用基于納米結構的光譜檢測法分析化學物和生化物的方法
【專利摘要】一種集成的免疫層析系統(tǒng)，包括一色譜層析單元，用于接收包含納米顆粒和吸附在納米顆粒上的抗體的標記納米結構探針，及一檢測膜，包含包被抗原。色譜層析單元使標記納米結構探針擴散穿過并進入檢測膜，其中納米顆粒上的抗體結合到包被抗原上。激光裝置發(fā)射激光以照射標記納米結構探針，該標記納米結構探針具有結合到檢測膜的包被抗原上的抗體。光譜分析儀獲得來自標記納米結構探針的散射光的拉曼光譜，所述標記納米結構探針具有結合到檢測膜的包被抗原上的抗體，并識別與抗體-抗原對相關聯(lián)的拉曼光譜中的光譜信號，從而檢測及識別抗體。
【專利說明】用基于納米結構的光譜檢測法分析化學物和生化物的方法
[0001]本申請是共同轉讓的未決美國專利申請US13/442，835的延續(xù)申請并要求其優(yōu)先權，美國US13/442，835號專利申請的名稱是“用基于納米結構的光譜檢測法確保食品安全”，申請日是2012年4月9日。美國US13/442，835號專利申請要求美國臨時申請US61/507, 592的優(yōu)先權，美國US13/442，835號專利申請的名稱是“用基于納米結構的光譜檢測法分析化學物和生化物”，申請日是2011年7月13日。在此公開這些相關專利申請是以引用的方式將其并入本申請。
【技術領域】
[0002]本發(fā)明涉及物質檢測領域，尤其涉及一種利用光散射探頭和化學檢測器檢測化學物質、生化物質、放射性物質及其他物質的方法。
【背景技術】
[0003]光散射技術例如拉曼光譜法能夠檢測化學物質和生化物質。應用拉曼光譜法的一個主要限制是，從化學物質和生化物質獲得的拉曼散射信號非常弱。盡管人們在增強拉曼散射強度方面做了許多努力，但仍沒有產(chǎn)生基于拉曼光譜法的實用且經(jīng)濟的檢測器。因此，迄今為止拉曼散射法檢測化學物質和生化物質方面的應用還非常有限。
[0004]所以，有必要提供一種有效和實用的基于拉曼光譜法的檢測器以檢測和探測微痕量化學物質、生化物質、放射性物質及其他物質。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本申請公開了一種具有超高靈敏度的檢測和探測化學物質或生化物質的拉曼光譜檢測(或探測)系統(tǒng)和方法。本發(fā)明公開的拉曼光譜檢測系統(tǒng)和方法可檢測或探測到的生化物質或化學物質濃度水平比常規(guī)的檢測技術要低幾個數(shù)量級。生化物質和化學物質包括抗原、抗體和廣泛的小分子及金屬元素。特別是，當應用到生化免疫測定時，檢測靈敏度和特異性能夠明顯提高。
[0006]一方面，本發(fā)明涉及一種集成的免疫層析系統(tǒng)，包括一色譜層析單元，能夠接收標記納米結構探針，該標記納米結構探針包含納米顆粒，吸附在納米顆粒上的抗體以及含有包被抗原的檢測膜，其中色譜層析單元允許標記納米結構探針擴散穿過并進入檢測膜，其中納米顆粒上的抗體被結合到包被抗原上。集成的免疫層析系統(tǒng)還包括一激光裝置，能夠發(fā)射激光以照射標記納米結構探針，該標記納米結構探針具有結合在檢測膜上的包被抗原上的抗體，及一光譜分析儀，能夠獲得來自標記納米結構探針的散射光的拉曼光譜，該標記納米結構探針具有結合在檢測膜上的包被抗原上的抗體，并識別與抗體-抗原對相關聯(lián)的拉曼光譜中的光譜信號，從而實現(xiàn)抗體的檢測和識別。
[0007]上述系統(tǒng)的實施可包括以下的一個或多個。色譜層析單元能夠接收競爭性抗原并允許競爭性抗原擴散穿過并進入檢測膜，其中競爭性抗原與包被抗原競爭以結合到納米顆粒表面的抗體上。標記納米結構探針可包括結合在納米顆?；蚩贵w上的光譜標記?？乖砂ǖ幌抻诳藗愄亓_(CIenbuteroI)、硝基呋喃(nitrofurans )、有機磷(organic phosphorus)、有機氯(organochlorine)、正對苯二酸鹽(pro terephthalate)、殺蟲劑(a pesticide)、滅鼠劑(a rodenticide)或獸藥(a veterinary drug)?？乖砂ㄈ矍璋?melamine)、甜蜜素(sodium cyclamate)、環(huán)己基氨基磺酸鈉(sodiumcyclohexylsulfamate)、鹿糖(cane sugar)、淀粉(starch)、蘇丹 1、I1、III 和 IV (SudanI, II, III and IV)、孔雀石綠(malachite green)、甲胺磷(methomidophos)、乙酰甲胺磷(acephate)、DDT (二氯二苯三氯乙燒)、DDV (敵敵畏)、馬拉硫磷(malathion)、殺螟硫磷(fenitrothion)、溴氰菊酯(deltamethrin)、氯氰菊酯(cypermethrin)、甲基對硫磷(methyl parathion)、亞胺硫憐(phosmet)、樂果(dimethoate)、硝基呋喃(nitrofuran)、呋喃唑酮(furanzolidole)、氯霉素(chloramphenicol)、氯四環(huán)素(chlortetracycline)、環(huán)丙沙星(ciprofloxacin)、克倫特羅或恩諾沙星(enorfloxacin)。納米顆粒的平均直徑在IO-1OOnm范圍內(nèi)。納米顆?？砂牟牧线x自金屬、金屬合金、氧化物、硅、復合物材料、磁性或鐵磁性材料及它們的組合，或者選自Al、Ag、Au、Cu、Fe、Co、N1、Cr、Zn、Sn、Pd、Pt以及它們的組合。包被抗原可包括克倫特羅，其中克倫特羅被結合到雞卵白蛋白(OVA)分子上，形成OVA-克倫特羅復合體，該OVA-克倫特羅復合體結合到檢測膜上。
[0008]另一方面，本發(fā)明涉及一種物質識別方法。該方法包括使抗體吸附到納米表面結構上，引入未知抗原到納米表面結構，以使未知抗原與納米表面結構上的抗體相結合，利用激光束照射納米表面結構上相結合的未知抗原和抗體，采集納米表面結構上相結合的未知抗原和抗體的散射光，獲得來自納米表面結構上相結合的未知抗原和抗體散射光的拉曼光譜，尋找拉曼光譜中與相結合的未知抗原和抗體相關聯(lián)的光譜信號，并根據(jù)拉曼信號識別與納米表面結構上的抗體相配對的未知抗原。
[0009]上述系統(tǒng)的實施可包括以下的一個或多個。抗原可選自克倫特羅、硝基呋喃、有機磷、有機氯、正對苯二酸鹽、殺蟲劑、滅鼠劑、獸藥中的物質(a substance in a veterinarydrug)、砷化合物(an arsenic compound)和氰化物(a cyanide)?？乖€可選自三聚氰胺、甜蜜素、環(huán)己基氨基磺酸鈉、蔗糖、淀粉、蘇丹1、I1、III和IV、孔雀石綠、甲胺磷、乙酰甲胺磷、DDT、DDV、馬拉硫磷、殺螟硫磷、溴氰菊酯、氯氰菊酯、甲基對硫磷、亞胺硫磷、樂果、硝基呋喃、呋喃唑酮、氯霉素、氯四環(huán)素、環(huán)丙沙星、氨哮素或恩諾沙星。該方法進一步包括基于與疾病相關的未知抗原的識別診斷人體疾病。反應物可包括從人體獲得的體液。疾病可包括但不限于癌癥、哮喘、敏感癥、肝硬化、腎衰、白血病、阿爾茨海默氏病、帕金森氏病、糖尿病、煙癮癥、關節(jié)炎、心血管病、嚴重急性呼吸綜合征(SARS)、流感和艾滋病(HIV)。未知抗原可包括違禁藥物，包括但不限于海洛因(heroin)、脫氧麻黃堿(methamphetamine)、古柯堿(cocaine)、咖啡因(caffeine)、嗎B非(morphine)、可待因(codeine)、安非他明(amphetamine)、麻黃素(ephedrine)、罌.粟喊(papaverine)、那可汀(narcotine)、克他命(Ketamine)和搖頭丸(MDMA)。未知抗原可包括蛋白載體和結合到蛋白載體上的未知物質分子，其中蛋白載體的識別致使未知物質的識別。未知物質可包括克他命或氟乙酰胺(fIuoroacetamide)。未知抗原可從食品中提取。
