專利名稱：一種基于聲光調(diào)制的微懸臂梁陣列生化傳感裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
—種基于聲光調(diào)制的微懸臂梁陣列生化傳感裝置技術(shù)領(lǐng)域[0001]本實用新型屬于或涉及生化傳感技術(shù)領(lǐng)域，其實用新型創(chuàng)造可具體應(yīng)用于食品安全、環(huán)境污染、生物醫(yī)學(xué)、科學(xué)研究和生產(chǎn)制造等領(lǐng)域的監(jiān)控和檢測。
背景技術(shù)：
[0002]基于表面應(yīng)力檢測的微懸臂梁(以后均稱微梁)生化傳感技術(shù)是近年出現(xiàn)的一種新興傳感技術(shù)，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(cè)的鍍金層上，當(dāng)被檢測樣品液中的靶分子與微梁金表面上的探針分子發(fā)生特異性反應(yīng)時，會使微梁表面應(yīng)力改變，從而導(dǎo)致微梁彎曲變形，通過光學(xué)或電學(xué)方法檢測這種變形的過程，可得到生化反應(yīng)的實時信息。與傳統(tǒng)的免疫傳感方法相比，該方法無需使用任何酶標(biāo)、熒光物質(zhì)和放射性作為反應(yīng)示蹤劑，消除了標(biāo)記過程的影響，靈敏度高(比酶聯(lián)免疫試驗高數(shù)倍)，還可以通過監(jiān)測微梁變形來實時、定量的監(jiān)測抗原抗體的反應(yīng)過程，得到更豐富的免疫生化反應(yīng)的信息。經(jīng)過這些年的發(fā)展，微梁傳感被作為一種新興技術(shù)，在生物工程和環(huán)境污染監(jiān)測技術(shù)等方面與傳統(tǒng)的方法進(jìn)行對比研究，如RNA轉(zhuǎn)錄因子、酶、汞排放及揮發(fā)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(yīng)(比如， 修飾的探針分子與靶分子結(jié)合)導(dǎo)致的應(yīng)力變化極為敏感，使其檢測極限達(dá)到納克甚至亞納克級每毫升，優(yōu)于常規(guī)的酶聯(lián)免疫方法。[0003]在單微懸臂梁檢測系統(tǒng)基礎(chǔ)上，為進(jìn)一步消除環(huán)境溫漂、溶液折射率變化等背景噪聲影響、實現(xiàn)多種靶標(biāo)分子的快速并行檢測，微梁傳感技術(shù)正逐步向多陣列發(fā)展。已報道實現(xiàn)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(jìn)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(zhuǎn)信號進(jìn)行接收檢測；(2)利用擴(kuò)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(jìn)行微梁的變形檢測。但由于垂直共振腔面射型激光器發(fā)射光束的相鄰距離不能調(diào)節(jié)，它只能針對間距一定的微梁陣列進(jìn)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(chǎn)生彌散，嚴(yán)重影響光斑位移的檢測質(zhì)量，導(dǎo)致其檢測靈敏度不高，且多通道檢測時速度也較慢。[0004]如何利用簡單光路設(shè)計出方便實用的傳感系統(tǒng)，實現(xiàn)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(jìn)行抗體親和常數(shù)測定以及應(yīng)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(lǐng)域關(guān)注的焦點(diǎn)。發(fā)明內(nèi)容[0005]本實用新型的設(shè)計思路是利用聲光偏轉(zhuǎn)器驅(qū)使激光器發(fā)射出來的激光束產(chǎn)生周期性偏轉(zhuǎn)，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(jiān)測各微梁上的生化反應(yīng)過程信3[0006]一種基于聲光調(diào)制的微懸臂梁陣列生化傳感方法，步驟包括[0007]先利用聲光偏轉(zhuǎn)器驅(qū)使激光器發(fā)射出來的激光束產(chǎn)生周期性偏轉(zhuǎn)，用該周期性偏轉(zhuǎn)的激光束來掃描微梁陣列；[0008]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；[0009]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(jiān)測各微梁上的生化反應(yīng)過程信息。[0010]所述聲光偏轉(zhuǎn)器采用聲光調(diào)制器即可。