專利名稱：光度型表面等離激元共振生物傳感器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于生物技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及表面等離激元共振生物傳感器的設(shè)計(jì)。
生物傳感器是一種生物分子識(shí)別機(jī)制與感受器材相結(jié)合而成的儀器，它利用生物學(xué)的檢測(cè)和識(shí)別機(jī)制作用于靶分子，結(jié)合物理化學(xué)的傳感技術(shù)把生物識(shí)別轉(zhuǎn)換為有用的輸出信號(hào)。由于生物傳感器在生物分子結(jié)構(gòu)和功能分析上的重要作用，生物傳感技術(shù)在近二十年得到了迅速的發(fā)展。
表面等離激元共振(Surface Plasmon Resonance，SPR)生物傳感技術(shù)是在80年代中后期才發(fā)展起來(lái)的一門新興技術(shù)，它通過(guò)將生物大分子相互作用的信號(hào)轉(zhuǎn)變成光信號(hào)，再把光信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)，并由計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)的采集和分析處理，以實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)生物大分子之間相互作用的目的。其工作原理如

圖1所示在兩種不同折射率物質(zhì)的界面如玻璃和水，從光密物質(zhì)11(如玻璃)射向光疏物質(zhì)12(如水)的光會(huì)部分反射和部分折射。當(dāng)入射光角度大于某一臨界值時(shí)，折射光消失，即發(fā)生全反射。盡管如此，在光疏物質(zhì)中仍存在一種非均勻的沿界面方向傳播的電磁場(chǎng)，其振幅在界面法向以指數(shù)衰減，稱為衰減波(evanescent wave)。
如果在兩種物質(zhì)之間覆蓋上一層金屬薄膜13，使用單色p-偏振光(其電矢量與入射光平面平行)，在特定的入射角θ，即θ滿足n0(ω/c)sinθ＝(ω/c){εr’/(εr’+1)}1/2...................(1)(ω為激光角頻率，c為真空中的光速，n0為棱鏡的折射率，εr’為金屬相對(duì)電介常數(shù)的實(shí)部)時(shí)，衰減波會(huì)與金屬表面?zhèn)鞑サ囊环N由金屬自由電子氣集體振蕩產(chǎn)生的電荷密度波—(surface plasma wave，SPW)耦合，入射光的能量將部分耦合到表面等離子波中去，在全反射區(qū)域產(chǎn)生一個(gè)明顯的衰減峰，此現(xiàn)象被稱作表面等離激元共振(surface plasmon resonance，SPR)，產(chǎn)生衰減峰的入射角稱為SPR角。
SPR角與多種因素有關(guān)。其一是衰減波傳播的介質(zhì)折射率，即非光照一側(cè)介質(zhì)的折射率。在SPR生物傳感器用于生物大分子相互作用研究的過(guò)程中，固定其它影響因素，通過(guò)觀測(cè)生物大分子吸附到金屬膜表面以及溶液中的大分子與表面大分子相互作用引起介質(zhì)折射率變化而產(chǎn)生的SPR角度變化，可得到吸附量的變化信息。如圖2所示，圖中，曲線a為加樣前光強(qiáng)～SPR角關(guān)系，曲線b為加樣后光強(qiáng)～SPR角關(guān)系，光強(qiáng)變化ΔA對(duì)應(yīng)一定的SPR角變化ΔθSPR。SPR譜譜峰峰位θSPR對(duì)金屬膜表面的光學(xué)折射率變化非常敏感，對(duì)于波長(zhǎng)為670nm的紅光，Phizichy等人用放射性標(biāo)記不同分子量的蛋白質(zhì)分子，測(cè)量了蛋白質(zhì)在金膜表面吸附造成的譜峰位移，并且測(cè)量金膜表面吸附蛋白質(zhì)的密度，得出譜峰位移與金膜表面吸附的蛋白密度有線性關(guān)系。
