專利名稱：一種集成微流控光學(xué)的雙探測生化傳感檢測儀的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于生化傳感檢測領(lǐng)域，涉及一種集成微流控光學(xué)的表面增強(qiáng)拉曼光譜一局域表面等離子體共振雙探測生化傳感檢測儀。
背景技術(shù)：
微流控光學(xué)等離子體是將微流體、光子學(xué)和等離子體集成在一起，是近年逐步形成的一個(gè)新的研究方向，將等離子體光學(xué)最前沿的研究成果應(yīng)用于此領(lǐng)域中，因此微流控光學(xué)等離子體在生物、化學(xué)、生物化學(xué)、醫(yī)學(xué)、工程等領(lǐng)域會(huì)產(chǎn)生無窮多的新應(yīng)用。等 離子體具有獨(dú)特的物理屬性，局域納米尺度的光學(xué)性質(zhì)會(huì)增強(qiáng)光與具有自由電子的物質(zhì)相互作用。其中一個(gè)重要應(yīng)用就是基于等離子體的生物傳感器。在醫(yī)學(xué)、衛(wèi)生、食品、環(huán)境科學(xué)領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用和明確的產(chǎn)業(yè)化前景。目前主要利用光學(xué)屬性的微流控光學(xué)生化分析或傳感有折射率檢測，熒光檢測，表面增拉曼散射檢測，光學(xué)捕獲及光學(xué)操控。無標(biāo)記生化檢測方法得到迅速發(fā)展，特別是基于局域表面等離子體共振LSPR傳感技術(shù)，特別是在探測單分子與金屬納米顆粒表面結(jié)合的過程中，局域表面等離子體共振LSPR光譜的變化和表面增強(qiáng)拉曼散射SERS “指紋”譜是重要的手段。單分子與金屬表面結(jié)合時(shí)，LSPR光譜變化分析是可操控的；而此時(shí)，SERS可探測識(shí)別分子并獲取金屬表面吸附分子的取向。然而，SERS的產(chǎn)生由單波長的激光激發(fā)，LSPR則由白光光源激發(fā)，因此，由于激發(fā)光源不同，所以這兩種檢測手段不能實(shí)現(xiàn)原位同步檢測。

發(fā)明內(nèi)容
為了解決傳統(tǒng)單一測試技術(shù)LSPR或SERS技術(shù)中的不足，利用局域表面等離子體共振LSRP技術(shù)、微流控技術(shù)和微納米加工技術(shù)，實(shí)現(xiàn)高靈敏度、免標(biāo)記的納米陣列生化檢測儀，并利用LSPR探測生物分子結(jié)合過程，用SERS技術(shù)來判定所吸咐的分子。本發(fā)明的目的在于提供一種集成微流控光學(xué)的表面增強(qiáng)拉曼光譜一局域表面等離子體共振雙探測生化傳感檢測儀。本發(fā)明的雙探測生化傳感檢測儀包括光源系統(tǒng)、光路整形系統(tǒng)、傳感芯片、三維控制系統(tǒng)、表面增強(qiáng)拉曼SERS探測系統(tǒng)、局域表面等離子體共振LSPR探測系統(tǒng)；以及自動(dòng)進(jìn)樣控制系統(tǒng)；其中，傳感芯片安裝在三維控制系統(tǒng)上；自動(dòng)進(jìn)樣控制系統(tǒng)向傳感芯片注射樣品；由光源系統(tǒng)提供激光或白光光源；經(jīng)光路整形系統(tǒng)垂直入射到傳感芯片；經(jīng)傳感芯片反射的激光進(jìn)入SERS探測系統(tǒng)，并進(jìn)行相應(yīng)的SERS數(shù)據(jù)處理與分析；從傳感芯片投射的白光進(jìn)入LSPR探測系統(tǒng)，并進(jìn)行相應(yīng)的LSPR數(shù)據(jù)處理與分析。光源系統(tǒng)包括光源；安裝在光源上的切換設(shè)備；與光源相連接用以控制光源功率的功率控制器。從而，光源系統(tǒng)可以通過切換設(shè)備提供激發(fā)SERS的單波長的激光，以及激發(fā)LSPR的白光。光源采用的白光光源為LED、鹵素?zé)?、鈉燈及汞燈中的一種，其光譜范圍在20(T2000nm 之間。傳感芯片固定在三維控制系統(tǒng)中，可以實(shí)現(xiàn)三維精確移動(dòng)，其精度可達(dá)到10微米。