本發(fā)明涉及檢測技術(shù)領(lǐng)域，尤其是一種小型便攜式多參數(shù)表面等離子體諧振生化分析儀。

背景技術(shù)：

表面等離子體諧振(Surface Plasmon Resonance,SPR)技術(shù)是近年發(fā)展起來的一種現(xiàn)代的、先進的、通用的免標(biāo)記生化檢測技術(shù)，這種技術(shù)是基于物理光學(xué)現(xiàn)象的生化檢測技術(shù)，以一種特殊的消逝波(SPW)為探針，探測傳感媒質(zhì)光學(xué)參數(shù)的變化過程。

與傳統(tǒng)的生化分析技術(shù)相比，SPR傳感技術(shù)作為一種表面檢測技術(shù)，具有靈敏度高、免標(biāo)記、實時快速和無損傷檢測等優(yōu)點，已被廣泛應(yīng)用到生物科技、藥物篩選、環(huán)境監(jiān)測、食品檢測、國家安全等多個領(lǐng)域，成為最通用，最具發(fā)展?jié)摿Φ纳瘷z測方法之一。

傳統(tǒng)的SPR生化檢測裝置體積龐大、價格昂貴，不適合戶外監(jiān)測，為了滿足環(huán)境監(jiān)測等多種場合的需要，小型化便攜式已成為SPR傳感裝置發(fā)展的一個主要方向。小型化的SPR傳感裝置體積小，便于攜帶和安裝，更為重要的是，它可以極大地降低成本，有利于大規(guī)模生產(chǎn)，從而加速SPR傳感裝置的推廣應(yīng)用。

然而值得注意的是，即使是在SPR市場上占有絕對主導(dǎo)地位的BIACORE公司，他們的產(chǎn)品主要面向?qū)ο笕匀皇强蒲性核蛯嶒炇?；也就是說，SPR傳感技術(shù)與目前市場上廣泛使用的免疫檢測方法相比，在價格、易用性、靈敏度和穩(wěn)定性等方面必須要有進一步的發(fā)展。這些市場的強烈需求將驅(qū)動SPR傳感技術(shù)朝著小型化便攜式、多參數(shù)和更加靈敏、穩(wěn)定的方向發(fā)展。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

(一)要解決的技術(shù)問題

小型化便攜式SPR生物傳感器在國外開始出現(xiàn)，并逐步走向商業(yè)化，而在國內(nèi)，研制小型SPR傳感器尚屬起步階段。現(xiàn)有的小型化表面等離子體諧振生化分析儀為了縮小儀器體積通常采用固定角度的檢測方式，檢測的溶液折射率范圍和靈敏度有限，且無法實現(xiàn)多個參數(shù)的同時檢測。本發(fā)明提供一種小型便攜式多參數(shù)表面等離子體諧振生化分析儀，可以實現(xiàn)多參數(shù)多角度同時檢測。

(二)技術(shù)方案

為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明是通過以下技術(shù)方案實現(xiàn)的：

一種便攜式多參數(shù)表面等離子體諧振生化分析儀，包括光學(xué)系統(tǒng)和流通系統(tǒng)，其中：所述光學(xué)系統(tǒng)包括光源、光電接收器和光學(xué)棱鏡，所述光電接收器為多單元陣列光電檢測器；所述流通系統(tǒng)包括傳感芯片，所述傳感芯片搭載在棱鏡上方，所述傳感芯片為多單元表面等離子體諧振傳感陣列芯片；入射光經(jīng)光學(xué)棱鏡匯聚為一條線照射到所述傳感芯片上，待測物流經(jīng)多單元陣列傳感芯片上表面后，與傳感芯片上固定的反應(yīng)物相互作用，對應(yīng)多個陣列反射光照射到信號接收器表面，得到多個參數(shù)的表面等離子體諧振信號。

上述方案中，還包括機械系統(tǒng)，所述機械系統(tǒng)包括同步機構(gòu)和連桿組，所述同步機構(gòu)包括電機、螺桿、同步帶、滑塊和導(dǎo)軌，所述電機與螺桿通過同步帶連接，電機帶動螺桿轉(zhuǎn)動，螺桿推動滑塊沿導(dǎo)軌移動，所述滑塊與連桿組連接，所述連桿組搭載光源和光電接收器，滑塊推動連桿組轉(zhuǎn)動以調(diào)節(jié)光源入射角度。

