專利名稱：監(jiān)測微懸臂梁上探針分子和靶分子相互作用的方法及裝置的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種監(jiān)測生化反應過程的方法和裝置，特別涉及一種監(jiān)測微懸臂梁上探針分子和靶分子相互作用的方法及裝置。
背景技術：
生物芯片技術肇始上世紀90年代初，近年來更是得到了迅猛的發(fā)展。它通過在厘米見方的芯片上集成成千上萬個與生命相關的探針分子，對生命科學與醫(yī)學中的各種生物化學反應過程進行檢測，從而實現(xiàn)對基因、配體、抗原等生物活性物質進行高效快捷的測試和分析。
目前已有的生物芯片雖然已有多種，但其工作過程基本是相同的首先是制作生物芯片，主要是采用表面化學的方法處理固相基質表面，如玻璃片或硅片，然后使生物探針分子，如DNA，RNA按特定的順序修飾到基片上(目前商業(yè)上已達到將40萬種不同的DNA分子有序的排列在1cm2上)。其次是待檢測樣品的處理，因為待檢測的生物樣品常常是一些生物分子的混合物，不能直接與芯片發(fā)生反應，所以一般來說需要將樣品進行特定的生物處理，獲取其中的DNA，蛋白質等靶分子。對于配對反應后的信號提取，現(xiàn)有如下幾種方法如同位素標記、熒光標記、表面等離子體共振(SPR)和X射線衍射等。特別是，由于受到現(xiàn)有芯片技術中所采用的檢測方法的原理限制，還必須需對靶分子進行標記，其中以熒光素標記法或同位素標記法最為普遍。接著就是把準備好的待檢測樣品與生物芯片接觸以觸發(fā)探針分子與靶分子的反應，比如某個探針分子是一個單鏈DNA序列，靶分子恰好是與其配對DNA單鏈序列，那么二者就會發(fā)生配對雜交反應。反應完成后將生物芯片進行沖洗，與探針分子發(fā)生了特定生化反應的靶分子在探針分子的位置被留了下來，根據(jù)之前對靶分子的不同標記方式通過用激光掃描熒光顯微鏡，或同位素底片曝光的方法采集芯片上各個不同反應點的信號并經(jīng)過相關軟件分析圖像便可得到有關的生物信息。
如上所述，現(xiàn)有的生物芯片技術在工作過程中必須對樣品進行標記，這使得使用起來較為麻煩，而且標記本身可能對樣品造成附加的影響，使得檢測的結果難于分析。另外，現(xiàn)有的芯片技術得到的只是整個生化反應過程進行得的結果信息，沒有對反應過程進行之信息的反映。
基于微懸臂梁的生化傳感器是在原子力顯微鏡(AFM)出現(xiàn)后，迅速發(fā)展起來的一種新的傳感技術。它的原理在于一根經(jīng)過表面化學處理后修飾了探針分子的微懸臂梁，當有生化反應在其表面發(fā)生時，比如待檢測樣品中的靶分子與微梁上的探針分子可發(fā)生生化反應時，微梁的表面應力(也就是表面能)會發(fā)生變化從而導致微梁產(chǎn)生彎曲變形，通過監(jiān)測這種變形就可以知道整個生化反應進行過程的信息。

發(fā)明內容
本發(fā)明的目的是提供一種監(jiān)測微懸臂梁上探針分子和靶分子相互作用的方法及專用裝置。該方法和裝置通過檢測在微懸臂梁表面上探針分子和靶分子之間發(fā)生生化反應時所引起的微懸臂梁的彎曲轉角變形，把多種特定的生化反應過程實時、并行的轉變?yōu)榭梢姷墓鈱W圖像信息，實時、并行的監(jiān)測多種生化反應過程。
本發(fā)明所提供的監(jiān)測微懸臂梁上探針分子和靶分子相互作用的裝置，由光學照明子系統(tǒng)、光學濾波子系統(tǒng)和光學成像子系統(tǒng)組成；所述光學照明子系統(tǒng)位于所述光學濾波子系統(tǒng)的前級，并位于微懸臂梁的入射方；所述光學濾波子系統(tǒng)位于所述光學照明子系統(tǒng)的后級，并位于微懸臂梁的反射方；所述光學成像子系統(tǒng)位于所述光學濾波子系統(tǒng)的后級，對微懸臂梁成像；所述光學濾波子系統(tǒng)為直線邊界濾波系統(tǒng)。
