病原微生物快速檢測裝置的製作方法

2023-09-23 18:44:15

專利名稱：病原微生物快速檢測裝置的製作方法
技術領域：
本實用新型涉及生物傳感器領域，特別涉及一種病原微生物快速檢測裝置。
背景技術：
表面等離子體共振(SPR)是一種物理光學現象。表面等離子體共振檢測是 一種利用表面等離子體波(SPW， Surface Plasma Wave )進行^r測的技術，具有 無須標記、高速化、專一性、靈敏度高以及大量平行篩選等優點。表面等離子 體(SP)是沿著金屬和電介質間界面傳播的電^茲波形成的。當平行表面的偏振 光以稱之為表面等離子體共振角入射在界面上，發生衰減全反射時，入射光被 耦合入表面等離子體內，光能大量被吸收，在這個角度上由於表面等離子體共 振引起界面反射光顯著減少。由於SPR對金屬表面電介質的折射率非常敏感， 不同電介質其表面等離子體共振角不同。同種電介質，其附在金屬表面的量不 同，則SPR的響應強度不同。基於這種原理，SPR生物傳感器通常將一種具特 異識別屬性的分子即配體固定於金屬膜表面，監控溶液中的被分析物與該配體 的結合過程。在複合物形成或解離過程中，金屬膜表面溶液的折射率發生變化， 隨即被SPR生物傳感器^r測出來。
與傳統的相互作用技術如超速離心、螢光法、熱量測定法等相比，SPR生 物傳感器具有如下顯著特點(1)實時檢測，能動態地監測生物分子相互作用 的全過程；(2)無需標記樣品，保持了分子活性；(3)樣品需要量極少， 一般 一個表面僅需約lng蛋白配體；(4)檢測過程方便快捷，靈敏度高；(5)應用 範圍非常廣泛；(6)高通量、高質量的分析數據；(7)能跟蹤監控固定的配體 的穩定性；(8)複合物的定量測定不幹擾反應的平衡；(9)大多數情況下，不 需對樣品進行預處理；(10)由於SPR基於對未穿透樣品的反射光的測量，所以檢測能在混濁的甚至不透明的樣品中進行。基於以上特點，SPR生物傳感器 得以在生物分子相互作用、藥物篩選、臨床診斷、食物檢測及環境監控、膜生 物學等領域廣泛應用。
目前對病原微生物的檢測和鑑定通常是使用分離培養結合形態特性、生化 鑑定、免疫分析的方法，培養法存在搡作複雜、特異性不強、所需時間長等缺 點，且許多細菌培養要求高，生化特徵、抗生素敏感型等表型特徵不穩定，易 受到基因調控、質粒獲失及技術操作等方面的影響。而以分子生物學為基礎的
鑑定方法如質粒分析、核酸雜交、限制性片段多態性分析、PCR等，能夠克服 以微生物表型特徵為基礎檢測方法的缺點和影響因素，大大縮短了檢測時間， 提高了檢測效率。但是這些技術仍不同程度存在著操作複雜、假陽性率高、低 通量、特異性差等缺點。從而限制了這些技術在臨床，尤其是在野外環境中的 應用。我國目前野外作業時病原微生物的檢查和鑑定，仍然釆用的是傳統技術 和方法，檢測項目少，耗時長，靈敏度低，有些還需要在專門的實驗室才能進 行，這顯然已不能滿足現代醫學救援的需要。

實用新型內容
有鑑於此，本實用新型的目的是提供一種病原微生物快速檢測裝置，能夠 克服現有技術存在的操作複雜、假陽性率高、低通量、特異性差等缺點，並且 檢測項目多樣，特別適用於野外作業時病原微生物的檢查和鑑定。
本實用新型的病原微生物快速檢測裝置，包括表面等離子體共振生物傳感 檢測裝置、入射光通道、出射光通道和智能分析處理平臺，所述入射光通道包 括巡航可調式偏振光源，所述巡航可調式偏振光源包括偏振光源和振光源控制 系統；
所述出射光通道包括會聚透鏡和光電探測器，所迷光電探測器設置在會聚 透鏡的焦點上，所述光電探測器的輸出端與智能分析處理平臺相聯；
