專利名稱：一種基于聲光調制的微懸臂梁陣列生化傳感方法及裝置的制作方法
技術領域：
本發明屬于或涉及生化傳感技術領域，其發明創造可具體應用于食品安全、環境污染、生物醫學、科學研究和生產制造等領域的監控和檢測。
背景技術：
基于表面應力檢測的微懸臂梁(以后均稱微梁)生化傳感技術是近年出現的一種新興傳感技術，其原理是把探針(抗原或抗體)分子用直接或間接的方式固定(修飾)到微梁一側的鍍金層上，當被檢測樣品液中的靶分子與微梁金表面上的探針分子發生特異性反應時，會使微梁表面應力改變，從而導致微梁彎曲變形，通過光學或電學方法檢測這種變形的過程，可得到生化反應的實時信息。與傳統的免疫傳感方法相比，該方法無需使用任何酶標、熒光物質和放射性作為反應示蹤劑，消除了標記過程的影響，靈敏度高(比酶聯免疫試驗高數倍)，還可以通過監測微梁變形來實時、定量的監測抗原抗體的反應過程，得到更豐富的免疫生化反應的信息。經過這些年的發展，微梁傳感被作為一種新興技術，在生物工程和環境污染監測技術等方面與傳統的方法進行對比研究，如RNA轉錄因子、酶、汞排放及揮發性化合物等，由于微懸臂梁的厚度尺寸僅為亞微米量級，對微梁表面生化反應(比如，修飾的探針分子與靶分子結合)導致的應力變化極為敏感，使其檢測極限達到納克甚至亞納克級每毫升，優于常規的酶聯免疫方法。在單微懸臂梁檢測系統基礎上，為進一步消除環境溫漂、溶液折射率變化等背景噪聲影響、實現多種靶標分子的快速并行檢測，微梁傳感技術正逐步向多陣列發展。已報道實現微梁陣列傳感研究的方法主要有(I)利用垂直共振腔面射型激光器提供時序陣列光源，對微梁陣列進行逐一照射，再利用光電位置敏感探測器(PSD)對各微梁的偏轉信號進行接收檢測；(2)利用擴束后的面光源照射微梁陣列，用CCD記錄二維微梁陣列變形前后的圖像進行微梁的變形檢測。但由于垂直共振腔面射型激光器發射光束的相鄰距離不能調節，它只能針對間距一定的微梁陣列進行照射，靈活性較低且價格也很昂貴；CCD面光源檢測法中，由于微梁尖端的彎曲會使圖像產生彌散，嚴重影響光斑位移的檢測質量，導致其檢測靈敏度不高，且多通道檢測時速度也較慢。如何利用簡單光路設計出方便實用的傳感系統，實現微梁陣列高靈敏度、快速、并行的變形檢測，研制出微梁陣列免疫傳感裝置，并利用陣列免疫傳感器進行抗體親和常數測定以及應用于食品安全中多殘留和多種重金屬離子并行實時原位檢測，一直是生化檢測領域關注的焦點。
發明內容
本發明的設計思路是利用聲光偏轉器驅使激光器發射出來的激光束產生周期性偏轉，以掃描微梁陣列；再通過光杠桿原理將微梁陣列中各微梁的彎曲變形信號放大，用光電位置敏感探測器(PSD)時序接收檢測，從而實時監測各微梁上的生化反應過程信息。一種基于聲光調制的微懸臂梁陣列生化傳感方法，步驟包括
先利用聲光偏轉器驅使激光器發射出來的激光束產生周期性偏轉，用該周期性偏轉的激光束來掃描微梁陣列；再通過光杠桿原理將微梁陣列中各微梁的彎曲變形信號放大；然后用光電位置敏感探測器PSD時序接收檢測所述放大后的彎曲形變信號，從而實時監測各微梁上的生化反應過程信息。所述聲光偏轉器采用聲光調制器即可。一種使用上述方法的裝置，包括激光器、聲光調制器、生化反應池、微梁陣列、光電位置敏感探測器PSD和監測單元； 所述聲光調制器在激光器發出的準直激光束的光路上；所述微梁陣列在生化反應池內，微梁陣列在調整聲光調制器的出射光的光路上；所述光電位置敏感探測器PSD靶面在微梁陣列的反射光的光路上；所述光電位置敏感探測器PSD的信號輸出端連接監測單元的信號輸入端；所述聲光調制器包括聲光介質和壓電換能器；所述壓電換能器接收載波頻率信號后產生相同頻率的超聲波傳入聲光介質；所述準直激光束經過聲光介質后產生折射后得到出射光。所述準直激光束射入聲光調制器的入射角度符合布拉格衍射角。所述載波頻率信號為超聲波。