本發(fā)明涉及生物檢測(cè)領(lǐng)域，尤其涉及手性傳感元件、設(shè)備，手性表征方法，濃度表征方法。

背景技術(shù)：

手性是指一個(gè)幾何結(jié)構(gòu)或者點(diǎn)群與其鏡像無(wú)法重合的現(xiàn)象。這種現(xiàn)象在自然界中是非常常見(jiàn)，也非常重要。在生命科學(xué)領(lǐng)域，具有互為鏡像分子結(jié)構(gòu)的手性分子被稱為對(duì)映體，其具有幾乎完全相同的物理和化學(xué)性質(zhì)。然而，生命活體卻偏向于一種手性。事實(shí)上，活體中幾乎所有的糖類、蛋白質(zhì)和dna等都具有同一種手性。這些手性物質(zhì)在活體中造成了一種手性環(huán)境，這種手性環(huán)境維持著生命的運(yùn)行。這種生命的運(yùn)行對(duì)進(jìn)入的活體物質(zhì)的手性具有很大的敏感性。一旦具有相反手性物質(zhì)進(jìn)入活體，輕則帶來(lái)疾病，重則帶來(lái)死亡。因此分子手性的檢測(cè)在生命科學(xué)、醫(yī)藥和臨床等領(lǐng)域都具有重大的研究和應(yīng)用價(jià)值。由于手性分子會(huì)與圓偏光之間形成識(shí)別性的相互作用，并表現(xiàn)出手性效應(yīng)，即圓二色性和圓雙折射特性。這些手性效應(yīng)為檢測(cè)分子構(gòu)象提供了有效途徑。然而，自然界中手性分子的手性效應(yīng)太弱(即分子的非對(duì)稱因子g-factor太小)，其限制了利用此效應(yīng)實(shí)現(xiàn)對(duì)對(duì)映體檢測(cè)的靈敏度。

目前的生物分子手性表征技術(shù)主要有以下三種：1、x-射線晶體衍射技術(shù)；2、核磁共振波譜技術(shù)；3、新型的光譜技術(shù)，比如圓二色光譜技術(shù)、熒光活性光譜技術(shù)、拉曼活性光譜技術(shù)等等。x-射線晶體衍射技術(shù)是使用最廣泛的一種手性生物分子技術(shù)，目前85％左右的手性生物分子的表征是采用此技術(shù)。其利用周期性的物質(zhì)晶體結(jié)構(gòu)與其對(duì)x射線衍射空間分布的方位和強(qiáng)度之間的關(guān)系，實(shí)現(xiàn)對(duì)晶體內(nèi)部原子排列規(guī)律的檢測(cè)。因此，在采用x射線衍射技術(shù)檢測(cè)手性生物分子的過(guò)程中，需要首先對(duì)待檢測(cè)手性生物分子進(jìn)行結(jié)晶。因而，此技術(shù)無(wú)法檢測(cè)不易結(jié)晶的手性生物分子，無(wú)法實(shí)現(xiàn)對(duì)溶液中活性手性生物分子的原位檢測(cè)和相關(guān)生化反應(yīng)動(dòng)力學(xué)表征等；核磁共振技術(shù)(nmr，nuclearmagneticresonance)是一種利用塞曼效應(yīng)實(shí)現(xiàn)對(duì)手性生物分子空間結(jié)構(gòu)的表征技術(shù)，其目前的市場(chǎng)使用率在15％左右。nmr具有原位手性生物分子檢測(cè)，實(shí)時(shí)研究手性生物分子反應(yīng)動(dòng)力學(xué)規(guī)律的能力。然而，受到復(fù)雜的圖譜分析的限制，nmr在分子量比較大的蛋白質(zhì)檢測(cè)中受到諸多限制，同時(shí)nmr在使用過(guò)程中還需要對(duì)待檢測(cè)手性生物分子進(jìn)行標(biāo)記，這進(jìn)一步限制了此種技術(shù)的應(yīng)用范圍；新型光譜技術(shù)利用手性生物分子對(duì)左和右圓偏振光的響應(yīng)差異實(shí)現(xiàn)對(duì)生物分子手性的檢測(cè)，其具有儀器設(shè)備簡(jiǎn)單、廉價(jià)，可實(shí)現(xiàn)原位檢測(cè)和手性生物分子反應(yīng)動(dòng)力學(xué)的實(shí)時(shí)表征等諸多優(yōu)點(diǎn)。其中最成熟的光譜技術(shù)是圓二色光譜技術(shù)。