傳統(tǒng)的SPR生物傳感器基于上述原理，實(shí)驗(yàn)時(shí)先在金屬表面固定受體分子，觀測(cè)由于樣品池中配體與固定受體的相互作用引起的SPR角位移，這種儀器可稱為角度型SPR生物傳感器。1984年瑞典Pharmacia公司開始進(jìn)行角度型SPR生物傳感器的商品化研制工作，1986年成立了專門的生物傳感器公司來(lái)推動(dòng)該項(xiàng)目的實(shí)施，并于1990年推出了第一臺(tái)商用SPR生物傳感儀--BIAcore。該儀器包括加樣在內(nèi)的全部測(cè)量分析過(guò)程都由計(jì)算機(jī)程序控制自動(dòng)完成。我國(guó)的角度型SPR生物傳感器的研制工作起步稍晚，清華大學(xué)物理系的陳皓明教授等人在80年代末研制了一臺(tái)角度型SPR儀，并于1990年交由生物系的隋森芳教授使用。
上述角度型SPR生物傳感器由主機(jī)31、主控制箱32、電機(jī)驅(qū)動(dòng)電源33和計(jì)算機(jī)34四部分構(gòu)成，如圖3所示，各部分組成及工作原理分別說(shuō)明如下主機(jī)包括底座311、大小兩個(gè)轉(zhuǎn)盤312和313、分別帶動(dòng)大小轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)動(dòng)的電機(jī)314和315，激光器316和光電池317。
電機(jī)驅(qū)動(dòng)電源33給主機(jī)電機(jī)314和315供電并通過(guò)輸出信號(hào)控制其轉(zhuǎn)動(dòng)；主控制箱32給激光器316供電并且接收和放大光電池317的輸出電信號(hào)；計(jì)算機(jī)34對(duì)電源信號(hào)進(jìn)行控制并且對(duì)進(jìn)行測(cè)量結(jié)果分析處理。
激光器發(fā)出的激光透過(guò)三棱鏡318，經(jīng)緊貼在棱鏡一側(cè)的敏感膜反射后由光電池接收。測(cè)量時(shí)，計(jì)算機(jī)輸出信號(hào)控制小轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)動(dòng)，激光入射角發(fā)生變化；大轉(zhuǎn)盤以小轉(zhuǎn)盤二倍的角速度轉(zhuǎn)動(dòng)，以保證反射光總是打在光電池上。光電池輸出的信號(hào)由計(jì)算機(jī)處理，得到反射光強(qiáng)隨激光入射角的變化曲線SPR曲線。SPR曲線經(jīng)二次擬合后得到SPR角，由SPR角的變化得到敏感芯片表面生物分子相互作用情況。
實(shí)踐證明，角度型SPR生物傳感器具有所需樣品少，檢測(cè)速度快，精度高，樣品不需標(biāo)記，實(shí)時(shí)檢測(cè)等優(yōu)點(diǎn)，因此它在生物大分子相互作用研究中得到越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。然而，高精度角度型SPR生物傳感器需要沉重的底座和精密的轉(zhuǎn)盤、電機(jī)，這使儀器過(guò)于笨重和昂貴，一般只適用于實(shí)驗(yàn)室研究，很難在臨床檢測(cè)中推廣使用。
本發(fā)明的目的是為克服角度型SPR生物傳感器的缺點(diǎn)，研制了一種新型光度型SPR生物傳感器，該儀器采用固定入射光角度，利用檢測(cè)反射光光強(qiáng)的變化來(lái)探測(cè)敏感芯片上生物大分子相互作用的信息。具有體積小，重量輕，使用方便，便于攜帶等優(yōu)點(diǎn)，非常便于SPR檢測(cè)技術(shù)在臨床上推廣使用。
其工作原理簡(jiǎn)述如下當(dāng)敏感芯片表面的生物大分子相互作用引起金膜表面的介質(zhì)折射率發(fā)生改變時(shí)，SPR角會(huì)發(fā)生一定的位移。如果激光器的入射光角度不隨測(cè)量過(guò)程發(fā)生變化，而是固定在適當(dāng)位置，介質(zhì)折射率變化會(huì)導(dǎo)致反射光光強(qiáng)發(fā)生明顯變化。本光度型SPR生物傳感器通過(guò)光電池采集反射光強(qiáng)信號(hào)并輸入計(jì)算機(jī)處理，由光強(qiáng)變化得到敏感芯片表面生物大分子相互作用情況。
本發(fā)明的特點(diǎn)體積小(整個(gè)機(jī)身部分尺寸大約為10×20×10cm3，遠(yuǎn)小于實(shí)驗(yàn)室用SPR生物傳感器)，重量輕不足1kg，遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于角度型SPR生物傳感器近100kg，因而具有使用方便，便于攜帶等優(yōu)點(diǎn)，這些都非常便于SPR檢測(cè)技術(shù)在臨床上推廣使用。
