本發(fā)明涉及微囊藻毒素檢測技術(shù)領(lǐng)域，特別是涉及一種用于微囊藻毒素檢測的傳感器芯片及其移動(dòng)監(jiān)測設(shè)備。

背景技術(shù)：

微囊藻毒素是有害的藍(lán)藻水華釋放的一類具有強(qiáng)烈促癌作用的肝毒素，是單環(huán)七肽有機(jī)化合物，在全世界的水源中均有發(fā)現(xiàn)。由于湖泊水庫的富營養(yǎng)化作用，被微囊藻毒素污染的水體持續(xù)增長，給人類健康帶來了巨大威脅。在已發(fā)現(xiàn)的各種藻毒素中，微囊藻毒素是目前已知的一種在藍(lán)藻水華污染中出現(xiàn)頻率最高、產(chǎn)生量最大和造成危害最嚴(yán)重的藻毒素。由于藻毒素的穩(wěn)定性較高，常規(guī)的自來水廠處理工藝并不能非常有效地去除藻毒素，因此對(duì)微囊藻毒素的檢測十分必要。

目前對(duì)微囊藻毒素的檢測方法主要包括生物方法、化學(xué)方法、生化方法和免疫方法等。其中，高效液相色譜(HPLC)檢測方法和酶聯(lián)免疫分析(ELISA)檢測方法應(yīng)用最廣，但是這些方法存在操作復(fù)雜費(fèi)時(shí)、樣品預(yù)處理昂貴和設(shè)備昂貴等缺點(diǎn)，且不能實(shí)現(xiàn)對(duì)水體的原位監(jiān)測，這在很大程度上制約了微囊藻毒素的即時(shí)檢測，難以實(shí)現(xiàn)對(duì)飲用水源地微囊藻毒素污染的預(yù)警。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

鑒于以上所述現(xiàn)有技術(shù)的缺點(diǎn)，本發(fā)明的目的在于提供一種用于微囊藻毒素檢測的傳感器芯片及其移動(dòng)監(jiān)測設(shè)備，用于解決現(xiàn)有技術(shù)中微囊藻毒素的檢測操作復(fù)雜、樣品預(yù)處理昂貴、難以實(shí)現(xiàn)對(duì)水體的原位監(jiān)測等問題。

為實(shí)現(xiàn)上述目的及其他相關(guān)目的，本發(fā)明第一方面提供一種用于檢測微囊藻毒素的復(fù)合芯片，該復(fù)合芯片包括至少兩個(gè)金層以及間隔設(shè)置在金層之間的二硫化鉬層，所述復(fù)合芯片的最底層和最頂層均為金層。通常，金層的厚度從底部到頂部逐漸變薄，最頂層的金層用于修飾微囊藻毒素分子印跡膜，最底層的金層與玻璃基底粘合。

進(jìn)一步地，所述復(fù)合芯片具有兩個(gè)金層和一個(gè)二硫化鉬層，包括位于底部的第一金層、位于頂部的第二金層以及位于兩個(gè)金層之間的二硫化鉬層。

進(jìn)一步地，所述第一金層的厚度為40-50nm，所述二硫化鉬層的厚度為0.67-6.7nm，所述第二金層的厚度為2-3nm。第一層金厚度在40-50納米最適合產(chǎn)生電磁場，然后二硫化鉬在0.67-6.7納米范圍內(nèi)，能提高第一層金產(chǎn)生的電磁場。第二層金起一個(gè)輔助增強(qiáng)電磁場作用，同時(shí)，也便于分子印記膜的制作，能使分子印記膜和金牢固地結(jié)合。

本發(fā)明第二方面提供一種用于檢測微囊藻毒素的傳感器芯片，該傳感器芯片包括上述復(fù)合芯片，所述復(fù)合芯片的頂部金層上表面修飾有微囊藻毒素分子印跡膜，所述微囊藻毒素分子印跡膜上具有對(duì)微囊藻毒素分子特異性識(shí)別的微孔。

進(jìn)一步地，所述微囊藻毒素分子印跡膜通過熱聚合法修飾在所述復(fù)合芯片的上表面。

進(jìn)一步地，所述傳感器芯片還包括玻璃基底，該玻璃基底位于底部金層的下表面。

更進(jìn)一步地，所述玻璃基底的材料為BK7。

更進(jìn)一步地，所述玻璃基底與底部金層之間設(shè)有鉻層。鉻層主要起粘連作用，能將金和玻璃基底粘連起來。

優(yōu)選地，所述鉻層的厚度為2-3nm。該厚度一方面能夠?qū)崿F(xiàn)玻璃基底與底部金層之間有效粘連，另一方面，使得光能夠穿透鉻層，激發(fā)金層中的電子。如果鉻層太厚，光就無法穿透鉻層，進(jìn)而光就無法激發(fā)金中的電子。

