一种同时监测溶液变化和传感器固/液界面变化的检测装置

摘要

本发明公开了一种同时监测溶液变化和传感器固/液界面变化的检测装置，包括光源单元、传感单元、检测单元和显示单元，所述传感单元设于光源单元与检测单元之间，所述检测单元与显示单元电连接；所述传感单元包括透明样品池和集成在透明样品池上的LSPR传感基底；所述光源单元、LSPR传感基底和检测单元在同一光路上；所述光源单元为检测装置提供光信号，光穿过透明样品池中的待测溶液后，再穿过LSPR传感基底到达检测单元，检测单元将采集到的光信号输出到显示单元中用于输出检测结果。

权利要求

1.一种同时监测溶液变化和传感器固/液界面变化的检测装置，其特征在于，包括光源单元(1)、传感单元(2)、检测单元(3)和显示单元(4)，所述传感单元(2)设于光源单元(1)与检测单元(3)之间，所述检测单元(3)与显示单元(4)电连接；所述传感单元(2)包括透明样品池(21)和集成在透明样品池(21)上的LSPR传感基底(22)；所述光源单元(1)、LSPR传感基底(22 )和检测单元(3)在同一光路上；所述光源单元(1)为检测装置提供光信号，光穿过透明样品池(21)中的待测溶液后，再穿过LSPR传感基底(22)到达检测单元(3)，检测单元(3)将采集到的光信号输出到显示单元(4)中用于输出检测结果；在检测单元(3)中，采集的溶液变化光信号以及传感界面吸附变化的光信号转化为电信号并输出到显示单元(4)中；在显示单元(4)中，对监测结果中溶液特征峰以及LSPR特征峰的变化进行分析后可得到生物分子在溶液中变化过程和传感表面吸附变化过程。

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述LSPR传感基底(22)紧贴在透明样品池(21)内壁上，并与检测装置中的光路垂直。

3.根据权利要求1所述的检测装置，其特征在于，所述LSPR传感基底(22)为准三维金纳米锥阵列、金纳米孔阵列或金纳米蘑菇头阵列。

4.据权利要求3所述的检测装置，其特征在于，所述准三维金纳米锥阵列、金纳米孔阵列和金纳米蘑菇头阵列由光学透明的基底以及纳米级厚度的金层组成。

5.根据权利要求1所述的检测装置，其特征在于，所述透明样品池(21)为石英材料制成。

6.根据权利要求5所述的检测装置，其特征在于，所述透明样品池(21)为比色皿。

7.根据权利要求1所述的检测装置，其特征在于，所述显示单元(5)为具有数据处理和显示功能的终端。

8.根据权利要求7所述的检测装置，其特征在于，所述显示单元(5)为计算机或手机。

9.根据权利要求1所述的检测装置，其特征在于，所述光源单元(1)为单色光源。

10.权利要求1～9任一所述的检测装置在同时监测生物分子或聚合物在溶液中变化过程及其在传感器界面吸附变化过程中的应用。

说明书

一种同时监测溶液变化和传感器固/液界面变化的检测装置

技术领域

[0001] 本发明涉及光学检测仪器技术领域，更具体地，涉及一种同时监测溶液变化和传感器固/液界面变化的检测装置。

背景技术

[0002] 检测溶液中的固体表面变化过程是研究固体表面性质必要的检测手段之一，在生物材料领域、传感领域、植入器械等中应用十分广泛。例如，将溶液中的生物分子或聚合物
通过吸附、粘结、枝接等方式束缚在固体表面可以极大程度改变固体表面的生物学性能，如
生物相容性、抗菌性、生物催化等。对吸附过程精确控制的必要手段是对其过程的深入检测
研究。