[0010]該方法進一步包括在采集納米表面結構的散射光時，施加電場、磁場或電磁場到納米表面結構。納米結構表面可包括平均直徑在1-1OOOnm范圍內(nèi)的納米顆粒。納米顆粒包含的材料選自金屬、金屬合金、氧化物、硅、復合物材料、磁性或鐵磁性材料及它們的組合，或選自Al、Ag、Au、Cu、Fe、Co、N1、Cr、Zn、Sn、Pd、Pt以及它們的組合。納米表面結構可在基底上形成。納米表面結構包括在基底上表面形成的突起或立柱，其中相鄰的突起或立柱平均直徑在IO-1OOOnm之間。納米表面結構可包括在基底上表面形成的凹陷或孔隙。相鄰凹陷或孔隙的平均直徑在IO-1OOOnm之間。
[0011]另一方面，本發(fā)明涉及一種物質識別方法。該方法包括將預處理的化學物質或生化物質施加到納米表面結構；引入包含未知物質的反應物到納米表面結構，使未知物質的分子在預處理的化學物質或生化物質的協(xié)助下吸附到納米表面結構；利用激光束照射吸附有未知物質的分子的納米表面結構；采集由吸附有未知物質的分子的納米表面結構的散射光；從吸附有未知物質的分子的納米表面結構的散射光獲得拉曼光譜；尋找拉曼光譜中與未知物質相關聯(lián)的光譜信號；以及利用光譜信號識別反應物中的未知物質。
[0012]上述系統(tǒng)的實施可包括以下的一個或多個?？乖砂ǖ鞍纵d體和結合在蛋白載體上的未知物質的分子。該方法進一步包括根據(jù)光譜信號識別蛋白載體，其中未知物質的識別是根據(jù)蛋白載體的識別進行的。未知物質可包括克他命或氟乙酰胺。預處理的化學物質或生化物質可包括可以吸附到納米表面結構表面上的抗體，其中未知物質是與抗體相匹配的抗原，其中拉曼信號與吸附到納米表面結構上的抗原一抗體對相關聯(lián)。預處理的化學物質或生化物質可包括能夠吸附到納米表面結構表面上的抗原，其中未知物質是與抗原相匹配的抗體，其中光譜信號與吸附到納米表面結構上的抗原一抗體對相關聯(lián)。納米表面結構可包括平均直徑在1-1OOOnm范圍內(nèi)的納米顆粒，或在基底上形成的納米結構。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0013]下列附圖作為說明書的一部分，圖解本發(fā)明的實施例，同
【發(fā)明內(nèi)容】
一起用來闡明本發(fā)明的原理。
[0014]圖1A-1C舉例說明了利用一拉曼散射探頭檢測化學物質和生化物質的系統(tǒng)。
[0015]圖2是適用于圖1A-1C的拉曼散射探頭的一示例探頭的示意圖。
[0016]圖3A和3B分別是在機場使用拉曼探頭對乘客和行李進行檢查的示意圖。
[0017]圖4A是用于建筑物安全監(jiān)控的拉曼散射探頭有線連接網(wǎng)絡的示意圖。
[0018]圖4B是用于建筑物安全監(jiān)控的拉曼散射探頭無線連接網(wǎng)絡的示意圖。
[0019]圖4C是能與控制中心進行無線通信的探頭組件的一示例結構圖。
[0020]圖4D是識別危險物質源的時間和位置的一示例流程圖。
[0021]圖5是使用拉曼散射探頭進行環(huán)境監(jiān)測的示意圖。
[0022]圖6A是使用拉曼探頭檢查食品安全的示意圖。
[0023]圖6B是使用拉曼散射探頭進行遠程疾病診斷和生物醫(yī)學檢測的系統(tǒng)的示意圖。
[0024]圖6C是在一個多通道檢測系統(tǒng)中使用多個拉曼散射探頭進行生產(chǎn)質量控制的示意圖。
[0025]圖6D是在一個多通道檢測系統(tǒng)中使用多個拉曼散射探頭進行假冒商品檢測、食品和飲料的安全和質量檢查及藥物鑒定的示意圖。
[0026]圖7是根據(jù)本發(fā)明的一個實施例利用含有納米顆粒的溶液和光散射探頭檢測痕量化學物或生化物物質的示意圖。
[0027]圖8是利用含有納米顆粒的溶液和光散射探頭檢測痕量化學物或生化物物質的流程圖。
[0028]圖9A是使用掃描電子顯微鏡觀察到的納米顆粒的顯微圖像示例。
[0029]圖9B是圖7所示溶液中的納米顆粒的粒徑分布示例圖。
[0030]圖10是用于制造納米結構的多層層狀結構的剖視圖。
[0031]圖1lA是在圖10所示的多層層狀結構中形成孔隙的剖視圖。
[0032]圖1lB為圖1lA所示的多層層狀結構的頂視圖。
[0033]圖1lC是圖1lB所示多層層狀結構沿A-A線的剖視圖。
[0034]圖12是經(jīng)濕法化學腐蝕或化學機械拋光后在多層層狀結構上形成的納米結構的首1J視圖。
[0035]圖13是去除孔隙底部的阻擋層并刻蝕至導電層后在多層層狀結構上形成的納米結構的剖視圖。
[0036]圖14A是沉積貴金屬后在多層層狀結構上形成的納米結構的剖視圖。
[0037]圖14B是去除頂層的貴金屬后在多層層狀結構上形成的納米結構的剖視圖。
[0038]圖15是去除氧化層后在多層層狀結構上形成的納米結構的剖視圖。
[0039]圖16A-16D，16G和16H是經(jīng)相應制作工藝后在多層層狀結構上形成的納米結構的首1J視圖。
[0040]圖16E和16F是經(jīng)相應制作工藝后在多層層狀結構上形成的納米結構的頂視圖。
[0041]圖17是通過本發(fā)明公開的拉曼散射探頭在一口腔癌病人的唾液中檢測到口腔癌的拉曼光譜信號的示例圖。
[0042]圖18是通過本發(fā)明公開的拉曼散射探頭在一乳癌病人的唾液中檢測到乳癌的拉曼光譜信號的示例圖。
[0043]圖19A和19B分別是使用本發(fā)明公開的拉曼散射探頭在一肺癌病人的唾液和血清中檢測到肺癌的拉曼光譜信號的示例圖。
[0044]圖20是通過本發(fā)明公開的拉曼散射探頭在一卵巢癌病人的血清中檢測到卵巢癌拉曼光譜信號的示例圖。
[0045]圖21是通過本發(fā)明公開的拉曼散射探頭在一艾滋病病人的唾液中檢測到艾滋病拉曼光譜信號的示例圖。
[0046]圖22是通過本發(fā)明公開的拉曼散射探頭在一違禁藥物使用者唾液中檢測到使用違禁藥物的拉曼光譜信號的示例圖。
[0047]圖23示例說明了通過本發(fā)明公開的拉曼散射探頭，經(jīng)與N-甲-2-5-吡咯烷酮(可梯尼，尼古丁的代謝產(chǎn)物)的拉曼光譜信號作比較，在一吸煙者的唾液中檢測到可確定吸煙狀態(tài)的拉曼光譜信號。
[0048]圖24是使用本發(fā)明公開的拉曼散射探頭進行非侵入式疾病診斷的流程圖。
[0049]圖25是根據(jù)本發(fā)明使用基于納米結構的光譜檢測的免疫測定檢測未知抗原過程的流程圖。