本發(fā)明第三方面提供一種在上述復(fù)合芯片上修飾微囊藻毒素分子印跡膜的方法，至少包括以下步驟：

1)預(yù)處理：將復(fù)合芯片清洗后，浸入十一烷酸硫醇與乙醇混合溶液中，處理結(jié)束后，取出芯片，再次清洗并吹干，備用。十一烷酸硫醇與乙醇混合溶液能夠在金膜表面形成致密的單分子烷基層自組裝膜，這層自組裝膜的尾基羧基，能夠通過弱的相互作用連接不同的分子，以便能形成分子聚合物。此時(shí)的復(fù)合芯片通常帶有玻璃基底。

2)配制聚合液：將微囊藻毒素、甲基丙烯酸、二甲基亞砜混合，靜置使其預(yù)聚合，再加入二甲基丙烯酸乙二醇酯和偶氮二異丁腈，氮?dú)馓幚砗螅频镁酆弦骸?/p>

3)熱聚合處理：將步驟1)預(yù)處理后的備用芯片浸入步驟2)制得的聚合液中，于60℃環(huán)境下熱聚合反應(yīng)，反應(yīng)結(jié)束后，取出復(fù)合芯片，采用甲醇與乙酸的混合液沖洗復(fù)合芯片表面，除去聚合物中的微囊藻毒素分子，制得修飾有微囊藻毒素分子印跡膜的復(fù)合芯片，微囊藻毒素分子印跡膜上具有對(duì)微囊藻毒素特異性識(shí)別的微孔。

進(jìn)一步地，步驟1)中，浸泡處理前，復(fù)合芯片依次經(jīng)過丙酮、乙醇、超純水清洗，采用氮?dú)獯蹈珊螅俨捎醚鯕獾入x子體清洗機(jī)進(jìn)行清洗。

進(jìn)一步地，步驟1)中，十一烷酸硫醇與乙醇混合溶液中十一烷酸硫醇的濃度為200mM。

進(jìn)一步地，步驟2)中，微囊藻毒素、甲基丙烯酸、二甲基丙烯酸乙二醇酯的用量以微囊藻毒素的摩爾量為基準(zhǔn)，按照優(yōu)化比例1：30：30的摩爾比加入。

進(jìn)一步地，步驟3)中，熱聚合反應(yīng)的時(shí)間為15-20h。

進(jìn)一步地，步驟3)中，甲醇與乙酸以9:1的體積比制得所述混合液。

本發(fā)明第四方面提供具有上述傳感器芯片的封裝結(jié)構(gòu)。封裝結(jié)構(gòu)的具體結(jié)構(gòu)可以根據(jù)實(shí)際需要進(jìn)行設(shè)計(jì)，目的是起到固定傳感器芯片的作用，同時(shí)使溶液流經(jīng)傳感器芯片的表面，經(jīng)過傳感器芯片的光線能夠從該封裝結(jié)構(gòu)透過，進(jìn)入光路信號(hào)采集系統(tǒng)。

進(jìn)一步地，包括上蓋、下底，所述上蓋、下底之間安裝有傳感器芯片，所述上蓋、下底以及傳感器芯片通過鎖緊件鎖緊，所述上蓋內(nèi)部開設(shè)有用于流通液體的管路，所述傳感器芯片的微囊藻毒素分子印跡膜至少部分的表面裸露于管路，所述上蓋設(shè)有貫穿所述上蓋的透光通道，所述下底設(shè)有貫穿所述下底的透光通道，所述上蓋與下底的透光通道的位置與傳感器芯片的位置相配合，進(jìn)入下底透光通道的光線依次通過傳感器芯片、上蓋的透光通道并穿出上蓋。該封裝結(jié)構(gòu)起到固定傳感器芯片的作用，并且使管路中的溶液流經(jīng)傳感器芯片上的微囊藻毒素分子印跡膜，光學(xué)系統(tǒng)的光線從下底的透光通道進(jìn)入，通過物鏡激發(fā)傳感器芯片，傳感器芯片產(chǎn)生的光依次穿過管路中的溶液、上蓋的透光通道，再從上蓋穿出，進(jìn)入拉曼信號(hào)采集系統(tǒng)，當(dāng)上蓋采用PDMS材料時(shí)，上蓋上用于光線穿過的部位的厚度≤0.5mm，使得光線順利穿出，并且上蓋的管路是封閉的，不會(huì)出現(xiàn)溶液泄露。同時(shí)，傳感器芯片產(chǎn)生的光也從下底的透光通道返回，經(jīng)過物鏡再次收集，進(jìn)入圖像信息采集系統(tǒng)、干涉光譜信息采集系統(tǒng)等。

進(jìn)一步地，所述管路中液體的流向與透光通道垂直。

進(jìn)一步地，所述鎖緊件包括螺栓和螺母，所述上蓋、下底均為PDMS(聚二甲基硅氧烷)材質(zhì)，透光性好，所述下底將傳感器芯片的側(cè)邊壓緊在上蓋的外表面。PDMS是一種透明材料，融化冷凝后就形成固體，用于透光的薄壁厚度需要控制在0.5mm之內(nèi)，便于光的透過，進(jìn)而被拉曼檢測系統(tǒng)收集。當(dāng)然，上蓋、下底也可以為PMMA等其他材質(zhì)。