上述方案中，所述連桿組由四根連桿組成，構(gòu)成菱形結(jié)構(gòu)，其中兩根連桿構(gòu)成以傳感芯片為旋轉(zhuǎn)中心的旋轉(zhuǎn)臂，所述光源和光電接收器分別安裝在兩個旋轉(zhuǎn)臂上，另兩根連桿一端分別與兩個旋轉(zhuǎn)臂轉(zhuǎn)動連接，另一端固定在滑塊上。

上述方案中，所述流通系統(tǒng)還包括微流控測量池、自動進樣泵和流通管路，所述微流控測量池在傳感芯片上方水平疊置，所述流通管路一端與微流控測量池連接，另一端與自動進樣泵連通，所述自動進樣泵將待測樣品泵入微流控測量池，與芯片表面的反應(yīng)物相互作用。

上述方案中，所述機械系統(tǒng)還包括固定光學(xué)平臺，所述固定光學(xué)平臺用于固定棱鏡、傳感芯片和微流控測量池。

上述方案中，所述控制與通信系統(tǒng)包括信號調(diào)理電路、中央處理單元和通信接口，用于控制入射光機械角度掃描和液體的自動進樣；控制機械系統(tǒng)、光學(xué)系統(tǒng)及流通系統(tǒng)協(xié)同工作；采集并處理光強信號，并與計算機通信。

上述方案中，所述光電檢測器陣列單元數(shù)大于或等于傳感芯片的單元數(shù)。

(三)有益效果

本發(fā)明提供的小型便攜式多參數(shù)表面等離子體諧振生化分析儀不僅儀器體積小，便于攜帶和安裝，能滿足現(xiàn)場檢查需要，而且具有多個陣列單元，可以在每個單元上固定不同的生物分子或者不同濃度的反應(yīng)試劑，實現(xiàn)多組分并行檢測。

本發(fā)明角度掃描裝置電機軸與螺桿軸通過同步帶連接，減小了儀器的體積。

入射光線匯聚在芯片表面照射到一條豎線范圍內(nèi)，該設(shè)計能保證多單元陣列芯片在同一豎線上的不同單元陣列入射角都一致。

本發(fā)明采用角度掃描與定點檢測聯(lián)用的方式，入射角度范圍寬，檢測的樣品折射率范圍大，同時定點檢測避免角度掃描引起的機械結(jié)構(gòu)誤差，靈敏度更高。

附圖說明

圖1是本發(fā)明實施例的表面等離子體諧振生化分析儀結(jié)構(gòu)框圖；

圖2A是集成光學(xué)系統(tǒng)及流通系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖主視圖；

圖2B是集成光學(xué)系統(tǒng)及流通系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖俯視圖；

圖3是激光光源的噪聲測試曲線；

圖4A是角度掃描及角度定位系統(tǒng)的機械執(zhí)行機構(gòu)示意圖主視圖；

圖4B是角度掃描及角度定位系統(tǒng)的機械執(zhí)行機構(gòu)示意圖側(cè)視圖；

圖5是控制與通信系統(tǒng)主要模塊示意圖；

圖6是主控制電路和光電檢測電路結(jié)構(gòu)示意圖；

圖7是利用16單元陣列光電檢測器檢測去離子水溶液的SPR峰值曲線；

圖8是本發(fā)明實施例的表面等離子體諧振生化分析儀檢測甘油梯度溶液。

具體實施方式

本發(fā)明提出一種便攜式多參數(shù)表面等離子體諧振生化分析儀，包括光學(xué)系統(tǒng)、流通系統(tǒng)、機械系統(tǒng)和控制與通信系統(tǒng)，其中：光學(xué)系統(tǒng)包括光源、光電接收器和光學(xué)棱鏡，光電接收器為多單元陣列光電檢測器；流通系統(tǒng)包括傳感芯片，傳感芯片搭載在棱鏡上方，傳感芯片為多單元表面等離子體諧振傳感陣列芯片；入射光經(jīng)光學(xué)棱鏡匯聚為一條線照射到所述傳感芯片上，待測物流經(jīng)多單元陣列傳感芯片上表面后，與傳感芯片上固定的反應(yīng)物相互作用，對應(yīng)多個陣列反射光照射到信號接收器表面，得到多個參數(shù)的表面等離子體諧振信號。

機械系統(tǒng)包括同步機構(gòu)和連桿組，同步機構(gòu)包括電機、螺桿、同步帶、滑塊和導(dǎo)軌，電機與螺桿通過同步帶連接，電機帶動螺桿轉(zhuǎn)動，螺桿推動滑塊沿導(dǎo)軌移動，滑塊與連桿組連接，連桿組搭載光源和光電接收器，滑塊推動連桿組轉(zhuǎn)動以調(diào)節(jié)光源入射角度。