SERS探測系統(tǒng)包括SERS探測設(shè)備；SERS探測設(shè)備得到的數(shù)據(jù)傳送至一號(hào)計(jì)算機(jī)，由設(shè)置在一號(hào)計(jì)算機(jī)中的SERS數(shù)據(jù)采集與處理軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。LSPR探測系統(tǒng)包括LSPR探測器；LSPR探測器收集信號(hào)，傳輸至光譜儀；光譜儀得到的數(shù)據(jù)傳送至二號(hào)計(jì)算機(jī)，由設(shè)置在二號(hào)計(jì)算機(jī)中的LSPR數(shù)據(jù)采集與處理軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。自動(dòng)進(jìn)樣控制系統(tǒng)包括兩路以上注射泵，可以程序化設(shè)置參數(shù)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)樣品進(jìn)行精確控制。 傳感芯片包括K*L陳列的傳感芯片單元，傳感芯片單元包括襯底以及與其鍵合在一起的上片；形成在上片內(nèi)構(gòu)成微流通道的進(jìn)口、出口及微腔；形成在襯底上并處于微腔內(nèi)的m*n陣列的納米顆粒；其中，m、n、K和L為自然數(shù)。傳感芯片單元的尺寸范圍在幾十微米到幾微米之間。納米顆粒的尺寸范圍在幾十納米到幾百納米之間，納米顆粒之間的間距范圍在幾十納米到幾百納米之間。納米顆粒為金或銀等貴重金屬顆粒，形狀為球形、橢球形、納米縫以及納米孔中的一種。襯底的材料為K9玻璃、石英玻璃、聚二甲硅氧烷PDMS、聚甲基丙烯酸甲酯PMMA、聚苯乙烯PS等透明材料中的一種。上片的材料為聚二甲硅氧烷PDMS或聚甲基丙烯酸甲酯PMMA。微腔的體積范圍在幾微升到幾十微升之間，其形狀可以是球形或立方形。微流通道的寬度范圍在10微米到200微米之間，深度范圍在50微米到200微米之間。本發(fā)明的傳感芯片同時(shí)采用LSPR和SERS兩種光學(xué)檢測手段，并與微流控技術(shù)相結(jié)合形成了新型的微流控光學(xué)傳感芯片，這一技術(shù)為擴(kuò)展了傳統(tǒng)LSPR或SERS的應(yīng)用，這種基于雙等離子體結(jié)構(gòu)的傳感芯片在基于液體樣品的生化檢測中有很大吸引力，將會(huì)加快微流控光學(xué)傳感系統(tǒng)的研發(fā)與應(yīng)用。利用LSPR和SERS兩種互補(bǔ)模式檢測樣品，在同一基底上實(shí)現(xiàn)LSPR與SERS分析技術(shù)的組合。本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)(I)設(shè)備結(jié)構(gòu)簡單、無需標(biāo)記可進(jìn)行直接、實(shí)時(shí)探測的設(shè)備；(2 )實(shí)現(xiàn)了 SERS與LSPR的優(yōu)勢互補(bǔ)；(3)可以實(shí)現(xiàn)多通道、高通量、并行檢測，提高了探測的效率；(4)操作方便、智能化程度高；(5)進(jìn)樣系統(tǒng)具有高精度、易控制的特點(diǎn)；(6)多單元、陣列結(jié)構(gòu)；(7)采用低成本的納米加工技術(shù)，可實(shí)現(xiàn)大面積加工；(8)與微流控技術(shù)相結(jié)合,實(shí)現(xiàn)微流控光學(xué)傳感系統(tǒng)的集成。


圖I為本發(fā)明的雙探測生化傳感檢測儀的結(jié)構(gòu)示意圖；圖2為本發(fā)明的傳感芯片的結(jié)構(gòu)示意圖；圖3是本發(fā)明的實(shí)施例中的LSPR測試結(jié)果；
圖4是本發(fā)明的實(shí)施例中的SERS測試結(jié)果。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖，通過具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明的具體實(shí)施方式
