本发明专利技术提供了一种基于固态自旋传感器的生化反应温度测量装置及方法。该装置包括：样品模块，预置有待测样品和作为温度探针的固态自旋纳米颗粒，样品模块用于完成待测样品的生化反应，固态自旋纳米颗粒用于测量生化反应过程中的温度变化；温度控制模块，用于控制样品模块所占据区域的环境温湿度保持稳定；泵浦光模块，用于将激发光束聚焦至固态自旋纳米颗粒处，以使得处于激发光束的光束范围内的目标固态自旋纳米颗粒发射荧光；微波模块，用于将微波场辐射至固态自旋纳米颗粒处；收集模块，用于对与荧光相对应的荧光光束进行处理，得到荧光信号；处理模块，用于将荧光信号转换为特征信号，根据特征信号，确定生化反应过程的温度变化测量结果。变化测量结果。变化测量结果。
【技术实现步骤摘要】
基于固态自旋传感器的生化反应温度测量装置及方法
[0001]本专利技术涉及纳米量热领域，更具体地，涉及一种基于固态自旋传感器的生化反应温度测量装置及方法。
技术介绍
[0002]热量的产生和吸收是生物化学活动中普遍存在的现象。温度监测可以为生物分子相互作用、构象变化和酶动力学等过程提供重要信息。
[0003]等温滴定量热法(ITC，Isothermal Titration Calorimetry)和差示扫描量热法(DSC，Differential Scanning Calorimetry)等温度测量方法，凭借其无标记和分析物无需固定的优势，被广泛应用于许多科学发现中。然而，该些测量通常需要大的样本量，通常数百微升，阻碍了温度测量方法在高通量检测和样品消耗极低的情况下的应用，如药物筛选和催化反应优化。
[0004]随着微流控技术在微米和纳米液滴操作方面的最新进展，对相应小体积的无标签温度测量的需求日益增长，开发具有高温灵敏度和长期化学稳定性的纳米级温度计成为挑战。如热敏电阻、热电堆等电温度计，尺寸通常在数十μm至数百μm，在温度计和反应液体之间通常需要一个2
‑
5μm厚的保护层。此外，基于荧光的热响应分子，虽然能实现纳米尺度的应用，但由于局域pH值、离子浓度和折射率等影响，大多数测量方法都存在信号不稳定的缺陷。对于分辨率优于100mK的亚微米级生化反应的观测，也较为缺乏。
技术实现思路
[0005]有鉴于此，本专利技术提供了一种基于固态自旋传感器的生化反应温度测量装置及方法。
[0006]本专利技术的一个方面提供了一种基于固态自旋传感器的生化反应温度测量装置，包括：样品模块，预置有待测样品和作为温度探针的固态自旋纳米颗粒，上述样品模块用于完成上述待测样品的生化反应，上述固态自旋纳米颗粒用于测量上述生化反应过程中的温度变化；温度控制模块，用于控制上述样品模块所占据区域的环境温湿度保持稳定；泵浦光模块，用于生成激发光束，以及将上述激发光束聚焦至上述固态自旋纳米颗粒处，以使得处于上述激发光束的光束范围内的目标固态自旋纳米颗粒发射荧光；微波模块，用于生成微波场，以及将上述微波场辐射至上述固态自旋纳米颗粒处；收集模块，用于收集与上述荧光相对应的荧光光束，以及对上述荧光光束进行处理，得到荧光信号；处理模块，用于接收上述荧光信号，将上述荧光信号转换为特征信号，并根据上述特征信号，确定上述生化反应过程的温度变化测量结果。
[0007]可选地，固态自旋纳米颗粒包括如下中的至少之一：内含温度变化敏感的自旋传感器的纳米颗粒，以及结合温度响应型材料和上述自旋传感器确定的复合探针。
[0008]可选地，上述待测样品包括第一样品和第二样品，上述样品模块包括：微液滴控制器，用于生成预定体积的上述第一样品；反应腔室，用于装载上述第二样品和上述固态自旋
纳米颗粒，以及为上述第一样品和上述第二样品的生化反应过程提供反应空间；微流管，用于将上述微液滴控制器生成的第一样品导入上述反应腔室；位移模块，用于承载上述反应腔室，以及控制上述反应腔室内装载的固态自旋纳米颗粒锁定在显微物镜光斑聚焦处。
