4)基于步驟2)所得出的線性系數(shù)將當(dāng)前外場強(qiáng)度下的反射光強(qiáng)度轉(zhuǎn)換為0外場 下的等效反射光強(qiáng)度，再基于步驟1)所得到的〇外場下的所述SPR檢測系統(tǒng)的靈敏度，利 用該等效反射光強(qiáng)度計(jì)算出待測溶液的折射率或濃度。
[0012] 其中，所述步驟1)中，在不同強(qiáng)度的外場下分別進(jìn)行角度掃描，得到第一樣品溶液 和第二樣品溶液的SPR角度掃描曲線，根據(jù)第一、第二樣品溶液SPR角度掃描曲線的線性范 圍標(biāo)定對應(yīng)于每個(gè)強(qiáng)度的外場所對應(yīng)的動態(tài)范圍；
[0013] 所述步驟3)中，當(dāng)待測溶液的反射光強(qiáng)超過0外場下的動態(tài)范圍時(shí)，通過調(diào)節(jié)外 場強(qiáng)度，使得檢測信號反射光強(qiáng)度回到相應(yīng)外場強(qiáng)度下的動態(tài)范圍中，然后再讀出外場強(qiáng) 度和反射光強(qiáng)度。
[0014] 其中，所述線性區(qū)域是使線性度大于0. 9995的反射光強(qiáng)度區(qū)域。
[0015] 其中，所述步驟1)中，基于每個(gè)外場強(qiáng)度下的SPR角度掃描曲線的線性區(qū)域，以線 性區(qū)域的最大反射光強(qiáng)度和最小反射光強(qiáng)度作為1和0,對SPR角度掃描曲線做歸一化處 理；并且，用第一樣品溶液和第二樣品溶液的歸一化后的SPR角度掃描曲線，計(jì)算出0外場 下的所述SPR檢測系統(tǒng)的歸一化靈敏度；
[0016] 所述步驟2)中，以線性區(qū)域的最大反射光強(qiáng)度和最小反射光強(qiáng)度作為1和0,對外 場掃描得到的反射光強(qiáng)隨外場強(qiáng)度變化的曲線做歸一化處理；
[0017] 所述步驟3)中，根據(jù)所讀出的外場強(qiáng)度，依照步驟1)所得出的相應(yīng)外場強(qiáng)度的歸 一化SPR角度掃描曲線，對所讀出的反射光強(qiáng)度進(jìn)行歸一化處理；
[0018] 所述步驟4)中，基于步驟2)所得出的歸一化后的反射光強(qiáng)隨外場強(qiáng)度變化的曲 線的線性系數(shù)，將當(dāng)前外場強(qiáng)度下的歸一化后的反射光強(qiáng)度轉(zhuǎn)換為0外場下的歸一化等效 反射光強(qiáng)度，再基于步驟1)所得到的〇外場下的所述SPR檢測系統(tǒng)的歸一化靈敏度，利用 該歸一化等效反射光強(qiáng)度計(jì)算出待測溶液的折射率或濃度。
[0019] 其中，所述第一、第二樣品溶液是折射率或濃度已知的1XPBS、2XPBS、去離子水、 1:200磷酸緩沖液或者甘油溶液。
[0020] 其中，所述外場為電場、熱場、磁場或者聲場，所述外場強(qiáng)度為電壓、溫度、磁場強(qiáng) 度或者聲強(qiáng)。
[0021] 與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有下列技術(shù)效果：
[0022] 1、顯著擴(kuò)大了可調(diào)諧SPR傳感器的動態(tài)范圍。
[0023] 2、在擴(kuò)大強(qiáng)度檢測法動態(tài)范圍的同時(shí)，抑制檢測誤差。
[0024] 3、在擴(kuò)大強(qiáng)度檢測法動態(tài)范圍的同時(shí)，保持較高的靈敏度。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0025] 圖I (a)示出了原始SPR芯片表面和通入待測溶液后SPR芯片表面的反射率曲 線.
