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專利名稱：固定化單層dna探針取向調(diào)控和實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型屬于一種調(diào)控和監(jiān)測(cè)的光學(xué)裝置，具體涉及一種基于電場(chǎng)與表面等離子體子共振(Surface Plasmon Resonance，SPR)傳感相結(jié)合的固定化單層DNA探針取向調(diào)控和實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的裝置。
背景技術(shù)：
在生物傳感器、生物芯片、藥物釋放系統(tǒng)和納米計(jì)算機(jī)等領(lǐng)域，固定化單層分子取向的調(diào)控對(duì)于相關(guān)器件的性能有著重要影響。這些固定化單層分子通常由一些線型分子組成，如16-巰基十六烷酸、DNA、雙吡啶等等，其取向可以被電場(chǎng)、pH或者機(jī)械力可逆地調(diào)控。固定在金屬、硅片等基底表面的單層DNA探針是多種生物醫(yī)學(xué)器件，如DNA微陣列、生物傳感器和仿生離子通道等的基礎(chǔ)技術(shù)。DNA可以看作是一種聚陰離子，荷負(fù)電，因此固定化單層DNA探針很容易被電場(chǎng)驅(qū)動(dòng)而改變?nèi)∠颍h(yuǎn)離或者靠近基底表面，且這種取向變化是可逆的。目前用于電場(chǎng)調(diào)控的固定化單層DNA探針取向研究方法主要有熒光光譜法和原子力顯微鏡(Atomic Force Microscopy，AFM)方法，分別采用熒光光譜儀和原子力顯微鏡進(jìn)行監(jiān)測(cè)。熒光光譜法中需要對(duì)DNA探針進(jìn)行熒光標(biāo)記，存在耗時(shí)、試劑價(jià)格昂貴、光漂白等缺點(diǎn)；原子力顯微鏡方法需要昂貴的專門(mén)設(shè)備，并且其針尖直接接觸DNA探針，很有可能損傷固定化單層。上述方法對(duì)于研究電場(chǎng)調(diào)控的固定化單層DNA探針取向而言均不是很理想的。
表面等離子體子共振(Surface Plasmon Resonance，SPR)是一種表面物理光學(xué)現(xiàn)象。當(dāng)p偏振光在玻璃與金屬薄膜界面處發(fā)生全內(nèi)反射時(shí)，滲透到金屬薄膜內(nèi)的消失波引發(fā)金屬中的自由電子產(chǎn)生表面等離子體子，當(dāng)表面等離子體子與消失波的頻率相等時(shí)，二者將發(fā)生共振，界面處的全反射條件將被破壞，呈現(xiàn)衰減全內(nèi)反射現(xiàn)象，入射光被金屬表面電子吸收，使反射光能量急劇下降。當(dāng)入射光波長(zhǎng)固定時(shí)，反射光強(qiáng)度是入射角的函數(shù)，其中反射光強(qiáng)度最低時(shí)所對(duì)應(yīng)的入射角稱為共振角；反之，當(dāng)入射光角度固定時(shí)，反射光強(qiáng)度最低時(shí)所對(duì)應(yīng)的入射波長(zhǎng)稱為共振波長(zhǎng)。基于這一原理發(fā)展起來(lái)的表面等離子體子共振傳感技術(shù)對(duì)附著在金屬薄膜表面的介質(zhì)折射率非常敏感，當(dāng)表面介質(zhì)的屬性改變或者附著量改變時(shí)，共振角或共振波長(zhǎng)將不同。因此，表面等離子體子共振(SPR)信號(hào)(即共振角或共振波長(zhǎng))的變化能夠高靈敏地反映與金屬膜表面接觸的體系的變化。
實(shí)用新型內(nèi)容本實(shí)用新型所要解決的技術(shù)問(wèn)題是克服上述現(xiàn)有技術(shù)的缺陷，提供一種無(wú)需標(biāo)記的、非接觸的、對(duì)固定化單層DNA探針無(wú)損傷、使用成本低且快速準(zhǔn)確的基于電場(chǎng)調(diào)控與表面等離子體子共振傳感相結(jié)合的固定化單層DNA探針取向調(diào)控和實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)裝置。
為解決上述技術(shù)問(wèn)題，本實(shí)用新型采用下述技術(shù)方案。