本發(fā)明第五方面提供一種具有上述傳感器芯片的光學(xué)系統(tǒng)。

進(jìn)一步地，該光學(xué)系統(tǒng)包括入射光路、干涉光譜相位信息檢測系統(tǒng)、干涉圖像相位信息檢測系統(tǒng)、拉曼信號(hào)獲取系統(tǒng)，入射光路的光線通過第一分束鏡進(jìn)入物鏡，通過物鏡激發(fā)封裝結(jié)構(gòu)的傳感器芯片，傳感器芯片產(chǎn)生的光透過封裝有傳感器芯片的封裝結(jié)構(gòu)，分別進(jìn)入拉曼信號(hào)獲取系統(tǒng)、干涉光譜相位信息檢測系統(tǒng)、干涉圖像相位信息檢測系統(tǒng)。

具體地，入射光從傳感芯片底部激發(fā)傳感器芯片上的復(fù)合結(jié)構(gòu)，復(fù)合結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的光透過傳感器芯片封裝結(jié)構(gòu)的上蓋進(jìn)入拉曼信號(hào)獲取系統(tǒng)。同時(shí)，復(fù)合結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的光透過傳感器芯片封裝結(jié)構(gòu)的下底，并被物鏡再次收集，進(jìn)入干涉光譜相位信息檢測系統(tǒng)和干涉圖像相位信息檢測系統(tǒng)。

進(jìn)一步地，所述入射光路包括光源，光源發(fā)出的光線依次通過第二分束鏡、第一透鏡、起偏器、雙折射晶體、空間光調(diào)制器、第一分束鏡、物鏡、傳感器芯片。

進(jìn)一步地，所述光源包括白光源和激光光源，激光光源通過透鏡進(jìn)入第二分束鏡。

進(jìn)一步地，傳感器芯片產(chǎn)生的光依次通過第二透鏡、濾光片、第二檢偏器、第三透鏡、光闌、第四透鏡、第五透鏡、拉曼光譜儀，實(shí)現(xiàn)拉普信號(hào)的獲取。

進(jìn)一步地，傳感器芯片產(chǎn)生的光依次通過物鏡、第一分束鏡、第一檢偏器、第三分束鏡，第三分束鏡將光線分成兩路，一路依次通過第四透鏡、紫外/可見光光譜儀，實(shí)現(xiàn)干涉光譜相位信息檢測；另一路依次通過第五透鏡、照相機(jī)，實(shí)現(xiàn)干涉圖像相位信息檢測。

本發(fā)明第六方面提供一種具有上述封裝結(jié)構(gòu)的流路系統(tǒng)。

進(jìn)一步地，所述流路系統(tǒng)包括主管路以及安裝在該主管路上的蠕動(dòng)泵、傳感器芯片的封裝結(jié)構(gòu)，該主管路的液體流經(jīng)所述蠕動(dòng)泵以及封裝結(jié)構(gòu)的內(nèi)部管路，主管路上設(shè)置有進(jìn)水管道以及至少一個(gè)用于貯存試劑的試劑袋，試劑袋的液體進(jìn)入主管路后與主管路的液體混合。

進(jìn)一步地，所述流路系統(tǒng)還包括廢液出口。

進(jìn)一步地，所述流路系統(tǒng)還包括安裝在主管路上的pH/溫度傳感器。

進(jìn)一步地，所述流路系統(tǒng)還包括用于控制從試劑袋進(jìn)入主管路的液體體積的電磁閥。

進(jìn)一步地，所述流路系統(tǒng)還包括用于控制廢液流出量的電磁閥。

本發(fā)明第七方面提供一種控制系統(tǒng)，包括下位機(jī)和上位機(jī)，所述下位機(jī)包括微處理器，該微處理器分別電性連接至所述白光光源、激光光源、拉曼光譜儀、紫外/可見光光譜儀、照相機(jī)、蠕動(dòng)泵、電磁閥、pH/溫度傳感器、上位機(jī)，完成命令與數(shù)據(jù)的交互。

進(jìn)一步地，所述微處理器還電性連接有用于對(duì)設(shè)備進(jìn)行控溫的半導(dǎo)體制冷器、用于對(duì)設(shè)備溫度進(jìn)行檢測的溫度傳感器。

