一種用于編解碼的微球及其編解碼方法、解碼系統的制作方法
【專利摘要】本發明公開了一種用于編解碼的微球及其編解碼方法、解碼系統。編解碼方法包括以下步驟：S1，將多種含金屬元素的納米材料分別復合到微球中，形成多種微球；S2，采用脈沖寬度為納秒級，單脈沖能量大于100mJ的脈沖激光對一個待測微球進行激光誘導擊穿；S3，接收所述待測微球被誘導激發后發出的等離子體輻射光譜；S4，在所述等離子體輻射光譜中遍歷譜峰，與標準原子光譜的標準譜峰數據進行比對，將數據吻合的參考元素判定為微球內納米材料含有的金屬元素，確定所述待測微球為相應金屬元素的微球。本發明的用于編解碼的微球及其編解碼方法、解碼系統，編解碼過程準確性高、穩定性好。
【專利說明】
一種用于編解碼的微球及其編解碼方法、解碼系統【
技術領域
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[0001]本發明涉及生物檢測技術領域，特別是涉及一種用于編解碼的微球及其編解碼方法、解碼系統。【【背景技術】】
[0002]生物芯片(b1chip)技術是融微電子學、生命科學、計算機科學和光電化學為一體的高通量生物分子檢測技術，是生命科學領域的一場重大革命。傳統形式的生物芯片技術又稱為微陣列(microarray)技術，其原理是將已知序列的生物分子(DNA、RNA、多肽、蛋白質等)集成于固體表面形成探針陣列，用被標記的待檢測生物分子與上述探針陣列進行雜交反應，通過檢測相應位置的雜交探針，實現生物分子檢測的目的。傳統生物芯片雜交屬于固-液相雜交，其分立的固_液反應環境及洗滌因素使其在檢測靈敏度及稀有樣品的檢測中顯現出不足之處。在傳統生物芯片技術的基礎上已發展出了液相生物芯片(Liquid b1chip)技術。
[0003]目前，在生物芯片中，微球的編碼載體主要有焚光編碼微球、量子點編碼微球、光子晶體編碼顆粒、納米條形碼編碼微球、膠體條編碼等。最常用的是基于熒光的編碼方法。 基本方法是在微球表面接枝有機熒光染料或在微球中包裹熒光量子點，形成熒光微球。通過對微球進行短波激發，微球就可以發射出熒光。通過包裹不同的熒光物質或者不同熒光物質的組合，就可以利用得到的微球熒光光譜對微球進行辨別完成編碼。該方案中，受熒光本身的特性所限，使得編碼的準確度和穩定性、抗干擾能力受到一定限制。【
【發明內容】
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[0004]本發明所要解決的技術問題是:彌補上述現有技術的不足，提出一種用于編解碼的微球及其編解碼方法、解碼系統，編解碼過程準確性高、穩定性好。
[0005]本發明的技術問題通過以下的技術方案予以解決:
[0006]—種微球的編解碼方法，包括以下步驟:S1，將多種含金屬元素的納米材料分別復合到微球中，形成多種微球;S2,采用脈沖寬度為納秒級，單脈沖能量大于100mJ的脈沖激光對一個待測微球進行激光誘導擊穿；S3,接收所述待測微球被誘導激發后發出的等離子體輻射光譜;S4，在所述等離子體輻射光譜中遍歷譜峰，與標準原子光譜的標準譜峰數據進行比對，將數據吻合的參考元素判定為微球內納米材料含有的金屬元素，確定所述待測微球為相應金屬元素的微球。
[0007]優選的技術方案中，
[0008]步驟S1中，通過溶脹法將含金屬元素的納米材料復合到微球中，復合前將金屬元素的納米材料使用表活劑進行同類表面修飾。