傳統(tǒng)的圓二色光譜技術(shù)是利用待檢測(cè)蛋白質(zhì)對(duì)入射左和右圓偏振光的吸收差異來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)蛋白質(zhì)空間結(jié)構(gòu)的檢測(cè)，這種技術(shù)對(duì)蛋白質(zhì)構(gòu)象的檢測(cè)靈敏度取決于蛋白質(zhì)分子本身的非對(duì)稱因子，即蛋白質(zhì)分子與左和右圓偏振光之間的非對(duì)稱作用差異。然而，這種作用差異是非常微弱的，其限制了圓二色光譜技術(shù)的檢測(cè)靈敏度(一般只能達(dá)到毫克量級(jí))。同時(shí)，在系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)上，為了能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)紫外區(qū)域和弱圓二色信號(hào)的檢測(cè)，商業(yè)系統(tǒng)本身不僅要具有極高的檢測(cè)靈敏度，而且在測(cè)試過(guò)程中要通過(guò)高純度的氮?dú)?。這就提高了系統(tǒng)的價(jià)格和樣品檢測(cè)成本，降低了樣品的檢測(cè)效率。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明要解決的技術(shù)問(wèn)題是：提供一種手性傳感元件及設(shè)備，提高分子手性的檢測(cè)靈敏度；提供一種手性表征方法，降低設(shè)備和檢測(cè)成本，提高檢測(cè)效率和準(zhǔn)確度；提供一種濃度表征方法，實(shí)現(xiàn)對(duì)溶液中生物分子濃度的高靈敏表征。

為解決上述問(wèn)題，本發(fā)明采用的技術(shù)方案是：手性傳感元件，包括具有透光性的上部覆蓋層、中部覆蓋層、下部覆蓋層，以及由上部覆蓋層、中部覆蓋層、下部覆蓋層形成的微流通道；在微流通道內(nèi)的下部覆蓋層上設(shè)置有手性納米結(jié)構(gòu)陣列。

手性光學(xué)效應(yīng)，比如圓二色性和旋光，是一種高階效應(yīng)，其主要來(lái)自于電偶極子與磁偶極子、電偶極子與電四極子之間的相互作用。手性金屬納米結(jié)構(gòu)附近激發(fā)出的超手性電磁場(chǎng)能夠有效增強(qiáng)手性生物分子中電偶極子與電四極子之間的相互作用，進(jìn)而極大地增強(qiáng)手性生物分子的非對(duì)稱因子，提高分子手性的檢測(cè)靈敏度。

進(jìn)一步的，所述手性納米結(jié)構(gòu)呈陣列排布。手性納米結(jié)構(gòu)呈陣列可以更好的增強(qiáng)手性生物分子的非對(duì)稱因子，提高分子手性的檢測(cè)靈敏度。

進(jìn)一步的，在手性納米結(jié)構(gòu)與下部覆蓋層之間還設(shè)有粘附層，用以增強(qiáng)納米結(jié)構(gòu)陣列的附著強(qiáng)度。

具體的來(lái)說(shuō)，所述上部覆蓋層或中部覆蓋層或下部覆蓋層的材質(zhì)為石英、藍(lán)寶石、透光高分子材料中的任意一種。

手性傳感設(shè)備，包括上述的手性傳感元件。

進(jìn)一步的，手性傳感設(shè)備還包括位于所述手性傳感元件前方的線偏振光和圓偏振光切換系統(tǒng)，所述線偏振光和圓偏振光切換系統(tǒng)包括偏光元件和四分之一玻片，所述偏光元件位于四分之一玻片前方。