進一步，所述表面等離子體共振生物傳感檢測裝置包括表面等離子體共振生物傳感器和可調檢測光源所述表面等離子體共振生物傳感器包括反應池、 透鏡I和基質，所述反應池設置在表面等離子體共振生物傳感器上部，所述透鏡 I設置在表面等離子體共振生物傳感器下部，所述基質設置在反應池與透鏡I之 間，所述基質上設置有金屬膜，所述金屬膜與反應池保持接觸，所述反應池上 預先包被有多個生物探針；
進一步，所述智能分析處理平臺包括信號放大電路、A/D轉換電路、以微 處理器為核心的信號分析/處理電路和顯示電路，所述經光電探測器採集的信號 依次經信號放大電路、A/D轉換電路後送入信號分析/處理電路進行分析處理， 所得結果通過顯示電路送入顯示裝置進行顯示；
進一步，所述偏振光源包括光發射器、透鏡II、濾光片、偏振片和柱面透鏡， 所述光發射器發出的光依次通過透鏡II、濾光片和偏振片後，通過柱面透鏡發生 角向會聚，射向透鏡I底部；
進一步，偏振光源控制系統包括步進電機、細分驅動裝置和步進電機控制 器，所述步進電機控制器發出的脈衝信號通過細分驅動裝置轉化為步進電機的 角位移，步進電機控制器通過細分驅動裝置與步進電機電連接，通過控制步進 脈沖信號的頻率，可以對步進電機精確調速；控制步進脈沖的個數，可以對步 進電機精確定位；
進一步，還包括溫度控制裝置，所述溫度控制裝置由微處理器及其外圍電 路、測溫電路、信號放大電路、A/D轉換電路、顯示接口電路、控溫電路、定 溫超限報警電路組成，所述測溫電路包括溫度傳感器及其外圍器件，所述溫度 傳感器設置在能探測反應池溫度的位置，經溫度傳感器採集的信號依次經信號 放大電路、A/D轉換電路後送入微處理器進行分析處理，所述顯示接口電路、 控溫電路、定溫超限報警電路與微處理器電連接；
進一步，所述金屬膜為鉻膜外鍍金膜的結構；
進一步，所述表面等離子體共振生物傳感檢測裝置還包括樣本進液口和樣 本出液口 ，所述樣本進液口和樣本出液口 i殳置在反應池的上部；
6進一步，所述基質為玻璃或矽片，所述透鏡I為球面透鏡或三稜透鏡；
進一步，所述生物探針包括金黃色葡萄球菌生物:探針、銅綠^假單胞菌生物
探針、破傷風桿菌生物探針、產氣莢膜桿菌生物探針、痢疾桿菌生物探針、炭 疽桿菌生物探針和/或霍亂弧菌生物探針。
本實用新型的工作原理在於當待測溶液與SPR生物傳感器相接觸時，其 生物單分子層的各生物分子與待測樣品溶液中的目標分子特異性結合，形成復
合物，使生物單分子層的表面結構發生變化，這一變化可導致該單分子層上的 各生物分子出現SPR現象的改變，通過檢測裝置可以檢測出SPR角的變化。
本實用新型實現多個生物學信號並行檢測(濃度)的工作方式為l.採樣 準備數份樣品，該樣品含有可與預包被的生物探針特異性結合的已知濃度的目 標分子，且數份樣品中目標分子的濃度是依次遞增的，通過本實用新型的^r測 系統記錄不同時刻t和生物分子SPR角co的變化，根據t和co的關係做出(o /t曲 線；2.得出標準曲線通過co/t曲線，可以得到當反應達到平衡時，各生物分子 的SPR平衡角度coo的值，做出此角度值與該點對應的目標分子濃度C的標準 曲線，即對應於各目標分子的coo/C曲線，該對應關係存入檢測系統的智能分析 平臺中，形成資料庫；3.檢測當檢測位置濃度溶液時，先根據各點的SPR角 co與t的時間關係得到co/t曲線，由(o/t曲線得到各SPR的coo值，再由coo/C曲 線的對應關係，可以得到該目標分子的濃度值。
本實用新型的有益效果是
(1)通過遴選病原菌進行檢測，並設計出相對應的生物探針，設置在反應 池中，實現了多通道檢測，簡化了檢測過程，提高了檢測效率；
(2 )能夠較好地克服非特異性響應，實現對待測生物分子及其相互作用的 檢測，從整體上提高了傳感器性能；