本實(shí)用新型的固定化單層DNA探針取向調(diào)控和實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)裝置，其特征在于它包括光源、平行光管、p偏振片、棱鏡、棱鏡支架、流通池、可調(diào)直流電源、光柵光譜儀和計(jì)算機(jī)，所述光源置于平行光管之前，p偏振片置于平行光管的出射口，固定于棱鏡支架中的棱鏡位于平行光管之后，光柵光譜儀設(shè)置于棱鏡的出射光路上，并通過(guò)數(shù)據(jù)線與計(jì)算機(jī)的接口相連，所述流通池置于棱鏡上方，該流通池由金膜和導(dǎo)電玻璃組成，所述金膜由折射率匹配油粘合于棱鏡底面上，導(dǎo)電玻璃的玻璃層底面與金膜粘合，導(dǎo)電玻璃的玻璃層底部開(kāi)設(shè)有進(jìn)樣槽，在玻璃層與金膜之間形成進(jìn)樣通道，位于玻璃層頂面的導(dǎo)電玻璃的導(dǎo)電層和金膜分別通過(guò)導(dǎo)線與可調(diào)直流電源相連。
所述棱鏡為等腰直角三棱鏡，或等腰梯形棱鏡。
所述光源、平行光管和棱鏡支架通過(guò)可調(diào)升降臺(tái)固定于底座上，光柵光譜儀和計(jì)算機(jī)安放于底座上。
所述進(jìn)樣槽的深度為0.05～0.15mm。
本實(shí)用新型利用電場(chǎng)-表面等離子體子共振傳感系統(tǒng)來(lái)調(diào)控固定化單層DNA探針的取向并實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)這種取向變化，一方面可以通過(guò)電場(chǎng)方便地調(diào)控金膜表面固定化單層DNA探針的取向，另一方面可通過(guò)表面等離子體子共振傳感系統(tǒng)實(shí)時(shí)地給出固定化單層DNA探針取向變化時(shí)的共振波長(zhǎng)的變化，即可以通過(guò)共振波長(zhǎng)的變化實(shí)時(shí)高靈敏地監(jiān)測(cè)固定化單層DNA探針的取向變化。本實(shí)用新型中采用流通池施加電場(chǎng)，由于僅有金膜直接接觸溶液，導(dǎo)電玻璃的導(dǎo)電層不接觸溶液，沒(méi)有法拉第電流，避免了外加電場(chǎng)對(duì)金膜的SPR光譜的影響，有利于信號(hào)的提取，測(cè)量準(zhǔn)確。本實(shí)用新型可以免熒光標(biāo)記，對(duì)固定化單層DNA探針進(jìn)行不接觸、無(wú)損傷測(cè)量，具有穩(wěn)定性好、試劑成本低、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、調(diào)試方便、測(cè)量快速準(zhǔn)確和省時(shí)等特點(diǎn)。


圖1為本實(shí)用新型的結(jié)構(gòu)示意主視圖；圖2為本實(shí)用新型的結(jié)構(gòu)示意俯視圖；圖3為流通池的結(jié)構(gòu)示意主剖視放大圖；
圖4為流通池的結(jié)構(gòu)示意左視放大圖；圖5為流通池對(duì)裸金膜施加電場(chǎng)時(shí)SPR光譜的變化圖；圖6為金膜表面帶不同電荷時(shí)金膜表面固定化單層DNA探針的取向示意圖；(A)為金膜表面未帶電荷時(shí)金膜表面固定化單層DNA探針的取向示意圖；(B)為金膜表面帶正電荷時(shí)金膜表面固定化單層DNA探針的取向示意圖；(C)為金膜表面帶負(fù)電荷時(shí)金膜表面固定化單層DNA探針的取向示意圖；圖中各標(biāo)號(hào)表示1、光源 2、平行光管3、p偏振片4、棱鏡5、金膜 6、進(jìn)樣通道7、導(dǎo)電玻璃 71、導(dǎo)電層72、玻璃層8、可調(diào)直流電源9、棱鏡支架 10、光柵光譜儀11、數(shù)據(jù)線12、計(jì)算機(jī)13、底座 14、可調(diào)升降臺(tái)15、導(dǎo)線 16、螺釘具體實(shí)施方式
如圖1～4所示，本實(shí)用新型的固定化單層DNA探針取向調(diào)控和實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)裝置包括光源1、平行光管2、p偏振片3、棱鏡4、棱鏡支架9、流通池、可調(diào)直流電源8、光柵光譜儀10和計(jì)算機(jī)12，棱鏡4通過(guò)螺釘16固定于棱鏡支架9中，光源1置于平行光管2之前，p偏振片3粘在平行光管2的出射口，置于棱鏡支架9中的棱鏡4位于平行光管2之后，光柵光譜儀10設(shè)置于棱鏡4的出射光路上，并通過(guò)數(shù)據(jù)線11與計(jì)算機(jī)12的接口相連。光源1、平行光管2和棱鏡支架9分別通過(guò)可調(diào)升降臺(tái)14固定于底座13上，光柵光譜儀10和計(jì)算機(jī)12安放于底座13上。流通池置于棱鏡4上方，該流通池由金膜5和導(dǎo)電玻璃7組成，金膜5由折射率匹配油如香柏油粘合于棱鏡4底面上，本實(shí)施例中棱鏡4為等腰直角三棱鏡，也可為等腰梯形棱鏡，金膜5粘合于棱鏡4的底面(即本等腰直角三棱鏡中與直角相對(duì)的面)。