[0026] 圖I (b)示出了反射率隨待測溶液折射率變化的關(guān)系曲線；
[0027] 圖2示出了本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例中所采用的外場調(diào)制的SPR檢測系統(tǒng)的原理示意 圖；
[0028] 圖3示出了本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例中用于對強(qiáng)度靈敏度S進(jìn)行標(biāo)定的反射率曲線的示 意圖；
[0029] 圖4示出了本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例中用于對外場調(diào)制電壓與反射光強(qiáng)的線性系數(shù)V進(jìn) 行標(biāo)定的反射率曲線的示意圖；
[0030] 圖5示出了本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例中基于可調(diào)諧表面等離子體共振傳感器的檢測方 法的流程圖。

【具體實(shí)施方式】
[0031] 下面，結(jié)合附圖和具體實(shí)施例對本發(fā)明做進(jìn)一步地描述。
[0032] 根據(jù)本發(fā)明的第一個(gè)實(shí)施例，提供了一種基于可調(diào)諧SPR傳感器的檢測方法。該 檢測方法基于一種電場調(diào)制的SPR檢測系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)。為便于理解，首先對所述外場調(diào)制的SPR 檢測系統(tǒng)進(jìn)行簡要介紹。
[0033] 圖2示出了現(xiàn)有技術(shù)中的一種可調(diào)諧SPR傳感器--電場調(diào)制的SPR檢測系統(tǒng)， 該檢測系統(tǒng)包括：單色光源1、光學(xué)組件2、高折射率棱鏡3、光探測器4、電場可調(diào)諧WCSPR 生物芯片5、樣品池6、微流控系統(tǒng)7、電壓源8和控制系統(tǒng)9。其中，單色光源1和光學(xué)組件 2組成平行光輸出裝置，用于提供單色、線性偏振（p偏振光)、準(zhǔn)直的光束。光學(xué)組件2包括 不限順序的透鏡組、濾波片和偏振片等。高折射率棱鏡3用于使所述平行光輸出裝置提供 的光束耦合進(jìn)入電場可調(diào)諧WCSPR生物芯片5。電場可調(diào)諧WCSPR生物芯片5從上至下依 次由生物檢測層、上層金屬、電調(diào)制層、下層金屬以及基底組成。電壓源8通過上層金屬和 下層金屬對可調(diào)諧WCSPR生物芯片5施加電壓，用于調(diào)諧電場可調(diào)諧WCSPR生物芯片5中的 電調(diào)制層的物理性質(zhì)(如折射率、厚度)。本實(shí)施例采用的是對電調(diào)制層折射率進(jìn)行調(diào)諧的 裝置，電調(diào)制層為電光調(diào)制層。樣品池6是將檢測物質(zhì)局限于電場可調(diào)諧WCSPR生物芯片 5檢測表面的裝置，其數(shù)量、形狀及尺寸由檢測需要決定。光探測器4用于對來自電場可調(diào) 諧WCSPR生物芯片5的檢測層的反射或透射光強(qiáng)進(jìn)行檢測?？刂葡到y(tǒng)9是確定檢測角度、 完成外場掃描、確定調(diào)制外場強(qiáng)度、記錄檢測信號、完成數(shù)據(jù)分析處理的軟硬件系統(tǒng)，包括 但不限于轉(zhuǎn)臺控制器、場發(fā)生器控制器、數(shù)據(jù)采集器、中央控制器以及控制及分析軟件。微 流控系統(tǒng)7用于實(shí)現(xiàn)樣品池中樣品更換，微流控系統(tǒng)7包括用于生物芯片表面清洗、重生的 流體控制器，該流體控制器包括流體泵、選通閥和微流管道。
[0034] 上述電場調(diào)制的SPR檢測系統(tǒng)的工作機(jī)理如下：單色光源1發(fā)出的光束經(jīng)過光學(xué) 組件2整形、濾波、偏振處理，產(chǎn)生單色、平行、p型偏振的光通過高折射率棱鏡3耦合入電 場可調(diào)諧WCSPR生物芯片5。光探測器4接受來自電場可調(diào)諧WCSPR生物芯片5的反射光， 通過光強(qiáng)的變化對可調(diào)諧WCSPR生物芯片5表面的信息進(jìn)行檢測。以電場可調(diào)諧WCSPR生 物芯片5的上下層金屬為電極，電壓源8向電光調(diào)制層施加電場。電光調(diào)制層采用線性電 光材料，其折射率變化與外加電場的關(guān)系為：
[0035]

【權(quán)利要求】