[0050]圖26A示例說明了如圖25所述過程中利用基于納米顆粒的光譜檢測進行免疫測定的樣品的準備。
[0051]圖26B示例說明了如圖25所述過程中來自包含吸附有抗體的納米顆粒的樣品的光譜檢測。[0052]圖26C顯示了如圖25所述過程中包含吸附有抗體的納米顆粒的樣品中待測未知抗原的引入。
[0053]圖26D顯示了如圖25所述過程中未知抗原結合到納米顆粒上所吸附的抗體上的檢測。
[0054]圖27是根據(jù)本發(fā)明使用基于納米結構的光譜檢測的免疫測定法檢測未知抗原的另一過程的流程圖。
[0055]圖28A示例說明了準備用于如圖27所述過程中利用基于納米結構的光譜檢測進行免疫測定的樣品的結構。
[0056]圖28B示例說明了如圖27所述過程中來自包含吸附有抗體的納米結構的樣品的光譜檢測配置。
[0057]圖28C顯示了如圖27所述過程中結合到納米顆粒所吸附的抗體上的未知抗原的檢測。
[0058]圖29顯示了根據(jù)本發(fā)明使用基于納米結構的光譜檢測進行免疫測定的小分子化合物的競爭性測定過程。
[0059]圖30A-31B示例說明了設置用于基于納米結構的光散射物質檢測的集成的免疫層析系統(tǒng)。
[0060]圖32示例說明了圖30A-31B使用的納米結構探針、示例抗原和包被抗原的標記。
[0061]圖33示例說明了適合集成的免疫層析系統(tǒng)的納米結構探針的準備。
[0062]圖34顯示了用于集成的免疫層析系統(tǒng)的納米結構探針的散射光的細節(jié)圖。
[0063]圖35示例說明了使用圖30A-31B所示的集成的免疫層析系統(tǒng)進行的基于納米結構的光散射和物質檢測的實施步驟。
[0064]圖36顯示了作為集成的免疫層析系統(tǒng)中競爭性抗原濃度函數(shù)的拉曼散射強度。
[0065]圖37顯示了集成的免疫層析系統(tǒng)的標準拉曼散射曲線。
[0066]圖38顯示了由集成的免疫層析系統(tǒng)獲得的檢測膜中的檢測線照片。
[0067]圖39示例說明了在不同準備條件下的拉曼散射光譜。
[0068]圖40顯示了由集成的免疫層析系統(tǒng)沿檢測線中間10個不同的點獲得的拉曼散射強度峰的重復性。
[0069]圖41顯示了集成的免疫層析系統(tǒng)的特異性。
【具體實施方式】
[0070]圖1A-1C分別示意了使用表面增強拉曼散射(Surface-Enhanced RamanScattering, SERS,或 Nano-Enhanced Raman Scattering, NERS)檢測或探測微痕量化學物質或生化物質的系統(tǒng)。參見圖1A，一光散射探頭100包括一探頭110和一位于探頭110旁的檢測器105。檢測器105包括一納米表面結構。例如，該納米表面結構可以包括多個納米柱108 (圖1B所示)，多個納米孔隙，溶液中的納米顆粒簇，或其他的納米尺寸的表面結構。在一些實施例中，如下所述，可以通過將含有納米顆粒的膠體懸浮溶液涂在檢測器105的表面來制作納米表面結構。接著溶液可以被蒸發(fā)掉，納米顆粒沉積到表面上。在本發(fā)明的說明書中，術語“納米顆?！敝傅氖侵辽僭谝粋€方向的尺寸小于1，OOOnm的小顆粒。
[0071]在一些實施例中，可以將樣品溶液引到檢測器105的納米柱108上。所述樣品溶液可包括病人或違禁藥物使用者的體液，以診斷疾病和確定藥物使用情況，或是氣相的流體。體液的例子包括但不限于血液、唾液、尿液、血清、淚、汗、胃液、胸腔積水、腹水、腦脊髓液(CSF)、精液和分泌液。樣品溶液還可以包括食品樣品，為確保食品安全檢測食品樣品中有害的或非法的添加物。食品的例子包括但不限于乳制品，例如液態(tài)奶、奶粉、嬰兒配方奶粉、乳酪、酸奶、冰淇淋，和其他含奶食品，例如含奶的糖果、蛋糕和餅干，以及含蛋白質的食品。探頭110和檢測器105可以是裝入一探頭組件120中。探頭組件120可以通過一真空泵減壓來減少雜質對感應面的污染。
[0072]激光器141發(fā)射的激光束經(jīng)光纖125傳導到探頭，照射在檢測器105 (圖1A)的納米表面結構上，如圖1C所示。檢測器105納米表面上的樣品溶液產(chǎn)生的散射光通過探頭110采集，經(jīng)光纖130傳導到光譜儀140。光譜儀140的輸出信號通過光譜分析儀150獲得散射光的拉曼光譜。識別出拉曼光譜中的一個或多個光譜信號，并將其與預定的多種分子的光譜信號作比較。當檢測發(fā)現(xiàn)超出了某分子的閾值，輸出信號160顯示識別到目標分子，例如，食物或水中的有害物質，危險物質(暴炸性或易燃性物質)，或疾病相關分子。在本發(fā)明的說明書中，術語“光譜信號”指的是一個或多個光譜峰，一個或多個光譜谷，及其他的波譜形狀，例如相對峰高、波峰線寬度、峰形等等，它們表征了生化、醫(yī)藥或化學物質中的一個或多個分子鍵。
[0073]在一些實施例中，檢測器105可包括檢測器上不同的納米結構，如在共同轉讓的未決美國專利申請US12/014，800 (已于2011年I月11日授權為美國專利US7，869，044)中所公開的，其名稱是“微陣列結構上的光學檢測系統(tǒng)”，申請日是2008年I月16日，上述申請的內(nèi)容以引用的方式并入本申請。上述光學檢測系統(tǒng)包括一光學檢測器，所述光學檢測器包括一基底，該基底具有上表面和位于基底之上的多個錐形壁，其中至少一個錐形壁是沿縱向排列的，其中多個錐形壁包含相對于上表面呈傾斜角的斜表面，其中斜表面被用來吸附化學樣品分子；一光源用來發(fā)射入射光束以入射到吸附有化學樣品分子的多個錐形壁；以及一采集器用來采集多個錐形壁的散射光以確定化學樣品。
[0074]檢測器105也可包括一具有上表面的基底和基底上的多個錐形壁，其中多個錐形壁包含相對于基底上表面呈傾斜角的斜表面，其中至少兩個相鄰的錐形壁定義一氣隙，該氣隙具有的寬度是與上表面距離的函數(shù)；一光源，被用來發(fā)射入射光束以入射到吸附有化學樣品分子的錐形壁；以及一采集器，用來采集多個錐形壁的散射光以確定化學樣品。
[0075]在一些實施例中，檢測器105可包括多層納米結構，如共同轉讓的未決美國專利申請US11/754，912 (已于2011年2月22日授權為美國專利US7，892，489)中所公開的多層納米柱和多層納米孔，該申請的名稱為“具有多層微結構的光散射裝置”，申請日是2007年5月29日，納米顆粒簇或團，或溶液中的多層納米顆粒，上述申請的內(nèi)容以引用的方式并入本申請。納米表面結構可包括硅基底；位于硅基底上的粘附層；位于粘附層上的偏置層；和位于粘附層上的一個或多個結構層。一個或多個結構層可包括不同的物質構成和穿過兩個或更多的結構層中的至少兩層的多個孔。多個孔的寬度在0.5-1，OOOnm范圍內(nèi)。納米表面結構還可包括一娃基底；一位于娃基底上的粘附層；一位于粘附層上的偏置層；和位于偏置層上的多個柱。多個柱或孔中的至少一個可包括具有不同物質構成及寬度在
0.5-1，OOOnm范圍內(nèi)的兩個或更多的結構層。