[0003] 目前检测固体材料表面吸附过程的主要技术为表面等离子共振(Surface plasmon resonance，SPR)技术以及石英晶体微天平技术(Quartz crystal microbalance，
QCM)。SPR是入射光照射到负、正介电常数材料间的界面处时，在金属材料内会同时存在倏
逝波和等离子体波，两者之间相位匹配时发生的耦合共振。发生SPR现象时，入射光能量将
被金属材料表面电子急剧吸收，反射光能量显著下降，SPR现象对金属膜外侧的介质介电常
数变化极其敏感，故可以通过SPR技术检测生物分子或聚合物黏附在传感器表面后光学性
质变化。QCM的核心是石英晶体传感器。当传感器两端施加电压时，石英晶体会在共振频率
处引发一个小的剪切振动。如果晶体表面上吸附一层物质，晶体的振动就会减弱，并且这种
振动的减弱或者频率的降低会随着物质的厚度和密度变化而变化，故可以通过QCM检测生
物分子在传感器衬托表面的吸附重量变化。SPR技术和QCM技术分别从光学性质和声学性质
角度研究对象相对于衬托背景的变化，但目前两种检测技术均无法同时检测溶液中的变化
及传感表面的变化。中国专利CN109975249A公开了一种基于有序纳米结构阵列的LSPR传感
装置，能够将细胞‑基底接触面积的信号实时地转化为LSPR光谱强度信号，从而实现对细胞
黏附和铺展全过程的原位实时监测，且细胞‑基底接触面积的信号与LSPR光谱强度信号线
性相关，进而对细胞黏附和铺展全过程具有半定量监测功能。但是其仅能监测传感器表面
变化，无法实现同时检测溶液中的变化及传感表面的变化的目的。

发明内容

[0004] 本发明的目的在于克服现有技术中存在的上述缺陷和不足，提供一种同时监测溶液变化和传感器固/液界面变化的检测装置。

[0005] 本发明的上述目的是通过以下技术方案给予实现的：

[0006] 一种同时监测溶液变化和传感器固/液界面变化的检测装置，包括光源单元1、传感单元2、检测单元3和显示单元4，所述传感单元2设于光源单元1与检测单元3之间，所述检
测单元3与显示单元4电连接；所述传感单元2包括透明样品池21和集成在透明样品池21上
的LSPR传感基底22；所述光源单元1、LSPR传感基底21和检测单元3在同一光路上；所述光源
单元1为检测装置提供光信号，光穿过透明样品池21中的待测溶液后，再穿过LSPR传感基底
22到达检测单元3，检测单元3将采集到的光信号输出到显示单元4中用于输出检测结果。

[0007] 本发明是基于LSPR的传感衬底，在检测光依次经过溶液以及传感器界面后到达检测器，可同时得到物质在溶液中变化以及传感表面的变化信号。光信号在经过待测溶液后，
穿过LSPR传感基底表面到达检测单元；在检测单元中，采集的溶液变化光信号以及传感界
面吸附变化的光信号转化为电信号并输出到显示单元中；在显示单元中，对监测结果中溶
液特征峰以及LSPR特征峰的变化进行分析后可得到生物分子在溶液中变化过程和传感表
面吸附变化过程。以监测牛血清蛋白(Bovine serum albumin，BSA)在水溶液中变化过程以
及传感界面吸附变化过程为例。因水的特征吸收峰与LSPR共振峰位置错开，互不影响，但又
能出现在同一紫外可见光谱中，从而可同时监测BSA在水溶液变化过程以及其在传感器界
面吸附变化过程。此外，LSPR传感器具有一些优于传统SPR传感器的优点，如仪器简单、使用
方便、传感器价格低等，因而在器件开发以及相关传感领域中表现出很大的潜力。

[0008] 优选地，所述LSPR传感基底22紧贴在透明样品池21内壁上，并与检测装置中的光路垂直；当检测时，生物分子水溶液加入到检测单元的样品池当中，高度没过LSPR传感基底
22。

[0009] 优选地，所述LSPR传感基底22为准三维金纳米锥阵列、金纳米孔阵列或金纳米蘑菇头阵列。

[0010] 优选地，所述准三维金纳米锥阵列、金纳米孔阵列和金纳米蘑菇头阵列由光学透明的基底以及纳米级厚度的金层组成。

[0011] 进一步优选地，所述LSPR传感基底22为准三维金纳米锥阵列；本发明通过以准三维金纳米阵列为LSPR传感器，搭建了可同时监测生物分子在溶液中变化过程以及其在传感
表面吸附的变化过程的检测装置。目前尚无可同时监测溶液变化过程以及传感表面变化过
程的低成本检测仪。开发此类检测仪能给材料表面吸附的研究和相关领域带来了帮助。