還包括反光鏡，反光鏡位于聲光調制器和微梁陣列之間的光路上；聲光調制器的出射光經反光鏡反射后射到微梁陣列上。所述生化反應池連接有加熱裝置，加熱裝置由溫控器控制。鑒于微梁陣列生化傳感并行檢測技術的靈敏度與照射在微梁陣列上的激光束有較大關系，本發明利用聲光調制的方法原理對準直激光束調制，與已有的微梁陣列生化傳感并行檢測方法相比較有如下優點I)探測光路結構簡單，容易實現；2)掃描步進量可以任意調節，對各種間距的微梁陣列都能方便快捷的進行定位探測，靈活性較強；3)使用同一激光器掃描，保證了微梁陣列各根微梁上照射光源的一致性；4)掃描過程中沒有機械轉動，精度高；5)使用此方法集成的微梁陣列生化傳感器體積小、重量輕，移動方便。
圖I基于聲光調制的微梁陣列生化傳感裝置整體設計示意圖；圖2聲光調制器原理不意圖；圖3聲光調制驅動激光束掃描微梁陣列原理圖；圖4(a)和圖4(b)是微梁陣列基底上間隔250 μ m兩點處的掃描位移曲線圖，其中，圖4(a)是X方向的，圖4(b)是Y方向的。激光束周期性來回掃射微梁陣列基底上間距250 μ m的兩定點9小時，在X方向和Y方向上，兩掃描位點都保持平行一致，沒有出現較大偏移，說明系統掃描光路穩定。圖5是兩根微梁上的光點掃描信號不意調節激光束掃描位點，分別準確定位兩根微梁的尖端，周期性來回切換，采集兩根微梁位移信號。圖6是在溫度激勵下兩微梁的位移曲線圖；將微梁陣列的溫度從23°C逐步升至29°C，升溫6°C后，兩根微梁的位移響應信號相差了 2011111左右，誤差5.6% (相差量20nm除以總的變形量360nm)，在同一溫度變化激勵下基本保持一致。由于微梁傳感技術對生化反應的檢測主要是針對分子間的特異性結合，因此只要能準確的測出這種特有的反應信息，PSD靶面上接收到的微梁彎曲信號誤差在10%左右是不影響檢測結果的。
圖7是利用微梁陣列檢測CLEN抗原抗體的特異性結合；在流動PBS半小時后，先加入500ng/mL的CAP標樣，此時兩梁響應量一致，且幅度較小，說明(I)此響應信號可能是由環境擾動(溫漂、溶液折射率及酸堿度變化等)引起；
(2)梁I上修飾的瘦肉精抗體和CAP標樣不發生反應。待信號平穩后，再加入10ng/mL的CLEN標樣，此時修飾有CLEN抗體的梁I響應信號明顯大于未修飾CLEN抗體的梁2響應信號，說明(1)梁I上發生了 CLEN抗原抗體的特異性反應導致了梁上表面應力的變化；(2)梁2的響應信號幅度較小，可能是由環境擾動引起。最后，將梁I響應信號減去梁2 (參考梁)響應信號，即可得到僅由CLEN抗原抗體特異性結合產生的真實微梁變形信號(45nm)。
具體實施例方式一種基于聲光調制的微懸臂梁陣列生化傳感方法，步驟包括先利用聲光偏轉器驅使激光器發射出來的激光束產生周期性偏轉，用該周期性偏轉的激光束來掃描微梁陣列；再通過光杠桿原理將微梁陣列中各微梁的彎曲變形信號放大；然后用光電位置敏感探測器PSD時序接收檢測所述放大后的彎曲形變信號，從而實時監測各微梁上的生化反應過程信息。所述聲光偏轉器采用聲光調制器即可。—種使用上述方法的裝置，包括激光器、聲光調制器、生化反應池、微梁陣列、光電位置敏感探測器PSD和監測單元；所述聲光調制器在激光器發出的準直激光束的光路上；所述微梁陣列在生化反應池內，微梁陣列在調整聲光調制器的出射光的光路上；所述光電位置敏感探測器PSD靶面在微梁陣列的反射光的光路上；所述光電位置敏感探測器PSD的信號輸出端連接監測單元的信號輸入端；所述聲光調制器包括聲光介質和壓電換能器；所述壓電換能器接收載波頻率信號后產生相同頻率的超聲波傳入聲光介質；所述準直激光束經過聲光介質后產生折射后得到出射光。所述準直激光束射入聲光調制器的入射角度符合布拉格衍射角。所述載波頻率信號為超聲波。還包括反光鏡，反光鏡位于聲光調制器和微梁陣列之間的光路上；聲光調制器的出射光經反光鏡反射后射到微梁陣列上。