[0076]參見圖2，探頭110接收來自輸入光纖125的激光束。該激光束依次通過一個帶通濾波器170、一透鏡組175-1和175-2投射到檢測器105上。從檢測器105出來的散射光經(jīng)一反射鏡組180-1和180-2引導通過另一個帶通濾波器185，進一步經(jīng)準直透鏡190進入收集光纖130。
[0077]被檢測的微痕量化學或生化制劑可以是氣體、液體、固體、溶膠凝膠或氣溶膠的形式。其分子被吸附到檢測器105的納米表面或納米顆粒上。與自由存在于氣體、液體、固體、溶膠凝膠或氣溶膠中的分子相比，這些被吸附在納米表面或納米顆粒上的分子在激光束的照射下具有大得多的散射截面。當用激光束照射這些被吸附的分子時，可以獲得這些分子的拉曼散射光譜。通過這些分子存于系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫的預定的拉曼光譜信號比對可以識別出目標化學或生化制劑。
[0078]圖3A顯示了一個在交通運輸安全領域應用表面增強拉曼散射的例子。對正在通過人行通道的乘客200-1、200-2和200-3進行篩查。一個或多個帶有埋置式檢測器105的探頭組件120被安裝在人行通道210中。探頭組件120可以通過光纖連接附近或遠處辦公室內(nèi)的光譜分析儀150。在探頭組件120中，探頭和檢測器(或探測器)被包裝在一起。探頭指向檢測器105的感應面。人行通道210可以是人工通風的和處于輕微的負壓和/或稍高的溫度下，以增強有害物質的揮發(fā)或輸運。如果一個乘客(例如乘客200-2)攜帶有爆炸物、有害化學物質、化學武器、易燃液體、生化武器、核武器或麻醉藥物，微痕量的這些物質將揮發(fā)或輸運進入空氣中，通過專門設計的樣品采集系統(tǒng)(美國US7，384，792號專利披露了相關的細節(jié))，這些分子被吸附到檢測器的表面。記錄拉曼光譜并將其與中心辦公室數(shù)據(jù)庫中儲存的已知物質的光譜信號做比較。一旦檢測到有害物質就觸發(fā)警報，采取適當?shù)陌踩胧?br> [0079]參見圖3B’貨物215經(jīng)由一傳送帶230運送通過貨物篩查通道220。埋置有檢測器105的探頭組件120置于貨物篩查通道220各處。探頭組件120經(jīng)光纖連接附件或遠處辦公室中的光譜分析儀150。探頭組件120對準檢測器105的表面，并與檢測器105包裝在一起，用于檢測任何裝在貨物215中的爆炸物、化學或生化武器、或有害化學品。這一設施可應用于各種需要檢查乘客行李的場所，例如機場、郵局、鐵路車站、地鐵站、海關檢查站、交通管制區(qū)、輪船或潛艇、飛機、學校、酒店、餐館、購物中心、娛樂中心、建筑物和其他公共場所，等等。用這一設施很容易實施來檢測火藥及其他爆炸物、含有液體易燃易爆物的容器或其他危險物品。
[0080]有線檢測器網(wǎng)絡
[0081]參見圖4A，一檢測(或探測)器網(wǎng)絡系統(tǒng)400應用于公共建筑物的安全監(jiān)測，所述公共建筑物例如機場、鐵路、公交車站、體育場館、政府機關、禮堂、電影院、法院、大型購物中心、其他公共建筑物或公眾聚集場合。多個探頭組件401安裝于公共建筑物415或其它防衛(wèi)區(qū)域的不同位置上。各探頭組件401包括一探頭和一檢測器(圖4A中未分別顯示)。該探頭可以與探頭110 (圖1A)相類似，但還可以包括一激光裝置。該檢測器與圖1B所示的檢測器105—致，包括其表面上的納米表面結構。該檢測器還可以包括一用以接收反應物進行檢測的液體溶液。該溶液可包括吸附反應物分子的納米顆粒。探頭組件401用于監(jiān)測各種不同的物質分子，為進入到監(jiān)控區(qū)域中的任何危險的或有害的化學物提供早期檢測。探頭組件401采集的光信號經(jīng)光纖402多通道輸入到控制辦公室408中的光多路復用器403。光信號經(jīng)光譜儀404分解產(chǎn)生光譜信號，光譜信號再由光譜分析儀405進行分析。處理器407利用預存在數(shù)據(jù)庫406中的光譜信息識別出光譜數(shù)據(jù)中光譜信號。有害物質監(jiān)測的一些特例包括但不限于檢測爆炸物，包括液體炸藥、化學或生化武器(包括炭疽)，可燃液體材料,毒品等。
[0082]無線檢測器網(wǎng)絡
[0083]在一些實施例中，檢測器網(wǎng)絡系統(tǒng)430如圖4B所示。建筑物415包括一入口和多面墻。探頭組件410A - 4101安裝在建筑物415的不同位置上。探頭組件410A — 4101分別與天線411A - 4111連在一起，天線411A — 4111將當?shù)貦z測到的光譜信息發(fā)射到控制中心450。
[0084]如圖4C所示，各探頭組件410A包括一探頭420A和一位于探頭420A鄰近位置處的檢測器430A。檢測器430A可采集周圍環(huán)境中的物質。在一些實施例中，檢測器430A包括一納米結構表面，吸附在周圍環(huán)境中采集到的物質的分子。探頭420A包括一緊湊的激光器421A(例如一半導體激光器)，激光器421A對吸附于檢測器430A的樣品分子照射激光束。探頭420A進一步包括光學信號采集裝置422A，其采集吸附于檢測器430A的樣品分子散射的光信號，這些散射光包含有樣品分子的相關分子信息。檢測器430A與檢測器105(圖1B)一致，其表面上具有一納米結構。吸附于該納米表面結構上的樣品分子散射入射激光。檢測器430A還可以包括一用于接收待測反應物的液體溶液(參見下面的圖7)。該溶液還可以包括用于吸附反應物分子的納米顆粒。
[0085]探頭420A還包括一緊湊的光譜儀440A，探頭420A采集到的散射光經(jīng)光譜儀440A產(chǎn)生一光譜。從光譜儀440A輸出的光譜數(shù)據(jù)傳輸?shù)綗o線通信線路445A。無線通信線路445A可包括一射頻(RF)收發(fā)器，一個或多個放大器和阻抗匹配電路。無線通信線路445A用于將探頭組件410A檢測到的光譜數(shù)據(jù)傳輸給控制中心450 (圖4B)。
[0086]參見圖4B，控制中心450包括一帶有天線455的無線路由器460，用于接收來自天線411A — 4111的無線信號，并從該無線信號產(chǎn)生包含光譜數(shù)據(jù)的電信號?？刂浦行?50可以離信號源(例如，建筑物415)距離較近(例如，幾英里之內(nèi))，讓包含光譜數(shù)據(jù)的無線信號按照一無線通訊協(xié)議來傳送，例如藍牙、WiMax、WiBro、WiF1、WLAN、802.16及其他的無線通訊協(xié)議?？刂浦行?50還可以離信號源較遠，其中包含光譜數(shù)據(jù)的無線信號可以利用無線通訊標準和協(xié)議來傳送，例如全球數(shù)字移動電話系統(tǒng)(GSM)、通用移動電信業(yè)務(UMTS)和碼分多址(CDMA)。GSM可包括GPRS EDGE和CSD。UMTS可包括寬帶碼分多址(WCDMA)、高速分組接入(HSPA)、高速下行鏈路分組接入(HSDPA)、通用移動通信系統(tǒng)時分雙工(UMTS-TDD)和長期演進(LTE)技術。CDMA可包括CDMA2000和超移動寬帶(UMB)。