進(jìn)一步地，所述控制系統(tǒng)采用直流電壓。

本發(fā)明第八方面提供具有上述光學(xué)系統(tǒng)、流路系統(tǒng)、控制系統(tǒng)的移動(dòng)監(jiān)測設(shè)備。

如上所述，本發(fā)明的用于微囊藻毒素檢測的傳感器芯片及其移動(dòng)監(jiān)測設(shè)備，具有以下有益效果：該檢測設(shè)備包含四個(gè)子系統(tǒng)，分別是傳感器芯片、光路系統(tǒng)，流路系統(tǒng)和控制系統(tǒng)。微囊藻毒素檢測傳感器芯片采用金膜/二硫化鉬/金膜結(jié)構(gòu)，在此復(fù)合結(jié)構(gòu)表面采用原位熱聚合法直接修飾藻毒素分子印跡膜，提高傳感器芯片對(duì)微囊藻毒素的結(jié)合容量，增強(qiáng)特異性吸附能力；同時(shí)，運(yùn)用流通池作為傳感器芯片與光學(xué)系統(tǒng)的銜接部分，使用基于表面等離子體共振特性的光學(xué)系統(tǒng)檢測傳感器芯片的光學(xué)響應(yīng)，提高傳感器靈敏度、增加穩(wěn)定性。流路系統(tǒng)用于采集水樣，注入試劑，排除廢液，導(dǎo)流在傳感器芯片上流動(dòng)的溶液，檢測循環(huán)管路中液體的pH值及溫度；控制系統(tǒng)用于控制光路系統(tǒng)、流路系統(tǒng)及檢測設(shè)備所需的電子器件，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、傳輸與存儲(chǔ)功能，滿足上位機(jī)與下位機(jī)的通訊。本發(fā)明提供了一種實(shí)時(shí)檢測水域中藻毒素含量的檢測裝置，可以在現(xiàn)場實(shí)時(shí)原位檢測水域中藻毒素的含量，儀器可在野外自動(dòng)運(yùn)行，無需人工參與。

附圖說明

圖1顯示為本發(fā)明實(shí)施例傳感器芯片的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2顯示為圖1的俯視圖。

圖3顯示為本發(fā)明實(shí)施例傳感器芯片的封裝結(jié)構(gòu)示意圖。

圖4顯示為本發(fā)明移動(dòng)監(jiān)測設(shè)備的光學(xué)系統(tǒng)示意圖。

圖5顯示為本發(fā)明移動(dòng)監(jiān)測設(shè)備的流路系統(tǒng)示意圖。

圖6顯示為本發(fā)明移動(dòng)監(jiān)測設(shè)備的控制系統(tǒng)示意圖。

圖7顯示為本發(fā)明移動(dòng)監(jiān)測設(shè)備的拓?fù)鋱D。

圖8顯示為本發(fā)明的顯微觀測系統(tǒng)獲取的芯片表面形貌圖。

圖9顯示為本發(fā)明移動(dòng)監(jiān)測設(shè)備測定的三種微囊藻毒素濃度溶液的干涉光譜相位隨時(shí)間的變化曲線圖。

圖10顯示為本發(fā)明移動(dòng)監(jiān)測設(shè)備測定的三種微囊藻毒素濃度溶液的拉曼強(qiáng)度與拉曼位置的關(guān)系曲線圖。

標(biāo)號(hào)說明

1—玻璃基底

2—第一金層

3—二硫化鉬層

4—第二金層

5—微囊藻毒素分子印跡膜

6—微囊藻毒素分子

7—微孔

8—上蓋

9—下底

10—傳感器芯片

11—流入管路

12—流出管路

13、14、15、16—螺柱

17、18、19、20—螺母

21—白光LED光源

22—激光光源

23—第七透鏡

24—第二分束鏡

25—第一透鏡

26—起偏器

27—雙折射晶體

28—空間光調(diào)制器

29—第一分束鏡

30—物鏡

31—封裝結(jié)構(gòu)

32—第一檢偏器

33—第三分束鏡

34—第四透鏡

35—第五透鏡

36—照相機(jī)

37—紫外/可見光光譜儀

38—第二透鏡

39—濾光片

40—第二檢偏器

41—第三透鏡

42—光闌

43—第四透鏡

44—第五透鏡

45—拉曼光譜儀

46—蠕動(dòng)泵

47—pH/溫度傳感器

48—三通電磁閥

49—多通電磁閥

50、51、52、53、54—試劑袋

55—進(jìn)水通道

具體實(shí)施方式

以下通過特定的具體實(shí)例說明本發(fā)明的實(shí)施方式，本領(lǐng)域技術(shù)人員可由本說明書所揭露的內(nèi)容輕易地了解本發(fā)明的其他優(yōu)點(diǎn)與功效。本發(fā)明還可以通過另外不同的具體實(shí)施方式加以實(shí)施或應(yīng)用，本說明書中的各項(xiàng)細(xì)節(jié)也可以基于不同觀點(diǎn)與應(yīng)用，在沒有背離本發(fā)明的精神下進(jìn)行各種修飾或改變。