[0009]還包括如下步驟:分別用所述脈沖激光對同一批次復合的多個微球進行激光誘導擊穿；分別接收所述同一批次的多個待測微球被脈沖激光激發后發出的等離子體輻射光譜;將多個所述等離子體輻射光譜進行譜峰遍歷后作為判定數據，與所述標準譜峰數據進行比對。
[0010]步驟S4中，遍歷波長譜峰，與標準波長譜峰數據進行對比。
[0011]所述納米材料中包含至少兩種金屬元素。
[0012]所述金屬元素為鈉、鎂、銀、銅、鋅中的一種或者多種的組合。
[0013]所述納米材料為銀納米材料、氧化亞銅納米材料、氧化鎂納米材料或氧化鋅納米材料。
[0014]本發明的技術問題通過以下進一步的技術方案予以解決:
[0015]—種用于如上所述的編解碼方法的微球，所述微球上復合有含金屬元素的納米材料。
[0016]一種微球的解碼系統，包括脈沖激光源、擴束器、第一透鏡、第二透鏡、第三透鏡、 光纖、色散裝置、線陣光電探測器和處理單元;所述脈沖激光源用于產生脈沖寬度為納秒級，單脈沖能量大于100mJ的脈沖激光，經所述擴束器擴束后，通過所述第一透鏡聚焦照射到一個待測微球進行激光誘導擊穿，所述待測微球被脈沖激光誘導激發后發出的光輻射信號經過所述第二透鏡準直、所述第三透鏡聚焦后，耦合到所述光纖中；所述光纖用于將所述光輻射信號傳輸到所述色散裝置，經過所述色散裝置后被所述線陣光電探測器接收，得到激光誘導擊穿產生的等離子體輻射光譜;所述處理單元用于在所述等離子體輻射光譜中遍歷譜峰，與標準原子光譜的標準譜峰數據進行比對，將數據吻合的參考元素判定為微球內納米材料含有的金屬元素，確定所述待測微球為相應金屬元素的微球。[〇〇17]優選地，還包括掃描裝置;所述掃描裝置用于對所述擴束器出射的激光進行掃描移動傳輸到所述第一透鏡。
[0018]本發明與現有技術對比的有益效果是:
[0019]本發明的微球的編解碼方法，將金屬元素復合到微球上，利用一定能量密度的脈沖激光激發微球進行激光誘導擊穿，從而利用元素原子的等離子體輻射光譜，根據等離子輻射光譜對比標準原子光譜判斷相應金屬元素的有無，確定待測微球的種類。編碼過程中， 可以利用豐富的金屬元素材料及其組合進行微球編碼，實現高通量檢測，且利用原子譜峰不受化學狀態、物理形態和其他外界作用影響的特點提供更加穩定的編碼信號，使得編碼解碼更準確，穩定性好，抗干擾能力強。解碼時，通過激光誘導擊穿產生的等離子輻射光譜進行解碼，等離子輻射光譜的譜峰為線性譜峰，不存在光譜重疊問題，從而提高了解碼準確性，同時解放了編碼的光譜空間限制，提高了編碼潛力。本發明的微球的編解碼方法，可以采用安全無毒的材料進行編碼，對生物分子無毒害作用；制備、運輸和保存過程更加簡單、 安全，降低了微球編碼的成本，在生物醫學分析和臨床診斷中具有很好的應用前景。【【附圖說明】】
[0020]圖1是本發明【具體實施方式】中的復合納米銀的微球受激發后的光譜波形圖；
[0021]圖2是本發明【具體實施方式】中的復合納米氧化亞銅的微球受激發后的光譜波形圖；[〇〇22]圖3是本發明【具體實施方式】中的復合納米氧化鎂的微球受激發后的光譜波形圖； [〇〇23]圖4是本發明【具體實施方式】中的復合納米氧化鋅的微球受激發后的光譜波形圖；
[0024]圖5是將圖1?4中的光譜波形歸一化后放在同一個坐標系中的波形圖；
[0025]圖6是本發明【具體實施方式】中的微球的解碼系統的結構示意圖。【【具體實施方式】】
[0026]下面結合【具體實施方式】并對照附圖對本發明做進一步詳細說明。