作進(jìn)一步的詳細(xì)描述。如圖I所示，本發(fā)明的雙探測生化傳感檢測儀包括光源系統(tǒng)I、光路整形系統(tǒng)2、傳感芯片3、三維控制系統(tǒng)4、表面增強(qiáng)拉曼SERS探測系統(tǒng)5、局域表面等離子體共振LSPR探測系統(tǒng)6 ;以及自動(dòng)進(jìn)樣控制系統(tǒng)7 ;其中，傳感芯片3安裝在三維控制系統(tǒng)4上；自動(dòng)進(jìn)樣控制系統(tǒng)7向傳感芯片3注射樣品；由光源系統(tǒng)I提供激光或白光光源；經(jīng)光路整形系統(tǒng)2垂直入射到傳感芯片3 ;經(jīng)傳感芯片3反射的激光進(jìn)入SERS探測系統(tǒng)5，并進(jìn)行相應(yīng)的SERS數(shù)據(jù)處理與分析；從傳感芯片3透射的白光進(jìn)入LSPR探測系統(tǒng)6，并進(jìn)行相應(yīng)的LSPR數(shù)據(jù)處理與分析。光源系統(tǒng)I中激光光源波長為488nm、632. 8nm和850nm。
如圖2所示,本發(fā)明的傳感芯片包括K*L陳列的傳感芯片單元,傳感芯片單元包括襯底31以及與其鍵合在一起的上片32 ;形成在上片32內(nèi)構(gòu)成微流通道的進(jìn)口、出口 33及微腔34 ;形成在襯底上并處于微腔內(nèi)的m*n陣列的納米顆粒35 ;其中，m、η、K和L為自然數(shù)。本實(shí)施例利用本發(fā)明一種集成微流控光學(xué)的表面增強(qiáng)拉曼光譜一局域表面等離子體共振雙探測生化傳感檢測儀，用于檢測不同折射率的多種樣品。SERS測試中所選用的SERS探測系統(tǒng)是H0RIBAJ0BIN YVON公司的HR800SERS探測設(shè)備，光源為HeNe激光器，其功率為20mW，波長為632. 8nm。LSPR測試中所選擇的光源系統(tǒng)中的光源是光譜范圍在20(Tll00nm，電流500mA，電壓12VDC，輸出功率6. 5瓦的鹵素?zé)?，?jīng)光纖和反射式探頭(Ocean Optics, QR400-7_UV_VIS)后出射光束經(jīng)透鏡后，光照射在傳感系統(tǒng)中的采用石英作為基底的金納米結(jié)構(gòu)傳感單元，將其固定在一個(gè)三維高精度固定架上。光譜儀選用OceanOptics公司的QE65000型光譜分析儀，光透過芯片后，由探測器收集信號(hào)，再被后端的光譜儀所探測，所采集的數(shù)據(jù)通過USB2. O接口與計(jì)算機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，數(shù)據(jù)處理軟件可以包括用戶界面、探測、控制和數(shù)據(jù)處理及輸出顯示幾個(gè)功能模塊。利用所加工的集成微流控傳感單元與本發(fā)明公布的生化傳感系統(tǒng)進(jìn)行測試，LSPR測試樣品為空氣、NaCl (20%)、丙三醇。經(jīng)分析軟件處理得到的數(shù)據(jù)結(jié)果如圖3所示，由于空氣NaCl(20%)、丙三醇三種測試樣品的折射率分別為I、I. 3684和I. 473，因測試樣品折射率不同，通過本設(shè)備測試獲得的LSPR消光光譜的最大值的位置分別在533. 52nm、577. 97nm和587. 37nm，折射率增加，相應(yīng)的譜線發(fā)生了紅移。SERS測試樣品為若丹明R6G，經(jīng)分析軟件處理得到的數(shù)據(jù)結(jié)果如圖4所示，其特征峰的波數(shù)分別為1197、1277、1366、1509和1647cm 1O最后需要注意的是，公布實(shí)施方式的目的在于幫助進(jìn)一步理解本發(fā)明，但是本領(lǐng)域的技術(shù)人員可以理解在不脫離本發(fā)明及所附的權(quán)利要求的精神和范圍內(nèi)，各種替換和修改都是可能的。因此，本發(fā)明不應(yīng)局限于實(shí)施例所公開的內(nèi)容，本發(fā)明要求保護(hù)的范圍以權(quán)利要求書界定的范圍為準(zhǔn)。
權(quán)利要求