[0087]控制中心450的光譜分析儀465用于接收來自無線路由器460的包含光譜數(shù)據(jù)的電子信號。通過光譜分析儀465的分析獲得一光譜(例如拉曼光譜)。如下所述，不同的化學物質或生化物質往往具有唯一的光譜信號。這些光譜信號可以利用一已知的化學物質或生化物質，以及一類似于安裝在探頭組件410A - 4101中的檢測器來預先測定。這些光譜信號可以保存在數(shù)據(jù)庫470中。光譜分析儀465可以使用保存在數(shù)據(jù)庫470中的光譜信號作參考識別出光譜數(shù)據(jù)中的光譜信號。處理器475可對位于建筑物415不同位置處的多個探頭組件410A - 4101獲取的物質進行計算和測定。如果從一個或多個探頭組件410A —4101獲得的光譜數(shù)據(jù)中識別出一危險物質，處理器470可立即匯報給警報和響應系統(tǒng)480。所述危險物質例如包括爆炸物和易燃物，毒氣及其他有害化學物品，以及傳染性病毒和細菌。警報和響應系統(tǒng)480用于給無線路由器460發(fā)送預警通知，無線路由器460接著將無線信號傳輸給移動裝置490及其他無線電設備，警告安全及其他負責人員采取適當?shù)捻憫袆?。移動裝置490可包括手提式個人電腦、一個個人數(shù)字助理系統(tǒng)(PDA)、一移動互聯(lián)網(wǎng)設備(MID)、一便攜式電話、一智能手機或一無線服務器或路由器。一個應用的例子就是，遠程監(jiān)控公路上正在經(jīng)過檢查站的車輛，檢查站中的檢測器是電磁防護的從而不會觸發(fā)附近車輛中的任何爆炸性物質。檢查行為可包括無線控制裝有探頭的機械臂以采集車輛中的氣相樣品用于檢測，分析儀可能通過其他有線(如光纖和光纜)或無線方式連接到探頭上。
[0088]在一些實施例中，參見圖4D，探頭組件網(wǎng)絡安裝在建筑物、機場、海關、貨物或行李輸送系統(tǒng)、健康顧問的辦公室、公路檢查站、海港、車輛、船舶、潛水艇、飛機、火車、地鐵、建筑物、工業(yè)場所、度假勝地、大型購物中心、研究實驗室、學?；蛩矗巳壕奂氐鹊葓鏊念A定位置處，如上關于圖3B - 4C所述。各個探頭組件包括一檢測器和檢測器中的探頭，探頭用于發(fā)射一激光束和收集來自待測分子的散射光。檢測器可具有一用于吸附分子的納米結構表面。探頭組件還包括一從散射光產(chǎn)生光譜數(shù)據(jù)(例如拉曼光譜)的光譜儀。檢測器網(wǎng)絡可周期性地從各個檢測器的環(huán)境中俘獲物質(步驟510)。由于檢測器具有納米結構表面，被俘獲的物質分子是被吸附在檢測器的納米結構表面上。接著從吸附于一個或多個檢測器的納米結構表面上的分子獲得光譜數(shù)據(jù)(步驟520)?？蛇x擇的，被檢測的分子可以是由一樣品溶液俘獲，和/或被吸附在懸浮于樣品溶液中的納米顆粒上。如上所述，通過探頭組件中的激光器發(fā)射一激光束照射吸附于檢測器納米結構表面上或樣品溶液中的分子。經(jīng)這些分子散射的光通過探頭組件采集。探頭組件中的光譜儀從散射光獲得光譜數(shù)據(jù)，例如拉曼光譜。檢測器上的納米結構表面對拉曼光譜中的信號強度起到放大增強作用。俘獲物質和獲取相關的光譜數(shù)據(jù)可以周期性地進行，例如間隔I分鐘、10分鐘、15分鐘或幾小時。在一些實施例中，可以響應源于控制中心的命令而產(chǎn)生光譜數(shù)據(jù)。
[0089]光譜數(shù)據(jù)接著從檢測器傳輸控制中心(步驟530)。物質俘獲時間將會同光譜數(shù)據(jù)一起傳輸。光譜數(shù)據(jù)可以通過有線方式(如圖4A所示)或無線通信網(wǎng)絡(如圖4B和4C所示)進行傳輸?？刂浦行目砂ㄒ还庾V分析儀和一儲存預定的已知危險物質的光譜信號的數(shù)據(jù)庫。光譜分析儀用來測定來自檢測器的光譜數(shù)據(jù)中是否存在光譜信號。如果在該光譜數(shù)據(jù)中發(fā)現(xiàn)了一已知危險物質的光譜信號，則識別出該危險物質(步驟540)。
[0090]該危險物質可能被檢測器網(wǎng)絡中的多個檢測器識別出來。該危險物質可能在不同時間被不同的檢測器識別。例如，當乘客200-2走過人行道210 (圖3A)，該網(wǎng)絡中不同的檢測器可獲得不同時間和不同位置處的危險物質?？刂浦行牡奶幚砥?75 (圖4B)通過將檢測器的位置和光譜數(shù)據(jù)的獲取時間關聯(lián)起來，可以測定危險物質的位置和存在時間。通過檢測器的位置可以測定一固定的危險物質的位置。不同檢測器檢測到的危險物質的位置相關性可以被用作加權因子來測定該危險物質的精確位置，這可以用一個二維(2D)的或三維(3D)的坐標系來表示。不同位置的不同檢測器對危險物質的俘獲時間由控制中心的處理器用來測定該危險物質的空間一時間分布狀況(也就是說位置作為時間的函數(shù))。由此可以通過處理器預知該危險物質將來的位置。
[0091 ] 在一些實施例中，檢測器采集的光譜數(shù)據(jù)可以與從光譜檢測器周邊場景采集到的圖象資料聯(lián)系起來。例如，位于識別出危險物質的光譜檢測器旁邊的攝像機405可以記錄下可疑的人物或貨物。嫌疑人或貨物的影像被存儲下來并報到危險物質的位置信息以采取適當?shù)捻憫胧?br> [0092]緊接著向警報響應系統(tǒng)發(fā)送警報信號，警報響應系統(tǒng)開始對該危險物質采取響應措施(步驟560)。所述警報信號可以是電子郵件、文本式報文和語音電話等形式。緊急程度可以用例如綠色(安全)、藍色、黃色、橙色、紅色(最危險)表示的不同危險程度來進行分類。警報信號可包括危險物質當前和/或預期的位置，以及帶有危險物質的嫌疑人或貨物的外形信息。相關人員接到警報，派遣治安保衛(wèi)人員到危險物質處，開始進行疏散。
[0093]圖5是利用檢測器監(jiān)測釋放到環(huán)境中的有害化學物品的示意圖。探頭組件120分布在潛在污染來源的周邊，例如工廠260或大量汽車270通過的公路附近。探頭組件120可以分布在受監(jiān)測區(qū)域的附近，將散射光傳輸?shù)焦庾V分析儀150，光譜分析儀150測定釋放到環(huán)境中的物質的含量和濃度。監(jiān)測樣品包括但不限于土壤、水、湖、河、海濱、井、植物、空氣、氣霧劑(氣溶膠，aerosol)等等。該應用可延伸至汽車尾氣檢查和監(jiān)測,將探頭組件放置于汽車排氣口的出口處。
[0094]一些基于納米結構的光譜檢測的應用
[0095]在一些實施例中，小巧緊湊的拉曼檢測系統(tǒng)具有無線電通信性能，能在人體內(nèi)使用。例如，拉曼系統(tǒng)芯片可包括小的激光源、半導體或基于MEMS裝置的微小型光譜儀、無線模塊和小探頭等等。一個應用例子是消化系統(tǒng)疾病的診斷。例如，病人可在清洗其消化系統(tǒng)后吞咽下一藥片大小的拉曼光譜檢測系統(tǒng)。根據(jù)預定的時間間隔進行拉曼光譜掃描。隨后光譜數(shù)據(jù)通過一無線模塊傳輸給人體外的一無線接收器。電腦通過查找和將光譜數(shù)據(jù)與存儲在數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)進行比對匹配，從而識別出疾病。在另一個應用例子中，一個針狀的極小侵入性探頭可將小的拉曼檢測探頭攜帶到人體內(nèi)的診斷區(qū)域。拉曼光譜數(shù)據(jù)可通過光纖或無線模塊傳輸。這樣的應用包括但不限于癌癥(例如乳癌、結腸癌、食道癌、肺癌、肝癌、膀胱癌、胰腺癌、腎癌、卵巢癌、口腔癌、頸部及腦部癌癥、皮膚癌和胃癌)、阿爾茨海默氏病、帕金森氏病等等的診斷。用于SERS的腫瘤標記物的例子是人表皮生長因子(HER2)、CA-125或CA-549。用于肺癌的SERS標記是癌胚抗原(CEA)或A-549。