所述直線邊界濾波系統(tǒng)由傅立葉變換透鏡和光學濾波單元組成，或直接由光學濾波單元組成。
所述光學濾波單元是刀口、狹縫或矩形孔。
所述光學濾波單元位于所述微懸臂梁的光學譜平面上。
該監(jiān)測微懸臂梁上探針分子和靶分子相互作用的裝置能監(jiān)測至少一個微懸臂梁，特別是微懸臂梁陣列上的探針分子和靶分子相互作用。
該裝置的工作原理是，光學照明子系統(tǒng)發(fā)出的光線照射(微懸臂梁)微懸臂梁陣列。微懸臂梁陣列在初始狀態(tài)，其每一根微梁的反光板都取一個相同的初始角度。從(微懸臂梁)微懸臂梁陣列上反射的衍射光線進入光學濾波子系統(tǒng)，該衍射光線在(微懸臂梁)微懸臂梁陣列的光學譜平面上相同的位置疊加匯聚成光學衍射譜，經(jīng)光學濾波后的衍射譜進入光學成像子系統(tǒng)，形成可見光圖像。
裝置中所采用的光學照明子系統(tǒng)由光源、光源濾波孔、半透半反鏡和光源透鏡組成，光源位于光源濾波孔的前方，光源濾波孔位于光源透鏡的前焦平面、或前焦平面的前方。所述光源可以是普通白光、激光等，當光源濾波孔正好位于光源透鏡的前焦平面時構成平行光照明方案；當光源濾波孔位于光源透鏡的前焦平面的前方時構成匯聚光照明方案。
當光學照明子系統(tǒng)以平行光照射(微懸臂梁)微懸臂梁陣列時，光學濾波子系統(tǒng)由傅立葉變換透鏡和光學濾波單元組成，此時，(微懸臂梁)微懸臂梁陣列的光學譜平面就是傅立葉變換透鏡的后焦平面；當光學照明子系統(tǒng)以會聚光照射(微懸臂梁)微懸臂梁陣列時，光學濾波子系統(tǒng)為光學濾波單元，此時，(微懸臂梁)微懸臂梁陣列的光學譜平面就是直接由衍射譜匯聚而成，此時光學照明子系統(tǒng)中的光源透鏡也同時起傅立葉變換透鏡的作用。
光學成像子系統(tǒng)則與已有技術一樣由成像透鏡和光學接收器組成，所述光學接收器可以是人眼、電荷耦合器件(即CCD)或者其他光敏探測器件。
本發(fā)明所提供的監(jiān)測微懸臂梁上探針分子和靶分子相互作用的方法，是用上述監(jiān)測微懸臂梁上探針分子和靶分子相互作用的裝置中的光學照明子系統(tǒng)發(fā)出的入射光照射微懸臂梁，在微懸臂梁的光學譜平面上用上述監(jiān)測微懸臂梁上探針分子和靶分子相互作用的裝置中的直線邊界的濾波單元對微懸臂梁反射的衍射譜進行濾波處理，再通過上述監(jiān)測微懸臂梁上探針分子和靶分子相互作用的裝置中的光學成像子系統(tǒng)將微懸臂梁成像在光學接收器上，使由待檢測樣品中的靶分子與微懸臂梁上的探針分子發(fā)生相互作用時引起的微懸臂梁變形信號轉變?yōu)楣鈱W接收器上對應的微懸臂梁像的光強信號，根據(jù)光強信號的變化確定微懸臂梁上探針分子和靶分子的相互作用情況。
所述光學照明子系統(tǒng)發(fā)出的入射光的照明強度應盡量達到光學接收器的飽和值。
本發(fā)明的監(jiān)測微懸臂梁上探針分子和靶分子相互作用的方法的原理為當微懸臂梁上探針分子和靶分子相互作用時，微懸臂梁發(fā)生變形，其自由端的轉角會隨之改變。針對微懸臂梁變形時的這種轉角變化，用一束光照射微懸臂梁，反射光線的偏轉由經(jīng)過光學濾波單元后接收到的衍射譜能量表示，即檢測微懸臂梁成像的光強，就可以檢測出微懸臂梁變形時的轉角。
對于上述監(jiān)測微懸臂梁上探針分子和靶分子相互作用的裝置，其探測靈敏度由下面的公式確定DR＝F1，(1)
其中DR是該裝置的探測靈敏度，F(xiàn)是表征光學濾波操作的函數(shù)，I是該裝置的照明強度。