具體的，所述偏光元件為偏光片或者格蘭棱鏡。

進(jìn)一步的，手性傳感設(shè)備還包括位于所述線偏振光和圓偏振光切換系統(tǒng)前方的平行光調(diào)制系統(tǒng)，以及位于所述手性傳感元件后方的光信號(hào)接收系統(tǒng)。

基于上述手性傳感設(shè)備的手性表征方法，分別獲取通過(guò)左手性納米結(jié)構(gòu)前后的樣品的左手性圓二色譜，并通過(guò)對(duì)比計(jì)算獲得樣品的圓二色譜峰的左手性移動(dòng)量；分別獲取通過(guò)右手性納米結(jié)構(gòu)前后的樣品的右手性圓二色譜，并通過(guò)對(duì)比計(jì)算獲得樣品的圓二色譜峰的右手性移動(dòng)量；分析所述左手性移動(dòng)量和右手性移動(dòng)量之間的相對(duì)差值的符號(hào)和大小。

同時(shí)，本發(fā)明還提供了一種基于上述手性傳感設(shè)備的濃度表征方法，采用線偏振光作為信號(hào)源進(jìn)行檢測(cè)，通過(guò)檢測(cè)和比較生物分子在通過(guò)手性納米結(jié)構(gòu)前后的spr峰的移動(dòng)量的符號(hào)和大小，實(shí)現(xiàn)對(duì)待檢測(cè)生物分子濃度的表征。

本發(fā)明的有益效果是：1、本發(fā)明利用手性納米結(jié)構(gòu)的超靈敏感知能力為中介，實(shí)現(xiàn)對(duì)生物分子濃度及其手性特征的高靈敏檢測(cè)。相對(duì)于傳統(tǒng)的圓二色光譜技術(shù)，此套系統(tǒng)的檢測(cè)靈敏度能夠大大提高；

2、由于采用了全新的檢測(cè)技術(shù)原理，此套系統(tǒng)能夠在使用低性能的元器件，實(shí)現(xiàn)對(duì)生物分子手性的表征。同傳統(tǒng)的spr生物傳感器相比，本發(fā)明在兼容其所有功能的同時(shí)，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)生物分子手性的高靈敏表征，提高了系統(tǒng)的適用性；

3、手性納米結(jié)構(gòu)的圓二色信號(hào)不僅非常強(qiáng)，可以達(dá)到1deg左右，而且可以通過(guò)電磁場(chǎng)理論和微納加工技術(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)紫外可見(jiàn)光波段具有手性信號(hào)響應(yīng)的金屬納米結(jié)構(gòu)。因而，設(shè)備系統(tǒng)中可以采用較低性能的設(shè)備元件，而且無(wú)需紫外光源，只要將手性金屬納米結(jié)構(gòu)的圓二色信號(hào)設(shè)計(jì)在可見(jiàn)光波段，本發(fā)明設(shè)備在檢測(cè)時(shí)系統(tǒng)也無(wú)需氮?dú)獗Ｗo(hù)，這就有效降低了系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)成本和檢測(cè)成本，提高了檢測(cè)效率。檢測(cè)中系統(tǒng)無(wú)需氮?dú)獗Ｗo(hù)，因此，系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單、廉價(jià)，同時(shí)也降低了檢測(cè)成本，提高了檢測(cè)效率

附圖說(shuō)明

圖1是實(shí)施例手性傳感設(shè)備的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2是實(shí)施例手性傳感元件的立體圖；

圖3是實(shí)施例手性傳感元件的俯視圖；

圖4是實(shí)施例手性傳感元件的側(cè)視圖。

圖中編號(hào)：110為平行光調(diào)制系統(tǒng)，120為線偏振光和圓偏振光切換系統(tǒng)，100為手性傳感元件，130為光信號(hào)接收系統(tǒng)，1為光源，2為第一透鏡，3為第二透鏡，4為第一漫反射鏡，5為第二漫反射鏡，6為第三透鏡，7為第四透鏡，8為狹縫，9為偏光元件，10為四分之一玻片，101為上部覆蓋層，102為中部覆蓋層，103為第一下部覆蓋層，104為第二覆蓋層，105為微流通道，106為手性金屬納米結(jié)構(gòu)陣列，105a為微流通道進(jìn)口，105b為微流通道出口。