[0027]本發明的構思是:對已有的微球編碼方案進行深入研究，熒光編碼技術基于熒光發光光譜，從而有多方面的局限性:(1)無論是熒光染料微球還是量子點微球，受限于熒光的發光原理，發射光的譜峰寬度都較寬，在多組分檢測中容易導致信號重疊，從而直接影響芯片的編碼潛力；(2)熒光的編碼和解碼依賴于光譜的波形，這在制備過程中要求同類微球擁有同樣的熒光強度，而不同類微球要具備足夠的可區分度，給制備工藝提出了較高的要求；(3)由于對熒光波形的高度依賴，解碼過程也需要較為精細的強度擬合和分析方法，提高了編碼的難度；(4)熒光染料的發光性能易受外界因素影響，給編碼的穩定性帶來威脅。 基于上述分析，本發明考慮從光譜波形方面進行改進，提出原子光譜編碼的概念，將激光誘導擊穿產生等離子體光譜和生物芯片編碼這兩個跨度較大的技術領域相結合。在熒光編碼的過程中，光譜的重疊和過大的半高寬是制約編碼性能的主要因素，從光譜學角度來說，減小半高寬，減少光譜重疊是重要的優化方向。在尋找適合條件的光譜的過程中，最終發現激光誘導擊穿產生的等離子體光譜可以非常完美地滿足需求，解決熒光編碼過程中存在的多方面的局限性。
[0028]本【具體實施方式】中，一種微球的編碼方法包括以下步驟:
[0029]S1，將多種含金屬元素的納米材料分別復合到微球中，形成多種微球。
[0030]該步驟中，使用各種合成方法將含有金屬元素的納米材料合成到微球。例如，可將鈉、鎂、銀、銅、鋅中的一種或者多種的金屬元素復合到微球上。本【具體實施方式】中，分別將四種納米材料復合到微球上。四種材料分別為銀、氧化亞銅、氧化鎂和氧化鋅納米材料。合成時有多種方法可供選擇，優選地，通過溶脹法將含金屬元素的納米材料復合到微球中，復合前將金屬元素的納米材料使用表活劑進行同類表面修飾。通過表活劑表面修飾，可使納米材料在溶劑中穩定性相似，從而通過溶脹法復合到微球時，可均勾穩定地合成到微球上。 [0031 ]納米材料中可包括一種金屬元素，也可包含至少兩種金屬元素。優選地，納米材料中包含至少兩種金屬元素。這樣，合成步驟中金屬元素的種類越多，可獲得的編碼組合也越多。具體地，元素有2種時，可以獲得3種編碼組合;3種元素可以獲得7種編碼組合。依次類推，n種元素可以獲得2n-l種編碼組合，編碼組合可實現指數級增長，滿足高通量檢測需求。 [〇〇32]S2,采用脈沖寬度為納秒級，單脈沖能量大于100mJ的脈沖激光對一個待測微球進行激光誘導擊穿。
[0033]上述脈沖激光，相對普通激光具有更高的能量密度，從而可激發微球進行激光誘導擊穿產生等離子體光譜。本【具體實施方式】中入射激光脈沖寬度為10納秒級，單脈沖能量大于100mJ。[〇〇34]S3,接收所述待測微球被誘導激發后發出的等離子體輻射光譜。
[0035]S4,在所述等離子體輻射光譜中遍歷譜峰，與標準原子光譜的標準譜峰數據進行比對，將數據吻合的參考元素判定為微球內納米材料含有的金屬元素，確定所述待測微球為相應金屬元素的微球。[〇〇36]對于某種待測的微球，使用脈沖激光對微球進行激發，微球表面形成等離子體，采集等離子體輻射可以獲得待測微球上金屬元素的原子光譜。本【具體實施方式】中，四種納米材料的微球經過脈沖激光激發后的激光誘導擊穿等離子體光譜波形圖分別如圖1、2、3、4。 圖5中將四種類型的微球激光誘導擊穿光譜進行歸一化后疊加到同一張圖，A、B、C、D分別為復合了銀、氧化亞銅、氧化鎂和氧化鋅納米粒子的微球的等離子體激發譜線。從圖1?5可以清晰地看到四種材料的微球對應的譜峰之間清晰可辨，從而能極大地提高編碼的準確性。 由于原子光譜的波長_光強譜線的線性特征，原子光譜的譜峰極窄，可以使用讀圖軟件直接讀出譜峰波長數據。通過遍歷多種金屬元素的原子光譜就可以判定相應金屬元素的有無， 從而判斷微球中金屬元素材料的有無，進而對微球做出區分。