(3)改變了傳統光源的設置方式，通過巡航可調式偏振光源的設置，能夠 根據檢測需要，隨時調整入射光的入射角度，克服了傳統的檢測裝置由於固定 了最佳入射角而導致檢測效率低下的缺點，能充分滿足了檢測需要；(4)本實用新型的基於小型化設計，不但結構緊湊，同時提高了儀器的熱 穩定性和機械穩定性。
本實用新型能夠準確分析標本中多種物質的相互間作用(多因素的作用)， 避免了單一測定帶來的批間差異；並且極大減少了檢測時間，加速了檢測過程； 使用方便，檢測靈敏度高，能夠能用於多個領域，特別是能充分滿足野外環境 的使用需要，具有廣闊的應用前景。
本實用新型的其他優點、目標和特徵在某種程度上將在隨後的說明書中進 行闡述，並且在某種程度上，基於對下文的考察研究對本領域技術人員而言將 是顯而易見的，或者可以從本實用新型的實踐中得到教導。本實用新型的目標 和其他優點可以通過下面的說明書和權利要求書來實現和獲得。


為了使本實用新型的目的、技術方案和優點更加清楚，下面將結合附圖 對本實用新型作進一步的詳細描述，其中
圖1為本實用新型的結構示意圖2為生物揮:針i殳置示意圖3為信號傳遞示意圖4為巡#<可調式光源的控制結構示意圖。
具體實施方式
l一反應池；2—透鏡I; 3—基質；4—金屬膜；5—生物揮:針放置點；6—偏 振光源；7—偏振光源控制系統；8—會聚透鏡；9—光電探測器；IO—信號放大 電路；11一A/D轉換電路、12—信號分析/處理電路；13—顯示電路；14—光發 射器；15—透鏡II; 16—濾光片；17—偏振片；18—柱面透鏡；19—溫度控制裝 置；20—樣本進液口； 21—樣本出液口； 22—智能分析平臺；23—步進電機； 24—細分驅動裝置；25—步進電機控制器。
8圖1為本實用新型的結構示意圖；圖2為生物4果針包^C示意圖；圖3為光 電信號傳遞示意圖(其中虛線箭頭標示光信號傳遞線路，實線箭頭表示電信號 傳遞線路)；圖4為巡航可調式光源的控制結構示意圖。如圖所示，本實用新型 包括SPR生物傳感檢測裝置、入射光通道、出射光通道和智能分析處理平臺22:
其中，SPR生物傳感檢測裝置包括SPR生物傳感器SPR生物傳感器包括 反應池l、透鏡I2和基質3，反應池1設置在SPR生物傳感器上部，透鏡12 設置在SPR生物傳感器下部，基質3設置在反應池1與透鏡I 2之間，基質3 上設置有金屬膜4，金屬膜4與反應池1保持接觸，反應池l中設置有多個生物 探針放置點5;
入射光通道包括巡航可調式偏振光源，巡航可調式偏振光源包括偏振光源6 和偏振光源控制系統7;偏振光源6包括光發射器14、透4竟I115、濾光片16和 偏振片17,光發射器14發出的光依次通過透鏡I1 15、濾光片16和偏振片17 後，經柱面透鏡18發生角向會聚，射向透鏡I2底部，其中，濾光片16能夠改 善入射光的單色性，偏振片17為可調式偏振片，用以產生符合要求的P偏振光。 本實施例中的光發射器14採用能耗低，發光穩定的LED光源，
偏振光源控制系統7包括步進電機23、細分驅動裝置24和步進電機控制器 25，步進電機控制器25發出的脈沖信號通過細分驅動裝置24轉化為步進電機 23的角位移，通過控制步進脈衝信號的頻率，可以對步進電機23精確調速；控 制步進脈衝的個數，可以對步進電機23精確定位控制。其調節可以通過中間的 細分驅動24裝置進行控制，並且此參數為可變參數。本實施例中的控制程序根 據實施例的要求設置為0.1秒/步，每步的移動精度為lmm。
出射光通道包括會聚透鏡8和光電探測器9，光電探測器9設置在會聚透鏡 8的焦點上；本實施例中的光電探測器9採用精度高、性能穩定的面陣CCD。