附圖簡(jiǎn)要說(shuō)明圖1為SPR生物傳感技術(shù)工作原理示意圖。
圖2為光強(qiáng)隨SPR角變化曲線示意圖。
圖3為已有的角度型SPR生物傳感器組成示意圖。
圖4為本發(fā)明的光度型SPR生物傳感器總體構(gòu)成示意圖。
圖5為本發(fā)明的光度型SPR生物傳感器主機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖。
圖6為本發(fā)明的電機(jī)已復(fù)位信號(hào)發(fā)生電路原理圖。
圖7為本發(fā)明的電機(jī)復(fù)位控制電路原理圖。
圖8為本發(fā)明的電路復(fù)位及預(yù)熱脈沖發(fā)生電路原理圖。
圖9為本發(fā)明的電機(jī)通斷電控制電路原理圖。
圖10為本發(fā)明的LOGO連線示意圖。
圖11為本發(fā)明的信號(hào)采集電路原理圖。
圖12為本發(fā)明的掃描結(jié)果(選用樣品為小牛血清白蛋白BSA)。
圖13為本發(fā)明的測(cè)量結(jié)果(選用樣品為小牛血清白蛋白BSA)。
本發(fā)明設(shè)計(jì)的一種光度型SPR生物傳感器的實(shí)施例結(jié)合各附圖詳細(xì)說(shuō)明如下本發(fā)明的光度型SPR生物傳感器組成結(jié)構(gòu)如圖4所示，它由主機(jī)41，控制電路42和計(jì)算機(jī)43三部分組成，各部分的實(shí)施例分別說(shuō)明如下一、本發(fā)明主機(jī)包括光學(xué)單元，機(jī)械單元和進(jìn)樣單元三部分。
1、光學(xué)單元實(shí)施例由HL6711G半導(dǎo)體激光器411，其波長(zhǎng)為λ＝670mm，等腰直角三棱鏡412，其折射率為n＝1.8和2CR33光電池413組成。
激光器411發(fā)出的p-偏振光，經(jīng)棱鏡的一側(cè)入射，經(jīng)緊貼在棱鏡底面與樣品池底側(cè)的敏感膜敏感芯片414反射后到達(dá)緊貼在棱鏡另一側(cè)的光電池413上，光電池把采集到的光強(qiáng)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)輸出。
2、機(jī)械單元包括機(jī)身，直流電機(jī)，搖臂415和其它固定件。
機(jī)身由平臺(tái)417、支柱418、機(jī)身底座419構(gòu)成；平臺(tái)417通過(guò)支柱418被固定在機(jī)身底座419上，平臺(tái)上放有棱鏡412，棱鏡底面上固定著樣品池，激光束從一個(gè)側(cè)面入射，在另一個(gè)側(cè)面出射，并被光電池接受。
固定件包括激光器、光電池、樣品池和電機(jī)的常規(guī)固定附件。光電池的固定件要注意散熱，本實(shí)施例選用大面積的傳熱良導(dǎo)體鋁塊420。激光器固定在由直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)的搖臂上，激光器通過(guò)搖臂的轉(zhuǎn)動(dòng)可調(diào)節(jié)其入射到棱鏡的角度，以適應(yīng)不同的樣品。
本實(shí)施例采用瑞士MINIMOTOR公司生產(chǎn)的帶有編碼器(Encoder)的直流電機(jī)，6它包括編碼器，電機(jī)和減速箱三部分。
編碼器型號(hào)為03A5，有一個(gè)轉(zhuǎn)盤與電機(jī)相連，可隨電機(jī)同時(shí)轉(zhuǎn)動(dòng)，轉(zhuǎn)盤上有一些等角度間隔的縫隙(本型號(hào)為15線)，在轉(zhuǎn)盤的兩側(cè)分別有一個(gè)發(fā)光二極管和一個(gè)光控三極管。
編碼器的一個(gè)周期電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)1/15周＝24°，而實(shí)際輸出的轉(zhuǎn)動(dòng)角度只有24°的1/17386，即實(shí)際的分辨本領(lǐng)約是0.0014°，保證了測(cè)量的精度。
編碼器的輸出是準(zhǔn)正弦波，需要經(jīng)施密特觸發(fā)器轉(zhuǎn)換為方波，才便于計(jì)算機(jī)處理。在本實(shí)施例中選用了TTL結(jié)構(gòu)的六施密特反相器74LS14，該片子的兩個(gè)閾值約是0.9V和1.2V。在+5V供電下準(zhǔn)正弦波的電壓范圍約是0-2.7V，故可直接將編碼器的輸出連到反相器的輸入上，反相器的輸出就是整形后的方波。
