基于微镜扫描的微悬臂梁阵列生化传感装置及方法制造方法及图纸

本发明专利技术涉及一种微悬臂梁阵列生化传感的装置，其包括反应池、微梁阵列、半导体激光器、偏转微镜、信号发生器、光电位置敏感探测器(PSD)、和数据处理设备。本发明专利技术的装置利用偏转微镜驱动，实现了单一汇聚激光束对微梁阵列的扫描探测，可以实现对微梁阵列上生化反应信息的高灵敏度、快速、并行检测，可应用于食品安全、环境污染、生物医学、科学研究和生产制造等领域中的监控和检测。本发明专利技术还公开了利用微悬臂梁阵列生化传感装置的生化检测方法。

Micro cantilever beam array biochemical sensing device and method based on micro mirror scanning

The invention relates to a device for micro cantilever array biochemical sensing, which comprises a reaction tank, a micro beam array, semiconductor laser, micro mirror deflection, signal generator, photoelectric position sensitive detector (PSD), and data processing equipment. By the device of the invention realizes the deflection micro mirror driver, single focused laser beam on the micro beam array scanning, can be achieved on the micro cantilever array on the biochemical reaction information of high sensitivity, rapid, parallel detection, monitoring and can be used in the detection of food safety, environmental pollution, biomedicine, scientific research and other areas of manufacturing in. The invention also discloses a biochemical detection method using a micro cantilever beam array biochemical sensing device.