智能分析處理平臺22包括信號放大電路10、 A/D轉換電路11、以微處理 器為核心的信號分析/處理電路12和顯示電路13,經光電探測器9採集的信號 依次經信號放大電路10、 A/D轉換電路11後送入信號分析/處理電路12進行分析處理，所得結果通過顯示電路13輸入顯示裝置進行顯示。
本實施例還設置有溫度控制裝置19,溫度控制裝置19與樣本池1相聯，溫 度控制裝置19由單片機、測溫電路、A/D轉換電路、顯示接口電路、按鍵接口 電路、控溫電路、定溫超限報警電路及數據存儲電路等幾部分組成。控溫電路 包括可控矽和加熱絲，測溫電路包括溫度傳感器及外圍器件，通過溫度傳感器 感測溫度變化，把溫度信號通過A/D轉換電路轉換成頻率信號，當溫度低於或 者高於設定值下限時，單片機控制可控矽導通或者關斷對加熱絲進行控制，使 溫度升高或者降低。存儲電路是用來存儲溫控系統進行工作的溫度和時間，使 得在系統掉電的情況下數據不會丟失。
本實施例中，金屬膜4為使用真空鍍膜法在基質上先鍍上一層鉻，再在鉻 膜上鍍上一層金膜的結構，從而可以有效地消除聲電幹擾。 本實施例中，基質3選用玻璃基片；透鏡I2為三稜透鏡。 所有光學元件都設置在一煮黑的可密封筒體內，從而減少外界雜散光的影 響，提高了檢測精度。
測量試液中多種分子濃度的實施例的實驗步驟如下
1. 生物探針的包被向反應池內通入摩爾比為1: 9的生物素化硫醇衍生 物和OH才艮碌^醇稀釋液的混合物(PBS緩衝液環境)，反應足夠長的時間， 在各生物探針放置點表面形成緊密覆蓋的自組裝單分子膜(SAM),再用PBS 緩沖液衝洗，接著使用微量加樣器將金黃色葡萄球菌、銅綠假單胞菌、破傷風 桿菌、產氣莢膜桿菌、痢疾桿菌、炭疽桿菌、霍亂弧菌七種病原菌的生物探針 注入反應池中的各生物探針放置點；
2. 測定當反應池中包^皮了生物4笨針以後，將待測樣品通入反應池，調 節稜鏡的角度，使發生共振的黑線落入光電探測器的檢測範圍之內。開始檢 測，同時通過光電探測器9記錄各點的SPR信號，送入智能分析平臺進行分 析處理，智能分析平臺的工作過程如下由SPR信號得到各點的co/t曲線， 再由各點的(o /t曲線得到各點的SPR平衡角co o,通過與資料庫中的存儲的(o q/C曲線數據進行比對，從而得到各點的濃度值。
利用偏振光源控制器控制偏振光源的移動方式和位置，可以實現在每個位 置保證都以最佳的入射角入射，確保了每個指標的一致性，能夠實現多種指標 的同步檢測，尤其適合於基因組的功能分析。
最後說明的是，以上實施例僅用以說明本實用新型的技術方案而非限制， 儘管參照較佳實施例對本實用新型進行了詳細說明，本領域的普通技術人員 應當理解，可以對本實用新型的技術方案進行修改或者等同替換，而不脫離 本技術方案的宗旨和範圍，其均應涵蓋在本實用新型的權利要求範圍當中。
權利要求1. 一種病原微生物快速檢測裝置，包括表面等離子體共振生物傳感檢測裝置、入射光通道、出射光通道和智能分析處理平臺，其特徵在於所述入射光通道包括巡航可調式偏振光源，所述巡航可調式偏振光源包括偏振光源(6)及偏振光源控制系統(7)；所述出射光通道包括會聚透鏡(8)和光電探測器(9)，所述光電探測器(9)設置在會聚透鏡(8)的焦點上，所述光電探測器(9)的輸出端與智能分析處理平臺相聯。
2. 根據權利要求1所述的病原微生物快速檢測裝置，其特徵在於所述表 面等離子體共振生物傳感檢測裝置包括表面等離子體共振生物傳感器，所述表 面等離子體共振生物傳感器包括反應池(1)、透鏡I (2)和基質(3)，所述反 應池(1 )設置在表面等離子體共振生物傳感器上部，所述透鏡I (2)設置在表 面等離子體共振生物傳感器下部，所述基質(3 )設置在反應池(1)與透鏡I (2 ) 之間，所迷基質(3)上設置有金屬膜(4),所述金屬膜(4)與反應池(1)保 持接觸，所述反應池(1 )上包被有多個生物探針(5)。