[0096]本發(fā)明公開的拉曼光譜檢測系統(tǒng)和方法適合于生物技術和生物醫(yī)學應用，例如通過檢測人或動物的組織或體液、肺癌的A549細胞、DNA、RNA和蛋白質樣品，以及生物標記(包括 CEA、CA-125、CA 19-9, CA-549、PSA、AFP、A549、DNA 測序、DNA 分類，等等)來進行生物統(tǒng)計學的身份核驗。
[0097]本發(fā)明公開的拉曼光譜檢測系統(tǒng)和方法適用于藥物研發(fā)篩選。用于藥物研發(fā)篩選的樣品可以通過人體體液測試和/或呼吸測試獲得。本發(fā)明公開的拉曼光譜檢測系統(tǒng)和同樣適用于刑偵。樣品可以是液相，如人體液或動物體液，例如唾液、尿、血液、血清或粉末的形式。相關應用還包括識別偽造簽名，通過DNA型鑒定和篩查個人，識別微小的油漆碎片，纖維鑒別，等等。
[0098]本發(fā)明公開的拉曼光譜檢測系統(tǒng)和方法適合于安全應用，例如檢測危險物質、化學武器、生物制劑、爆炸物(粉末、固體、液體、氣溶膠或氣體形式)、易燃物(包括液體、固體和粉末)、麻醉藥和放射性物質。
[0099]本發(fā)明公開的拉曼檢測系統(tǒng)和方法適合于食品安全檢查和環(huán)境監(jiān)測?？梢詸z測食品、水果、飲料和水中以氣體、液體、粉末、凝膠、氣溶膠或固體形式存在的有害化學物和生化物。這些有害化學物包括殘留農(nóng)藥(例如甲胺磷、氯氰菊酯、溴氰菊酯、孔雀石綠等)、二噁英、非法人工添加劑(例如蘇丹紅1、蘇丹紅I1、蘇丹紅II1、蘇丹紅IV、三聚氰胺、羅丹明B、硫化物(例如NaS)、人工綠色等)、水中的重金屬，包括但不限于含Pd、Cd、Hg、As、Cr、Cu金屬和這些金屬的化合物、氰化物(例如KCN、NaCN)、氯酸鹽、硫酸鹽?？衫帽景l(fā)明公開的拉曼光譜檢測技術來監(jiān)測食品和藥品加工過程中的副產(chǎn)品(例如馬鈴薯片加工溫度高于120°C產(chǎn)生的丙烯酰胺，生化藥品制造過程中產(chǎn)生的三聚氰胺，等等)以檢測有害化學物，例如丙烯酰胺。食品檢查包括但不限于馬鈴薯片、炸薯條、油炸馬鈴薯、脆炸土豆片、小甜餅、脆點心、谷物產(chǎn)品、松脆面包、面包、咖啡、精制吐司、烘烤過的堅果、餅干、巧克力、爆米花和包括魚在內(nèi)的水產(chǎn)品，等等。藥品調(diào)查包括但不限于生化藥品原料、半成品、或包含NH2基和/或芳基的廣品。
[0100]本發(fā)明公開的拉曼光譜檢測系統(tǒng)和方法適用于鑒別和檢測食品包裝工藝和制備材料，包括鑒別和篩選用于微波食品保鮮膜、廚房用薄膜、食品包裝、食品和液體容器，及加工和制備材料的聚乙烯氯化物(聚氯乙烯PVC)、含有鄰苯二甲酸酯類的物質和聚苯乙烯(PS)。
[0101]本發(fā)明公開的拉曼光譜檢測系統(tǒng)和方法適合于鑒別假冒偽劣商品例如藥品、麻醉藥、中藥、奶粉、食用油、酒、茶葉、香煙、寶石、鈔票、偽造的墨水簽名、藝術品、汽油等。
[0102]本發(fā)明公開的拉曼光譜檢測系統(tǒng)和方法適合于工業(yè)生產(chǎn)質量管理和生產(chǎn)安全監(jiān)測。其他應用領域可包括為了產(chǎn)品質量、氣體和濕法化學加工生產(chǎn)線的工藝和生產(chǎn)安全進行的過程控制，包括煉油廠、化工廠、無塵室內(nèi)的半導體濕法化學加工線、航空系統(tǒng)和航天飛機、船只、船舶、潛水艇和化學相關的生產(chǎn)線或應用場所，等等。
[0103]本發(fā)明公開的拉曼光譜檢測系統(tǒng)和檢測器網(wǎng)絡可應用于醫(yī)療門診辦公室、外科手術室、購物中心、度假勝地、建筑物、海關、道路檢查站、海港、機場、車輛、船只、船舶、潛水艇、飛機、航天飛機、工業(yè)生產(chǎn)場所、R&D研究實驗室、質量控制辦公室、教育研究所、實驗辦公室和水源，例如地表水、井、地下水等。
[0104]圖6A是應用表面增強拉曼散射技術使用檢測器為檢測食品質量和安全進行物質監(jiān)測的示意圖。光散射探頭100被放置在靠近食品280的地方，所述食品可以是食用油、一個蘋果或者其他水果、蔬菜，或其他可能因運輸、食品加工乃至食物生長過程而被污染的食品。殘留農(nóng)藥、獸藥、激素、肥料、食品非法添加物、食品包裝材料上的或轉移過來的或其他的污染物的分子被吸附光散射探頭100。有害物質分子可被吸附到納米結構表面，如膠體溶液中的納米顆?；虬{米表面結構的微芯片。如以下更多的細節(jié)描述，光譜檢測技術可包括表面增強拉曼光譜，普通拉曼光譜，熒光光譜，等等。
[0105]圖6B是應用本發(fā)明公開的拉曼光譜技術為早期疾病檢測和診斷進行物質監(jiān)測的示意圖。醫(yī)生可以遠距離監(jiān)測和診斷在家里和醫(yī)院里的病人。探頭組件610置于病人620的旁邊以進行身體檢查、疾病恢復情況檢查或疾病診斷。人呼出的空氣可能攜帶特殊的化學物質例如烯烴和苯衍生物。如果被篩查的人患有疾病，例如癌癥，包括但不限于肺癌、乳癌、肝癌、胰腺癌、卵巢癌等，拉曼檢測系統(tǒng)和方法可獲得呼吸測試中某些化學物質的指紋圖譜，從而鑒定出一些特殊的疾病例如癌癥。病人向探頭組件610呼氣。探頭組件中的檢測器接收進入的空氣，產(chǎn)生來自病人或呼吸空氣樣品提供者的氣流中分子相應的散射光。散射光的光譜數(shù)據(jù)由光譜儀630產(chǎn)生。無線通信線路640將光譜數(shù)據(jù)轉化為射頻信號，射頻信號經(jīng)天線645發(fā)射出無線電信號。該無線電信號還可以包括病人620的信息(例如病人的姓名、身份等)。計算機終端650與無線通信線路640耦合，可顯示來源于醫(yī)生辦公室的信息和允許病人輸入信息傳輸給醫(yī)生辦公室。通過檢測人或動物的體液可以進行相似的應用。
[0106]在醫(yī)生或健康咨詢辦公室的天線655接收來自一定距離外的多個病人的無線電信號。無線服務器660將轉化無線電信號并摘錄病人的光譜數(shù)據(jù)及其他相關信息。光譜分析儀670利用保存在數(shù)據(jù)庫680中的光譜信號對光譜數(shù)據(jù)進行分析。光譜信號可能顯示多個預定疾病。光譜數(shù)據(jù)中的光譜信號的確定能表明病人患有相關疾病或還沒有從過去診斷的疾病中完全恢復。信號強度可表明疾病的嚴重程度。醫(yī)生690還可以通過檢查光譜數(shù)據(jù)作出疾病性質和嚴重程度的判斷。本發(fā)明描述的系統(tǒng)和方法適合于早期疾病診斷，所述疾病包括但不限于肺癌、乳癌、胃癌、肝硬化、腎衰、潰瘍等。在測試人體體液時，將體液人工或自動引入到檢測器上，或將拉曼檢測裝置接在衛(wèi)生間抽水馬桶上，從而很容易地採樣，以實時監(jiān)測疾病和藥物作用檢測的異常信號。該應用也包括對蛋白質、DNA和RNA進行鑒定和排序分類。上述應用中所有的試驗樣品可以與檢測器接合以增強拉曼散射檢測的靈敏度和強度。利用拉曼散射檢測微痕量化學物質還可以用于其他的領域，包括但不限于鑒定癌癥、艾滋病(HIV)、阿爾茨海默氏病、帕金森氏病，為監(jiān)測糖尿病所進行的非侵入式葡萄糖測試，為早期癌癥篩查、違禁藥物而監(jiān)測抗氧化劑狀態(tài)所進行的非侵入式類胡蘿卜素水平測試和評估。