當微懸臂梁單元(一個微懸臂梁)受到外界感應后，它將產(chǎn)生轉角。此時在微懸臂梁單元的光學譜平面上，微懸臂梁單元的衍射譜將產(chǎn)生一個平移。由于衍射譜的能量在微懸臂梁單元的光學譜平面上不是均勻分布的，因此這個平移將導致透過光學濾波單元的光強產(chǎn)生變化。結果，光學接收器上可見光圖像的強度也會隨之變化，此變化就反映了微懸臂梁單元的轉角。這就是說外界感應可以通過可見光圖像的光強反映。公式(1)表明，合理的光學濾波操作可以優(yōu)化公式中的F，使F達到最大，從而使光學測量裝置的探測靈敏度達到最大。通過調節(jié)位于微懸臂梁單元光學譜平面上的光學濾波單元的形狀和位置，就可以按照需要選擇應使哪些級的衍射譜通過光學濾波單元，這樣就可以調節(jié)光學測量裝置的探測靈敏度。
作為選擇微懸臂梁衍射譜的光學濾波單元，本發(fā)明采用了直線邊界(簡稱為直邊)形式的光學濾波單元，具體為刀口、狹縫或矩形孔，以優(yōu)化公式(1)中的F。光學濾波單元迎著微懸臂梁單元衍射譜移動方向上的邊界定義了“通光”和“不通光”兩種狀態(tài)。當微懸臂梁產(chǎn)生轉角后，其衍射譜從這個邊界定義的不通光區(qū)域運動到通光區(qū)域，或者相反；相應地，光學接收器上接收到的微懸臂梁上反射的光能將增大或減少。衍射譜在這個邊界上的能量變化率(衍射譜的單位移動量所帶來的光通量的變化，即探測靈敏度)取決于這個邊界的初始位置和形狀。本發(fā)明經(jīng)過多次實驗分析得知，直邊的光學濾波單元可以獲得最大的能量變化率，所以刀口、狹縫或者矩形孔將是最佳的光學濾波單元。而且，由于衍射譜在傅立葉變換透鏡的后焦平面上各處的光強梯度是不同的，零級衍射峰的光強梯度最大，進而光學濾波單元有效邊界的初始位置應該位于零級衍射峰的附近，這樣光學測量裝置才能獲得最大的探測靈敏度。
此外，由于本發(fā)明監(jiān)測微懸臂梁上探針分子和靶分子相互作用的裝置中的最小孔徑為光學濾波單元，因此，為了接收到清晰的圖像，光學濾波單元的通光尺度應有一個下限。當光學濾波單元的通光尺度小于此下限時，接收到的光學圖像已不能正確地反映外界感應的分布了。公式(2)給出了光學濾波單元的通光尺度的設計原則D＝λf/T≤d， (2)其中D是光學濾波單元的Airy斑的半角寬，T是光學濾波單元的通光尺度，λ是監(jiān)測微懸臂梁上探針分子和靶分子相互作用的裝置中照明光源的波長，f是光學成像子系統(tǒng)的焦距，d是光學接收器敏感單元的最小尺度，如果是用電荷耦合器件(CCD)接收的話，d就是電荷耦合器件(CCD)像素的有效大小。
公式(2)表明，只有當光學濾波單元的Airy斑的半角寬小于光學接收器敏感單元的最小尺度時，得到的可見光圖像才能正確地反映外界感應分布。這樣的分析表明，在直邊的光學濾波單元中，刀口形式的光學濾波單元將是最佳的選擇，因為它的通光尺度是半平面，光學濾波單元的Airy斑的半角寬最窄，接收到的圖像受光學混疊的影響比較小，圖像也最清晰。從實際應用的角度看，當通光尺度大到一定的程度后，光學混疊已經(jīng)非常小了，因此還可以選擇狹縫和矩形孔作為光學濾波單元。
當采用直邊形式的濾波單元時，探測靈敏度可以更加具體的表示為DR=λ2NL,---(3)]]>其中λ為監(jiān)測微懸臂梁上探針分子和靶分子相互作用的裝置的照明波長，N為光學接收器的量化級數(shù)，L為微懸臂梁反光面在其偏轉方向上的長度。公式(3)表明，提高光學接收器的量化級數(shù)N也將有效的提高探測靈敏度。
由于微懸臂梁衍射譜的寬度是由微懸臂梁單元中的反光板的幾何尺度決定的，當提高照明強度后，衍射譜的峰寬不會發(fā)生變化，而幅值將隨之提高。換句話說，微懸臂梁產(chǎn)生相同的轉角將導致更大的光強變化，這將提高光學探測靈敏度。因為照明強度與監(jiān)測微懸臂梁上探針分子和靶分子相互作用的裝置的探測靈敏度成正比關系，所以增加入射光的光強將有效地增加監(jiān)測微懸臂梁上探針分子和靶分子相互作用的裝置的探測靈敏度。值得注意的是，這里提到的監(jiān)測微懸臂梁上探針分子和靶分子相互作用的裝置的照明強度是光源和光學接收器綜合的結果，它可以直接通過調節(jié)光源的亮度實現(xiàn)，還可以通過調節(jié)光學接收器的增益來實現(xiàn)，也可以兩者同時調節(jié)。調節(jié)范圍是使照明強度盡量達到光學接收器的飽和值。