3. 根據權利要求1或2所述的病原微生物快速檢測裝置，其特徵在於所 述智能分析處理平臺(22)包括信號放大電路(10)、 A/D轉換電路(11)、顯 示接口電路(13 )和以微處理器為核心的信號分析/處理電路(12 ),所述經光電 探測器(9)採集的信號依次經信號放大電路(10)、 A/D轉換電路(11)後送 入信號分析/處理電路(12)進行分析處理，所述顯示接口電路(13)與信號分 析/處理電路(12)電連接。
4. 根據權利要求3所述的病原微生物快速檢測裝置，其特徵在於所述偏 振光源(6)包括光發射器(14 )、透鏡11(15)、濾光片(16)、偏振片(17)和 柱面透鏡(18)，所述光發射器(14)發出的光依次通過透鏡11(15)、濾光片(16) 和偏振片(17)後，通過柱面透鏡(18)發生角向會聚，射向透鏡I(2)底部。
5. 根據權利要求4所述的病原微生物快速檢測裝置，其特徵在於所述偏 振光源控制系統(7)包括步進電機(23)、細分驅動裝置(24)和步進電機控 制器(25 )，所述步進電機控制器(25 )通過細分驅動裝置(24 )與步進電機(23 ) 電連接，所述步進電機控制器(25)發出的脈沖信號通過細分驅動裝置(24) 轉化為步進電機(23)的角位移。
6. 根據權利要求5所述的病原微生物快速檢測裝置，其特徵在於還包括 溫度控制裝置(19),所述溫度控制裝置(19)由微處理器及其外圍電路、測溫 電路、信號放大電路、A/D轉換電路、顯示接口電路、控溫電路、定溫超限報 警電路組成，所述測溫電路包括溫度傳感器及外圍器件，所述溫度傳感器設置 在能探測反應池溫度的位置，經溫度傳感器採集的信號依次經信號放大電路、 A/D轉換電路後送入微處理器進行分析處理，所述顯示接口電路、控溫電路、 定溫超限報警電路與微處理器電連接。
7. 根據權利要求6的病原微生物快速檢測裝置，其特徵在於所述金屬膜 (4)為鉻膜外鍍金膜的結構。
8. 根據權利要求7所述的病原微生物快速檢測裝置，其特徵在於所述表 面等離子體共振生物傳感檢測裝置還包括樣本進液口 (20)和樣本出液口 (21), 所述樣本進液口 (20)和樣本出液口 (21)設置在反應池(1)的上部。
9. 根據權利要求2或5或6或7或8所述的病原微生物快速檢測裝置，其 特徵在於所述基質(3)為玻璃或矽片，所述透鏡I (2)為球面透鏡或三稜透 鏡。
10. 根據權利要求1所述的病原微生物快速檢測裝置，其特徵在於所述生 物探針包括金黃色葡萄球菌生物探針、銅綠假單胞菌生物探針、破傷風桿菌生 物探針、產氣莢膜桿菌生物探針、痢疾桿菌生物探針、炭疽桿菌生物探針和/或 霍亂弧菌生物探針。
專利摘要本實用新型公開了一種病原微生物快速檢測裝置，包括SPR生物傳感檢測裝置、入射光通道、出射光通道和智能分析處理平臺；SPR生物傳感檢測裝置包括SPR生物傳感器和可調檢測光源；入射光通道包括巡航可調式偏振光源，巡航可調式偏振光源包括偏振光源及其控制系統；出射光通道包括會聚透鏡和光電探測器；本實用新型能夠準確分析標本中多種物質的相互間作用(多因素的作用)，避免了單一測定帶來的系統偏差；並且極大減少了檢測時間，加速了檢測過程；攜帶方便，檢測靈敏度高，能夠應用於多個領域和多種環境，特別是能充分滿足野外環境的使用需要，具有廣闊的應用前景。
文檔編號G01N21/55GK201262615SQ20082009997
公開日2009年6月24日 申請日期2008年9月12日 優先權日2008年9月12日
發明者府偉靈, 珏 王, 陽 羅 申請人:中國人民解放軍第三軍醫大學