便携式增强型表面等离子体共振生物传感器制造技术

本发明专利技术涉及一种便携式增强型表面等离子体共振生物传感器，属于重金属检测领域。本发明专利技术提供一种GH‑SPR传感器，所述传感器包括防水模块，其中，所述传感器的防水模块通过适配器与外部激光光源相连，并通过连接端口与外部控制电路相连。本发明专利技术将ONP技术与GH‑SPR传感器相结合，利用DNA链以及附加的AuNPs与传感器表面的结合或脱离产生比重金属离子本身更显著的SPR耦合效应。检测器结构简单易用，使用的DNA探针方法具有样品取样量小、不需标记和分离纯化、检测过程时间短等优点，且DNA芯片可重复使用，进一步降低了成本。

Portable enhanced surface plasmon resonance biosensor

The invention relates to a portable enhanced surface plasmon resonance biosensor, which belongs to the field of heavy metal detection. The invention provides a GH SPR sensor, which includes a waterproof module, wherein the waterproof module of the sensor is connected to an external laser light source through an adapter and is connected to an external control circuit through a connecting port. The invention combines the ONP technology with the GH SPR sensor, and uses the combination of the DNA chain and the additional AuNPs with the surface of the sensor to produce a more significant coupling effect of the specific gravity of the metal ion itself. The structure of the detector is simple and easy to use. The DNA probe method used has the advantages of small sample sampling, no labeling, separation and purification, short detection process time and so on. And the DNA chip can be reused, and the cost is further reduced.