[0037]本【具體實施方式】中，選用了銀、氧化亞銅、氧化鎂和氧化鋅四種納米粒子作為特征元素材料合成供編碼的微球。除去基底和部分連續輻射的干擾，通過遍歷得到等離子體輻射光譜的譜峰數據，與標準原子光譜的譜峰數據進行比對，發現數據吻合良好，將數據吻合的參考元素判定為微球內納米材料含有的金屬元素，從而判斷待測微球為相應金屬的微球。當然，如前述復合時復合的是其它種類的金屬，此處即對應對比其它種類的標準原子光譜。每種元素的原子光譜都是標準可獲取的。
[0038]優選地，本【具體實施方式】中，分別用所述脈沖激光對同一批次復合的多個微球進行激光誘導擊穿;分別接收所述同一批次的多個待測微球被脈沖激光激發后發出的等離子體輻射光譜;將多個所述等離子體輻射光譜進行譜峰遍歷后作為判定數據，與所述標準譜峰數據進行比對。對同一批次的多個微球進行激光誘導擊穿，同一批次的金屬種類相同，從而獲取的等離子輻射光譜波形較接近，從而遍歷譜峰后獲取的判定數據更精確，使得解碼更為精確。[〇〇39]本【具體實施方式】中，通過復合金屬元素到微球上構成編碼微球。激發微球產生等離子體輻射光譜，通過分析等離子體輻射光譜與標準原子光譜實現解碼。由于激光誘導擊穿光譜譜線波長具有很強的穩定性，在生物化學反應中可以保證優異的準確性;激光誘導擊穿光譜譜峰為線性譜峰，很大程度上解決了熒光編碼中存在的光譜重疊問題，提高了準確性，解放了編碼的光譜空間限制，從而提高了編碼潛力;激光誘導擊穿光譜微球的編碼數目可以通過增加材料元素種類獲得指數級的增長，可以滿足高通量檢測需求;激光誘導擊穿光譜編碼中的解碼過程更加簡單，只需要讀取激光誘導擊穿光譜峰值并從原子光譜數據庫中索引出相應元素即可完成識別；由于物理化學作用對激光誘導擊穿光譜譜峰影響不大，而相對而言熒光微球容易受到外界影響而發生淬滅導致效果失常，所以相較于熒光微球，激光誘導擊穿光譜微球的保存和使用都更加方便。在生物醫學分析和臨床診斷中，量子點微球的封裝失當導致的量子點泄露可能會對生物分子產生毒害作用，而激光誘導擊穿光譜由于使用材料的廣泛性，可以采用一些無毒元素進行利用，很好地規避毒害問題。
[0040]如圖6所示，為本【具體實施方式】中的編碼微球的解碼系統的結構示意圖，解碼系統包括:激光源1、擴束器2、掃描裝置3、第一透鏡4、第二透鏡5、第三透鏡6、光纖、色散裝置7、 線陣光電探測器8、處理單元10。待測的微球置于工作臺9上。
[0041]激光源1發出的激光經過擴束器2的擴束后、通過第一透鏡4的聚焦后照射到工作臺9上的某個待測微球，微球即被激發而產生等離子體輻射光譜。待測微球被激光激發發出的等離子體輻射經過第二透鏡5的準直后，透過第三透鏡6聚焦后耦合進入光纖，通過色散裝置7的作用后被線陣光電探測器8接收，從而獲得激光誘導擊穿的等離子輻射光譜。處理單元10對等離子輻射光譜遍歷譜峰后獲取譜峰數據，與標準原子光譜的標準譜峰數據進行比對，將數據吻合的參考元素判定為微球內納米材料含有的金屬元素，確定所述待測微球為相應金屬元素的微球。由于等離子體衰變快壽命短，需要在激發后立即采集，因而采用外觸發模式，激光源1發射脈沖時同步輸出觸發信號，對線陣光電探測器8進行觸發采集。
[0042]優選地，解碼系統還包括掃描裝置。掃描裝置3對從擴束器2出射的激光進行移動， 進而使激光經過第一透鏡4的聚焦之后移動到工作臺9上的不同微球上，從而可以對檢測平臺上的不同微球進行照射，據此可以快速分析多個微球。
