一种用于检测单个金纳米颗粒表面生物分子的装置及方法制造方法及图纸

本发明专利技术涉及一种基于单个金纳米颗粒局域表面等离子体共振性质进行生物分子及其构象检测的装置和方法，首先将金纳米颗粒覆载在洁净的盖玻片上与定制的微流控芯片组装，然后通过蠕动泵切换微流控芯片贮液腔体中的液体，利用实验室搭建的光热装置检测结合到金纳米颗粒表面的生物分子及其构象变化，该生物分子可以是DNA或多肽。与现有技术相比，本发明专利技术可以实现原位、实时检测，具有高灵敏度，高信噪比，少试剂量，半自动化，低浓度等特点。

A device and method for detecting biomolecules on the surface of a single gold nanoparticle

The invention relates to a device and method for detection of single biomolecules and conformation of gold nanoparticles localized surface plasmon resonance properties based on the first gold nanoparticle load assembly of microfluidic chip and customized in clean coverslips, and then through the peristaltic pump switching of microfluidic chip liquid cavity liquid thermal device Laboratory of biological molecules detection using gold nanoparticles surface and its binding to the conformational change, the biological molecules can be DNA or peptide. Compared with the prior art, the invention can realize in-situ and real-time detection, and has the characteristics of high sensitivity, high signal-to-noise ratio, less testing dose, semi automation, low concentration, etc..