所述生化反應池連接有加熱裝置，加熱裝置由溫控器控制。具體到本例中聲光調制器由聲光介質和壓電換能器構成如圖2所示，其原理是，當某種特定載波頻率信號驅動換能器時，換能器即產生同一頻率的超聲波并傳入聲光介質，在介質內形成折射率變化，此時介質的作用類似“相位光柵”，光束通過介質時即發生相互作用而改變光的傳播方向即產生衍射，當入射角為布拉格衍射角時，出射光束僅為其±1級衍射光，且出射方向隨加載載波信號頻率的變化而偏轉。為實現對微梁陣列上生化反應信息的高靈敏度、快速、并行檢測，本發明利用聲光調制方法來實現激光束對微梁陣列生化傳感并行檢測，方案如下基于聲光調制的微梁陣列生化傳感裝置整體設計示意圖如圖I所示將頻率在70MHz與90MHz之間周期性變化的超聲波信號加載至聲光調制器的壓電換能器端，激光器(直徑8mm，長40mm，匯聚激光點焦距可調)發出的準直激光束(直徑200 μ m,波長650nm)以布拉格衍射角入射聲光調制器(聲光介質TeO2),調整激光束的入射角度,使從聲光調制器中發射出的激光的光功率保持恒定，此時出射光束在3°角范圍內周期性掃描，調整反光鏡位置使激光束經反射后照射到固定在密閉生化反應池(容積O. 5ml)中的微梁陣列鍍金面(池中環境溫度由溫控器通過加熱片控制)，通過采集反射到光電位置敏感探測器(PSD)上的光斑位移信號可還原微梁陣列上各根微梁的豎向偏移量，經A/D轉換后輸入計算機，實現微梁陣列生化傳感的并行檢測。具體到實施例中實施例I、基于聲光調制的微梁陣列傳感方法對溫度變化的測量將一商品化微梁陣列(德國micromotive公司，其中微梁長500 μ m,寬90 μ m,厚Iym,表面鍍有O. 02 μ m厚的金層,相鄰微梁中心間距為250 μ m)放置于圖I所不系統中；如圖I所示將聲光調制器(調制波長633 670nm，中心頻率80MHz，調制帶寬50MHz)和半導體激光器放置到系統中，聲光調制器加載信號頻率在70MHz至90MHz之間周期性變化的超聲波，調整激光束入射聲光調制器的位使經射聲光調制器后發射出的激光束的光功率保持穩定；將激光束照射到微梁陣列基底上，并周期性來回掃射間距250 μ m的兩定點9小時，掃描位移曲線圖如圖4所示在X方向和Y方向上，兩掃描位點都保持平行一致，沒有出現較大偏移，說明系統掃描光路穩定；調節激光束掃描位點，準確定位兩根微梁的尖端，周期性來回切換并采集位移信號，示意圖如圖5所示；在微梁位移信號穩定后，用高精度溫控器(精度0.01°C)將微梁陣列的溫度從23°C逐步升至29°C，所得對應數據曲線如圖6所示。從圖6中可以看出在升溫6°C后，兩根微梁的位移響應信號相差了 20nm左右，誤差5. 6% (相差量20nm除以總的變形量360nm)，在同一溫度變化激勵下基本保持一致。由于微梁傳感技術對生化反應的檢測主要是針對分子間的特異性結合，因此只要能準確的測出這種特有的反應信息，PSD靶面上接收到的微梁彎曲信號誤差在10%左右是不影響檢測結果的。實施例2、基于聲光調制的微梁陣列生化傳感方法對瘦肉精的檢測實驗試劑瘦肉精抗體,瘦肉精標準樣品CLEN，氯霉素標準樣品CAP(以上3種樣品均取自中國農業大學農學與生物技術學院)；活化劑l-ethyl_3-(3-dimethyl aminopropyl)carbodiimide (EDC), N-Hydroxysulfosuccinimide (NHS);硫醇肥-012-(1)0!1(以上 3 種藥品均購置于 SIGMA 公司)；PBS(4. Og NaCI+0. IgKH2PO4+1. 48g Na2HPO4 ·Η20+500ι 1 去離子水)；TPBS(PBS+0. 5% Tween-20) ;98%濃硫酸；30%雙氧水，均為分析純。微梁陣列上抗體的修飾