本發(fā)明相對現(xiàn)有的表面等離子體諧振生化分析儀不僅縮小了儀器體積，能滿足現(xiàn)場檢查需要，而且可以在每個單元上固定不同的生物分子或者不同濃度的反應(yīng)試劑，實現(xiàn)多組分并行檢測。本發(fā)明采用角度掃描與定點檢測聯(lián)用的方式，入射角度范圍寬，檢測的樣品折射率范圍大，同時定點檢測避免角度掃描引起的機械結(jié)構(gòu)誤差，靈敏度更高。

為使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點更加清楚明白，以下結(jié)合具體實施例，并參照附圖，對本發(fā)明作進一步的詳細說明。

如圖1所示，便攜式多參數(shù)表面等離子體諧振生化分析儀，包括集成光學(xué)系統(tǒng)、機械掃描機構(gòu)、流通系統(tǒng)和控制與通信系統(tǒng)。集成光學(xué)系統(tǒng)包括光源、光檢測器和光路調(diào)制機構(gòu)，具有一定角度的P偏振的入射激光照射至光學(xué)棱鏡后發(fā)生反射，反射光束射入到光檢測器中；流通系統(tǒng)包括微流控測試池、SPR傳感芯片、自動進樣泵、閥和流通管路，流通系統(tǒng)用于實現(xiàn)樣品自動進樣，待測物通過所述微流控測試池流經(jīng)SPR芯片上表面后，與SPR芯片上固定的反應(yīng)物相互作用，引起表面等離子諧振吸收峰的改變；機械系統(tǒng)包括機械平臺、菱形臂和同步機構(gòu)，機械系統(tǒng)用于調(diào)整光源發(fā)出的入射激光的角度；控制與通信系統(tǒng)包括信號調(diào)理電路、中央處理單元和通信接口，基本功能是控制機械系統(tǒng)、光學(xué)系統(tǒng)及流通系統(tǒng)協(xié)同工作，采集相關(guān)信息，并與計算機通信。

如圖2所示，是本發(fā)明集成光學(xué)系統(tǒng)及流通系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖。集成光學(xué)系統(tǒng)包括光源、光學(xué)棱鏡、光電接收器、傳感芯片。激光或LED光源9經(jīng)透鏡組射出光束匯聚成一條線照到棱鏡表面的傳感芯片上，入射光在棱鏡表面全反射后照射到光電接收器。棱鏡2固定在整體支架上，激光或LED光源9固定在整體支架的一個固定臂上，光電接收器10固定在整體支架的另一個固定臂上。激光或LED光源9經(jīng)透鏡組射出光束對棱鏡2的入射面，相互之間選擇最佳入射角度后，光電接收器設(shè)于棱鏡2的反射光路上，使三者形成穩(wěn)定牢固結(jié)構(gòu)，可實現(xiàn)現(xiàn)場表面等離子體諧振(SPR)定量測試。在棱鏡2的水平平面上，設(shè)有表面等離子體諧振(SPR)傳感器芯片21和微測量池22，微測量池22在傳感器芯片21上方水平疊置，微測量池22上連有輸入管和輸出管，輸入管和輸出管的另一端與自動進樣系統(tǒng)(與微泵或小型泵)相連通，以便將待測樣品泵入微測量池22。

光源是輸出波長630nm的半導(dǎo)體激光器(也可以是其他波長的激光器)。由于半導(dǎo)體激光器輸出光強受溫度變化影響很大，為了獲得穩(wěn)定的激光光源，本系統(tǒng)設(shè)計了恒功率控制APC(Automatic Power Control)的反饋控制電路,使光輸出量與溫度無關(guān)。在反饋電路控制下，激光器的噪聲波動小于0.0005V/1.692V＝3×10^-4，如圖3所示。

機械掃描機構(gòu)為菱形杠桿同步掃描結(jié)構(gòu)，如圖4所示，包括基座1、棱鏡2、連桿組3、滑塊4、導(dǎo)軌5、螺桿6、光學(xué)平臺7、光學(xué)平臺8、螺桿導(dǎo)軌平臺11、螺桿軸夾具12、同步帶13、電機軸夾具14、電機15、編碼器16?？梢詫崿F(xiàn)位置檢測、速度控制和定位，從而實現(xiàn)SPR檢測的角度掃描，角度掃描范圍是55-70度。螺桿軸夾具12與電機軸夾具14通過同步帶13連接，當(dāng)電機15轉(zhuǎn)動時，可以帶動螺桿軸同步轉(zhuǎn)動，從而推動滑塊4沿導(dǎo)軌5來回運動。編碼器16對電機15的運動步數(shù)進行記錄和反饋，實現(xiàn)高精度的電機運動控制。光源9、準(zhǔn)直和擴束系統(tǒng)都安裝在一個以傳感芯片為中心的旋轉(zhuǎn)臂上，光電接收器10安裝在另外一個旋轉(zhuǎn)臂上，棱鏡2、SPR敏感芯片和測量池安置于旋轉(zhuǎn)中心正上方的固定光學(xué)平臺7、8上。計算機通過機械掃描系統(tǒng)控制兩個旋轉(zhuǎn)臂的位置以改變光束的入射角。當(dāng)光源在一定角度范圍內(nèi)進行掃描，同時記錄光強隨角度變化，就可以獲得SPR角度掃描曲線；同時也可以將旋轉(zhuǎn)臂固定在某個特定角度上，進行固定角度的光強變化檢測。