[0011]一種使用上述方法的裝置，包括激光器、聲光調(diào)制器、生化反應(yīng)池、微梁陣列、光電位置敏感探測器PSD和監(jiān)測單元；[0012]所述聲光調(diào)制器在激光器發(fā)出的準(zhǔn)直激光束的光路上；[0013]所述微梁陣列在生化反應(yīng)池內(nèi)，微梁陣列在調(diào)整聲光調(diào)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(jiān)測單元的信號輸入端；[0014]所述聲光調(diào)制器包括聲光介質(zhì)和壓電換能器；所述壓電換能器接收載波頻率信號后產(chǎn)生相同頻率的超聲波傳入聲光介質(zhì)；所述準(zhǔn)直激光束經(jīng)過聲光介質(zhì)后產(chǎn)生折射后得到出射光。[0015]所述準(zhǔn)直激光束射入聲光調(diào)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。[0016]還包括反光鏡，反光鏡位于聲光調(diào)制器和微梁陣列之間的光路上；聲光調(diào)制器的出射光經(jīng)反光鏡反射后射到微梁陣列上。[0017]所述生化反應(yīng)池連接有加熱裝置，加熱裝置由溫控器控制。[0018]鑒于微梁陣列生化傳感并行檢測技術(shù)的靈敏度與照射在微梁陣列上的激光束有較大關(guān)系，本實用新型利用聲光調(diào)制的方法原理對準(zhǔn)直激光束調(diào)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(yōu)點(diǎn)[0019]I)探測光路結(jié)構(gòu)簡單，容易實現(xiàn)；[0020]2)掃描步進(jìn)量可以任意調(diào)節(jié)，對各種間距的微梁陣列都能方便快捷的進(jìn)行定位探測，靈活性較強(qiáng)；[0021]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；[0022]4)掃描過程中沒有機(jī)械轉(zhuǎn)動，精度高；[0023]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。


[0024]圖I基于聲光調(diào)制的微梁陣列生化傳感裝置整體設(shè)計示意圖；圖中[0025]聲光調(diào)制器3、微梁陣列4、光電位置敏感探測器PSD5、A/D轉(zhuǎn)換器6、溫控器7、計算機(jī)8、生化反應(yīng)池9、加熱片10、反光鏡11、激光器12 ；[0026]圖2聲光調(diào)制器原理不意圖；[0027]圖3聲光調(diào)制驅(qū)動激光束掃描微梁陣列原理圖；[0028]圖4(a)和圖4(b)是微梁陣列基底上間隔250 μ m兩點(diǎn)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。[0029]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(diǎn)9小時，在X方向和 Y方向上，兩掃描位點(diǎn)都保持平行一致，沒有出現(xiàn)較大偏移，說明系統(tǒng)掃描光路穩(wěn)定。[0030]圖5是兩根微梁上的光點(diǎn)掃描信號不意圖；[0031]調(diào)節(jié)激光束掃描位點(diǎn)，分別準(zhǔn)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。[0032]圖6是在溫度激勵下兩微梁的位移曲線圖；[0033]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(yīng)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(shù)對生化反應(yīng)的檢測主要是針對分子間的特異性結(jié)合，因此只要能準(zhǔn)確的測出這種特有的反應(yīng)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(jié)果的。[0034]圖7是利用微梁陣列檢測CLEN抗原抗體的特異性結(jié)合；[0035]在流動PBS半小時后，先加入500ng/mL的CAP標(biāo)樣，此時兩梁響應(yīng)量一致，且幅度較小，說明(I)此響應(yīng)信號可能是由環(huán)境擾動(溫漂、溶液折射率及酸堿度變化等)引起； ⑵梁I上修飾的瘦肉精抗體和CAP標(biāo)樣不發(fā)生反應(yīng)。待信號平穩(wěn)后，再加入10ng/mL的 CLEN標(biāo)樣，此時修飾有CLEN抗體的梁I響應(yīng)信號明顯大于未修飾CLEN抗體的梁2響應(yīng)信號，說明(1)梁I上發(fā)生了 CLEN抗原抗體的特異性反應(yīng)導(dǎo)致了梁上表面應(yīng)力的變化；(2) 梁2的響應(yīng)信號幅度較小，可能是由環(huán)境擾動引起。最后，將梁I響應(yīng)信號減去梁2 (參考梁)響應(yīng)信號，即可得到僅由CLEN抗原抗體特異性結(jié)合產(chǎn)生的真實微梁變形信號(45nm)。
具體實施方式
