一种生物分子检测系统与非标记检测方法技术方案

本申请公开了一种生物分子检测系统与非标记检测方法，其中，当半导体制冷器工作时，热端产生的热量使得环境槽内的液态水蒸发，水蒸气遇到半导体制冷器的冷端后冷凝出液滴，而若设置在冷端的待检芯片内存在被检分子，如单链DNA等，则被检分子在液滴生成时会导致不同的液滴表面接触角，也即待检芯片中有被检分子的位置处，液滴的表面接触角较小，待检芯片中没有被检分子的位置处，液滴表面接触角较大，表面接触角的差异将会引起光线在表面的反射效率出现变化，因此通过微距探测器采集的光照下的待检测芯片的图像会出现强度不一、亮暗不同，进而经由处理器对图像中各个像素位置的光信号强度进行对比，即可确定待检测芯片中是否存在被检分子。

【技术实现步骤摘要】

本申请涉及生物分子检测
，更具体地说，涉及一种生物分子检测系统与非标记检测方法。
技术介绍
随着分子生物学的发展，对蛋白质、DNA、RNA等生物分子的检测成为疾病诊断与预测的有效手段。分子诊断技术的样品消耗少、诊断结果准确、灵敏度高、通量高等优点使得该技术在现代医学中迅速发展。然而，分子诊断技术的检测过程复杂，依赖昂贵的科学仪器和医疗仪器，严重制约了分子诊断技术的发展与应用普及。目前在分子诊断技术中，最广泛应用的检测方法是荧光标记检测技术。该技术将荧光分子基团作为标记物，通过化学修饰的途径将荧光标记物连接到探针分子或靶标分子上。检测仪器把特定波长的激光照射到待检测样本上，通过检测对应的荧光信号强度便可实现对特定分子的定量检测。但是，由于光漂白效应，荧光标记在开放环境下极不稳定，荧光染料对于操作者有一定的毒性。
技术实现思路
有鉴于此，本申请提供了一种生物分子检测系统与非标记检测方法，通过半导体制冷器冷热面两端的气液循环流动在检测面产生高暗相衬图像，实现对生物分子的非标记检测，用于解决现有的荧光标记分子诊断技术所存在的荧光标记不稳定、对操作者有毒性的问题。为了实现上述目的，现提出的方案如下：一种生物分子检测系统，包括：环境槽，所述环境槽内部盛有液体水或其他可热挥发的液体；半导体制冷器，所述半导体制冷器设置于所述环境槽内，所述半导体制冷器的热端位于液面内、冷端位于液面之上；待检测芯片，所述待检测芯片设置于所述半导体制冷器的冷端；光源，用于对所述待检测芯片进行光照；微距探测器，用于在光源照明下，对半导体制冷器上处于冷热面气液循环状态下的待检测芯片进行图像采集；处理器，用于根据采集的图像中各个像素位置的光信号强度差异，确定所述待检测芯片中是否存在被检分子。优选地，所述环境槽为导热槽，所述半导体制冷器紧贴在所述导热槽底部。优选地，还包括：蒸汽发生装置，设置于导热槽内部的水中，用于促进液态水转化为水蒸气。优选地，所述蒸汽发生装置为：金属散热栅片、或超声蒸汽发生器。优选地，所述处理器具有用于，将采集的图像转换为像素光信号强度的二维数据矩阵；针对二维数据矩阵中的各个像素点，分别判断当前像素点的光信号强度值与邻域像素点的光信号强度均值的差值是否大于阈值，若是，则确定所述待检测芯片中存在被检分子。优选地，还包括：温度传感器，用于检测半导体制冷器的冷端和热端的温度；所述处理器还用于读取所述温度传感器检测的温度信号，并采用PID控制算法计算PWM波的占空比，控制所述半导体制冷器的冷端和热端的温度。优选地，所述处理器为miniPC开源智能硬件平台、FPGA控制器或单片机控制器。优选地，所述温度传感器为数字温度传感器或PT100/1000热敏电阻等。优选地，所述半导体制冷器的半导体变温材料为半导体帕尔贴制冷片，所述半导体制冷器的驱动开关为继电器、MOSFET管或PWM驱动电路模块。一种生物分子非标记检测方法，基于上述生物分子检测系统，该方法包括：利用半导体制冷器冷端和热端的气液循环流动，在光照下的所述待检测芯片表面产生高暗相衬图像，并由所述处理器根据图像中各个像素位置的光信号强度差异，确定待检测芯片中是否存在被检分子。从上述结构的技术方案可以看出，本申请实施例提供的生物分子检测系统，当半导体制冷器工作时，热端产生的热量使得环境槽内的液体水蒸发，水蒸气遇到半导体制冷器的冷端后冷凝出液滴，而若待检芯片内存在被检分子，如单链DNA等，则被检分子在液滴生成时会导致不同的液滴表面接触角，也即待检芯片中有被检分子的位置处，液滴的表面接触角较小，待检芯片中没有被检分子的位置处，液滴表面接触角较大，表面接触角的差异将会引起光线在表面的反射效率出现变化，因此通过微距探测器采集的光照下的待检测芯片的图像会出现强度不一、亮暗不同，进而经由处理器对图像中各个像素位置的光信号强度进行对比，即可确定待检测芯片中是否存在被检分子。附图说明为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。图1为本申请实施例公开的一种生物分子检测系统结构示意图。具体实施方式下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。参见图1，图1为本申请实施例公开的一种生物分子检测系统结构示意图。如图1所示，该系统包括：环境槽1，所述环境槽1内部盛有液体水或其他可热挥发的液体，例如酒精等；半导体制冷器2，所述半导体制冷器2设置于所述环境槽1内，所述半导体制冷器的热端位于液面内、冷端位于液面之上；待检测芯片3，所述待检测芯片3设置于所述半导体制冷器2的冷端；光源4，用于对所述待检测芯片3进行光照；微距探测器5，用于在光源4照明下，对半导体制冷器2上处于冷热面气液循环状态下的待检测芯片3进行图像采集；处理器6，用于根据采集的图像中各个像素位置的光信号强度差异，确定所述待检测芯片3中是否存在被检分子。本申请实施例基于半导体制冷器的变温材料设计了一款冷热面气液循环结构，将半导体材料串联形成电偶单元，利用直流电通过电偶单元时的帕尔贴效应，实现热能从半导体一端转向另一端的控制。当将其置于水浴微环境中，即可实现冷热两端的气液循环流动，包括先通过半导体制冷器的热端将环境槽内的水加热形成水蒸气，由于环境可以设置为相对封闭，水蒸气会流向半导体制冷器的冷端定向冷凝，形成水膜或水珠，凝聚的大水珠会流动，离开半导体制冷器的冷端，补充到环境槽内，形成一个气液循环。其中，待检测芯片以二氧化硅-硅片或玻璃、有机高分子固相聚合物为基质，其上可以设置被检测分子，具体可以通过对待检测芯片表面进行化学修饰，以结合被检测分子。被检测分子可以是单链DNA、双链DNA、RNA或是蛋白质等，只要保证被检分子与待检测芯片表面具有不同亲疏水性即可。本申请实施例提供的生物分子检测系统，当半导体制冷器工作时，热端产生的热量使得环境槽内的液态水蒸发，水蒸气遇到半导体制冷器的冷端后冷凝出液滴，而若待检芯片内存在被检分子，如单链DNA等，则被检分子在液滴生成时会导致不同的液滴表面接触角，也即待检芯片中有被检分子的位置处，液滴的表面接触角较小，在检测芯片表面产生高暗相衬，待检芯片中没有被检分子的位置处，液滴表面接触角较大，表面接触角的差异将会引起光线在表面的反射效率出现变化，因此通过微距探测器采集的光照下的待检测芯片的图像会出现强度不一、亮暗不同，进而经由处理器对图像中各个像素位置的光信号强度进行对比，即可确定待检测芯片中是否存在被检分子，实现对生物分子的非标记检测。可选的，为了加快液态水转换为水蒸气的过程，可以将环境槽1设置为导热槽，具体的如铜材质金属导热槽等。进一步，可以将半导体制冷器2紧贴在导热槽1底部。可选的，还可以增设蒸汽发生装置7，其设置于导热槽1内部的水中，用于促进液态水转化为水蒸气。具体地，蒸本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种生物分子检测系统，其特征在于，包括：环境槽，所述环境槽内部盛有液体水或其它可热挥发的液体；半导体制冷器，所述半导体制冷器设置于所述环境槽内，所述半导体制冷器的热端位于液面内、冷端位于液面之上；待检测芯片，所述待检测芯片设置于所述半导体制冷器的冷端；光源，用于对所述待检测芯片进行光照；微距探测器，用于在光源照明下，对半导体制冷器上处于冷热面气液循环状态下的待检测芯片进行图像采集；处理器，用于根据采集的图像中各个像素位置的光信号强度差异，确定所述待检测芯片中是否存在被检分子。