[0009]可选地，微波模块包括：微波波源，用于生成调制自旋态的微波场；微波功率放大器，用于增强上述微波场的功率；辐射组件，用于将上述微波场辐射至上述固态自旋纳米颗粒处。
[0010]可选地，收集模块包括：滤光片，用于对上述荧光光束进行滤波处理；消色差透镜，用于将上述荧光光束会聚至针孔上；上述针孔，用于对上述荧光光束进行空间滤波；分束镜，用于将经滤波处理、空间滤波后的荧光分束，发送至光谱仪和雪崩二极管；上述雪崩二极管，用于将上述荧光光束转换为用于记录荧光光子数的荧光计数；上述光谱仪，用于将上述荧光光束转换为光谱信号。
[0011]可选地，泵浦光模块包括：光源，用于生成与上述自旋传感器相对应波长的激发光束；调制器，用于对上述激发光束的强度进行调制；光纤准直器，用于将经过调制的激发光束投射至二向色镜；上述二向色镜，用于将上述激发光束发送至显微物镜，以及将上述荧光光束发送至上述收集模块；上述显微物镜，用于将上述激发光束聚焦至上述固态自旋纳米颗粒处，以及收集上述荧光光束。
[0012]可选地，温度控制模块包括：外层控温子模块，设置为包围显微物镜和上述样品模块，用于为上述显微物镜和上述样品模块提供稳定的环境温度；内层控温子模块，设置为包围上述样品模块，用于为上述固态自旋纳米颗粒提供稳定的环境温度和环境湿度。
[0013]可选地，内层控温子模块包括：环绕加热板，设置为结合上述位移模块包围上述反应腔室，用于为上述固态自旋纳米颗粒提供稳定的环境温度；水槽，设置于上述环绕加热板的外围，用于为上述固态自旋纳米颗粒提供稳定的环境湿度；参考温度计，设置为与上述反应腔室相连，用于测量上述反应腔室的环境温度；温度控制器，设置为与上述参考温度计相连，用于根据上述参考温度计测量的环境温度控制上述环绕加热板的功率。
[0014]本专利技术的另一个方面提供了一种基于固态自旋传感器的生化反应温度测量方法，基于本专利技术上述的基于固态自旋传感器的生化反应温度测量装置实现，该方法包括：利用温度控制模块控制样品模块所占据的环境温湿度保持稳定，上述样品模块中包括作为温度探针的固态自旋纳米颗粒和用于进行生化反应的待测样品；利用泵浦光模块，对放置于上述样品模块内的固态自旋纳米颗粒施加激发光束；利用微波模块，对放置于上述样品模块内的固态自旋纳米颗粒施加微波场；利用雪崩二极管，获取上述固态自旋纳米颗粒发射的荧光光子的荧光计数；利用微波波源，获取上述微波场的微波频率；利用处理模块，控制同时施加上述激发光束和上述微波场，并记录上述荧光计数，在检测到上述荧光计数发生改变的情况下，获取与上述固态自旋纳米颗粒的自旋能级相匹配的目标微波频率；根据上述目标微波频率，确定上述生化反应的过程的温度变化测量结果。
[0015]本专利技术的又一个方面提供了一种基于固态自旋传感器的生化反应温度测量方法，基于本专利技术上述的基于固态自旋传感器的生化反应温度测量装置实现，该方法包括：利用温度控制模块控制样品模块所占据的环境温湿度保持稳定，上述样品模块中包括作为温度探针的固态自旋纳米颗粒和用于进行生化反应的待测样品；利用泵浦光模块，对放置于上述样品模块内的固态自旋纳米颗粒施加激发光束；利用光谱仪，获取上述固态自旋纳米颗
粒发射的荧光的光谱信息；利用处理模块，根据上述光谱信息，确定上述生化反应的过程的温度变化测量结果。
[0016]根据本专利技术的实施例，通过采用了在样品模块中预置待测样品和作为温度探针的固态自旋纳米颗粒，完成待测样品的生化反应，结合温度控制模块、泵浦光模块、微波模块的处理，根据收集到的特征信号得到生化反应过程的温度变化测量结果的技术手段，由于采用的固态自旋纳米颗粒，对生化环境有较高的稳定性，适用于各种复杂生化反应过程的测量。利用纳米尺度颗粒作为探针，空间分辨率在亚微米尺度，结合待测样品，可以将测量体积降低到飞升量级。同时固态自旋纳米颗粒具有很高的温度本文档来自技高网...