具體實(shí)施方式

以下通過(guò)實(shí)施例對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步的描述。

如圖1所示，本實(shí)施例的手性傳感設(shè)備依次包括以下組件：平行光調(diào)制系統(tǒng)110、線偏振光和圓偏振光切換系統(tǒng)120、手性傳感元件100、光信號(hào)接收系統(tǒng)130。其中：

平行光調(diào)制系統(tǒng)110可以具有不同的光路結(jié)構(gòu)，其允許以期望的方式放置光學(xué)組件以獲得平行的光束。在具體的實(shí)施例一中，組件110由寬波帶光源1、第一透鏡2、第二透鏡3、第一漫反射鏡4、第一漫反射鏡5、第三透鏡6、第四透鏡7和狹縫8組成。如圖1所示，寬波帶光源1(可以是普通的白光光源)發(fā)出的發(fā)散光經(jīng)過(guò)一系列的透鏡和狹縫后被調(diào)制為平行光。需要注意的是，在其他可能的實(shí)施例中，上述透鏡、漫反射鏡和狹縫等光學(xué)器件的位置和數(shù)量都是可以變化的。

線偏振光和圓偏振光切換系統(tǒng)120可以具有不同的光路結(jié)構(gòu)和控制方式，其允許以期望的方式放置光學(xué)組件以實(shí)現(xiàn)線偏振光、左圓偏振和右圓偏振光之間的切換。在本例中，線偏振光和圓偏振光切換系統(tǒng)120由偏振元件9和四分之一玻片10組成。偏振元件9可以是一般的薄膜偏振片、也可以是格蘭棱鏡等能夠?qū)崿F(xiàn)起偏的光學(xué)元件。四分之一玻片10是一種能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)平面內(nèi)相互垂直兩個(gè)方向上的電磁波的相位延遲差異為1/4π的光學(xué)元器件，其可以是由雙折射晶體加工而成，也可以是由菲涅爾反射鏡組成。偏振元件9和四分之一玻片10可以手動(dòng)調(diào)整角度，也可以由電腦控制角度，從而將入射的平行光轉(zhuǎn)換為線偏振光、左圓偏振光或者右圓偏振光。

手性傳感元件100是以手性納米結(jié)構(gòu)為核心的微流通道系統(tǒng)。如圖2-4所示，手性傳感元件100包括上部覆蓋層101，中部覆蓋層102，粘附層103，下部覆蓋層104，微流通道105，微流通道進(jìn)口105a，微流通道出口105b和手性金屬納米結(jié)構(gòu)陣列106。需要注意的是：首先，構(gòu)成上述各個(gè)覆蓋層的物質(zhì)具有很好的透光性，可以是石英、藍(lán)寶石或者透光的高分子材料等；其次，上述所有覆蓋層所包圍的空間即為微流通道105，是樣品溶液流經(jīng)的通道。特別地，粘附層103介于手性金屬納米結(jié)構(gòu)陣列106和下部覆蓋層104的之間，典型的厚度在1-200nm之間，其作用是增強(qiáng)納米結(jié)構(gòu)陣列的附著強(qiáng)度；再次，手性金屬納米結(jié)構(gòu)陣列106如附圖3所示的，陣列的基本單元可以更換為其他任意的手性結(jié)構(gòu)，陣列的組成方式也可以是任意的周期性排列。