電機(jī)型號(hào)為2233，直流供電，額定電壓12V，轉(zhuǎn)速與供電電壓及負(fù)載力矩有關(guān)。實(shí)際選擇供電電壓5V，通過(guò)計(jì)算負(fù)載力矩設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速為1o/sec。
精密減速箱型號(hào)為22/2，減速比為173861，即電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)17386周，減速箱的輸出轉(zhuǎn)動(dòng)1周。
3、進(jìn)樣單元包括進(jìn)樣泵，進(jìn)樣管道，樣品池416三部分，均可采用常規(guī)技術(shù)手段實(shí)現(xiàn)。
進(jìn)樣泵的實(shí)施例采用微量注射泵，進(jìn)樣管道為極細(xì)的透明塑料管，樣品池材料為聚四氟乙烯，樣品池容積只有50μl，頂端有進(jìn)樣口和出樣口與管道相連。
二、本發(fā)明的控制電路主要包括電機(jī)控制電路和信號(hào)采集電路。
電機(jī)控制電路控制電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)，本實(shí)施例分為電機(jī)已復(fù)位信號(hào)發(fā)生電路如圖6所示，電機(jī)復(fù)位控制電路如圖7所示，電路復(fù)位及預(yù)熱脈沖發(fā)生電路如圖8所示，電機(jī)通斷電控制電路圖8所示和SIEMENS公司的LOGO！通用邏輯控制模塊如圖9所示。信號(hào)采集電路主要是一個(gè)運(yùn)算放大電路如圖10所示。
1、電機(jī)控制電路臨床檢測(cè)用SPR生物傳感器的控制是通過(guò)計(jì)算機(jī)進(jìn)行的，控制電路實(shí)際是計(jì)算機(jī)和主機(jī)之間的接口。計(jì)算機(jī)發(fā)出的控制信號(hào)通過(guò)電路對(duì)電機(jī)進(jìn)行各種操作。另外，電路還包括一始狀態(tài)D觸發(fā)器輸出低電平，第一個(gè)脈沖使輸出翻轉(zhuǎn)成高電平，指示電機(jī)應(yīng)處于通電狀態(tài)，再來(lái)脈沖使輸出翻回低電平，指示電機(jī)停止。另有一路電平信號(hào)指示電機(jī)是正轉(zhuǎn)還是反轉(zhuǎn)。
使用D觸發(fā)器的清零(復(fù)位)功能，還可方便地實(shí)現(xiàn)電路復(fù)位，在電路出現(xiàn)問(wèn)題時(shí)可隨時(shí)手動(dòng)將電路復(fù)位到初始狀態(tài)。
對(duì)電機(jī)的操作即控制其正轉(zhuǎn)或反轉(zhuǎn)，對(duì)于單個(gè)直流電機(jī)，就是控制給它正向供電還是反向供電。本發(fā)明中采用有光電隔離繼電器的可編程邏輯控制器(Programmable Logic Controller，PLC)，以增強(qiáng)抗干擾能力。
本實(shí)施例采用SIEMENS公司的LOGO！系列通用邏輯控制模塊，這種邏輯控制模塊與通常的PLC相比，完成開關(guān)量的控制非常方便，而且功能齊全(計(jì)時(shí)器，計(jì)數(shù)器等)；有操作按鈕和顯示面板，模塊化的編程方式使參數(shù)改變簡(jiǎn)單靈活，無(wú)須懂得梯形圖(PLC的編程方法)；集成程度高，體積僅為72×90×55mm3，價(jià)格低，特別適合于小型機(jī)器如閥門、電機(jī)的控制。其型號(hào)為L(zhǎng)OGO！24R，24V直流供電，6位數(shù)字量輸入和4位繼電器輸出?？赏ㄟ^(guò)一個(gè)或多個(gè)數(shù)字輸入量的邏輯組合(與或非、延時(shí)等)控制輸出繼電器開關(guān)的通斷。
選用LOGO！后，控制電路的設(shè)計(jì)大大得到簡(jiǎn)化，只需將計(jì)算機(jī)的控制信號(hào)(包括計(jì)算機(jī)輸出的電機(jī)通、斷電信號(hào)，復(fù)位信號(hào)，指示電機(jī)正轉(zhuǎn)還是反轉(zhuǎn)的電平信號(hào)，光電開關(guān)的電機(jī)復(fù)位信號(hào)等)經(jīng)過(guò)適當(dāng)處理，就可輸入LOGO！中，由它來(lái)控制了。所謂適當(dāng)處理，包括利用D觸發(fā)器將脈沖轉(zhuǎn)化為電平，經(jīng)過(guò)跟隨器以增加帶負(fù)載能力，電阻分壓進(jìn)行電平匹配等。