本發(fā)明將微懸臂梁轉角變形信號，通過衍射譜濾波技術，轉換為光學接收器上對應的微懸臂梁像的光強信號，根據(jù)光強信號的變化即可確定微懸臂梁上探針分子和靶分子的相互作用情況。還可以將樣品注入前(微梁上的探針分子還未與樣品中的靶分子發(fā)生生化反應)光學接收器10上采集到的微梁(微梁陣列)圖像作為本底圖像，與反應后的圖象進行相減比較，凸顯出發(fā)生了生化反應的微梁陣列位置和亮度，指示所對應的探針分子的生化反應。探針分子和靶分子的生化反應完成后不需要對生物芯片進行沖洗。檢測時無需對待檢測樣品標記，消除了可能由標記產(chǎn)生的附加影響；可實現(xiàn)實時、并行的監(jiān)測整個生化反應的發(fā)生過程，從而可以得到更豐富的生物信息；可檢測微懸臂梁陣列上的探針分子和靶分子的相互作用，靈敏度高；特別適用于難于標記示蹤物，如螢光素或示蹤同位素的被檢測靶分子；其中的光學測量裝置采用非干涉測量方式，光學抗振性能高。


圖1是微懸臂梁陣列芯片和從上方平行光照明方案的光學監(jiān)測裝置示意圖。
圖2是光學濾波單元(刀口形式)及其濾波原理。
圖3是照明強度對光學測量裝置探測靈敏度的影響。
圖4是微懸臂梁陣列芯片和匯聚光照明方案的光學監(jiān)測裝置示意圖。
圖5是共用光源-傅立葉變換透鏡方案的微懸臂梁陣列芯片和平行光照明方案的光學監(jiān)測裝置示意圖。
圖6是微懸臂梁陣列芯片和從下方平行光照明方案的光學監(jiān)測裝置示意圖。
圖7是一個單元格中只有一根微懸臂梁的微懸臂梁陣列示意圖。
圖8是一個單元格中有復數(shù)根微懸臂梁的微懸臂梁陣列示意圖。
圖9是DNA雙鏈雜交反應示意圖。
圖10是抗原——抗體特異性雜交反應示意圖。
圖11是微懸臂梁陣列芯片及其放大圖。
圖12是圖1的光學監(jiān)測裝置監(jiān)測微懸臂梁陣列生物芯片上羊抗人IgM和人血清免疫球蛋白M(IgM)相互作用的結果。
具體實施例方式
下述實驗方法，如無特別說明，均為常規(guī)方法。
圖1給出了微懸臂梁陣列芯片和平行光照明方案的光學監(jiān)測裝置示意圖。其中，微懸臂梁陣列芯片7安放于頂部透光的反應容器6中，通過與容器底部接觸的恒溫系統(tǒng)控制反應容器的溫度，其溫度穩(wěn)定度為±0.01K。待檢測樣品通過蠕動泵經(jīng)過流動控制系統(tǒng)12進出反應器。
監(jiān)測微懸臂梁上探針分子和靶分子相互作用的裝置由光學照明子系統(tǒng)、光學濾波子系統(tǒng)和光學成像子系統(tǒng)組成。光學照明子系統(tǒng)由光源1、光源濾波孔2、半透半反鏡4和光源透鏡5組成。光學濾波子系統(tǒng)由光學濾波單元8和傅立葉變換透鏡13組成。光學成像子系統(tǒng)由成像透鏡9和光學接收器10組成。
光源濾波孔2(3為擋光板)放置在光源1的后方(圖中的右方)。光源濾波孔2正好位于光源透鏡5的前焦點，光線被光源透鏡5準直為平行光束，此平行光束被半透半反鏡4反射的光線照射在微懸臂梁陣列7上，并被微懸臂梁陣列7反射。從微懸臂梁陣列7返回的衍射光線透過半透半反鏡4，被傅立葉變換透鏡13匯聚在其后焦平面上，形成微懸臂梁陣列7的光學衍射譜。光學濾波單元8放置在傅立葉變換透鏡13的后焦平面上，并預先設置有通光區(qū)域以及不通光區(qū)域。衍射譜只有落在光學濾波單元8通光區(qū)域的部分才能經(jīng)成像透鏡9到達光學接收器10，并在光學接收器10上形成可見光圖像，落在光學濾波單元8不通光區(qū)域的部分被擋住，不能到達光學接收器10。