如圖1和圖2所示，傳感器芯片包括玻璃基底1、第一金層2、二硫化鉬層3、第二金層4，第二金層4上通過熱聚合方法修飾微囊藻毒素分子印跡膜5。

具體地，在以BK7為材料的玻璃基底1上，通過磁控濺射或者真空鍍膜方式制作厚度2-3納米的鉻，在此基礎(chǔ)上通過磁控濺射或者真空鍍膜方式制作厚度為40-50納米的金，在此基礎(chǔ)上通過化學(xué)氣相沉積或者液相剝離方法制作厚度在0.67-6.7納米的二硫化鉬，在此基礎(chǔ)上通過磁控濺射或者真空鍍膜方式制作厚度2-3納米的金。采用熱聚合方法在金/二硫化鉬/金結(jié)構(gòu)上修飾藻毒素分子印跡膜。

采用熱聚合方法在金基底上修飾微囊藻毒素分子印跡膜過程如下：將鍍有金/二硫化鉬/金結(jié)構(gòu)的芯片(帶有玻璃基底)分別用丙酮、乙醇、超純水依次清洗，氮?dú)獯蹈?，使用氧氣等離子體清洗機(jī)清洗3分鐘后，浸入200mM十一烷酸硫醇的乙醇溶液中，室溫過夜，然后取出芯片使用乙醇、超純水依次清洗，氮?dú)獯蹈?，完成芯片的預(yù)處理步驟。將1mg的微囊藻毒素和0.86mg的甲基丙烯酸加入1mL的二甲基亞砜中，室溫靜置3小時(shí)進(jìn)行預(yù)聚合后，再加入1.98mg二甲基丙烯酸乙二醇酯和0.2mg的偶氮二異丁腈混合均勻，氮?dú)馓幚?0分鐘，完成聚合溶液的配置。將芯片浸入聚合溶液中，放入鼓風(fēng)烘箱中60℃聚合反應(yīng)15小時(shí)，進(jìn)行熱聚合反應(yīng)。使用甲醇-乙酸混合溶液(甲醇與乙酸的體積比為9:1)沖洗芯片表面10小時(shí)，以除去聚合物中的微囊藻毒素分子6，從而得到對(duì)微囊藻毒素特異性識(shí)別的微孔7。超純水沖洗，氮?dú)獯蹈桑瓿晌⒛以宥舅胤肿佑≯E膜修飾的傳感器芯片制備。其中，甲基丙烯酸、二甲基亞砜為功能單體，二甲基丙烯酸乙二醇酯為交聯(lián)劑，偶氮二異丁腈為引發(fā)劑。

通過更改微囊藻毒素分子印跡膜制作過程中的功能單體、交聯(lián)劑、引發(fā)劑和微囊藻毒素分子的種類，可制作滿足檢測各種微囊藻毒素異構(gòu)體的印跡膜。

如圖3所示傳感器芯片的封裝結(jié)構(gòu)示意圖。采用PDMS制作上蓋8和下底9，傳感器芯片10封裝在上蓋8和下底9之間，上蓋8中設(shè)置有流入管路11和流出管路12，流入管路11和流出管路12是連通的，在上蓋8中形成流通管路。上蓋8和下底9通過使用螺柱13、14、15、16以及螺母17、18、19、20得到緊固，并使用環(huán)氧樹脂進(jìn)行邊緣粘合，安裝為一體。

具體地，包括上蓋8、下底9，所述上蓋8、下底9之間安裝有傳感器芯片10，所述上蓋8、下底9以及傳感器芯片10通過鎖緊件鎖緊，鎖緊件包括螺柱13、14、15、16以及螺母17、18、19、20，所述上蓋8內(nèi)部開設(shè)有用于流通液體的管路，包括流入管路11和流出管路12，所述傳感器芯片10的微囊藻毒素分子印跡膜5至少部分的表面裸露于管路，所述上蓋8設(shè)有貫穿所述上蓋8的透光通道，所述下底9設(shè)有貫穿所述下底9的透光通道，所述上蓋8與下底9的透光通道的位置與傳感器芯片10的位置相配合，進(jìn)入下底9透光通道的光線依次通過傳感器芯片10、上蓋8的透光通道并穿出上蓋8。該封裝結(jié)構(gòu)起到固定傳感器芯片10的作用，并且使管路中的溶液流經(jīng)傳感器芯片10上的微囊藻毒素分子印跡膜5，光學(xué)系統(tǒng)的光線從下底9的透光通道進(jìn)入，傳感器芯片10產(chǎn)生的光依次穿過管路中的溶液、上蓋8的透光通道，再從上蓋8穿出，進(jìn)入拉曼信號(hào)采集系統(tǒng)。本實(shí)施例中，上蓋8采用PDMS材料，上蓋8上用于光線穿過的部位的厚度≤0.5mm，使得光線順利穿出，并且上蓋8的管路是封閉的，只有一個(gè)進(jìn)液口和一個(gè)出液口，不會(huì)出現(xiàn)溶液泄露。同時(shí)，傳感器芯片10產(chǎn)生的光也從下底的透光通道返回，進(jìn)入圖像信息采集系統(tǒng)、干涉光譜信息采集系統(tǒng)等。