控制電路的各電路單元分別說(shuō)明如下電機(jī)已復(fù)位信號(hào)發(fā)生電路如圖6所示復(fù)位信號(hào)是確定電機(jī)到達(dá)復(fù)位或初始位置的控制信號(hào)。電路中采用一個(gè)光耦，即發(fā)光二極管B2和光控三極管T。平時(shí)電機(jī)不在初始位置時(shí)，B2的光照射到T上使T導(dǎo)通，X點(diǎn)為低電平，輸出給LOGO！和PC的復(fù)位信號(hào)為低電平。當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)到起始位置時(shí)，固定在搖臂上的一個(gè)擋板將光耦的光擋住，三極管T截止，這時(shí)給出的復(fù)位信號(hào)為高電平，指示電機(jī)已復(fù)位。用兩種復(fù)位電壓信號(hào)分別給LOGO！和PC是因?yàn)閮烧呓邮盏臄?shù)字信號(hào)的電平不同。PC是一般的TTL電平，5V是高電平，LOGO！則認(rèn)為15V到24V的電壓為高電平，這部分電路采用24V供電也正是為了給LOGO！提供足夠高的電平信號(hào)。后加的運(yùn)放目的是增加帶負(fù)載的能力。
電機(jī)復(fù)位控制電路如圖7所示這部分電路是將PC發(fā)出的電機(jī)復(fù)位信號(hào)由脈沖轉(zhuǎn)換為電平提供。計(jì)算機(jī)發(fā)出的復(fù)位脈沖由A2輸入給一個(gè)比較器，從TTL電平轉(zhuǎn)換為18V CMOS電平，經(jīng)過(guò)一個(gè)跟隨器后，再通過(guò)一個(gè)或門進(jìn)入D觸發(fā)器進(jìn)行轉(zhuǎn)換?；蜷T的另一個(gè)輸入是R25和R13組成的分壓電路，用于手動(dòng)復(fù)位功能，按動(dòng)開關(guān)K1產(chǎn)生手動(dòng)復(fù)位脈沖輸出給或門，不管是計(jì)算機(jī)發(fā)出的復(fù)位脈沖還是手動(dòng)發(fā)出的脈沖，都可經(jīng)過(guò)或門輸出給D觸發(fā)器。D觸發(fā)器的置位端S接地，即不進(jìn)行置位，復(fù)位端R接或門的輸出，當(dāng)電機(jī)復(fù)位后，就將D觸發(fā)器清零恢復(fù)初始狀態(tài)。
電路復(fù)位及預(yù)熱脈沖發(fā)生電路如圖8所示是一個(gè)給整個(gè)電路復(fù)位的脈沖發(fā)生電路。當(dāng)電路加電時(shí)，電容C1開始充電，并輸入連接成比較器的兩個(gè)運(yùn)放，由于兩個(gè)比較器的比較電壓不同，連法不同，則輸出在不同時(shí)間產(chǎn)生不同方向的跳變(一個(gè)由高到低，一個(gè)由低到高)，經(jīng)過(guò)一個(gè)或門后輸出一個(gè)負(fù)向的脈沖，再經(jīng)另一個(gè)比較器后反相成為一個(gè)正向脈沖。這個(gè)脈沖用來(lái)清除D觸發(fā)器使電路復(fù)位。由于電路一加電時(shí)就會(huì)產(chǎn)生這個(gè)脈沖，所以也用這個(gè)脈沖來(lái)作為預(yù)熱的信號(hào)，因?yàn)榧す馄餍枰A(yù)熱一段時(shí)間才能穩(wěn)定工作。把這個(gè)脈沖輸給LOGO！，由它來(lái)進(jìn)行預(yù)熱的延時(shí)控制，延時(shí)的時(shí)間可以方便的在LOGO！上進(jìn)行設(shè)置。
在延時(shí)期間為了避免電路工作，LOGO！利用這個(gè)脈沖控制圖9中的開關(guān)K3，使其斷開，這樣計(jì)算機(jī)發(fā)出的電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)信號(hào)就不能到達(dá)D觸發(fā)器。只有當(dāng)預(yù)熱結(jié)束時(shí)，LOGO！控制開關(guān)K3閉合，電路才能正常工作。不過(guò)在這期間，電機(jī)的復(fù)位操作還是可以進(jìn)行的。
圖8中的開關(guān)K2是手動(dòng)的電路復(fù)位及預(yù)熱按鈕。當(dāng)按下K2時(shí)，C1通過(guò)一個(gè)小電阻快速放電，當(dāng)松開按鈕以后，所發(fā)生的情況就如同電路剛加電時(shí)一樣。這個(gè)按鈕可以在電路工作不正常時(shí)將電路復(fù)位到初始狀態(tài)，但是還要等一段預(yù)熱的時(shí)間才能開始工作。