[0036]一種基于聲光調(diào)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(zhuǎn)器驅(qū)使激光器發(fā)射出來的激光束產(chǎn)生周期性偏轉(zhuǎn)，用該周期性偏轉(zhuǎn)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(jiān)測各微梁上的生化反應(yīng)過程信息。所述聲光偏轉(zhuǎn)器采用聲光調(diào)制器即可。[0037]—種使用上述方法的裝置，包括激光器、聲光調(diào)制器、生化反應(yīng)池、微梁陣列、光電位置敏感探測器PSD和監(jiān)測單元；所述聲光調(diào)制器在激光器發(fā)出的準(zhǔn)直激光束的光路上； 所述微梁陣列在生化反應(yīng)池內(nèi)，微梁陣列在調(diào)整聲光調(diào)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(jiān)測單元的信號輸入端；所述聲光調(diào)制器包括聲光介質(zhì)和壓電換能器；所述壓電換能器接收載波頻率信號后產(chǎn)生相同頻率的超聲波傳入聲光介質(zhì)；所述準(zhǔn)直激光束經(jīng)過聲光介質(zhì)后產(chǎn)生折射后得到出射光。[0038]所述準(zhǔn)直激光束射入聲光調(diào)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(diào)制器和微梁陣列之間的光路上；聲光調(diào)制器的出射光經(jīng)反光鏡反射后射到微梁陣列上。所述生化反應(yīng)池連接有加熱裝置，加熱裝置由溫控器控制。[0039]具體到本例中[0040]聲光調(diào)制器由聲光介質(zhì)和壓電換能器構(gòu)成如圖2所示，其原理是，當(dāng)某種特定載波頻率信號驅(qū)動換能器時，換能器即產(chǎn)生同一頻率的超聲波并傳入聲光介質(zhì)，在介質(zhì)內(nèi)形成折射率變化，此時介質(zhì)的作用類似“相位光柵”，光束通過介質(zhì)時即發(fā)生相互作用而改變光的傳播方向即產(chǎn)生衍射，當(dāng)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(zhuǎn)。[0041]為實現(xiàn)對微梁陣列上生化反應(yīng)信息的高靈敏度、快速、并行檢測，本實用新型利用聲光調(diào)制方法來實現(xiàn)激光束對微梁陣列生化傳感并行檢測，方案如下[0042]基于聲光調(diào)制的微梁陣列生化傳感裝置整體設(shè)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(diào)制器的壓電換能器端，激光器 (直徑8mm，長40mm，匯聚激光點(diǎn)焦距可調(diào))發(fā)出的準(zhǔn)直激光束(直徑200 μ m,波長650nm) 以布拉格衍射角入射聲光調(diào)制器(聲光介質(zhì)TeO2),調(diào)整激光束的入射角度,使從聲光調(diào)制器中發(fā)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(nèi)周期性掃描，調(diào)整反光鏡位置使激光束經(jīng)反射后照射到固定在密閉生化反應(yīng)池(容積O. 5ml)中的微梁陣列鍍金面(池中環(huán)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(jīng)A/D轉(zhuǎn)換后輸入計算機(jī)， 實現(xiàn)微梁陣列生化傳感的并行檢測。[0043]具體到實施例中[0044]實施例I、基于聲光調(diào)制的微梁陣列傳感方法對溫度變化的測量[0045]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(tǒng)中；[0046]如圖I所示將聲光調(diào)制器(調(diào)制波長633 670nm，中心頻率80MHz，調(diào)制帶寬 50MHz)和半導(dǎo)體激光器放置到系統(tǒng)中，聲光調(diào)制器加載信號頻率在70MHz至90MHz之間周期性變化的超聲波，調(diào)整激光束入射聲光調(diào)制器的位使經(jīng)射聲光調(diào)制器后發(fā)射出的激光束的光功率保持穩(wěn)定；[0047]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(diǎn)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(diǎn)都保持平行一致，沒有出現(xiàn)較大偏移，說明系統(tǒng)掃描光路穩(wěn)定；[0048]調(diào)節(jié)激光束掃描位點(diǎn)，準(zhǔn)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(wěn)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(yīng)數(shù)據(jù)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(yīng)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(shù)對生化反應(yīng)的檢測主要是針對分子間的特異性結(jié)合，因此只要能準(zhǔn)確的測出這種特有的反應(yīng)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(jié)果的。