[0107]圖6C是拉曼散射應用于分配和零售渠道中的工業(yè)生產(chǎn)質量管理、安全保證或食品安全的示意圖。該應用可包括濕法化學加工生產(chǎn)線中化學濃縮物在線監(jiān)測、化學容器密封基準的遠程或單機監(jiān)測、遠程痕量化學物質檢查、半導體片缺陷測定，以及食品、水果和蔬菜存儲監(jiān)測，等等。例如，食品可包括在不同場所抽樣的食用油。光譜信號經(jīng)多個位置處的探頭采集，由光纖通過多通道傳輸給控制中心的光譜分析儀進行光譜數(shù)據(jù)分析。根據(jù)光譜數(shù)據(jù)中的光譜信號識別出食品、藥品、化學相關物質等樣品中的有害物質。
[0108]圖6D是一多通道拉曼散射檢測系統(tǒng)的示意圖，其可以進行假冒偽劣商品的識別和篩查以及食品安全篩查。該應用可包括食品、藥品篩查等操作，其中可能包括或不包括檢測器中的納米結構檢測模塊。檢測系統(tǒng)的激光束可直接照射試驗樣品。來自測試材料的散射光由探頭收集。該散射光的拉曼光譜顯示出光譜信號，該光譜信號可以指出是否該商品中添加了非法添加物。潛在的假冒偽劣商品，例如奶粉、酒和藥品，可以作為待檢測和篩查的材料置于拉曼檢測器下。來自不同樣品的光譜信號被采集并經(jīng)過多通道由光纖傳輸給設置在中心辦公室的光譜分析儀，以進行光譜數(shù)據(jù)的分析。該應用可以延伸至簽字和鈔票的鑒定，將簽字和鈔票產(chǎn)生的拉曼散射光譜與合法簽字和鈔票的光譜相比較，從而檢查出偽造的的簽字和偽鈔。
[0109]利用納米顆粒的光i普檢測
[0110]在一些實施例中，參見圖7和8，樣品溶液720置于容器710中，容器710例如一光學樣品瓶或者石英、玻璃、塑料材質的比色皿(步驟810)。容器710可以是一光學樣品瓶、一燒杯或一透明試管，等等。樣品溶液720含有納米顆粒750。納米顆粒750可以以溶膠懸體的形式存在于樣品溶液720中。含有化學物質或生化物質的試劑被引入樣品溶液720中(步驟820)。該試劑可以以固體、液體、氣溶膠、溶膠凝膠或氣體形式存在。將該試劑溶于樣品溶液720中，讓化學物質或生化物質分子被吸附到納米顆粒750的表面上(步驟830)。探頭110 (如圖1A所示)發(fā)出一入射光701 (例如一激光束)，照射樣品溶液720中的納米顆粒750和化學物質或生化物質(步驟840)。從納米顆粒750和化學物質或生化物質而來的散射光702被探頭110采集(如圖1A所示)(步驟850)。從探頭組件輸出的信號經(jīng)光譜分析儀150分析。詳細細節(jié)見下面的例子，從散射光獲得一拉曼光譜(步驟860)。拉曼光譜中的光譜信號可用于測定被吸附到納米顆粒上的微痕量化學物質或生化物質(步驟870)。
[0111]本發(fā)明公開的一方面,樣品溶液720中的納米顆粒750的材料組成要能增強散射光702和來自納米顆粒的拉曼光譜信號的強度。例如，納米顆粒750包含金屬材料(如Al、Ag、Au、Cu、Fe、Co、N1、Cr、Zn、Sn、Pd、Pt和它們的合金)、氧化物材料(如二氧化鈦、二氧化硅、氧化鋅等)、硅和聚合物材料。納米顆粒750在樣品溶液720中可以是帶電荷的，這有助于納米顆粒之間的分離和膠懸體的形成。納米顆粒750還可以包括系留在顆粒表面的聚合物，有助于它們在樣品溶液720中相互排斥。
[0112]在一些實施例中，納米顆粒750可包括一個由磁性材料如Fe203、Fe3O4, CoMe，或含F(xiàn)e、Co或Ni的化合物構成的核，以及由Au構成的殼包裹磁性核。核的直徑在l_500nm范圍內(nèi)。Au殼在核上形成后,核/殼顆粒的直徑在約5nm_50 μ m范圍內(nèi)。納米顆粒核中的磁場利用外部的磁場使顆粒的分離和采集更有效。Au殼能夠增強待測物質分子的吸附。而且，由磁性核產(chǎn)生的磁場能夠增強拉曼散射中的諧振及信號強度。
[0113]在一些實施例中，納米顆粒750可包括Ag或SiO2核和Au殼。在一些實施例中，納米顆粒750可包括Ag或Au核和SiO2殼。
[0114]在一些實施例中，納米顆粒750可以包括碳納米管。碳納米管的直徑小于
I,OOOnm,例如碳納米管的直徑可以是0.3-100nm,長度可以是5nm到數(shù)毫米。碳納米管的長度-直徑比可以高達5千萬。碳納米管可以是單壁的或多壁的。碳納米管可以是富勒體(fulIerite)、花托形(torus)、納米花蕾(nanobuds)和納米花朵(nanoflowers)的形式。
[0115]本發(fā)明公開的系統(tǒng)和方法中，碳納米管可以置于樣品溶液720中形成一個納米顆粒的懸浮液，反應物也被添加進去。碳納米管還可以被引入到一非常平整的表面上或者一具有納米結構的表面上，反應物隨后被弓I入到該含有碳納米管的表面上。在任一種情況下，激光束照射到碳納米管和反應物上。增強電磁場可以幫助目標化學物質或生化物質分子之間的電荷轉移，從而增強拉曼光譜的信號。
[0116]本發(fā)明的另一方面，納米顆粒750可以由磁性或鐵磁材料構成，例如Fe、Co、Ni，或者含有Fe、Co、Ni的化合物，如Fe、Co、Ni的合金或氧化物，這樣可以通過對樣品溶液750施加電場、磁場或電磁場來增強拉曼光譜信號。該電場、磁場或電磁場可以是固定的或交變的。
[0117]本發(fā)明的另一方面，樣品溶液720可以包括不同組成材料的納米顆粒的混合物。例如，所述納米顆粒可以包括娃納米或微米顆粒和金屬納米顆粒的混合物，或者娃納米或微米顆粒和聚合物納米顆粒的混合物，或者硅納米或微米顆粒、金屬納米顆粒、金屬氧化物納米顆粒和聚合物納米顆粒的混合物。通過混合物的組成可以增強拉曼信號的強度。
[0118]本發(fā)明的另一方面，樣品溶液720中的溶劑同樣用于增強納米顆粒的光散射強度。離子可以顯著增強拉曼信號的強度，因此，離子材料被加到樣品溶液720中。被加到樣品溶液720中的離子材料所含的離子可包括但不限于Na+、K+、Li+、Ca2+、Ba2+、Sr2+、Mg2+、Mn2+、Al3+、Zn2+、Sn2+、Sn4+、F_、Cl'Br_和I_等等。樣品溶液720的離子可以是單價的，或是二價的或更高價的。所述離子可帶有正電荷或負電荷。樣品溶液720可具有一離子化合物，包括但不限于LiF、NaF、LiCl、NaCl、KCl、KI等。離子濃度可以是從IOmM到飽和水平。