當(dāng)計(jì)算機(jī)發(fā)出電機(jī)轉(zhuǎn)或停(由發(fā)送的順序區(qū)別)的脈沖時(shí)，就通過(guò)這個(gè)電路來(lái)將信號(hào)傳遞給LOGO！，由LOGO！根據(jù)邏輯關(guān)系控制繼電器的開關(guān)。這部分電路與電機(jī)復(fù)位的控制電路(圖7)很相似，主要功能一是完成從脈沖信號(hào)向電平的轉(zhuǎn)換，二是將信號(hào)由TTL電平轉(zhuǎn)換為CMOS電平，以與LOGO！的電平相匹配。
電機(jī)通斷電控制電路如圖9所示圖中開關(guān)K3的作用前面提到過(guò)，它在電路預(yù)熱期間防止誤發(fā)信號(hào)導(dǎo)致電機(jī)動(dòng)作。這個(gè)開關(guān)不象K1和K2是面板上的按鈕，它是LOGO！的一路繼電器輸出，因?yàn)轭A(yù)熱的時(shí)間控制是由LOGO！來(lái)完成的。30k的電阻是后加的，如果沒有，在預(yù)熱期間K3是斷開的，D觸發(fā)器的時(shí)鐘輸入端CP就處于懸空狀態(tài)，這就會(huì)引起錯(cuò)誤的輸出；加上電阻使CP在預(yù)熱時(shí)一直處于低電平，不會(huì)發(fā)生錯(cuò)誤翻轉(zhuǎn)，預(yù)熱過(guò)后就可以由運(yùn)放的輸出來(lái)決定電平高低了。
以上控制電路的幾部分是電路的主體，主要用于計(jì)算機(jī)控制信號(hào)的轉(zhuǎn)換以及一些手動(dòng)操作的功能。前面說(shuō)過(guò)，儀器中有不少地方需要直流供電，電路板的其余部分就是一些直流穩(wěn)壓電源。其中包括給LOGO！供電的+24V電源，給各種CMOS芯片供電的+18V電源以及給激光器和電機(jī)供電的±5V電源。這些電源都使用78，79系列的集成穩(wěn)壓塊，且加適當(dāng)?shù)纳崞苑乐惯^(guò)熱。其中7824給LOGO！供電，由于LOGO！的工作電流比較大，消耗功率比較高，所以7824的散熱片要做得更大一些。這里有一點(diǎn)要提及，給電機(jī)供電之所以要做±5V兩個(gè)電源，是因?yàn)長(zhǎng)OGO！24R的繼電器輸出不夠用了。用單電源給電機(jī)供電還能讓電壓換向，至少要用4個(gè)單獨(dú)的開關(guān)。不過(guò)LOGO！的新型號(hào)增加了輸入輸出端的個(gè)數(shù)，價(jià)格也不貴很多。
在改用直流電機(jī)后，又附加了一些器件以適應(yīng)直流的要求。直流電機(jī)要求計(jì)算機(jī)有一路信號(hào)指示電機(jī)是正轉(zhuǎn)還是反轉(zhuǎn)，這個(gè)信號(hào)也要經(jīng)過(guò)一個(gè)比較器轉(zhuǎn)換電平后再輸給LOGO?。浑姍C(jī)編碼器的輸出信號(hào)要經(jīng)過(guò)74LS14整形后才能輸給計(jì)算機(jī)；光電池的電壓信號(hào)也要經(jīng)過(guò)一個(gè)運(yùn)放放大后才能輸入到A/D板去，這三個(gè)片子電路板上最初是沒有的。調(diào)試電路時(shí)，還增加了一些小電容濾波，抑制毛刺干擾，不過(guò)這與直流無(wú)關(guān)。
LOGO連線如圖10所示在各種信號(hào)經(jīng)過(guò)電平轉(zhuǎn)換輸入到LOGO！后，邏輯控制的問(wèn)題就交由它來(lái)處理。圖中顯示了LOGO！24R的各個(gè)輸入輸出引線。其中L接+24V直流，供給LOGO！工作電壓，N是地。I1～I(xiàn)6是6個(gè)數(shù)字輸入端，輸入小于5V時(shí)認(rèn)為是0，高于15V認(rèn)為是1。其中I1～I(xiàn)4所對(duì)應(yīng)的D1～D4就是前面電路中所標(biāo)的四個(gè)信號(hào)。I5作為進(jìn)樣器的控制，I6是指示電機(jī)正轉(zhuǎn)還是反轉(zhuǎn)的控制信號(hào)。Q1～Q4是四個(gè)繼電器開關(guān)輸出，通過(guò)I1～I(xiàn)6的邏輯關(guān)系控制這四路開關(guān)的狀態(tài)。其中Q2串聯(lián)在進(jìn)樣器上用作它的控制，Q3在預(yù)熱時(shí)用于禁止電路動(dòng)作。