[0049]實施例2、基于聲光調(diào)制的微梁陣列生化傳感方法對瘦肉精的檢測[0050]實驗試劑[0051]瘦肉精抗體，瘦肉精標(biāo)準(zhǔn)樣品CLEN，氯霉素標(biāo)準(zhǔn)樣品CAP(以上3種樣品均取自中國農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)與生物技術(shù)學(xué)院)；活化劑l-ethyl-3-(3-dimethylaminopropyl) 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 NaCl+0. IgKH2PO4+!. 48g Na2HPO4 *H20+500ml 去離子水)；TPBS(PBS+0. 5% Tween-20) ;98%濃硫酸；30%雙氧水，均為分析純。[0052]微梁陣列上抗體的修飾[0053]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(cè)的鍍金表面上。反應(yīng)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O. 2mol/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(xì)管陣列套合修飾平臺上，對I號微梁進(jìn)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(yīng)池中，流動PBS緩沖液，調(diào)試好光路進(jìn)行實驗。[0054]微梁陣列檢測結(jié)果[0055]微梁陣列對CLEN抗原抗體特異性反應(yīng)的檢測結(jié)果如圖7所示，圖中先加入500ng/ mL的CAP標(biāo)樣后，兩梁響應(yīng)量一致，且幅度較小，說明(1)此響應(yīng)信號可能是由環(huán)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(biāo)樣不發(fā)生反 應(yīng)。待信號平穩(wěn)后，再加入10ng/mL的CLEN標(biāo)樣，此時修飾有CLEN抗體的梁I響應(yīng)信號明顯大于未修飾CLEN抗體的梁2響應(yīng)信號，說明(I)梁I上發(fā)生了 CLEN抗原抗體的特異性反應(yīng)導(dǎo)致了梁上表面應(yīng)力的變化；(2)梁2的響應(yīng)信號幅度較小，可能是由環(huán)境擾動引起。最后，將梁I響應(yīng)信號減去梁2 (參考梁)響應(yīng)信號，即可得到僅由CLEN抗原抗體特異性結(jié)合產(chǎn)生的真實微梁變形信號(45nm)。
權(quán)利要求1.一種基于聲光調(diào)制的微懸臂梁陣列生化傳感裝置，其特征是包括激光器、聲光調(diào)制器、生化反應(yīng)池、微梁陣列、光電位置敏感探測器PSD和監(jiān)測單元；所述聲光調(diào)制器在激光器發(fā)出的準(zhǔn)直激光束的光路上；所述微梁陣列在生化反應(yīng)池內(nèi)，微梁陣列在調(diào)整聲光調(diào)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(jiān)測單元的信號輸入端；所述聲光調(diào)制器包括聲光介質(zhì)和壓電換能器；所述壓電換能器接收載波頻率信號后產(chǎn)生相同頻率的超聲波傳入聲光介質(zhì)；所述準(zhǔn)直激光束經(jīng)過聲光介質(zhì)后產(chǎn)生折射后得到出射光。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述裝置，其特征是所述載波頻率信號為超聲波。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述裝置，其特征是還包括反光鏡，反光鏡位于聲光調(diào)制器和微梁陣列之間的光路上；聲光調(diào)制器的出射光經(jīng)反光鏡反射后射到微梁陣列上。
專利摘要一種基于聲光調(diào)制的微懸臂梁陣列生化傳感裝置，包括激光器、聲光調(diào)制器、生化反應(yīng)池、微梁陣列、光電位置敏感探測器PSD和監(jiān)測單元；聲光調(diào)制器在激光器發(fā)出的準(zhǔn)直激光束的光路上；微梁陣列在生化反應(yīng)池內(nèi)，微梁陣列在調(diào)整聲光調(diào)制器的出射光的光路上；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；光電位置敏感探測器PSD的信號輸出端連接監(jiān)測單元的信號輸入端；聲光調(diào)制器包括聲光介質(zhì)和壓電換能器；壓電換能器接收載波頻率信號后產(chǎn)生相同頻率的超聲波傳入聲光介質(zhì)；準(zhǔn)直激光束經(jīng)過聲光介質(zhì)后產(chǎn)生折射后得到出射光。本裝置探測光路結(jié)構(gòu)簡單，容易實現(xiàn)、體積小、重量輕，移動方便。
文檔編號G01B11/16GK202748365SQ20122018858
公開日2013年2月20日 申請日期2012年4月27日 優(yōu)先權(quán)日2012年4月27日
發(fā)明者張青川, 張勇, 鄔林, 程騰 申請人:南京中迅微傳感技術(shù)有限公司