1.一種雙探測生化傳感檢測儀，其特征在于，所述傳感檢測儀包括光源系統(tǒng)(I)、光路整形系統(tǒng)(2)、傳感芯片(3)、三維控制系統(tǒng)(4)、表面增強(qiáng)拉曼SERS探測系統(tǒng)(5)、局域表面等離子體共振LSPR探測系統(tǒng)(6);以及自動(dòng)進(jìn)樣控制系統(tǒng)(7);其中，傳感芯片(3)安裝在三維控制系統(tǒng)(4)上；自動(dòng)進(jìn)樣控制系統(tǒng)(7)向傳感芯片(3)注射樣品；由光源系統(tǒng)(I)提供激光或白光光源；經(jīng)光路整形系統(tǒng)(2)垂直入射到傳感芯片(3);經(jīng)傳感芯片(3)反射的激光進(jìn)入SERS探測系統(tǒng)(5)，并進(jìn)行相應(yīng)的SERS數(shù)據(jù)處理與分析；從傳感芯片透射的白光進(jìn)入LSPR探測系統(tǒng)(6)，并進(jìn)行相應(yīng)的LSPR數(shù)據(jù)處理與分析。
2.如權(quán)利要求I所述的傳感檢測儀，其特征在于，所述光源系統(tǒng)包括光源；安裝在光源上的切換設(shè)備；與光源相連接用以控制光源功率的功率控制器。
3.如權(quán)利要求2所述的傳感檢測儀，其特征在于，所述光源采用的白光光源為LED、鹵素?zé)?、鈉燈及汞燈中的一種，其光譜范圍在20(T2000nm之間。
4.如權(quán)利要求I所述的傳感檢測儀，其特征在于，所述傳感芯片包括K*L陳列的傳感芯片單兀，傳感芯片單兀包括襯底(31)以及與其鍵合在一起的上片(32);形成在上片(32)內(nèi)構(gòu)成微流通道的進(jìn)口、出口(33)及微腔(34);形成在襯底上并處于微腔內(nèi)的m*n陣列的納米顆粒(35);其中，m、n、K和L為自然數(shù)。
5.如權(quán)利要求I所述的傳感檢測儀，其特征在于，所述SERS探測系統(tǒng)包括SERS探測設(shè)備；SERS探測設(shè)備得到的數(shù)據(jù)傳送至一號(hào)計(jì)算機(jī)，由設(shè)置在一號(hào)計(jì)算機(jī)中的SERS數(shù)據(jù)采集與處理軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。
6.如權(quán)利要求I所述的傳感檢測儀，其特征在于，所述LSPR探測系統(tǒng)包括LSPR探測器；LSPR探測器收集信號(hào)，傳輸至光譜儀；光譜儀得到的數(shù)據(jù)傳送至二號(hào)計(jì)算機(jī)，由設(shè)置在二號(hào)計(jì)算機(jī)中的LSPR數(shù)據(jù)采集與處理軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。
7.如權(quán)利要求I所述的傳感檢測儀，其特征在于，所述自動(dòng)進(jìn)樣控制系統(tǒng)包括兩路以上注射泵，通過程序化設(shè)置參數(shù)，對(duì)樣品進(jìn)行精確控制。
8.如權(quán)利要求4所述的傳感檢測儀，其特征在于，所述納米顆粒為金或銀等貴重金屬顆粒，形狀為球形、橢球形、納米狹縫以及納米孔中的一種。
9.如權(quán)利要求4所述的傳感檢測儀，其特征在于，所述微腔的體積范圍在幾微升到幾十微升之間，其形狀可以是球形或立方形。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種集成微流控光學(xué)的雙探測生化傳感檢測儀。本發(fā)明的傳感檢測儀包括光源系統(tǒng)、光路整形系統(tǒng)、傳感芯片、三維控制系統(tǒng)、表面增強(qiáng)拉曼SERS探測系統(tǒng)、局域表面等離子體共振LSPR探測系統(tǒng)；以及自動(dòng)進(jìn)樣控制系統(tǒng)。本發(fā)明的傳感芯片同時(shí)采用LSPR和SERS兩種光學(xué)檢測手段，并與微流控技術(shù)相結(jié)合形成了新型的微流控光學(xué)傳感芯片，這一技術(shù)為擴(kuò)展了傳統(tǒng)LSPR或SERS的應(yīng)用，這種基于雙等離子體結(jié)構(gòu)的傳感芯片在基于液體樣品的生化檢測中有很大吸引力，將會(huì)加快微流控光學(xué)傳感系統(tǒng)的研發(fā)與應(yīng)用。利用LSPR和SERS兩種互補(bǔ)模式檢測樣品，在同一基底上實(shí)現(xiàn)LSPR與SERS分析技術(shù)的組合。
文檔編號(hào)G01N21/65GK102680452SQ201210148739
公開日2012年9月19日 申請日期2012年5月14日 優(yōu)先權(quán)日2012年5月14日
發(fā)明者耿照新 申請人:中央民族大學(xué)