當(dāng)加電或按動(dòng)手動(dòng)電路復(fù)位按鈕時(shí)，I4有一個(gè)脈沖輸入，LOGO！接收到這個(gè)脈沖后，延遲一段時(shí)間(預(yù)熱期)再將Q3接通，使電路能夠工作。Q1和Q4用作對(duì)電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)控制，同時(shí)只能有一路接通，分別給電機(jī)提供+5V和-5V直流電，電機(jī)正轉(zhuǎn)或反轉(zhuǎn)。當(dāng)有電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)信號(hào)I3＝1(電機(jī)轉(zhuǎn))和方向信號(hào)I6＝1(正轉(zhuǎn))時(shí)，Q1閉合，Q4斷開，提供+5V電壓，電機(jī)正向轉(zhuǎn)動(dòng)；當(dāng)I3＝1且I6＝0(反轉(zhuǎn))或者有使電機(jī)復(fù)位的信號(hào)I2時(shí)，Q1斷開，Q4閉合，提供-5V電壓，電機(jī)反轉(zhuǎn)。
為了防止Q1和FQ4同時(shí)閉合使電源短路，要求程序在進(jìn)行換向控制時(shí)，先斷開當(dāng)前閉合的開關(guān)，讓兩個(gè)開關(guān)都處于斷開狀態(tài)，使電機(jī)停轉(zhuǎn)(這個(gè)時(shí)間要求足夠長(zhǎng)，以便電機(jī)能停下來(lái)，使慣性充分體現(xiàn)，這樣程序中的修正才會(huì)準(zhǔn)確)，然后再閉合另一個(gè)開關(guān)，使電機(jī)換向。為確保不發(fā)生短路，在Q4閉合的邏輯關(guān)系中，加入了Q1的反這一項(xiàng)，使Q1和Q4不能同時(shí)為1。
以上介紹了控制電路的設(shè)計(jì)，包括各部分電路和LOGO！的作用。通過(guò)電路可以控制SPR儀的動(dòng)作，完成測(cè)量SPR譜的整個(gè)過(guò)程。
2、信號(hào)采集與放大電路信號(hào)的發(fā)送和數(shù)據(jù)的采集都要依靠計(jì)算機(jī)進(jìn)行控制，本實(shí)施例硬件上使用一塊A/D板來(lái)實(shí)現(xiàn)，如圖11所示。
由中國(guó)大恒公司生產(chǎn)的AC1057型50kHZ多功能12位A/D板適用于IBM PC及兼容機(jī)；具有16路單端輸入，可設(shè)置成單極性的0～10V輸入或雙極性的-5V～+5V輸入；輸入開關(guān)選擇放大器，可對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行G＝1，2，10倍的增益；轉(zhuǎn)換精度可達(dá)千分之一(G＝1，2)或千分之二(G＝10)；自帶8255芯片能進(jìn)行24路可編程數(shù)字I/O，可方便地構(gòu)成廉價(jià)模擬信號(hào)采樣系統(tǒng)。
光電池的電壓信號(hào)經(jīng)放大后由A/D采樣讀入，電機(jī)的控制信號(hào)(正反轉(zhuǎn)，停止，復(fù)位)由8255端口輸出控制電路，電機(jī)編碼器的輸出脈沖及電機(jī)回到初始狀態(tài)的復(fù)位信號(hào)也由8255的端口讀入計(jì)算機(jī)。
三、計(jì)算機(jī)計(jì)算機(jī)分硬件和軟件兩部分。本實(shí)施例硬件包括IBM PC兼容機(jī)和AC1057型50Khz多功能12位A/D板(中國(guó)大恒公司)。軟件用Visual Basic語(yǔ)言編寫。
應(yīng)用光度型SPR生物傳感器檢測(cè)時(shí)，計(jì)算機(jī)發(fā)出的信號(hào)通過(guò)電機(jī)控制電路使電機(jī)停留在恰當(dāng)?shù)奈恢茫す馊肷浣窃跍y(cè)量過(guò)程中保持不變。激光束經(jīng)敏感芯片反射后由固定在棱鏡另一側(cè)的光電池接收，光強(qiáng)信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)輸出，通過(guò)放大電路放大，經(jīng)A/D板轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，最后輸入計(jì)算機(jī)進(jìn)行處理。