【技术特征摘要】
1.一种生物分子检测系统，其特征在于，包括：环境槽，所述环境槽内部盛有液体水或其它可热挥发的液体；半导体制冷器，所述半导体制冷器设置于所述环境槽内，所述半导体制冷器的热端位于液面内、冷端位于液面之上；待检测芯片，所述待检测芯片设置于所述半导体制冷器的冷端；光源，用于对所述待检测芯片进行光照；微距探测器，用于在光源照明下，对半导体制冷器上处于冷热面气液循环状态下的待检测芯片进行图像采集；处理器，用于根据采集的图像中各个像素位置的光信号强度差异，确定所述待检测芯片中是否存在被检分子。2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述环境槽为导热槽，所述半导体制冷器紧贴在所述导热槽底部。3.根据权利要求2所述的系统，其特征在于，还包括：蒸汽发生装置，设置于导热槽内部的水中，用于促进液态水转化为水蒸气。4.根据权利要求3所述的系统，其特征在于，所述蒸汽发生装置为：金属散热栅片、或超声蒸汽发生器。5.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述处理器具有用于，将采集的图像转换为像素光信号强度的二维数据矩阵；针对二维数据矩阵中的各个像素点，分别判断当前像素点的光信号强度值与邻域像...

【专利技术属性】
技术研发人员：张俊琪，符荣鑫，黎琦，黄国亮，汪汝亮，
申请(专利权)人：博奥生物集团有限公司，清华大学，
类型：发明
国别省市：北京;11