【技术实现步骤摘要】
便携式增强型表面等离子体共振生物传感器
本专利技术涉及一种便携式增强型表面等离子体共振生物传感器，属于分析检测仪器领域。
技术介绍
重金属污染因其危害的严重性、持久性及广泛性在近年来成为民众关注的重点之一，所以重金属检测在医药、食品和环境等方面都十分重要。基于GH-SPR-DNA技术的便携式重金属检测仪主要用于应急与现场检测，目标市场主要为检测自来水水质的水务企业，监控重金属污染的环保部门以及农业环境、农产品和食品重金属污染的监管部门。其他涉及领域还包括涉及重金属废水的工业企业(如电镀、表面处理等)。表面等离子体共振(SurfacePlasmonResonance，SPR)技术是一种重要的生物化学检测分析方法。然而，传统的SPR生物传感器体积庞大、价格较为昂贵、便携性差、且对系统稳定性(如激光强度等)要求很高，使得此项技术无法应用于现场快速检测。一些实验室自行搭建SPR生物传感器以降低成本，但基本都是用于实验室科研工作，不满足用于现场检测的条件。此外，SPR生物传感器的灵敏度对分子量小于1000的小分子物质来说还未达到理想水平，因此，积极探索高灵敏度的分析方法有着重要的意义。与Goos-Hanchen效应耦合的表面等离子体共振技术(GH-SPR)是近几年新出现的一种传感器构建方法(参见Xiaobo,Y.等,Goos-Hanchenshiftsurfaceplasmonresonancesensor.AppliedPhysicsLetters,2006.89(26):p.261108-1-3)，其通过两种物理现象的耦合得到增强的且不易受干扰的传感信号。但是，现有的传感器仍存在依赖大型仪器设备、耗费耗时或需要专门的技术人员进行操作等问题，难以适应简单、快速、准确、灵敏、现场跟踪检测的需要，且成本较高。
技术实现思路
为解决现有技术中存在的问题，本专利技术提供一种GH-SPR传感器，所述传感器包括防水模块，其中，所述传感器的防水模块通过适配器与外部激光光源相连，并通过连接端口与外部控制电路相连。根据本专利技术的传感器，所述防水模块内设置有传感器部件。根据本专利技术的实施方案，所述传感器部件包括但不限于：反射镜、透镜、棱镜、位移放大器、位敏传感器等中的一种或多种。根据本专利技术，所述棱镜可为传感芯片的组成部分。根据本专利技术的优选实施方案，所述传感器的全部光学装置均封闭于防水模块内。根据本专利技术，所述防水模块透光率可以低于5％，例如低于1％，优选是不透光的。根据本专利技术的传感器，其中所述激光光源通过微孔调整为光束。所述微孔的直径可以根据需要调节，例如为约100～约500μm，如约150～约300μm，具体可以是约200～约250μm。根据本专利技术的实施方案，所述光束折射到棱镜的入射面，优选经过反射镜和/或透镜折射到棱镜的入射面。作为实例，所述光束经过反射镜和透镜折射到棱镜的入射面。根据本专利技术，所述透镜可以是凸透镜。根据本专利技术，激光光束的入射角可通过调节反射镜进行调节。根据本专利技术的实施方案，所述透镜到反射镜和棱镜入射面的距离分别独立地为透镜焦距的1～6倍，如1.2～3.5倍。例如，从透镜到反射镜和镀金棱镜入射面的距离可以分别为透镜焦距的1.5倍和3倍。所述棱镜可包括至少两个光学表面。任选地，所述光学表面中的至少一个可进一步包括多孔层。所述棱镜可以是由玻璃制成的光学棱镜。优选地，所述玻璃可具有高于1.2，如高于1.5的折射率(n)。根据本专利技术的实施方案，所述棱镜可以使用更高折射率的材料，例如n≥1.6的玻璃。作为实例，可以采用n＝1.732的SF10玻璃。所述棱镜的至少一个光学表面，如检测面上可涂覆有金属膜或金属复合膜。所述金属膜可以选自由金属例如金、银、铂中的一种或多种构成的膜，例如由金属纳米颗粒构成的膜。所述金属复合膜可以选自由金属与光电活性物质形成的复合膜，优选金属纳米颗粒与光电活性物质形成的复合膜，以增强SPR信号。所述光电活性物质包括聚电解质、碳纳米管和石墨烯中的一种或多种。形成金属纳米颗粒膜和复合膜的方法包括旋涂或静电自组装。所述膜的厚度可以是10～500nm，如30～300nm，具体可以是40～50nm。可以选择膜的适宜厚度以获得较强的SPR信号。作为实例，当以水或水溶液为工作介质时，膜的厚度可以是45～55nm，如50nm。当以空气为工作介质时，膜的厚度可以是35～45nm，如40nm。根据本专利技术，所述传感器可以水、水溶液或空气等为工作介质。例如，当以水溶液为工作介质时，本专利技术传感器的SPR谐振角优选不超过70°，例如不超过60°，如可以为约35°～约55°，例如约40°～约50°，例如约45°。根据本专利技术的传感器，激光光束在棱镜内产生GH位移，并经过多重反射得以放大。进一步地，经放大后的位移可再通过光学位移放大器，然后由位敏传感器测得GH位移的值。优选地，所述防水模块可通过3D打印方法制备，从而得到期望的机械部件构型。根据本专利技术，可通过激光光源模块发射激光光源。所述激光光源模块为单光源双光路模块，其包括第一偏振分束器、第二偏振分束器和在这两个偏振分束器之间设置的第一光断续器(又称“斩波器”)和第二光断续器。根据本专利技术，所述第一光断续器和第二光断续器构成一对同步反相光断续器。优选地，所述同步反向光断续器可由同源反相脉冲驱动。优选地，所述第一偏振分束器将单光束分为p-和s-偏振的两个光束。优选地，p-和s-偏振的两个光束分别经过上述同步反向的第一光断续器和第二光断续器调制，以使两个光束交替到达第二偏振分束器。所述p-和s-偏振两个光束分别通过如下方式由第一光断续器和第二光断续器调制：当p-偏振光束通过时，s-偏振光束被遮挡；当s-偏振光束通过时，p-偏振光束被遮挡。根据本专利技术的实施方案，经调制后的两个光束可以100～300Hz，如150～250Hz，例如200Hz的频率交替到达第二偏振分束器。优选地，所述两个光束经过第二偏振分束器后合并至同一光路。根据本专利技术，所述激光光源模块还包括聚焦透镜、准直器以及介于聚焦透镜和准直器之间的保偏光纤。优选地，合并至同一光路后的光束经聚焦透镜导入保偏光纤，然后经由准直器输出激光。根据本专利技术，所述保偏光纤在无需移动光源模块的情况下便于输出使用，同时确保光束的偏振态保持不变。根据本专利技术，所述激光光源模块还包括激光二极管。所述激光二极管用于发射单光束。根据本专利技术优选的实施方案，光束入射凸透镜之前的光学部件固定在左光学平台上，光束从棱镜出射之后的光学部件固定在右光学平台上。优选地，两个光学平台各自可以旋转。例如，旋转左光学平台可调整入射角，且旋转角度是入射角改变的2倍；旋转右光学平台可使接收出射光束的位敏传感器正对出射光。根据本专利技术优选的实施方案，通过调整凸透镜的位置提高入射光束达到SPR谐振角的准确度。例如，当凸透镜远离棱镜时，左光学平台旋转角度变化大于棱镜处入射角变化，提高角度调节的分辨率；当凸透镜靠近棱镜时，左光学平台旋转角度变化小于棱镜处入射角变化，增大入射角扫描范围。根据本专利技术，所述外部控制电路为信号放大与控制电路。根据本专利技术，所述传感器还包括与所述信号放大与控制电路连接的输出终端。根据本专利技术的实施方案，信号放大与控制电路可采用基于多路锁相放大器的信号处理电路。所述信号处理电路可分别本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种GH‑SPR传感器，所述传感器包括防水模块，其中，所述传感器的防水模块通过适配器与外部激光光源相连，并通过连接端口与外部控制电路相连；优选地，所述防水模块内设置有传感器部件；所述传感器部件包括但不限于：反射镜、透镜(如凸透镜)、棱镜、位移放大器、位敏传感器等中的一种或多种。