[0043]本【具體實施方式】中的編碼微球的解碼系統，通過激光誘導擊穿光譜進行解碼，解碼過程更加簡單，只需要讀取激光誘導擊穿光譜峰值數據并從原子光譜數據庫中索引出相應元素即可完成識別。等離子輻射光譜光強高，檢測便捷，從中獲取的波長信息不受外界干擾，穩定性好。
[0044]以上內容是結合具體的優選實施方式對本發明所作的進一步詳細說明，不能認定本發明的具體實施只局限于這些說明。對于本發明所屬技術領域的普通技術人員來說，在不脫離本發明構思的前提下做出若干替代或明顯變型，而且性能或用途相同，都應當視為屬于本發明的保護范圍。
【主權項】
1.一種微球的編解碼方法，其特征在于:包括以下步驟:SI，將多種含金屬元素的納米 材料分別復合到微球中，形成多種微球;S2，采用脈沖寬度為納秒級，單脈沖能量大于lOOmJ 的脈沖激光對一個待測微球進行激光誘導擊穿；S3,接收所述待測微球被誘導激發后發出 的等離子體輻射光譜;S4，在所述等離子體輻射光譜中遍歷譜峰，與標準原子光譜的標準譜 峰數據進行比對，將數據吻合的參考元素判定為微球內納米材料含有的金屬元素，確定所 述待測微球為相應金屬元素的微球。2.根據權利要求1所述的微球的編解碼方法，其特征在于:步驟S1中，通過溶脹法將含 金屬元素的納米材料復合到微球中，復合前將金屬元素的納米材料使用表活劑進行同類表 面修飾。3.根據權利要求1所述的微球的編解碼方法，其特征在于:還包括如下步驟:分別用所 述脈沖激光對同一批次復合的多個微球進行激光誘導擊穿;分別接收所述同一批次的多個 待測微球被脈沖激光激發后發出的等離子體輻射光譜;將多個所述等離子體輻射光譜進行 譜峰遍歷后作為判定數據，與所述標準譜峰數據進行比對。4.根據權利要求1所述的微球的編解碼方法，其特征在于:步驟S4中，遍歷波長譜峰，與 標準波長譜峰數據進行對比。5.根據權利要求1所述的微球的編解碼方法，其特征在于:所述納米材料中包含至少兩 種金屬元素。6.根據權利要求1所述的微球的編解碼方法，其特征在于:所述金屬元素為鈉、鎂、銀、 銅、鋅中的一種或者多種的組合。7.根據權利要求1所述的微球的編解碼方法，其特征在于:所述納米材料為銀納米材 料、氧化亞銅納米材料、氧化鎂納米材料或氧化鋅納米材料。8.—種用于權利要求1?7任一項所述的編解碼方法的微球，其特征在于:所述微球上 復合有含金屬元素的納米材料。9.一種微球的解碼系統，其特征在于:包括脈沖激光源、擴束器、第一透鏡、第二透鏡、 第三透鏡、光纖、色散裝置、線陣光電探測器和處理單元;所述脈沖激光源用于產生脈沖寬 度為納秒級，單脈沖能量大于l〇〇mJ的脈沖激光，經所述擴束器擴束后，通過所述第一透鏡 聚焦照射到一個待測微球進行激光誘導擊穿，所述待測微球被脈沖激光誘導激發后發出的 光輻射信號經過所述第二透鏡準直、所述第三透鏡聚焦后，耦合到所述光纖中；所述光纖用 于將所述光輻射信號傳輸到所述色散裝置，經過所述色散裝置后被所述線陣光電探測器接 收，得到激光誘導擊穿產生的等離子體輻射光譜;所述處理單元用于在所述等離子體輻射 光譜中遍歷譜峰，與標準原子光譜的標準譜峰數據進行比對，將數據吻合的參考元素判定 為微球內納米材料含有的金屬元素，確定所述待測微球為相應金屬元素的微球。10.根據權利要求9所述的微球的解碼系統，其特征在于:還包括掃描裝置;所述掃描裝 置用于對所述擴束器出射的激光進行掃描移動傳輸到所述第一透鏡。
【文檔編號】G01N21/71GK106053432SQ201610387277
【公開日】2016年10月26日
【申請日】2016年6月1日
【發明人】何永紅, 何清華, 孫樹清
【申請人】清華大學深圳研究生院