1. 一種基于外場調(diào)制的SPR檢測系統(tǒng)的檢測方法，包括下列步驟： 1) 用折射率或濃度已知的第一、第二樣品溶液，通過角度掃描得出〇外場下的所述SPR 檢測系統(tǒng)的靈敏度，并根據(jù)第一、第二樣品溶液SPR角度掃描曲線的線性范圍標(biāo)定檢測的 動態(tài)范圍；計(jì)算出〇外場下的所述SPR檢測系統(tǒng)的靈敏度，并根據(jù)第一、第二樣品溶液SPR 角度掃描曲線的線性范圍標(biāo)定檢測的動態(tài)范圍； 2) 選定所述動態(tài)范圍內(nèi)的某一角度作為入射角度，進(jìn)行外場掃描，得到反射光強(qiáng)隨外 場強(qiáng)度變化的線性系數(shù)； 3) 在所述SPR檢測系統(tǒng)的可調(diào)諧SPR生物芯片上的樣品池中通入待測溶液，選定與步 驟2)相同的入射角度，當(dāng)反射光強(qiáng)超出或即將超出所述動態(tài)范圍時(shí)，保持同一入射角度，調(diào) 節(jié)所施加的外場強(qiáng)度，使所檢測到的反射光強(qiáng)度保持在所述動態(tài)范圍內(nèi)，讀出此時(shí)的外場 強(qiáng)度和反射光強(qiáng)度； 4) 基于步驟2)所得出的線性系數(shù)將當(dāng)前外場強(qiáng)度下的反射光強(qiáng)度轉(zhuǎn)換為0外場下的 等效反射光強(qiáng)度，再基于步驟1)所得到的〇外場下的所述SPR檢測系統(tǒng)的靈敏度，利用該 〇外場下的等效反射光強(qiáng)度計(jì)算出待測溶液的折射率或濃度。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的檢測方法，其特征在于，所述步驟1)中，在不同強(qiáng)度的外場 下分別進(jìn)行角度掃描，得到第一樣品溶液和第二樣品溶液的SPR角度掃描曲線，根據(jù)第一、 第二樣品溶液SPR角度掃描曲線的線性范圍標(biāo)定對應(yīng)于每個(gè)強(qiáng)度的外場所對應(yīng)的動態(tài)范 圍； 所述步驟3)中，當(dāng)待測溶液的反射光強(qiáng)超過0外場下的動態(tài)范圍時(shí)，通過調(diào)節(jié)外場強(qiáng) 度，使得檢測信號反射光強(qiáng)度回到相應(yīng)外場強(qiáng)度下的動態(tài)范圍中，然后再讀出外場強(qiáng)度和 反射光強(qiáng)度。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的檢測方法，其特征在于，所述線性區(qū)域是使線性度大于 0. 9995的反射光強(qiáng)度區(qū)域。
4. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的檢測方法，其特征在于，所述步驟1)中，基于每個(gè)外場強(qiáng)度 下的SPR角度掃描曲線的線性區(qū)域，以線性區(qū)域的最大反射光強(qiáng)度和最小反射光強(qiáng)度作為 1和0,對SPR角度掃描曲線做歸一化處理；并且，用第一樣品溶液和第二樣品溶液的歸一化 后的SPR角度掃描曲線，計(jì)算出0外場下的所述SPR檢測系統(tǒng)的歸一化靈敏度； 所述步驟2)中，以線性區(qū)域的最大反射光強(qiáng)度和最小反射光強(qiáng)度作為1和0,對外場掃 描得到的反射光強(qiáng)隨外場強(qiáng)度變化的曲線做歸一化處理； 所述步驟3)中，根據(jù)所讀出的外場強(qiáng)度，依照步驟1)所得出的相應(yīng)外場強(qiáng)度的歸一化 SPR角度掃描曲線，對所讀出的反射光強(qiáng)度進(jìn)行歸一化處理； 所述步驟4)中，基于步驟2)所得出的歸一化后的反射光強(qiáng)隨外場強(qiáng)度變化的曲線的 線性系數(shù)，將當(dāng)前外場強(qiáng)度下的歸一化后的反射光強(qiáng)度轉(zhuǎn)換為〇外場下的歸一化等效反射 光強(qiáng)度，再基于步驟1)所得到的〇外場下的所述SPR檢測系統(tǒng)的歸一化靈敏度，利用該歸 一化等效反射光強(qiáng)度計(jì)算出待測溶液的折射率或濃度。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的檢測方法，其特征在于，所述第一、第二樣品溶液是1XPBS、 2XPBS、去離子水、1:200磷酸緩沖液或者甘油溶液。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的檢測方法，其特征在于，所述外場為電場、熱場、磁場或者聲 場，所述外場強(qiáng)度為電壓、溫度、磁場強(qiáng)度或者聲強(qiáng)。
【文檔編號】G01N21/552GK104237169SQ201310226200
【公開日】2014年12月24日 申請日期:2013年6月7日 優(yōu)先權(quán)日:2013年6月7日
【發(fā)明者】朱勁松, 李少鵬, 周大蘇, 宋爐勝 申請人:國家納米科學(xué)中心