當樣品注入放置有微懸臂梁陣列7的反應容器6內，樣品中的靶分子與微懸臂梁上的探針分子發(fā)生生化反應并導致微懸臂梁產(chǎn)生轉角變形時，相應地，從微懸臂梁陣列7上的反射返回的衍射光也產(chǎn)生一個偏轉，表現(xiàn)在傅立葉變換透鏡13后焦平面上就是一個衍射譜的平移。衍射譜的平移使它原來落在光學濾波單元8通光區(qū)域的一部分光線移入了光學濾波單元8的不通光區(qū)域(或者相反)，而被光學濾波單元8的不通光部分擋住(或者能夠通過光學濾波單元8)。因此能夠通過光學濾波單元8的光線將減少(或增多)，到達光學接收器10的光能減少(或增多)。反映在光學接收器10上就是可見光圖像光強的減弱(或增強)。即接收到的可見光光強的變化就反映了生化反應發(fā)生的信息。在圖1的示例中，雖然光學濾波單元8用刀口實現(xiàn)，但正如上面的分析可知，光學濾波單元8也可以通過狹縫或者矩形孔來實現(xiàn)。只是當光學濾波單元8用刀口實現(xiàn)時，接收到的可見光圖像空間分辨率最高。事實上，當狹縫或者矩形孔的通光區(qū)域達到一定的尺度后(可利用公式(2)的設計原則來計算狹縫或者矩形孔的大小)，空間分辨率基本不受通光區(qū)域大小的影響了。至于物理上如何實現(xiàn)光學濾波單元8，可以用機械的方法制作刀口、狹縫和矩形孔。各部件的典型參數(shù)為光源1用普通白光、激光等；光源濾波孔2的孔徑為0.02-1mm；光源透鏡5的焦距為50-100mm(或更小)；傅立葉變換透鏡13的焦距50-100mm(透鏡數(shù)值孔徑NA＝1，或更小)；刀口8可以采用不透光材料制作的刀片，刀刃處應盡量薄，達到微米量級(如5um)；成像透鏡9的焦距5-100mm(透鏡數(shù)值孔徑NA＝1，或更小)。
圖2給出了圖1中傅立葉變換透鏡13后焦平面上光學濾波單元8和衍射譜的相對位置關系。圖2中A表示的是微懸臂梁未發(fā)生轉角變形時，光學濾波單元8和衍射譜的相對位置關系；圖2中B表示的是微懸臂梁發(fā)生轉角變形后，光學濾波單元8和衍射譜的相對位置關系。在圖2中，光學濾波單元的不通光區(qū)域由光學濾波單元8表示，定義的濾波邊界由701表示。1801，1802和1803分別表示衍射譜18的0級、1級和2級。圖2中沒有畫出更高級次的衍射光，是因為光能在更高的衍射級次上已經(jīng)相當弱，對光學濾波已經(jīng)沒有太大的影響。微懸臂梁發(fā)生轉角變形時，光學濾波單元8的初始位置位于衍射譜的零級，即衍射譜光強梯度最大的位置(見圖2中A所示)。微懸臂梁發(fā)生轉角變形后，其衍射譜的移動見圖2中B所示。由于衍射譜的平移，其部分衍射光已經(jīng)移出了通光區(qū)域進入不通光區(qū)域，相應地，光學接收器10上接收到的光強將變弱。由于各微懸臂梁的變形不同，所以轉角也不同，其衍射譜的平移量也不相同，每個微懸臂梁單元的衍射譜通過光學濾波單元8通光區(qū)域光量變化也就不同，反映在光學接收器10上就是光強隨轉角變化，此時接收器上接收到的強度圖像就是由于微梁上發(fā)生生化反應而導致的微梁變形的反映。也就是說，實時的“看到”了微懸臂梁陣列上所進行的生化反應。事實上，光學濾波單元不僅可以用圖示中的刀口實現(xiàn)，也可以用狹縫或者矩形孔來實現(xiàn)。
圖3給出了照明強度對光學測量裝置探測靈敏度的影響。由于照明強度的增加將提高微懸臂梁衍射譜的衍射峰高，而不會影響微梁衍射譜的幾何尺寸，在這種情況下，通過光學濾波單元的光量將隨照明光強的增加而增加。即在微懸臂梁產(chǎn)生相同的偏轉角的情況下，增加照明光強將產(chǎn)生更大的光強梯度變化，因此光學測量裝置的探測靈敏度上升。圖3中的1901是當照明光強增加到原來照明光強(對應1902所示的靈敏度曲線)2倍時的靈敏度曲線。與1902所示的靈敏度曲線相比，照明光強加倍后，光學測量裝置的探測靈敏度也加倍。在實際的運用中，調節(jié)范圍是使入射光的照明強度應盡量達到光學接收器的飽和值，當用數(shù)字量化照明光強后，比如用8-bit光學接收器時，其初始照明強度的灰度級應接近255；用12-bit的光學接收器時，其初始照明強度的灰度級應接近4095；以此類推，光學接收器的量化級數(shù)越高，相應地，光學測量裝置的靈敏度也越高。