導(dǎo)電玻璃7的玻璃層72底面與金膜5粘合，導(dǎo)電玻璃7的玻璃層72底部開(kāi)設(shè)有進(jìn)樣槽73，進(jìn)樣槽73的深度H為0.05～0.15mm，長(zhǎng)度等于導(dǎo)電玻璃7的長(zhǎng)度，在玻璃層72與金膜5之間形成進(jìn)樣通道6(見(jiàn)圖3、4)，位于玻璃層72頂面的導(dǎo)電玻璃7的導(dǎo)電層71與金膜5分別通過(guò)導(dǎo)線15與可調(diào)直流電源8相連。本實(shí)例中光源1采用鹵鎢燈；光柵光譜儀10由平面光柵、準(zhǔn)光系統(tǒng)、電荷耦合器件(CCD)檢測(cè)器組成，電荷耦合器件(CCD)檢測(cè)器的光譜響應(yīng)區(qū)間為300～900nm。
本實(shí)用新型的工作過(guò)程為通過(guò)可調(diào)升降臺(tái)14調(diào)整本裝置的光路，使光源1發(fā)出的光束經(jīng)過(guò)平行光管2、p偏振片3后射入等腰直角三棱鏡4，與棱鏡4上的金膜5發(fā)生耦合，反射光入射到光柵光譜儀10，經(jīng)光柵光譜儀10中的準(zhǔn)光系統(tǒng)入射到光柵光譜儀10的平面光柵上，平面光柵將光束分為不同波長(zhǎng)的平行單色光投射到光柵光譜儀10的電荷藕荷器件(CCD)檢測(cè)器上，電荷藕荷器件(CCD)檢測(cè)器將光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，經(jīng)模/數(shù)轉(zhuǎn)換后通過(guò)數(shù)據(jù)線11傳輸?shù)接?jì)算機(jī)12中得到相應(yīng)的光譜圖。利用共價(jià)交聯(lián)的方法(如巰基偶聯(lián)、氨基偶聯(lián)、或生物素-親和素交聯(lián))將荷負(fù)電的DNA探針固定于流通池中的金膜5表面，此時(shí)固定化單層DNA探針取向是任意的。光源1發(fā)出經(jīng)平行光管2、p偏振片3后入射至棱鏡4的光束，與棱鏡4底面上的固定有DNA探針的金膜5耦合，經(jīng)棱鏡4底面產(chǎn)生全反射，反射光入射到光柵光譜儀10，光柵光譜儀10將光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)再傳輸至計(jì)算機(jī)12中得到相應(yīng)的光譜圖。通過(guò)可調(diào)直流電源8給流通池施加電壓，調(diào)節(jié)可調(diào)直流電源8，改變金膜5的極性和調(diào)節(jié)金膜5表面的電場(chǎng)強(qiáng)度，通過(guò)靜電引力和斥力的作用，調(diào)控DNA探針的取向；同時(shí)通過(guò)計(jì)算機(jī)12中顯示的光譜圖實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)DNA探針的取向。下面對(duì)照?qǐng)D5、6作進(jìn)一步說(shuō)明，利用共價(jià)交聯(lián)的方法使DNA探針固定于本發(fā)明裝置的金膜5表面，此時(shí)固定化單層DNA探針的取向是任意的，如圖5A，記錄此時(shí)的共振波長(zhǎng)，以下步驟中得到的共振波長(zhǎng)位移均是以該共振波長(zhǎng)作為參比而得到的，如圖6中A表示共振波長(zhǎng)位移值為0；然后通過(guò)可調(diào)直流電源8調(diào)節(jié)金膜5與導(dǎo)電玻璃7間的電位差至1.5V。使金膜5與可調(diào)直流電源8的正極相連，導(dǎo)電玻璃7的導(dǎo)電層71與可調(diào)直流電源8的負(fù)極相連，此時(shí)金膜5帶正電，由于靜電引力的作用，可以使DNA探針平躺在金膜5表面，如圖5B；通過(guò)計(jì)算機(jī)12觀測(cè)到共振波長(zhǎng)朝長(zhǎng)波方向移動(dòng)，即共振波長(zhǎng)位移值大于0(如圖6中B所示)，且隨著時(shí)間共振波長(zhǎng)位移值增大，直到達(dá)到最大值(如圖6中C所示)；然后斷開(kāi)可調(diào)直流電源8，共振波長(zhǎng)逐漸恢復(fù)至最初未加電場(chǎng)時(shí)的情況(如圖6中D所示)；接著使金膜5與可調(diào)直流電源8的負(fù)極相連，導(dǎo)電玻璃7的導(dǎo)電層71與可調(diào)直流電源8的正極相連，此時(shí)金膜5表面帶負(fù)電荷，由于靜電斥力的作用，可以使荷負(fù)電荷的DNA探針直立在金膜5表面，如圖5C；可觀測(cè)到共振波長(zhǎng)朝短波方向移動(dòng)，即共振波長(zhǎng)位移值小于0(如圖6中E所示)，且隨著時(shí)間共振波長(zhǎng)位移值越來(lái)越負(fù)，直到達(dá)到負(fù)的最大值(如圖6中F所示)；再斷開(kāi)可調(diào)直流電源8，共振波長(zhǎng)逐漸恢復(fù)至最初未加電場(chǎng)時(shí)的情況(如圖6中G所示)。