如圖4所示為本發(fā)明的光學(xué)系統(tǒng)。入射光路包括白光LED光源21、激光光源22、第二分束鏡24、第七透鏡23、第一透鏡25、起偏器26、雙折射晶體27、空間光調(diào)制器28、第一分束鏡29、物鏡30、封裝有傳感器芯片的封裝結(jié)構(gòu)31；干涉光譜相位信息檢測部分包括第一分束鏡29、第三分束鏡33、檢偏器32、第四透鏡34、紫外/可見光光譜儀37；干涉圖像相位信息獲取部分包括第一分束鏡29、第三分束鏡33、檢偏器32、第五透鏡35、照相機(jī)36。拉曼信號(hào)獲取部分包括第二透鏡38、濾光片39、檢偏器40、第三透鏡41、光闌42、第四透鏡43、第五透鏡44、拉曼光譜儀45。所有分束鏡均為50％：50％分束鏡，白光LED光源21、激光光源22的光線均進(jìn)入第二分束鏡24、第一透鏡25、起偏器26、雙折射晶體27、空間光調(diào)制器28、第一分束鏡29、物鏡30、封裝結(jié)構(gòu)31，本實(shí)施例中，入射光從封裝結(jié)構(gòu)31的傳感器芯片底部激發(fā)傳感器芯片上的復(fù)合結(jié)構(gòu)，復(fù)合結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的光透過傳感器芯片封裝結(jié)構(gòu)的上蓋8進(jìn)入拉曼信號(hào)獲取系統(tǒng)，具體地，傳感器芯片產(chǎn)生的光依次經(jīng)過第二透鏡38、濾光片39、第二檢偏器40、第三透鏡41、光闌42、第四透鏡43、第五透鏡44、拉曼光譜儀45，實(shí)現(xiàn)拉曼信號(hào)的獲取；同時(shí)，傳感器芯片產(chǎn)生的光透過傳感器芯片封裝結(jié)構(gòu)的下底9，并被物鏡30再次收集，進(jìn)入圖像信息采集系統(tǒng)、干涉光譜信息采集系統(tǒng)，具體地，傳感器芯片產(chǎn)生的光依次通過物鏡30、第一分束鏡29、第一檢偏器32、第三分束鏡33，第三分束鏡33將光線分成兩路，一路依次通過第四透鏡34、紫外/可見光光譜儀37，實(shí)現(xiàn)干涉光譜信號(hào)的獲??；另一路依次通過第五透鏡35、照相機(jī)36，實(shí)現(xiàn)圖像信息的采集。由于光學(xué)和電子設(shè)備的搭配使用，僅需要使用一個(gè)通道就可以產(chǎn)生干涉現(xiàn)象，通過物鏡激發(fā)表面等離子體波并使其與傳感器芯片耦合，達(dá)到增強(qiáng)傳感器芯片表面電磁場強(qiáng)度的目的。采用白光LED和激光作為光源，采用紫外-可見光波段光譜分析儀、可見光波段相機(jī)以及拉曼光譜分析儀作為信號(hào)接收器，物鏡作為激發(fā)表面等離子體共振效應(yīng)的載體，使得表面等離子體共振干涉光譜信息、表面等離子體共振干涉圖像以及表面增強(qiáng)拉曼散射信號(hào)可通過該光學(xué)系統(tǒng)同時(shí)獲得。

如圖5所示，是本發(fā)明的流路系統(tǒng)，包括蠕動(dòng)泵46、pH/溫度傳感器47、三通電磁閥48、多通電磁閥49，試劑袋50裝入純凈水，試劑袋51裝入HCl溶液，試劑袋52裝入甲醇-乙酸混合溶液(甲醇與乙酸的體積比為9:1)，試劑袋53裝入PBS緩沖液，試劑袋54備用，通道55用于水樣的抽取。多通電磁閥49通過其連通管路選擇向循環(huán)管路注入所選試劑、水樣并控制其用量。pH/溫度傳感器47用于監(jiān)測循環(huán)管路中液體的溫度和pH值。蠕動(dòng)泵46帶動(dòng)液體流入封裝有傳感器芯片的封裝結(jié)構(gòu)31，供物鏡30檢測。三通電磁閥48用于選擇液體排除循環(huán)管路，或者繼續(xù)在循環(huán)管路中混合。采用蠕動(dòng)泵46控制液體在循環(huán)管路中的流速和流向，采用電磁閥(包括三通電磁閥48、多通電磁閥49)控制液體進(jìn)入或排除循環(huán)管路的種類及質(zhì)量，采用pH/溫度傳感器47檢測循環(huán)管路中液體的pH值及溫度，并調(diào)整溶液的pH至適當(dāng)值。