圖4給出了微懸臂梁陣列芯片和“匯聚光照明方案”的光學監(jiān)測裝置的結構說明圖。其實施思路與圖1的光學監(jiān)測裝置相同。但是從照明子系統(tǒng)出射的光線不是平行光，而是匯聚光線。會聚光線可以通過把光源濾波孔2放置在光源透鏡5前焦平面前方(圖中前焦平面偏左一點)的位置實現(xiàn)。光源濾波孔2偏離光源透鏡5前焦點的距離直接影響到光學測量裝置的放大倍數(shù)。由于是用匯聚光線照明，光學濾波子系統(tǒng)的傅立葉變換透鏡13可以省去。衍射光線匯聚的平面就是微梁陣列的光學譜平面，將光學濾波單元8放在這個平面上即可。光源濾波孔2距離光源透鏡5前焦點越近，光學測量裝置的放大倍率越小；光源濾波孔距離光源透鏡5前焦點越遠，光學測量裝置的放大倍率越大(光源濾波孔2相對于光源透鏡5前焦點的距離可以通過光學平移臺來調節(jié))。相比于圖1，這種方案由于省去了傅立葉變換透鏡13，因此更加簡單。
圖5給出了微懸臂梁陣列芯片和“共用光源-傅立葉變換透鏡方案”的光學監(jiān)測裝置的結構說明。其實施思路與圖1的光學監(jiān)測裝置相同。不同點在于將光源透鏡和傅立葉變換透鏡共用了。光源濾波孔2放置在透鏡5的前焦平面上。光源濾波孔2發(fā)出的光束線經(jīng)過半透半反鏡4到達透鏡5(此時做光源透鏡用)被準直成平行光束，此平行光束照射在微懸臂梁陣列7上，并被微懸臂梁陣列7反射。從微懸臂梁陣列7返回的衍射光線再次經(jīng)過透鏡5(此時做傅立葉變換透鏡用)被匯聚到其后焦平面上，形成微懸臂梁陣列7的光學衍射譜。之后的過程和圖1一致。與圖1相比，這種方法由于共用了光源透鏡和傅立葉變換透鏡，結構顯得更簡單。
圖6給出了與圖1相同的微懸臂梁陣列芯片和平行光照明方案的光學監(jiān)測裝置示意圖。其實施思路與圖1的光學監(jiān)測裝置相同。不同點在于微懸臂梁陣列置于下方透明的恒溫反應容器中，讀出光路從下方照明微懸臂梁陣列芯片并讀出生化反應后微懸臂梁陣列的變形情況。這樣做的好處是從反應容器的上方將生物芯片放入或置換到反應容器池中時，可以避免和讀出光路沖突，結構顯得更方便。圖4和圖5也可以采用圖6所示的下方照明讀出光路。
圖7顯示的是一個單元格中只有一根微懸臂梁的微懸臂梁陣列示意圖。其微懸臂梁單元是矩形的微懸臂梁，在其自由端部帶有正方形的反光板用來增大有效的反光面積。
圖8是在一個支撐框架格中制作復數(shù)根的微梁，同一個框架格中的復數(shù)根微梁上修飾同一種生物探針分子，以概率的方式檢測樣品試劑中的生物靶分子。
圖9顯示的是修飾單鏈DNA探針的微梁單元與樣品中的配對單鏈DNA靶分子發(fā)生雜交反應，引起微梁變形的示意圖。
圖10顯示的是修飾有生物抗體分子的微梁單元與樣品中的配對生物抗原分子發(fā)生特異性雜交反應，引起微梁變形的示意圖。
實施例1、用圖1的光學監(jiān)測裝置監(jiān)測微懸臂梁陣列芯片上的抗體分子和抗原分子相互作用1、微懸臂梁陣列芯片的制備用MEMS工藝刻蝕制作如圖7和8所示的微懸臂梁陣列芯片。其微懸臂梁由變形梁14、反光板15和芯片框架16構成。矩形的反光板連接于微懸臂梁的游離端，用來增大有效的檢測用反光面積。
以SiNx材料制作微懸臂梁陣列芯片方案為例，制作工序如下首先在硅片襯底上直接生長出制作器件結構所需的SiNx薄膜，利用圖形刻蝕法在SiNx薄膜上制作微懸臂梁陣列結構，包括變形梁、反光板和芯片框架。然后從結構的上表面對微懸臂梁陣列中的變形梁和反光板蒸鍍金膜，金膜厚20～50納米。最后去除器件結構中框架以外部分的硅襯底，形成微懸臂梁陣列生物芯片。微懸臂梁的變形梁長200um，寬20um，厚1um。