【技术实现步骤摘要】
基于微镜扫描的微悬臂梁阵列生化传感装置及方法
本专利技术属于生化传感
，具体地涉及一种微悬臂梁阵列生化传感装置和方法，该装置和方法可应用于食品安全、环境污染、生物医学、科学研究和生产制造等领域中的监控和检测。
技术介绍
基于表面应力检测的微悬臂梁(以后均称微梁)生化传感技术是近年出现的一种新兴传感技术，其原理是：把探针(抗原或抗体)分子用直接或间接的方式固定(修饰)到微梁一侧的镀金层上，当被检测样品液中的靶分子与微梁金表面上的探针分子发生特异性反应时，会使微梁表面应力改变，从而导致微梁弯曲变形，通过光学或电学方法检测这种变形的过程，可得到生化反应的实时信息。与传统的免疫传感方法相比，该方法无需使用任何酶标、荧光物质和放射性作为反应示踪剂，消除了标记过程的影响，灵敏度高(比酶联免疫试验高数倍)，还可以通过监测微梁变形来实时、定量的监测抗原抗体的反应过程，得到更丰富的免疫生化反应的信息。经过这些年的发展，微梁传感被作为一种新兴技术，在生物工程和环境污染监测技术等方面与传统的方法进行对比研究，如RNA转录因子、酶、汞排放及挥发性化合物等，由于微悬臂梁的厚度尺寸仅为亚微米量级，对微梁表面生化反应(比如，修饰的探针分子与靶分子结合)导致的应力变化极为敏感，使其检测极限达到纳克甚至亚纳克级每毫升，优于常规的酶联免疫方法。在单微悬臂梁检测系统基础上，为进一步消除环境温漂、溶液折射率变化等背景噪声影响、实现多种靶标分子的快速并行检测，微梁传感技术正逐步向多阵列发展。已报道实现微梁阵列传感研究的方法主要有：(1)利用垂直共振腔面射型激光器提供时序阵列光源，对微梁阵列进行逐一照射，再利用光电位置敏感探测器(PSD)对各微梁的偏转信号进行接收检测；(2)利用扩束后的面光源照射微梁阵列，用CCD记录二维微梁阵列变形前后的图像进行微梁的变形检测。但由于垂直共振腔面射型激光器发射光束的相邻距离不能调节，它只能针对间距一定的微梁阵列进行照射，灵活性较低且价格也很昂贵；CCD面光源检测法中，由于微梁尖端的弯曲会使图像产生弥散，严重影响光斑位移的检测质量，导致其检测灵敏度不高，且多通道检测时速度也较慢。如何利用简单光路设计出方便实用的传感系统，实现微梁阵列高灵敏度、快速、并行的变形检测，研制出微梁阵列免疫传感装置，并利用阵列免疫传感器进行抗体亲和常数测定以及应用于食品安全中多残留和多种重金属离子并行实时原位检测，一直是生化检测领域关注的焦点。
技术实现思路
为解决现有技术中存在的上述问题，做出了本专利技术。本专利技术的原理是利用偏转微镜驱使半导体激光器发射出来的激光束产生周期性偏转，以扫描微梁阵列；再通过光杠杆原理将微梁阵列中各微梁的弯曲变形信号放大，用光电位置敏感探测器(PSD)时序接收检测，从而实时监测各微梁上的生化反应过程信息。因此，在第一个方面，本专利技术提供了一种基于微镜扫描的微悬臂梁阵列生化传感装置(下面有时简称为“本专利技术的装置”)，该装置包括反应池，所述反应池用于容纳缓冲液和待测样品；微梁阵列，所述微梁阵列由两个以上平行间隔排列的微梁组成并被可拆卸地固定在密闭的反应池中，其中所述每个微梁上固定有检测生物分子或对照分子(在本专利技术中也称为“参考分子”，固定或修饰有参考分子的微梁也称为“参考梁”)；半导体激光器；偏转微镜，所述偏转微镜被设置成改变由所述半导体激光器发射的激光束的光路，使所述激光束扫射到所述每个微梁上；信号发生器，所述信号发生器控制所述偏转微镜的输入电压大小和变化周期；光电位置敏感探测器(PSD)，所述光电位置敏感探测器接收由所述微梁阵列反射的激光光点，从而产生并输出关于每个微梁的位移信号；和数据处理设备，所述数据处理设备处理由所述光电位置敏感探测器输出的每个微梁的位移信号，基于固定有对照分子的微梁的位移数据关于获得固定有检测生物分子的每个微梁弯曲的数据，其中当待测样品中含有与所述检测生物分子特异性结合的靶分子时，固定有所述检测生物分子的微梁与所述待测样品在反应池中在适于两者的反应条件下反应后会发生弯曲。在一个优选的实施方案中，本专利技术的装置还可以包括设置与所述反应池可操作连接的加热片和与所述加热片电连接的温控器，所述温控器控制加热片的温度以调节所述反应池中的温度从而适于所述检测生物分子和所述靶分子在所述反应池中发生反应。所述反应可以是受体配体结合作用、抗原抗体反应或分子缔合反应中的任一种。在另一个优选的实施方案中，所述装置还可以包括模拟/数字信号转换器，所述模拟/数字信号转换器将所述关于每个微梁的位移信号转换成数字信号，所述数字信号输出至所述数据处理装置进行处理，以获得所述微梁弯曲数据。在另一个优选的实施方案中，所述信号发生器可以通过控制所述偏转微镜的电压大小和变化周期，使得所述偏转微镜以相应的步进量偏转激光束的光路从而改变所述激光束扫描各个微梁的时序，从而定位所述激光束使其适于扫描以不同间距间隔的每个微梁。在第二个方面，本专利技术提供了一种使用本专利技术的装置检测待测样品中的靶分子的方法(下面有时简称为“本专利技术的方法”)，所述方法包括以下步骤：(1)将与能够所述靶分子特异性结合的检测生物分子和对照分子分别固定至微梁阵列中的不同微梁上，每个微梁上固定一种分子；(2)将步骤(1)中获得的微梁相间隔地平行固定在反应池中，并在反应池中注入缓冲液，并使缓冲液在反应池中流动；(3)启动半导体激光器发射激光束；(4)通过信号发生器控制偏转微镜，使其偏转由所述半导体激光器发射的激光束的光路，以定位激光束使其扫描所述微梁阵列中的每个微梁；(5)向反应池中加入待测样品；(6)通过光电位置敏感探测器接收由所述微梁阵列反射的激光光点，从而产生并输出关于每个微梁的位移信号；(7)所述数据处理设备接收并处理由所述光电位置敏感探测器输出的每个微梁的位移信号，基于固定有对照分子的微梁的位移数据关于获得固定有检测生物分子的每个微梁弯曲(当待测样品中含有与所述检测生物分子特异性结合的靶分子时，固定有所述检测生物分子的微梁与所述待测样品在反应池中在适于两者的反应条件下反应后会发生弯曲)的数据；(8)根据预设的弯曲量阈值判断所述待测样品中是否包含所述靶分子。在本专利技术的方法中，可以通过操作温控器控制加热片的温度以调节所述反应池中的温度从而适于所述检测生物分子和所述靶分子在所述反应池中发生反应。所述反应可以是受体配体结合作用、抗原抗体反应或分子缔合反应中的任一种。在本专利技术的方法的一个优选实施方案中，所述信号发生器可以按照使用者的设定控制偏转微镜的输入电压和变化周期，从而控制所述偏转微镜按照预设的与设定的输入电压和变化周期对应的步进量偏转由所述半导体激光器发射的激光束的光路从而改变所述激光束扫描各个微梁的时序，以定位所述激光束使其适于扫描以不同间距间隔的每个微梁。在本专利技术中，所述对照分子包括至少一种阳性对照分子或至少一种空白对照分子，或至少一种阳性对照分子和至少一种空白分子的组合。在本专利技术中，所述靶分子可以是受体或配体，所述检测生物分子为能与所述受体或配体特异性结合的配体或受体。所述靶分子还可以是抗原分子，所述检测生物分子为所述抗原分子的特异性抗体或抗体片段，所述特异性抗体包括单克隆抗体或多克隆抗体，优选单克隆抗体。在本专利技术的优选实施方案中，所述抗体片段可以是抗体本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种微梁阵列传感装置，包括反应池，所述反应池用于容纳缓冲液和待测样品；微梁阵列，所述微梁阵列由两个以上平行间隔排列的微梁组成并被可拆卸地固定在密闭的反应池中，其中所述每个微梁上固定有检测生物分子或对照分子；半导体激光器；偏转微镜，所述偏转微镜被设置成改变由所述半导体激光器发射的激光束的光路，使所述激光束扫射到所述每个微梁上；信号发生器，所述信号发生器控制所述偏转微镜的输入电压大小和变化周期；光电位置敏感探测器(PSD)，所述光电位置敏感探测器接收由所述微梁阵列反射的激光光点，从而产生并输出关于每个微梁的位移信号；和数据处理设备，所述数据处理设备处理由所述光电位置敏感探测器输出的每个微梁的位移信号，基于固定有对照分子的微梁的位移数据以获得固定有检测生物分子的每个微梁弯曲的数据，其中当待测样品中含有与所述检测生物分子特异性结合的靶分子时，固定有所述检测生物分子的微梁与所述待测样品在反应池中在适于两者的反应条件下反应后会发生弯曲。