【技术实现步骤摘要】
一种用于检测单个金纳米颗粒表面生物分子的装置及方法
本专利技术涉及生物分子及构象的检测
，具体涉及一种用于检测单个金纳米颗粒表面生物分子的装置及方法。
技术介绍
在与疾病相关的生物分子检测发展与应用过程中，人们对于检测方法的灵敏度，检测极限，便携度提出了越来越高的要求。例如核酸的检测中，传统的PCR方法和设备难以实现短周期，小型化的检测；与肿瘤诊断相关的肿瘤标志物的检测中，标志物含量很低，传统方法如放射免疫分析等用到放射性同位素，对人体和环境均有损害，并且操作繁琐。近些年微纳米技术的发展，为解决上述与疾病相关的生物分子检测方面的问题提供了机遇。金纳米颗粒是近年研究最为广泛的纳米材料之一，它具有良好的生物相容性、化学稳定性以及独特的光学性质，在生物分子检测、诊断和治疗方面具有很大的发展潜力。尤其是金纳米颗粒显示出特殊的局域表面等离子体共振特性(Localizedsurfaceplasmonresonance，LSPR)。在外界电磁场作用下，金纳米颗粒表面的自由电子产生极化，当外界电磁场发生交替时，金纳米颗粒表面电子的极化方向也发生交替变化，这使得自由电子也随着产生往复运动，当电磁场的变化频率与金属纳米颗粒表面自由电子的固有运动频率相等时会产生共振使得表面等离子体的集体震荡大幅度增强，导致金纳米颗粒表面产生强电磁场，并最终增强了诸如吸收和散射的辐射特性。金纳米颗粒的表面等离子共振频率会随着颗粒的大小，颗粒间的距离，周围环境的介电常数等因素发生变化。因此，我们可以将金纳米颗粒用来传感一些生物分子如蛋白质、DNA的存在及其构象变化。局域表面等离子体共振在很多领域都有应用，但大多数都是应用的暗场显微镜进行检测。比如最基本的通过检测金纳米颗粒的吸收峰位移，就可以判断出其周围介质的变化。先在金纳米颗粒表面通过金硫键修饰上带巯基的检测单链DNA，当体系中加入与之互补的目标DNA时，DNA杂交，导致金纳米颗粒表面的介电常数发生改变，从而使得金纳米颗粒的等离基元吸收峰发生红移。通过CCD光谱仪收集散射光，根据散射光红移的程度可以实时追踪DNA杂交过程。但是单颗粒的检测本身噪声就是很大的，而在DNA构象变化过程中收集全光谱再进行数据拟合，找到峰位移的方法，不确定度比较大。因为变化过程中金纳米颗粒的局域等离子体吸收红移的程度也是比较小的，文献报道的吸收峰红移量达到最大值也只有2.0nm。
技术实现思路
本专利技术的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种高灵敏度、高信噪比、少试剂量、半自动化的用于金纳米颗粒表面生物分子及构象的检测装置及方法。本专利技术的目的可以通过以下技术方案来实现：一种用于检测单个金纳米颗粒表面生物分子的装置，所述装置包括光热系统、用于寻找和选择单个金纳米颗粒的暗场显微镜、放置在暗场显微镜样品台上的微流控芯片样品以及用于检测光信号的雪崩二极管，所述光热系统发射加热光和检测光并聚焦在微流控芯片样品上，从微流控芯片样品中反射出来的检测光原路返回至雪崩二极管中，所述加热光和检测光到达微流控芯片样品处时共焦点。本专利技术的装置采用暗场显微镜，可以找出微流控芯片样品中比较合适的单个金纳米颗粒，然后对该单个金纳米颗粒进行单独分析。通过将加热光和检测光共焦点，当微流控芯片样品吸收加热光后会形成类似热透镜，从而引起检测光的发散角度以及偏振方向的变化，所以通过分析检测光的变化即可知样品中金纳米颗粒所处的微环境情况。所述的光热系统包括检测光发射单元以及加热光发射单元，所述检测光发射单元发射出的检测光和加热光发射单元发射出的加热光在二向色镜处重合，聚焦在微流控芯片样品上。所述的加热光发射单元包括依次设置的绿色激光器、斩波器、一号偏振片、一号1/2波片以及一号扩束器，一号扩束器得到的加热光射在二向色镜上，并通过二向色镜的反射聚焦在微流控芯片样品上。绿色激光器发出的激光的波长为520～550nm。所述的加热光为圆偏振光，加热光的频率为400～1000HZ，加热光的功率为0～50mW。所述的检测光发射单元包括依次设置在的红色激光器、二号偏振片、二号1/2波片、二号扩束器及分光棱镜，所述分光棱镜中射出检测光透过二向色镜，并和加热光重合，然后聚焦在微流控芯片样品上，检测光聚焦到微流控芯片样品后原路返回，并透过二向色镜到达分光棱镜，然后射入雪崩二极管中，获得光热信号。红色激光器发出的激光的波长为620～650nm。所述的检测光为线偏振光。所述的微流控芯片样品包括底层的石英载玻片、中间的PDMS层以及覆盖在PDMS层上方的盖玻片，待检测金纳米颗粒覆载在盖玻片上，所述石英载玻片和PDMS层通过等离子键合，所述盖玻片与PDMS层通过吸附力结合。所述的PDMS层通过铸造模具然后浇筑而成，所述PDMS层的中央设置直径为8mm的贮液腔体，在贮液腔体的两侧分别设置直径为1mm的进液孔和出液孔，所述进液孔通过宽度为0.4mm、深度为0.1mm的进液流道槽与贮液腔体连通，所述出液孔通过度为0.2mm、深度为0.1mm的出液流道槽与贮液腔体连通，采用不同宽度的进液流道槽和出液流道槽，营造一定的流速差为了让中间贮液腔体的液体可以充满，所述盖玻片覆盖住贮液腔体并露出进液孔和出液孔。本装置将微小的波长移动通过检测光转化为偏振方向和光强的变化，结合使用锁相放大器对信号进行降噪处理，可以提高灵敏度和信噪比。一种采用如上所述检测装置进行的检测单个金纳米颗粒表面生物分子的方法，包括以下几个步骤：(1)将裸露的金纳米颗粒覆载在盖玻片的底部下表面，然后将盖玻片覆盖在PDMS层上且裸露的金纳米颗粒位于贮液腔体内，得到微流控芯片样品，并将微流控芯片样品放置在暗场显微镜的样品台上；(2)选定合适的单个裸露的金纳米颗粒，然后光热系统向微流控芯片样品发射加热光和检测光，并通过雪崩二极管检测该单个裸露的金纳米颗粒的光热信号；(3)通过蠕动泵向PDMS层的进液孔中加入带有生物分子的溶液，然后光热系统向微流控芯片样品发射检测光和加热光，通过雪崩二极管实时监测生物分子修饰上金纳米颗粒表面过程中其光热信号的变化；(4)通过蠕动泵向PDMS层进液孔中加入缓冲液，将未修饰上金纳米颗粒表面的多余的生物分子的溶液冲洗掉，再通过蠕动泵加入能够诱导生物分子构象发生变化的溶液，然后光热系统向微流控芯片样品发射检测光和加热光，通过雪崩二极管实时监测生物分子在金纳米颗粒表面构象变化过程中其光热信号的变化；(5)分析步骤(2)、(3)和(4)中各光热信号的变化，得到生物分子的类型及构象变化的信息。目前分析化学和生物的检测极限就是单分子。系综水平的分子具有复杂的构象动力学，分子交互以及空间分散现象，很多这种特性通过统计平均结果得到，这就缺失了在分子和纳米尺度下的信息。而单颗粒水平的研究能够发现系综水平所不能发现的，如分子层次和纳米尺度的机理与信息。知道分子动力学的细节对我们在分子水平上理解生物功能是很有必要的。然而，目前很少实验仪器可以给我们提供平台去检测溶液中分子的活动，通常都是使用荧光标记物，分析物的标记修饰可能会影响生物进程，这促使着无标记的新检测方法诞生。本方法使用单个金纳米颗粒检测未标记的生物分子，具有非常高的分辨率和信噪比。光热法是使用两束不同波长的激光，会被样品吸收的激光为加热光，不会的为检测光本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于检测单个金纳米颗粒表面生物分子的装置，其特征在于，所述装置包括光热系统、用于寻找和选择单个金纳米颗粒的暗场显微镜、放置在暗场显微镜样品台上的微流控芯片样品以及用于检测光信号的雪崩二极管，所述光热系统发射加热光和检测光并聚焦在微流控芯片样品上，从微流控芯片样品中反射出来的检测光原路返回至雪崩二极管中，所述加热光和检测光到达微流控芯片样品处时共焦点。