該微懸臂梁陣列生物芯片及其放大圖如圖11所示，A為微懸臂梁陣列芯片，B和C為該微懸臂梁陣列芯片的放大圖。該微懸臂梁陣列芯片中有兩種不同結構的微梁單元。B中的放大圖為不同梁長的雙變形梁結構微懸臂梁單元，C中的放大圖為不同梁長的單根變形梁結構微懸臂梁單元。陣列芯片上微梁數(shù)為(5×2)×(11×4)＝440。
2、人血清免疫球蛋白M(IgM)微懸臂梁陣列傳感芯片的制備試劑凍干羊抗人IgM診斷血清(單擴散效價1140)，凍干人血清免疫球蛋白參考血清(含IgM1.43g/L)。3一巰基丙酸(MPA)；鹽酸1一乙基一3一(3一二甲基氨基丙基)碳二亞胺(EDC)；N一羥基琥珀酰亞胺(NHS)。
制備方法將潔凈的鍍金微懸臂梁陣列芯片放人MPA溶液(99g/100mL)浸泡1h，取出用水沖洗，氮氣干燥。再置于100g/L EDC和100g/L NHS的混合溶液(1∶1)活化1h，取出用蒸餾水洗去過量的EDC和NHS，氮氣干燥。取IgM抗體(凍干羊抗人IgM診斷血清)10uL，用pH 6.1 PBS緩沖溶液稀釋至500uL，實驗中每次取稀釋后的抗體20uL，滴加于微懸臂梁陣列芯片鍍金面上，在37℃恒溫下溫育45min。取出用PBS沖洗，之后將BSA 20uL滴加于微懸臂梁陣列芯片鍍金面上，再在37℃恒溫下溫育1h，以封閉包被了抗體的微懸臂梁陣列芯片鍍金面上非特異性吸附位點，取出后用蒸餾水洗凈，制得用來檢測人血清免疫球蛋白M(IgM)的微懸臂梁陣列生物芯片傳感器。
3、用圖1的光學監(jiān)測裝置監(jiān)測微懸臂梁陣列生物芯片上羊抗人IgM和人血清免疫球蛋白M(IgM)的相互作用圖1的光學監(jiān)測裝置中，光源1為普通白光，光源濾波孔2的孔徑為0.02mm；光源透鏡5的焦距為50mm；傅立葉變換透鏡13的焦距50mm(透鏡數(shù)值孔徑NA＝1)；刀口8采用不透光材料制作的刀片，刀刃處為5微米；成像透鏡9的焦距50mm(透鏡數(shù)值孔徑NA＝1)。
具體的檢測方法如下1)將該微懸臂梁陣列生物芯片安放于頂部透光的反應容器6中(37℃)，通過與容器底部接觸的恒溫系統(tǒng)控制反應容器的溫度，其溫度穩(wěn)定度為±0.01K。
2)通過蠕動泵恒速控制PBS緩沖溶液(pH 6.1)流過容器，在光學監(jiān)測裝置中，通過觀察微懸臂梁陣列反光板亮度，實時監(jiān)測芯片微懸臂梁陣列變形。
3)待微懸臂梁陣列穩(wěn)定后通過蠕動泵加入用PBS稀釋的IgM溶液(20μg/ml)，實時監(jiān)測微懸臂梁陣列變形。
4)待微懸臂梁陣列達到穩(wěn)定后停止流動，結束實驗。
5)提取出微梁陣列的變形信息，分析實驗數(shù)據(jù)。
檢測結果如圖12所示，圖12中，A為抗原抗體反應前，在光學監(jiān)測裝置中觀察到的微懸臂梁陣列圖像；B為抗原抗體反應后，在光學監(jiān)測裝置中觀察到的微懸臂梁陣列圖像。橢圓標記區(qū)域為微懸臂梁陣列位置，上一行為不同梁長的雙變形梁結構微懸臂梁陣列，下一行為不同梁長的單根梁結構微懸臂梁陣列。
實施例1只給出了用圖1的光學監(jiān)測裝置監(jiān)測微懸臂梁陣列生物芯片上羊抗人IgM和人血清免疫球蛋白M(IgM)的相互作用的結果，圖4、5和6的光學監(jiān)測裝置監(jiān)測微懸臂梁陣列生物芯片上羊抗人IgM和人血清免疫球蛋白M(IgM)的相互作用的結果與圖12相同。
實施例1給出的是用微懸臂梁陣列檢測一種抗原抗體。對于同時檢測多種不同的抗原抗體，只需將不同的抗體，利用逐點噴涂的方法修飾到芯片上的不同微懸臂梁上，用上面的方法，檢測不同的抗原。
實施例1給出的是利用本發(fā)明的光學監(jiān)測裝置和方法檢測抗體和抗原的相互作用結果。利用本發(fā)明的光學監(jiān)測裝置和方法監(jiān)測其他生物分子間的相互作用，如凝集素和糖、親和素和生物素、受體和配體以及DNA分子之間的相互作用的方法與實施例1相同，監(jiān)測效果也與實施例1相同。