[0012] 优选地，所述透明样品池21为石英材料制成。

[0013] 进一步优选地，所述透明样品池21为比色皿。

[0014] 优选地，所述显示单元5为具有数据处理和显示功能的终端。

[0015] 进一步优选地，所述显示单元5为计算机或手机。

[0016] 优选地，所述光源单元1为配备有分光器的白光光源，波段范围为350nm～1100nm；也可以是单一波长的光源。

[0017] 优选地，所述光源单元1为单色光源。

[0018] 本发明还提供上述任一所述的检测装置在同时监测生物分子或聚合物在溶液中变化过程及其在传感器界面吸附变化过程中的应用。具体地，包含监测细菌、病毒、蛋白分
子、核酸、多糖等生物分子以及聚合物在溶液中变化过程以及传感器界面吸附变化过程。所
述溶液包含水溶液、甘油溶液、乙醇溶液、正辛烷及它们的混合物。

[0019] 与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

[0020] 本发明装置基于LSPR的传感衬底，在检测光依次经过溶液以及传感器界面后到达检测器，可同时得到物质在溶液中变化以及传感表面的变化信号；LSPR传感器输出信号稳
定，无需多余标记，可长时间监测传感表面吸附变化；同时LSPR传感基底制备方法简单、成
本低，有利于传感基底的大批量生产。

附图说明

[0021] 图1为本发明可同时监测溶液的变化过程和传感表面变化过程的检测仪整体结构示意图。

[0022] 图2为样品池示意图。

[0023] 图3为利用本发明所述检测仪检测不同时间点BSA在水溶液以及表面吸附的紫外可见吸收光谱图。

[0024] 图4为利用本发明所述检测仪检测BSA在水溶液中变化以及表面吸附变化图。

[0025] 附图标记说明：1‑光源单元；2‑传感单元；21‑透明样品池；22‑LSPR传感基底；3‑检测单元；4‑显示单元。

具体实施方式

[0026] 以下结合说明书附图和具体实施例来进一步说明本发明，但实施例并不对本发明做任何形式的限定。除非特别说明，本发明采用的试剂、方法和设备为本技术领域常规试
剂、方法和设备。

[0027] 除非特别说明，以下实施例所用试剂和材料均为市购。

[0028] 实施例1

[0029] 如图1所示，一种同时监测溶液变化和传感器固/液界面变化的检测装置，包括光源单元1、传感单元2、检测单元3和显示单元4，所述传感单元2设于光源单元1与检测单元3
之间，所述检测单元3与显示单元4电连接；所述传感单元2包括透明样品池21和LSPR传感基
底22，透明样品池22为石英材料制成的比色皿，LSPR传感基底22为准三维金纳米锥阵列，并
集成在透明样品池22内壁与光路垂直的位置(如图2所示)；所述光源单元1与传感单元2、
LSPR传感基底22在同一光路上。光源单元1为检测仪器提供光信号，光信号经过透明样品池
中的待测溶液后可穿过LSPR传感基底22到达检测单元3，在经过检测单元后，采集的分子在
溶液中的变化以及与传感界面吸附变化光信号将被输出到显示单元中，如计算机或手机。
分析后可到生物分子在溶液中的变化以及与传感界面吸附变化程；所述透明样品池22为检
测时盛放待测溶液的容器。

[0030] 所述LSPR传感基底22为准三维金纳米锥阵列，准三维金纳米锥阵列由透明的聚合物基底和金属层组成，其中金属层厚度为50nm的金。所述准三维金纳米锥阵列主要是通过
简单的、低成本的软光刻复制制备方法以及金属热蒸发镀膜技术制备出来的。

[0031] 以本实施例所述检测器以监测牛血清蛋白(Bovine serum albumin，BSA)在水溶液中变化过程以及传感界面吸附变化过程为例，主要过程如下：

[0032] (1)将PBS溶液置于传感单元2的透明样品池21中，打开光源单元1，并将传感单元2放至光路中的指定位置；由检测单元3实时记录透射光强度大小，并将光信号转化为电信号
传送至显示单元4；

[0033] (2)将含一定浓度的BSA的PBS溶液加入含PBS溶液的样品池当中，BSA扩散以及吸附过程通过可见‑近红外的吸收光谱记录下来，整个检测过程中无仪器移动，结果如图3所
示，LSPR特征峰P1和LSPR特征峰D3均发生红移，说明BSA吸附在传感界面；水的特征峰P2蓝
移说明溶液中BSA分子减少。

[0034] (3)通过显示单元4输出并绘制出水特征峰位移及LSPR特征峰位移分别与时间之间的关系曲线，并进行曲线拟合，如图4所示，LSPR特征峰P1和LSPR特征峰D3均发生红移，在
6min时，峰位置保持不变，说明BSA此时在传感界面吸附达到平衡。