【技术特征摘要】
1.一种微梁阵列传感装置，包括反应池，所述反应池用于容纳缓冲液和待测样品；微梁阵列，所述微梁阵列由两个以上平行间隔排列的微梁组成并被可拆卸地固定在密闭的反应池中，其中所述每个微梁上固定有检测生物分子或对照分子；半导体激光器；偏转微镜，所述偏转微镜被设置成改变由所述半导体激光器发射的激光束的光路，使所述激光束扫射到所述每个微梁上；信号发生器，所述信号发生器控制所述偏转微镜的输入电压大小和变化周期；光电位置敏感探测器(PSD)，所述光电位置敏感探测器接收由所述微梁阵列反射的激光光点，从而产生并输出关于每个微梁的位移信号；和数据处理设备，所述数据处理设备处理由所述光电位置敏感探测器输出的每个微梁的位移信号，基于固定有对照分子的微梁的位移数据以获得固定有检测生物分子的每个微梁弯曲的数据，其中当待测样品中含有与所述检测生物分子特异性结合的靶分子时，固定有所述检测生物分子的微梁与所述待测样品在反应池中在适于两者的反应条件下反应后会发生弯曲。2.权利要求1所述的装置，所述装置还包括设置与所述反应池可操作连接的加热片和与所述加热片电连接的温控器，所述温控器控制加热片的温度以调节所述反应池中的温度从而适于所述检测生物分子和所述靶分子在所述反应池中发生反应。3.权利要求1所述的装置，其特征在于所述反应为受体配体结合作用、抗原抗体反应或分子缔合反应。4.权利要求1所述的装置，所述装置还包括模拟/数字信号转换器，所述模拟/数字信号转换器将所述关于每个微梁的位移信号转换成数字信号，所述数字信号输出至所述数据处理设备进行处理，以获得所述微梁弯曲数据。5.权利要求1-4中任一项所述的装置，其特征在于所述对照分子包括至少一种...

【专利技术属性】
技术研发人员：张青川，邬林，程腾，
申请(专利权)人：中国科学技术大学，
类型：发明
国别省市：安徽,34