【技术特征摘要】
1.一种GH-SPR传感器，所述传感器包括防水模块，其中，所述传感器的防水模块通过适配器与外部激光光源相连，并通过连接端口与外部控制电路相连；优选地，所述防水模块内设置有传感器部件；所述传感器部件包括但不限于：反射镜、透镜(如凸透镜)、棱镜、位移放大器、位敏传感器等中的一种或多种。2.根据权利要求1所述的传感器，其中所述传感器的全部光学装置均封闭于防水模块内；所述防水模块透光率可以低于5％，例如低于1％，优选是不透光的。3.根据权利要求1或2所述的传感器，其中所述激光光源通过微孔调整为光束。所述微孔的直径可以根据需要调节，例如为约100～约500μm，如约150～约300μm，具体可以是约200～约250μm；优选地，所述光束折射到棱镜的入射面，优选经过反射镜和/或透镜折射到棱镜的入射面；例如，所述光束经过反射镜和透镜折射到棱镜的入射面。4.根据权利要求1-3任一项所述的传感器，其中所述透镜到反射镜和棱镜入射面的距离分别独立地为透镜焦距的1～6倍，如1.2～3.5倍；例如，从透镜到反射镜和镀金棱镜入射面的距离可以分别为透镜焦距的1.5倍和3倍；所述棱镜可包括至少两个光学表面；任选地，所述光学表面中的至少一个可进一步包括多孔层；优选地，光束入射凸透镜之前的光学部件固定在左光学平台上，光束从棱镜出射之后的光学部件固定在右光学平台上；优选地，两个光学平台各自可以旋转；例如，旋转左光学平台可调整入射角，且旋转角度是入射角改变的2倍；旋转右光学平台可使接收出射光束的位敏传感器正对出射光；例如，当凸透镜远离棱镜时，左光学平台旋转角度变化大于棱镜处入射角变化，提高角度调节的分辨率；当凸透镜靠近棱镜时，左光学平台旋转角度变化小于棱镜处入射角变化，增大入射角扫描范围；所述棱镜可以是由玻璃制成的光学棱镜；优选地，所述玻璃可具有高于1.2，如高于1.5的折射率(n)；例如，所述棱镜可以使用n≥1.6的玻璃，例如n＝1.732的SF10玻璃。5.根据权利要求1-4任一项所述的传感器，其中所述棱镜的至少一个光学表面，如检测面上可涂覆有金属膜或金属复合膜；所述金属膜可以选自由金属例如金、银、铂中的一种或多种构成的膜，例如由金属纳米颗粒构成的膜；所述金属复合膜可以选自由金属与光电活性物质形成的复合...

【专利技术属性】
技术研发人员：吴华南，
申请(专利权)人：北京大学深圳研究生院，
类型：发明
国别省市：广东,44