【技术保护点】
【技术特征摘要】
1.一种基于固态自旋传感器的生化反应温度测量装置，包括：样品模块，预置有待测样品和作为温度探针的固态自旋纳米颗粒，所述样品模块用于完成所述待测样品的生化反应，所述固态自旋纳米颗粒用于测量生化反应过程中的温度变化；温度控制模块，用于控制所述样品模块所占据区域的环境温湿度保持稳定；泵浦光模块，用于生成激发光束，以及将所述激发光束聚焦至所述固态自旋纳米颗粒处，以使得处于所述激发光束的光束范围内的目标固态自旋纳米颗粒发射荧光；微波模块，用于生成微波场，以及将所述微波场辐射至所述固态自旋纳米颗粒处；收集模块，用于收集与所述荧光相对应的荧光光束，以及对所述荧光光束进行处理，得到荧光信号；处理模块，用于接收所述荧光信号，将所述荧光信号转换为特征信号，并根据所述特征信号，确定所述生化反应过程的温度变化测量结果。2.根据权利要求1所述的装置，其中，所述固态自旋纳米颗粒包括如下中的至少之一：内含温度变化敏感的自旋传感器的纳米颗粒，以及结合温度响应型材料和所述自旋传感器确定的复合探针。3.根据权利要求1所述的装置，其中，所述待测样品包括第一样品和第二样品，所述样品模块包括：微液滴控制器，用于生成预定体积的所述第一样品；反应腔室，用于装载所述第二样品和所述固态自旋纳米颗粒，以及为所述第一样品和所述第二样品的生化反应过程提供反应空间；微流管，用于将所述微液滴控制器生成的所述第一样品导入所述反应腔室；位移模块，用于承载所述反应腔室，以及控制所述反应腔室内装载的所述固态自旋纳米颗粒锁定在显微物镜光斑聚焦处。4.根据权利要求1所述的装置，其中，所述微波模块包括：微波波源，用于生成调制自旋态的微波场；微波功率放大器，用于增强所述微波场的功率；辐射组件，用于将所述微波场辐射至所述固态自旋纳米颗粒处。5.根据权利要求1所述的装置，其中，所述收集模块包括：滤光片，用于对所述荧光光束进行滤波处理；消色差透镜，用于将所述荧光光束会聚至针孔上；所述针孔，用于对所述荧光光束进行空间滤波；分束镜，用于将经滤波处理、空间滤波后的荧光分束，发送至光谱仪和雪崩二极管；所述雪崩二极管，用于将所述荧光光束转换为用于记录荧光光子数的荧光计数；所述光谱仪，用于将所述荧光光束转换为光谱信号。6.根据权利要求2所述的装置，其中，所述泵浦光模块包括：光源，用于生成与所述自旋传感器相对应波长的激发光束；调制器，用于对所述激发光束的强度进行调制；光纤准直器，用于将经过调制的激发光束投射至二向色镜；所述二向色镜，用于将所述激发光束发送至显微物镜，以...
【专利技术属性】
技术研发人员：李敏，张琪，石发展，杜江峰，
申请(专利权)人：中国科学技术大学，
类型：发明
国别省市：
还没有人留言评论。发表了对其他浏览者有用的留言会获得科技券。