清洗微梁陣列，浸入比例為I : 3的H2O2和H2SO4混合溶液中IOmin (室溫)，取出用去離子水沖洗，放入孔板中，加入200 μ L的O. lmol/L硫醇后封口靜置20h (室溫)，利用硫醇自帶的巰基(-HS)自組裝到微梁陣列一側的鍍金表面上。反應完成后，取出微梁陣列用乙醇沖洗,再用去離子水沖洗,放入新孔板中，注入100 μ L的02mol/L EDC和100 μ L的O.05mol/L NHS靜置I. 5h，活化微梁陣列上硫醇的羧基。隨后將微梁陣列取出用去離子水沖洗，再放到毛細管陣列套合修飾平臺上，對I號微梁進行瘦肉精抗體修飾。然后取出微梁陣列用TPBS沖洗，再固定在生化反應池中，流動PBS緩沖液，調試好光路進行實驗。微梁陣列檢測結果微梁陣列對CLEN抗原抗體特異性反應的檢測結果如圖7所示，圖中先加入500ng/mL的CAP標樣后，兩梁響應量一致，且幅度較小，說明(1)此響應信號可能是由環境擾動(溫漂、溶液折射率及酸堿度變化等)引起；(2)梁I上修飾的瘦肉精抗體和CAP標樣不發生反應。待信號平穩后，再加入10ng/mL的CLEN標樣，此時修飾有CLEN抗體的梁I響應信號明顯大于未修飾CLEN抗體的梁2響應信號，說明(I)梁I上發生了 CLEN抗原抗體的特異性反應導致了梁上表面應力的變化；(2)梁2的響應信號幅度較小，可能是由環境擾動引起。最后，將梁I響應信號減去梁2 (參考梁)響應信號，即可得到僅由CLEN抗原抗體特異性結合產生的真實微梁變形信號(45nm)。
權利要求
1.一種基于聲光調制的微懸臂梁陣列生化傳感方法，其特征是步驟包括 先利用聲光偏轉器驅使激光器發射出來的激光束產生周期性偏轉，用該周期性偏轉的激光束來掃描微梁陣列； 再通過光杠桿原理將微梁陣列中各微梁的彎曲變形信號放大； 然后用光電位置敏感探測器PSD時序接收檢測所述放大后的彎曲形變信號，從而實時監測各微梁上的生化反應過程信息。
2.根據權利要求I所述的基于聲光調制的微懸臂梁陣列生化傳感方法，其特征是所述聲光偏轉器是聲光調制器。
3.一種使用權利要求I或2所述方法的裝置，其特征是包括激光器、聲光調制器、生化反應池、微梁陣列、光電位置敏感探測器PSD和監測單元； 所述聲光調制器在激光器發出的準直激光束的光路上； 所述微梁陣列在生化反應池內，微梁陣列在調整聲光調制器的出射光的光路上；所述光電位置敏感探測器PSD靶面在微梁陣列的反射光的光路上；所述光電位置敏感探測器PSD的信號輸出端連接監測單元的信號輸入端； 所述聲光調制器包括聲光介質和壓電換能器；所述壓電換能器接收載波頻率信號后產生相同頻率的超聲波傳入聲光介質；所述準直激光束經過聲光介質后產生折射后得到出射光。
4.根據權利要求3所述裝置，其特征是所述載波頻率信號為超聲波。
5.根據權利要求3所述裝置，其特征是還包括反光鏡，反光鏡位于聲光調制器和微梁陣列之間的光路上；聲光調制器的出射光經反光鏡反射后射到微梁陣列上。
全文摘要
一種基于聲光調制的微懸臂梁陣列生化傳感方法，步驟包括先利用聲光偏轉器驅使激光器發射出來的激光束產生周期性偏轉，用該周期性偏轉的激光束來掃描微梁陣列；然后用光電位置敏感探測器時序接收微梁陣列中各微梁的彎曲變形信號，從而實時監測各微梁上的生化反應過程信息。一種使用上述方法的裝置，包括激光器、聲光調制器、生化反應池、微梁陣列、光電位置敏感探測器和監測單元。本發明探測光路結構簡單，容易實現；掃描步進量可以任意調節，對各種間距的微梁陣列都能方便快捷的進行定位探測，靈活性較強；使用同一激光器掃描，保證了微梁陣列各根微梁上照射光源的一致性；掃描過程中沒有機械轉動，精度高。
文檔編號G01N33/53GK102645529SQ201210129880
公開日2012年8月22日 申請日期2012年4月27日 優先權日2012年4月27日
發明者張勇, 張青川, 程騰, 鄔林 申請人:南京中迅微傳感技術有限公司