[发明专利]基于压电扫描的微悬臂梁阵列生化传感装置及方法

说明书

技术领域

本发明属于生化传感技术领域，具体地涉及一种微悬臂梁阵列生化传感装置及方法，该装置和方法可应用于食品安全、环境污染、生物医学、科学研究和生产制造等领域中的监控和检测。

背景技术

基于表面应力检测的微悬臂梁(以后均称微梁)生化传感技术是近年出现的一种新兴传感技术，其原理是：把探针(抗原或抗体)分子用直接或间接的方式固定(修饰)到微梁一侧的镀金层上，当被检测样品液中的靶分子与微梁金表面上的探针分子发生特异性反应时，会使微梁表面应力改变，从而导致微梁弯曲变形，通过光学或电学方法检测这种变形的过程，可得到生化反应的实时信息。与传统的免疫传感方法相比，该方法无需使用任何酶标、荧光物质和放射性作为反应示踪剂，消除了标记过程的影响，灵敏度高(比酶联免疫试验高数倍)，还可以通过监测微梁变形来实时、定量的监测抗原抗体的反应过程，得到更丰富的免疫生化反应的信息。经过这些年的发展，微梁传感被作为一种新兴技术，在生物工程和环境污染监测技术等方面与传统的方法进行对比研究，如RNA转录因子、酶、汞排放及挥发性化合物等，由于微悬臂梁的厚度尺寸仅为亚微米量级，对微梁表面生化反应(比如，修饰的探针分子与靶分子结合)导致的应力变化极为敏感，使其检测极限达到纳克甚至亚纳克级每毫升，优于常规的酶联免疫方法。

在单微悬臂梁检测系统基础上，为进一步消除环境温漂、溶液折射率变化等背景噪声影响、实现多种靶标分子的快速并行检测，微梁传感技术正逐步向多阵列发展。已报道实现微梁阵列传感研究的方法主要有：(1)利用垂直共振腔面射型激光器提供时序阵列光源，对微梁阵列进行逐一照射，再利用光电位置敏感探测器(PSD)对各微梁的偏转信号进行接收检测；(2)利用扩束后的面光源照射微梁阵列，用CCD记录二维微梁阵列变形前后的图像进行微梁的变形检测。但由于垂直共振腔面射型激光器发射光束的相邻距离不能调节，它只能针对间距一定的微梁阵列进行照射，灵活性较低且价格也很昂贵；CCD面光源检测法中，由于微梁尖端的弯曲会使图像产生弥散，严重影响光斑位移的检测质量，导致其检测灵敏度不高，且多通道检测时速度也较慢。

如何利用简单光路设计出方便实用的传感系统，实现微梁阵列高灵敏度、快速、并行的变形检测，研制出微梁阵列免疫传感装置，并利用阵列免疫传感器进行抗体亲和常数测定以及应用于食品安全中多残留和多种重金属离子并行实时原位检测，一直是生化检测领域关注的焦点。

发明内容

为解决现有技术中存在的上述问题，做出了本发明。

本发明的原理是利用压电偏转器驱使激光器发射出来的激光束产生周期性偏转，以扫描微梁阵列；再通过光杠杆原理将微梁阵列中各微梁的弯曲变形信号放大，用光电位置敏感探测器(PSD)时序接收检测，从而实时监测各微梁上的生化反应过程信息。

因此，在第一个方面，本发明提供了一种基于压电扫描的微悬臂梁阵列生化传感装置(下面有时简称为“本发明的装置”)，该装置包括：

反应池，所述反应池用于容纳缓冲液和待测样品；

微梁阵列，所述微梁阵列由两个以上平行间隔排列的微梁组成并被可拆卸地固定在密闭的反应池中，其中所述每个微梁上固定有检测生物分子或对照分子(在本发明中也称为“参考分子”，固定或修饰有参考分子的微梁也称为“参考梁”)；

半导体激光器，所述半导体激光器被配置成向压电偏转器的凸透镜发射激光束；

压电偏转器，所述压电偏转器包括压电陶瓷管和凸透镜，所述凸透镜设置在所处半导体激光器与所述压电陶瓷管之间，其中所述压电陶瓷管被设置成驱动所述凸透镜产生偏转，使得通过所述凸透镜的由所述半导体激光器发射的激光束的光路也相应地发生变化；

反光镜，所述反光镜将来自所述压电偏转器的激光束改变光路后扫射到所述每个微梁上；

信号发生器，所述信号发生器控制所述压电陶瓷管的输入电压大小和变化周期；

光电位置敏感探测器(PSD)，所述光电位置敏感探测器接收由所述微梁阵列反射的激光光点，从而产生并输出关于每个微梁的位移信号；和

数据处理设备，所述数据处理设备处理由所述光电位置敏感探测器输出的每个微梁的位移信号，基于固定有对照分子的微梁的位移数据关于获得固定有检测生物分子的每个微梁弯曲的数据，

其中当待测样品中含有与所述检测生物分子特异性结合的靶分子时，固定有所述检测生物分子的微梁与所述待测样品在反应池中在适于两者的反应条件下反应后会发生弯曲。