如圖6所示，是本發(fā)明的移動(dòng)監(jiān)測設(shè)備控制系統(tǒng)的示意圖，由微處理器、光學(xué)系統(tǒng)中的白光LED光源、激光光源、拉曼光譜儀、紫外/可見光光譜儀、照相機(jī)、流路系統(tǒng)中的蠕動(dòng)泵、電磁閥、pH/溫度傳感器以及安裝在儀器內(nèi)部的溫度傳感器和半導(dǎo)體制冷器組成下位機(jī)。下位機(jī)通過外部提供12V或者24V直流電壓。下位機(jī)通過微處理器的串口或者USB通訊方式與上位機(jī)實(shí)現(xiàn)通訊，完成命令與數(shù)據(jù)的交互。微處理器通過電壓控制激光光源、白光LED光源、半導(dǎo)體制冷器、電磁閥和蠕動(dòng)泵工作。微處理器通過串口或者USB通訊方式與照相機(jī)、拉曼光譜儀、紫外/可見光光譜儀通訊，下傳命令，獲取照相機(jī)、拉曼光譜儀、紫外/可見光光譜儀的數(shù)據(jù)。微處理器通過A/D轉(zhuǎn)換電路實(shí)現(xiàn)與pH/溫度傳感器、溫度傳感器的通訊。微處理器運(yùn)用PID算法，使儀器內(nèi)部溫度達(dá)到20℃。微處理器內(nèi)存存儲(chǔ)相位信號(hào)與微囊藻毒素濃度的標(biāo)準(zhǔn)曲線、拉曼信號(hào)強(qiáng)度與微囊藻毒素濃度間的標(biāo)準(zhǔn)曲線。

圖7顯示為本發(fā)明移動(dòng)監(jiān)測設(shè)備的拓?fù)鋱D。光學(xué)系統(tǒng)采用物鏡激發(fā)表面等離子體共振效應(yīng)，運(yùn)用單通道方式產(chǎn)生干涉現(xiàn)象，運(yùn)用光譜儀和相機(jī)檢測包含相位信息的光學(xué)信號(hào)，獲取表面等離子體共振光譜相位信號(hào)和表面增強(qiáng)拉曼散射信號(hào)。流通池用于傳感芯片的封裝，傳感芯片通過流通池與光學(xué)系統(tǒng)結(jié)合，傳感芯片通過流通池放置于光學(xué)系統(tǒng)中進(jìn)行檢測。流路系統(tǒng)用于獲取監(jiān)測地水源，以及在循環(huán)管路中注入檢測所需的試劑，控制在傳感芯片上流動(dòng)的溶液種類及流量，排除循環(huán)管路中的廢液?？刂葡到y(tǒng)用于控制光路系統(tǒng)、流路系統(tǒng)及檢測設(shè)備所需的電子器件，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、傳輸與存儲(chǔ)功能，滿足上位機(jī)與下位機(jī)的通訊。

系統(tǒng)的測試過程如下：

半導(dǎo)體制冷器開啟，使儀器內(nèi)部溫度達(dá)到20℃。

純凈水被注入循環(huán)管路，用于清洗管路，用時(shí)120秒，通過相位信息監(jiān)測管路的干凈程度。當(dāng)循環(huán)管路充滿純凈水后，純凈水停止進(jìn)入循環(huán)管路。

緩沖液被注入循環(huán)管路，同時(shí)純凈水排除循環(huán)管路，用時(shí)120秒。通過相位信息監(jiān)測管路是否全部充滿緩沖液。當(dāng)循環(huán)管路充滿緩沖液后，停止向循環(huán)管路注入緩沖液。

一定量的水樣被注入循環(huán)管路，同時(shí)，循環(huán)管路中相同量的溶液被排除循環(huán)管路，開始計(jì)時(shí)。于此同時(shí)，照相機(jī)、拉曼光譜儀、紫外/可見光光譜儀開始工作，分別獲取圖像、相位信息、拉曼信號(hào)。如圖8所示為通過顯微觀測系統(tǒng)獲取的芯片表面形貌圖。圖像的作用是為了進(jìn)行觀測芯片表面的形貌變化。由于該檢測過程中反應(yīng)物質(zhì)尺寸均小于顯微鏡分辨率，因此，反應(yīng)前和反應(yīng)后，圖片沒有太大變化。反應(yīng)時(shí)間達(dá)到1000秒時(shí)，分別記錄相位信息和拉曼信號(hào)。反應(yīng)時(shí)間達(dá)到1100秒時(shí)，向循環(huán)管路注入甲醇-乙酸混合溶液，洗脫與傳感器芯片上微囊藻毒素分子印跡膜結(jié)合的微囊藻毒素分子。反應(yīng)時(shí)間至1220秒，停止注入甲醇-乙酸混合溶液，開始注入緩沖液，使緩沖液充滿循環(huán)管路，排除循環(huán)管路中的廢液，反應(yīng)時(shí)間至1400秒，通過相位信息監(jiān)測管路是否充滿緩沖液。