控制與通信系統(tǒng)控制入射光機械角度掃描和液體的自動進樣，并實現(xiàn)高分辨率、高靈敏度SPR信號采集和處理。該系統(tǒng)由四個主要模塊組成：

1)電源模塊：輸入220V交流，輸出+24V和+5V直流

2)光檢測器：接收反射光信號的光檢測電路，能夠?qū)?6個單元陣列光電檢測器進行光強采集；

3)主控制器：負責(zé)與PC機進行通信；通過SPI總線與光電檢測器通信；通過串口1與PC機軟件通信。

4)步進電機控制：接收編碼器信息，驅(qū)動步進電機運動。需要+24V電源驅(qū)動。

各模塊間的接線定義如圖5所示。

如圖6所示，是本發(fā)明采用單片機方式進行操作控制及數(shù)據(jù)處理的主控制電路和光電檢測電路結(jié)構(gòu)示意圖。16單元陣列光電檢測器輸出16路模擬信號經(jīng)過高阻抗的運放放大濾波后，此模擬信號輸入16通道16位AD芯片，16通道串行AD轉(zhuǎn)換輸出數(shù)字信號，通過SPI接口送入微控制器(即單片機)中，單片機控制SPR生化分析儀的數(shù)據(jù)采集，處理數(shù)據(jù)，并將結(jié)果傳輸?shù)接嬎銠C或液晶屏上顯示。本電路采用R232端口或USB接口將微控制器(即單片機)和計算機聯(lián)系起來，單片機的作用是從計算機中接受采集指令并將RAM中的數(shù)據(jù)傳送給計算機計算。計算機的作用是控制生化分析儀，處理數(shù)據(jù)，并將測試結(jié)果在計算機中顯示。圖7所示為本發(fā)明小型多參數(shù)表面等離子體諧振生化分析儀的一個典型的16參數(shù)SPR峰值曲線。將去離子水溶液由流通系統(tǒng)導(dǎo)入到傳感芯片表面，控制與通信系統(tǒng)控制機械系統(tǒng)的角度，進行角度掃描。光學(xué)系統(tǒng)的16單元陣列光電檢測器接收光學(xué)信號的信息，并將光信號轉(zhuǎn)換為電信號，由控制與通信系統(tǒng)進行信號采集和處理，最后傳輸?shù)接嬎銠C，得到去離子水溶液的16路參數(shù)的SPR吸收峰曲線。該曲線說明本發(fā)明可以同時檢測多個參數(shù)的SPR峰值曲線。

圖8所示為本發(fā)明小型便攜式多參數(shù)表面等離子體諧振生化分析儀的靈敏度測試實驗結(jié)果圖，配0～5號甘油，百分比濃度間隔1％，0號為水，1號為1％甘油，2號為2％甘油，以此類推。本發(fā)明小型多參數(shù)表面等離子體諧振生化分析儀檢測靈敏度約達1×10^-6RIU(折射率單位)。

SPR傳感芯片表面的金屬可以是Au，也可以用Ag等金屬代替；光源是輸出波長630nm的半導(dǎo)體激光器，也可以是其他可見光波長的激光器；SPR傳感陣列芯片可以是4單元陣列，也可以是其它數(shù)量的單元陣列，不局限于4單元陣列；信號接收器可以是16單元陣列光電檢測器，也可以是其它單元數(shù)的檢測器，但需要大于SPR傳感陣列芯片的單元數(shù)；控制與通信系統(tǒng)通過RS232端口與計算機相連，也可以是其它通信接口。

以上所述的具體實施例，對本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和有益效果進行了進一步詳細說明，應(yīng)理解的是，以上所述僅為本發(fā)明的具體實施例而已，并不用于限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所做的任何修改、等同替換、改進等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。