【技术特征摘要】
1.一种用于检测单个金纳米颗粒表面生物分子的装置，其特征在于，所述装置包括光热系统、用于寻找和选择单个金纳米颗粒的暗场显微镜、放置在暗场显微镜样品台上的微流控芯片样品以及用于检测光信号的雪崩二极管，所述光热系统发射加热光和检测光并聚焦在微流控芯片样品上，从微流控芯片样品中反射出来的检测光原路返回至雪崩二极管中，所述加热光和检测光到达微流控芯片样品处时共焦点。2.根据权利要求1所述的用于检测单个金纳米颗粒表面生物分子的装置，其特征在于，所述的光热系统包括检测光发射单元以及加热光发射单元，所述检测光发射单元发射出的检测光和加热光发射单元发射出的加热光在二向色镜处重合，聚焦在微流控芯片样品上。3.根据权利要求2所述的用于检测单个金纳米颗粒表面生物分子的装置，其特征在于，所述的加热光发射单元包括依次设置的绿色激光器、斩波器、一号偏振片、一号1/2波片以及一号扩束器，一号扩束器得到的加热光射在二向色镜上，并通过二向色镜的反射聚焦在微流控芯片样品上。4.根据权利要求3所述的用于检测单个金纳米颗粒表面生物分子的装置，其特征在于，所述的加热光为圆偏振光，加热光的频率为400～1000HZ，加热光的功率为0～50mW。5.根据权利要求3所述的用于检测单个金纳米颗粒表面生物分子的装置，其特征在于，所述的检测光发射单元包括依次设置在的红色激光器、二号偏振片、二号1/2波片、二号扩束器及分光棱镜，所述分光棱镜中射出检测光透过二向色镜，并和加热光重合，然后聚焦在微流控芯片样品上，检测光聚焦到微流控芯片样品后原路返回，并透过二向色镜到达分光棱镜，然后射入雪崩二极管中，获得光热信号。6.根据权利要求5所述的用于检测单个金纳米颗粒表面生物分子的装置，其特征在于，所述的检测光为线偏振光。7.根据权利要求1所述的用于检测单个金纳米颗粒表面生物分子的装置，其特征在于，所述的微流控芯片样品包括底层的石英载玻片、中间的PDMS层以及覆盖在PDMS层上方的盖玻片，待检测金纳米颗...

【专利技术属性】
技术研发人员：张鲁凝，黄亚琴，
申请(专利权)人：同济大学，
类型：发明
国别省市：上海,31