當(dāng)選擇通過相位信號(hào)測量微囊藻毒素濃度時(shí)，如圖9所示，使用0μg/L、2μg/L、5μg/L微囊藻毒素標(biāo)準(zhǔn)溶液樣品測試，微處理器分別獲得各個(gè)濃度的微囊藻毒素標(biāo)準(zhǔn)溶液相位信號(hào)后(沿縱坐標(biāo)方向，從下向上依次為0μg/L、2μg/L、5μg/L微囊藻毒素溶液的干涉光譜相位與時(shí)間的關(guān)系曲線圖)，與預(yù)先存儲(chǔ)在微處理器內(nèi)部的相位信號(hào)強(qiáng)度與微囊藻毒素濃度間的標(biāo)準(zhǔn)曲線對(duì)比，計(jì)算微囊藻毒素濃度。當(dāng)選擇通過拉曼信號(hào)測量微囊藻毒素濃度時(shí)，如圖10所示，使用0μg/L、5μg/L、10μg/L微囊藻毒素標(biāo)準(zhǔn)溶液樣品測試，微處理器分別獲得各個(gè)濃度的微囊藻毒素標(biāo)準(zhǔn)溶液拉曼信號(hào)后(沿縱坐標(biāo)方向，從下向上依次為拉曼信號(hào)強(qiáng)度與0μg/L、5μg/L、10μg/L微囊藻毒素溶液的拉曼強(qiáng)度與拉曼位置的關(guān)系曲線圖)，與預(yù)先存儲(chǔ)在微處理器內(nèi)部的拉曼信號(hào)強(qiáng)度與微囊藻毒素濃度間的標(biāo)準(zhǔn)曲線對(duì)比，計(jì)算機(jī)微囊藻毒素濃度。由于使用了分子印記膜，該物質(zhì)能特異性識(shí)別微囊藻毒素，而對(duì)其他物質(zhì)具有排他性。因此，檢測過程中，其他物質(zhì)對(duì)檢測的干擾能降低到最小程度。相位檢測和拉曼檢測分別是兩種不同的方式來檢測。相位檢測產(chǎn)生的信號(hào)將僅由微囊藻毒素產(chǎn)生，而拉曼檢測能將溶液中所有物質(zhì)的特征光譜給予標(biāo)識(shí)出來。而由于使用了分子印記膜，因此，微囊藻毒素對(duì)應(yīng)的拉曼峰位置將最突出。

綜上所述，本發(fā)明公開了一種基于表面等離子體共振技術(shù)的在線監(jiān)測水體微囊藻毒素的方法及移動(dòng)監(jiān)測設(shè)備，屬于分子生物學(xué)、環(huán)境工程和分析實(shí)驗(yàn)設(shè)備相結(jié)合的技術(shù)。該監(jiān)測設(shè)備包含四個(gè)子系統(tǒng)，分別是傳感器芯片、光路系統(tǒng)，流路系統(tǒng)和控制系統(tǒng)。微囊藻毒素檢測傳感器芯片采用金膜/二硫化鉬/金膜結(jié)構(gòu)，在此復(fù)合結(jié)構(gòu)表面采用原位熱聚合法直接修飾藻毒素分子印跡膜，提高傳感器芯片對(duì)微囊藻毒素的結(jié)合容量，增強(qiáng)特異性吸附能力；同時(shí)，運(yùn)用流通池作為傳感器芯片與光學(xué)系統(tǒng)的銜接部分，使用基于表面等離子體共振特性的光學(xué)系統(tǒng)檢測傳感器芯片的光學(xué)響應(yīng)，提高傳感器靈敏度、增加穩(wěn)定性。流路系統(tǒng)用于采集水樣，注入試劑，排除廢液，導(dǎo)流在傳感器芯片上流動(dòng)的溶液，檢測循環(huán)管路中液體的pH值及溫度；控制系統(tǒng)用于控制光路系統(tǒng)、流路系統(tǒng)及檢測設(shè)備所需的電子器件，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、傳輸與存儲(chǔ)功能，滿足上位機(jī)與下位機(jī)的通訊。該微囊藻毒素在線監(jiān)測方法及移動(dòng)監(jiān)測設(shè)備提供了一種實(shí)時(shí)檢測水域中藻毒素含量的檢測裝置，使得可以在現(xiàn)場實(shí)時(shí)原位檢測水域中藻毒素的含量，儀器可在野外自動(dòng)運(yùn)行，無需人工參與。

上述實(shí)施例僅例示性說明本發(fā)明的原理及其功效，而非用于限制本發(fā)明。任何熟悉此技術(shù)的人士皆可在不違背本發(fā)明的精神及范疇下，對(duì)上述實(shí)施例進(jìn)行修飾或改變。因此，舉凡所屬技術(shù)領(lǐng)域中具有通常知識(shí)者在未脫離本發(fā)明所揭示的精神與技術(shù)思想下所完成的一切等效修飾或改變，仍應(yīng)由本發(fā)明的權(quán)利要求所涵蓋。