軟件所控制的SPR生物傳感器的具體分為兩步1.定位激光器。由于不同敏感芯片之間存在一定的差異，每次測(cè)量時(shí)使反射光強(qiáng)變化最大的θ0都有所不同。為了得到最佳測(cè)量效果，每次測(cè)量前都要與敏感芯片相適應(yīng)的θ0。如果把θSPR對(duì)應(yīng)的反射光強(qiáng)認(rèn)為是零，SPR曲線峰谷差為ΔA0；則5％ΔA0反射光強(qiáng)對(duì)應(yīng)的入射角小于θSPR為θ0。執(zhí)行軟件菜單中“掃描”命令，電機(jī)逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)復(fù)位，當(dāng)激光器搖臂與光電開關(guān)K相碰時(shí)，電機(jī)停止復(fù)位，此位置即是掃描起始點(diǎn)。稍后電機(jī)順時(shí)針?lè)较蛐D(zhuǎn)，掃描開始。掃描結(jié)果得到反射光隨時(shí)間變化曲線，即通常的SPR掃描曲線圖12，由曲線可以計(jì)算得到θ0。掃描規(guī)定角度后電機(jī)反轉(zhuǎn)回到掃描起始點(diǎn)，然后電機(jī)順時(shí)針?lè)较蛐D(zhuǎn)使入射角至θ0。電機(jī)先反轉(zhuǎn)至其始位置，可以最大限度減少電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)慣性帶來(lái)的誤差。
2.測(cè)量。執(zhí)行菜單中的“測(cè)量”命令，可以得到規(guī)定時(shí)間范圍內(nèi)的反射光強(qiáng)變化。在此時(shí)間范圍內(nèi)，先加入緩沖液得到基線的位置，然后加入待測(cè)樣品，由光強(qiáng)變化大小確定樣品濃度。
采用本實(shí)施例進(jìn)行的生物大分子與敏感膜相互作用實(shí)驗(yàn)，其中敏感膜選用普通金膜，待測(cè)樣品選用小牛血清白蛋白BSA，掃描和測(cè)量結(jié)果分別如圖12和圖13所示。圖12中符號(hào)“+”對(duì)應(yīng)入射角度為θ0，圖13中箭頭所指位置代表加入BSA，其前面一段為基線。反射光強(qiáng)在BSA加入后有一個(gè)明顯上升，說(shuō)明儀器對(duì)于生物大分子與敏感膜相互作用引起敏感膜表面折射率變化有較高的測(cè)量靈敏度。
權(quán)利要求
1.一種光度型表面等離激元共振生物傳感器，包括主機(jī)，控制電路和計(jì)算機(jī)三部分組成，其特征在于，所說(shuō)的主機(jī)包括由棱鏡，緊貼在棱鏡底側(cè)的敏感膜敏感芯片，置于該棱鏡一側(cè)的半導(dǎo)體激光器，緊貼在棱鏡另一側(cè)的光電池組成的光學(xué)單元；由進(jìn)樣泵，進(jìn)樣管道，樣品池組成的進(jìn)樣單元及由固定該棱鏡、敏感膜敏感芯片、光電池和樣品池的機(jī)身，固定該激光器的搖臂和驅(qū)動(dòng)該搖臂的直流電機(jī)構(gòu)成的機(jī)械單元；所說(shuō)的控制電路由與該電機(jī)和計(jì)算機(jī)相連的控制電機(jī)工作的電機(jī)控制電路和與該光電池和計(jì)算機(jī)相連的信號(hào)采集電路；所說(shuō)的計(jì)算機(jī)儲(chǔ)存有對(duì)電機(jī)進(jìn)行控制和對(duì)光電信號(hào)進(jìn)行處理的軟件程序。
全文摘要
本發(fā)明屬于生物技術(shù)領(lǐng)域,包括主機(jī),控制電路和計(jì)算機(jī)三部分組成,主機(jī)包括由棱鏡,敏感膜敏感芯片,半導(dǎo)體激光器組成的光學(xué)單元;由進(jìn)樣泵,進(jìn)樣管道,樣品池組成的進(jìn)樣單元及由機(jī)身,搖臂和直流電機(jī)構(gòu)成的機(jī)械單元;控制電路由電機(jī)控制電路和信號(hào)采集電路組成;所說(shuō)的計(jì)算機(jī)儲(chǔ)存有對(duì)電機(jī)進(jìn)行控制和對(duì)光電信號(hào)進(jìn)行處理的軟件程序。本發(fā)明具有體積小,重量輕,使用方便,便于攜帶等優(yōu)點(diǎn),非常便于SPR檢測(cè)技術(shù)在臨床上推廣使用。
文檔編號(hào)G01N33/50GK1278062SQ0010943
公開日2000年12月27日 申請(qǐng)日期2000年6月23日 優(yōu)先權(quán)日2000年6月23日
發(fā)明者隋森芳 申請(qǐng)人:清華大學(xué), 山東濱州東力電氣集團(tuán)總公司