權利要求
1.監(jiān)測微懸臂梁上探針分子和靶分子相互作用的裝置，由光學照明子系統(tǒng)、光學濾波子系統(tǒng)和光學成像子系統(tǒng)組成；所述光學照明子系統(tǒng)位于所述光學濾波子系統(tǒng)的前級，并位于微懸臂梁的入射方；所述光學濾波子系統(tǒng)位于所述光學照明子系統(tǒng)的后級，并位于微懸臂梁的反射方；所述光學成像子系統(tǒng)位于所述光學濾波子系統(tǒng)的后級，對微懸臂梁成像；所述光學濾波子系統(tǒng)為直線邊界濾波系統(tǒng)。
2.根據(jù)權利要求1所述的裝置，其特征在于所述直線邊界濾波系統(tǒng)由傅立葉變換透鏡和光學濾波單元組成。
3.根據(jù)權利要求1所述的裝置，其特征在于所述直線邊界濾波系統(tǒng)由光學濾波單元組成。
4.根據(jù)權利要求1或2或3所述的裝置，其特征在于所述光學照明子系統(tǒng)由光源、光源濾波孔、半透半反鏡和光源透鏡組成；所述光源位于光源濾波孔的前方，所述光源濾波孔位于光源透鏡的前焦平面或前焦平面的前方。
5.根據(jù)權利要求4所述的裝置，其特征在于所述光源濾波孔位于光源透鏡的前焦平面；所述光學照明子系統(tǒng)的光源透鏡同時作為所述直線邊界濾波系統(tǒng)的傅立葉變換透鏡。
6.根據(jù)權利要求1或2或3所述的裝置，其特征在于所述光學濾波單元是刀口、狹縫或矩形孔。
7.根據(jù)權利要求6所述的裝置，其特征在于所述光學濾波單元位于所述微懸臂梁的光學譜平面上。
8.根據(jù)權利要求1或2或3所述的裝置，其特征在于所述微懸臂梁至少一個；優(yōu)選為陣列。
9.監(jiān)測微懸臂梁上探針分子和靶分子相互作用的方法，是用權利要求1-8中任一所述的裝置中的光學照明子系統(tǒng)發(fā)出的入射光照射微懸臂梁，在微懸臂梁的光學譜平面上用權利要求1-8中任一所述的裝置中的直線邊界的濾波單元對微懸臂梁反射的衍射譜進行濾波處理，再通過權利要求1-8中任一所述的裝置中的光學成像子系統(tǒng)將微懸臂梁成像在光學接收器上，使由待檢測樣品中的靶分子與微懸臂梁上的探針分子發(fā)生相互作用時引起的微懸臂梁變形信號轉變?yōu)楣鈱W接收器上對應的微懸臂梁像的光強信號，根據(jù)光強信號的變化確定微懸臂梁上探針分子和靶分子的相互作用情況。
10.根據(jù)權利要求9所述的方法，其特征在于所述微懸臂梁至少一個；優(yōu)選為陣列。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種監(jiān)測微懸臂梁上探針分子和靶分子相互作用的方法及裝置。該監(jiān)測微懸臂梁上探針分子和靶分子相互作用的裝置，由光學照明子系統(tǒng)、光學濾波子系統(tǒng)和光學成像子系統(tǒng)組成；所述光學照明子系統(tǒng)位于所述光學濾波子系統(tǒng)的前級，并位于微懸臂梁的入射方；所述光學濾波子系統(tǒng)位于所述光學照明子系統(tǒng)的后級，并位于微懸臂梁的反射方；所述光學成像子系統(tǒng)位于所述光學濾波子系統(tǒng)的后級，對微懸臂梁成像；所述光學濾波子系統(tǒng)為直線邊界濾波系統(tǒng)。本發(fā)明將微懸臂梁轉角變形信號，通過衍射譜濾波技術，轉換為光學接收器上對應的微懸臂梁像的光強信號，根據(jù)光強信號的變化即可確定微懸臂梁上探針分子和靶分子的相互作用情況。
文檔編號G01N33/48GK1844897SQ200610078270
公開日2006年10月11日 申請日期2006年5月18日 優(yōu)先權日2006年5月18日
發(fā)明者張青川, 伍小平, 陳大鵬, 李凱 申請人:張青川