權(quán)利要求1.一種固定化單層DNA探針取向調(diào)控和實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)裝置，其特征在于它包括光源(1)、平行光管(2)、p偏振片(3)、棱鏡(4)、棱鏡支架(9)、流通池、可調(diào)直流電源(8)、光柵光譜儀(10)和計(jì)算機(jī)(12)，所述光源(1)置于平行光管(2)之前，p偏振片(3)置于平行光管(2)的出射口，固定于棱鏡支架(9)中的棱鏡(4)位于平行光管(2)之后，光柵光譜儀(10)設(shè)置于棱鏡(4)的出射光路上，并通過(guò)數(shù)據(jù)線(11)與計(jì)算機(jī)(12)的接口相連，所述流通池置于棱鏡(4)上方，該流通池由金膜(5)和導(dǎo)電玻璃(7)組成，所述金膜(5)由折射率匹配油粘合于棱鏡(4)底面上，導(dǎo)電玻璃(7)的玻璃層(72)底面與金膜(5)粘合，導(dǎo)電玻璃(7)的玻璃層(72)底部開(kāi)設(shè)有進(jìn)樣槽，在玻璃層(72)與金膜(5)之間形成進(jìn)樣通道(6)，位于玻璃層(72)頂面的導(dǎo)電玻璃(7)的導(dǎo)電層(71)和金膜(5)分別通過(guò)導(dǎo)線(15)與可調(diào)直流電源(8)相連。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的固定化單層DNA探針取向調(diào)控和實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)裝置，其特征在于所述棱鏡(4)為等腰直角三棱鏡，或等腰梯形棱鏡。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的固定化單層DNA探針取向調(diào)控和實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)裝置，其特征在于所述光源(1)、平行光管(2)和棱鏡支架(9)通過(guò)可調(diào)升降臺(tái)(14)固定于底座(13)上，光柵光譜儀(10)和計(jì)算機(jī)(12)安放于底座(13)上。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的固定化單層DNA探針取向調(diào)控和實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)裝置，其特征在于所述進(jìn)樣槽的深度(H)為0.05～0.15mm。
專利摘要一種固定化單層DNA探針取向調(diào)控和實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)裝置，包括光源、平行光管、p偏振片、棱鏡、流通池、可調(diào)直流電源、光柵光譜儀和計(jì)算機(jī)，光源置于平行光管前，p偏振片置于平行光管出射口，固定于棱鏡支架中的棱鏡位于平行光管后，光柵光譜儀置于棱鏡出射光路上，并通過(guò)數(shù)據(jù)線與計(jì)算機(jī)接口相連，流通池置于棱鏡上方，該流通池由金膜和導(dǎo)電玻璃組成，金膜粘合于棱鏡底面上，導(dǎo)電玻璃的玻璃層底面與金膜粘合，玻璃層底部開(kāi)有進(jìn)樣槽，在玻璃層與金膜之間形成進(jìn)樣通道，位于玻璃層頂面的導(dǎo)電玻璃導(dǎo)電層與金膜分別通過(guò)導(dǎo)線與可調(diào)直流電源相連。本實(shí)用新型具有無(wú)需標(biāo)記、非接觸、對(duì)固定化單層DNA探針無(wú)損傷、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，調(diào)試方便、使用成本低且快速準(zhǔn)確等特點(diǎn)。
文檔編號(hào)G01N21/41GK2888447SQ20062004985
公開(kāi)日2007年4月11日 申請(qǐng)日期2006年1月19日 優(yōu)先權(quán)日2006年1月19日
發(fā)明者王柯敏, 羊小海, 王青 申請(qǐng)人:湖南大學(xué)