利用手性傳感設(shè)備在對(duì)待測(cè)樣品進(jìn)行表征時(shí)，分別獲得通過(guò)左手性納米結(jié)構(gòu)前后樣品的左手性的圓二色譜，并通過(guò)對(duì)比計(jì)算獲得樣品的圓二色譜峰的左手性移動(dòng)量δλlh；通過(guò)同樣的方法獲得通過(guò)右手性金屬納米結(jié)構(gòu)前后樣品的圓二色譜峰的右手性移動(dòng)量δλrh。最后通過(guò)分析δλlh和δλrh之間的相對(duì)差值的符號(hào)(即±)和大小，即可實(shí)現(xiàn)對(duì)生物分子手性的高靈敏表征。這種分子手性表征技術(shù)實(shí)際上是一種間接的手性表征技術(shù)，即通過(guò)檢測(cè)生物分子手性依賴的手性金屬納米結(jié)構(gòu)的圓二色信號(hào)的特征漂移量，實(shí)現(xiàn)對(duì)待檢測(cè)生物分子構(gòu)象的表征。同傳統(tǒng)的圓二色技術(shù)相比，這種技術(shù)的檢測(cè)靈敏度有了極大的提高，可以達(dá)到皮克量級(jí)；在系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)上，由于這種技術(shù)是一種間接的手性表征技術(shù)，系統(tǒng)獲得的原始圓二色信號(hào)來(lái)自于手性金屬納米結(jié)構(gòu)。事實(shí)上，手性金屬納米結(jié)構(gòu)的圓二色信號(hào)不僅非常強(qiáng)，可以達(dá)到1deg左右，而且可以通過(guò)電磁場(chǎng)理論和微納加工技術(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)紫外可見(jiàn)光波段具有手性信號(hào)響應(yīng)的金屬納米結(jié)構(gòu)。因而，設(shè)備系統(tǒng)中可以采用較低性能的設(shè)備元件，而且無(wú)需紫外光源，只要將手性金屬納米結(jié)構(gòu)的圓二色信號(hào)設(shè)計(jì)在可見(jiàn)光波段，這就有效降低了系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)成本和檢測(cè)成本(檢測(cè)中系統(tǒng)無(wú)需氮?dú)獗Ｗo(hù))，提高了檢測(cè)效率。

此外，手性金屬納米結(jié)構(gòu)同樣具有一般金屬納米結(jié)構(gòu)所具有的基于表面等離子體共振(spr)生物傳感功能，即通過(guò)表征手性金屬納米結(jié)構(gòu)附近折射率變化對(duì)結(jié)構(gòu)的spr峰移動(dòng)量的符號(hào)(即±)和大小，就可以實(shí)現(xiàn)對(duì)溶液中生物分子濃度的高靈敏表征。事實(shí)上，外加電磁波(包括線性偏振光和自然偏振光)能夠有效誘導(dǎo)金屬納米結(jié)構(gòu)(包括手性金屬納米結(jié)構(gòu)和非手性金屬納米結(jié)構(gòu))中電子的集體振蕩，其共振的頻率(即spr峰)對(duì)金屬納米結(jié)構(gòu)附近材料的折射率非常敏感，微小的折射率變化就會(huì)導(dǎo)致很大的spr峰的移動(dòng)量δλspr，而且δλspr的大小與周圍折射率變化量成正比。因而，通過(guò)檢測(cè)和比較生物分子在通過(guò)手性納米結(jié)構(gòu)前后的spr峰的移動(dòng)量的符號(hào)和大小，即可實(shí)現(xiàn)對(duì)溶液中待檢測(cè)生物分子濃度的表征。在設(shè)備實(shí)現(xiàn)上，通過(guò)上述手性傳感設(shè)備就能夠完全實(shí)現(xiàn)此項(xiàng)功能。只需要在測(cè)試過(guò)程中，增加采用線偏振光作為信號(hào)源進(jìn)行檢測(cè)的步驟即可。因而，本發(fā)明的設(shè)備，能夠同時(shí)兼容傳統(tǒng)spr生物傳感器的功能，實(shí)現(xiàn)了對(duì)手性生物分子的濃度和手性的同時(shí)表征，降低了設(shè)備和檢測(cè)成本，提高檢測(cè)效率和準(zhǔn)確度。

需要指出的是，上面所述只是說(shuō)明本發(fā)明的一些原理，由于對(duì)相同技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來(lái)說(shuō)是很容易在此基礎(chǔ)上進(jìn)行若干修改和改動(dòng)的。因此，本說(shuō)明書并非是要將本發(fā)明局限在所示和所述的具體結(jié)構(gòu)和適用范圍內(nèi)，故凡是所有可能被利用的相應(yīng)修改以及等同物，均屬于本發(fā)明所申請(qǐng)的專利范圍。