[0119]如圖9A所示，納米顆粒750可以是球形的或不規(guī)則的形狀。納米顆粒在樣品溶液720中可以是彼此分離的，也可以是聚集成團的。如圖9B所示，納米顆粒750可具有一粒徑分布，這里用平均顆粒尺寸da和顆粒直徑分布寬度dw來表征粒徑分布。平均顆粒尺寸da可以是lnm-10, OOOnm,或者2nm-500nm。dw/da的值可以是0.01-3,這可限定單分散到多分散的粒子分布。dw/da的值通常為0.03-1。
[0120]在一些實施例中，樣品溶液可包括納米顆粒和作為反應物的腫瘤組織微切片。樣品溶液的溫度可以通過一 TE冷卻器和加熱器控制在一個預定的小范圍內(nèi)，溫度變化小于1°C或2°C。溫度可以是從_20°C到60°C，或從(TC到40°C。在一基底表面上干燥樣品溶液，使納米顆粒和反應物留在基底表面。用激光束照射該納米顆粒和反應物。采集帶有吸附有待測分子的納米顆粒的反應物產(chǎn)生的散射光。由該散射光獲得拉曼光譜。利用拉曼光譜中的光譜信號可以識別出反應物中的化學物質或生化物質。
[0121]利用納米表面結構的光譜檢測
[0122]在一些實施例中，含有微痕量化學物質或生化物質的材料可被引入到化學檢測器或探測器的表面上，如圖1所示，入射光被散射，獲得拉曼光譜以進行物質鑒別。圖10-15顯示了一系列制作化學檢測器(或圖1中的檢測器105)的納米結構貴金屬表面的工藝步驟。一多層結構302 (圖10)包括一基底305、一導電層310和一氧化鋁層315?；?05可以是，例如η型娃片(3-8 Ω-cm)或氧化的(30_50nm SiO2) p型娃(5-ΙΟι?Ω-cm)。導電層310可包括Ti或Ni，其沉積在基底305上，既導電又導熱。導電層310的厚度可以被優(yōu)化，使之i)粘附隨后沉積的貴金屬薄膜，例如Ag、Au或Cu薄膜等等；ii)為導電薄膜，實際應用中對感應面施加電偏壓；iii)為導熱層，降低感應面的溫度。導電層310的厚度一般可以控制在10A-1,OOOA的范圍內(nèi)，代表性地，在100 A-15OOO A范圍內(nèi)。
[0123]金屬層，例如，鋁層315沉積于導電層310上。鋁層315可具有99.999%的純度，厚度在l.0-l0.0ym范圍內(nèi)。基底305、導電層310和氧化鋁層315在充N2的反應爐中4000C -500°C退火2-5小時，使鋁膜重結晶。隨后進行陽極氧化，在氧化鋁層315上形成多孔結構，如圖1lA和IlB所示。氧化鋁層315上形成的多孔結構包括許多由內(nèi)壁314環(huán)繞的孔隙312，其沿水平線A-A的剖視圖如圖1lC所示。在圖12中進行濕法氧化腐蝕，以去除頂部的多孔Al2O3層和阻擋層。進行第二次陽極氧化消耗掉所有的金屬鋁，使阻擋層和頂部的多孔的Al2O3層正好位于導電金屬層之上。
[0124]在圖13中，進行氧化刻蝕去除孔隙底部的阻擋層并擴孔。濕法腐蝕使孔隙312向下延伸至導電層。所形成的多孔氧化層的厚度可以通過控制鋁物理汽相沉積(PVD)、氧化和隨后的濕法腐蝕過程的工藝參數(shù)來控制。自組裝的多孔結構自然地形成一六邊形陣列?？讖?d)和孔隙間的距離(D)取決于所施加的氧化電壓(V)、電流密度(i)和電解液的性質，以及后來的濕法腐蝕擴孔過程。
[0125]參見圖14A，貴金屬例如Ag被沉積在多孔層315上以填充孔隙312和形成一個層320。層320可以用PVD或電鍍方式形成。在圖14B中，一層貴金屬320被去除，而保留了孔隙312中的貴金屬320-N。再次進行濕法金屬腐蝕或化學機械拋光(CMP)以進一步控制填充在孔隙中的貴金屬320-N的高度。在圖15中，氧化鋁315和多孔鋁層315底部殘余的鋁膜315-AL被去除，形成一納米結構表面300，其含有一納米柱320-N陣列。
[0126]納米柱320-N基本上是直的，垂直于基底305和導電層310。納米柱320-N可具有基本上相同的或相近的寬度。相鄰的納米柱320-N被間隙隔開，這些間隙與導電層310的距離基本或接近保持不變。
[0127]上述制造工藝中使用的光刻用掩膜的幾何形狀與傳感芯片的尺寸要求及金屬襯墊的區(qū)域相匹配，金屬襯墊位于芯片的角落上。為了野外應用，化學品檢測傳感芯片采用不同的半導體封裝技術進行封裝，例如，引線鍵合、倒裝法、系統(tǒng)級芯片(S0C)，等等。
[0128]在一些實施例中，納米結構可以通過不同的工藝制作，如圖16A-16F所示。一雙層結構362包括一導電層335和一基底330。導電層335可以由Ti或Ni制成，可以是既導電又導熱的?；?30可以是一 η型娃片(3-8 Ω-cm)或氧化的(30-50nm SiO2) p型娃片(5-10mQ -cm)0導電金屬層335的厚度可控制在范圍內(nèi)。粘附層(例如可由Ag制成)可以是沉積于金屬層335上。導電層335的厚度可加以優(yōu)化，從而對微痕量化學物質檢測感應面施加電偏壓，進一步的，為增強微痕量化學物質檢測的靈敏度而降低感應面的溫度，或為清潔感應面而升高感應面溫度。
[0129]在圖16B中，貴金屬層340沉積在導電層335的頂部。貴金屬可以是一銀層，例如厚度為10-200nm的Ag。在圖16C中，第二金屬層345沉積在貴金屬層340的頂部。第二金屬層345可包括純度約為99.999%的鋁，厚度在1.0-10.0 μ m范圍內(nèi)。鋁層345隨后在充N2反應爐中400°C _500°C退火2-5小時，使鋁膜重結晶。
[0130]在圖16D中，通過氧化工藝制作多孔氧化鋁345’形式的多孔結構。圖16E為其頂視圖，該多孔結構自然地形成自組裝的六邊形納米孔隙陣列，它包括許多的由六邊形孔壁349圍繞的孔隙348。相鄰孔隙348的中心距離是D。通過一濕法化學處理去除頂部的陽極氧化層和阻擋層后，進行第二次陽極氧化工藝消耗掉所有的金屬鋁，以便阻擋層和頂部的多孔Al2O3層345’恰好位于貴金屬層340上。然后進行濕法腐蝕拓寬孔隙348，并去除孔隙348底部的阻擋層。進行濕法腐蝕時，如圖16F所示，孔隙348被拓寬，圍繞孔隙的內(nèi)壁349變薄?？梢钥刂聘g工藝以形成大量的被內(nèi)壁349圍繞的納米孔348。還可以腐蝕至孔隙348之間彼此相接觸，制作出一個準三角形納米柱349’的六邊形陣列。
[0131]在圖16G中，貴金屬層340被腐蝕掉，孔隙348向下延伸到導電的鈦層335。在圖16H中，進行濕法氧化腐蝕去除氧化鋁，繼之以濕法金屬腐蝕去除殘余在孔隙348底部的鋁。氧化鋁315和多孔鋁層315底部殘余的鋁膜315被去除，形成一個具有可控高度、直徑和柱間距離的納米柱陣列。該陣列可具有準三角形的周期性的空穴。
[0132]納米柱基本上是直的，垂直于基底330和導電層335。納米柱320-N可具有基本上相同的或相近的寬度。相鄰的納米柱被間隙隔開，這些間隙與導電層335的距離基本上保持不變。
[0133]在一些實施例中，如上所述，適合于圖1A和IC的檢測器的制備可以是在一個具一定結構或無特定結構的(即平坦的)基底上或一樣品溶液中引入納米顆粒。微痕量化學物質或生化物質可以先在溶液中與納米顆粒相混合，使微痕量化學物質或生化物質的分子被吸附到納米顆粒上，含有該納米顆粒的樣品溶液隨后被引入到該化學檢測器的具一定結構或無特定結構的表面上。換言之，可以通過將含有納米顆粒的膠體懸浮溶液涂敷于檢測器105的表面而制作出納米級表面結構。所述納米顆?？梢杂山饘俨牧?例如Al、Ag、Au、Cu、Fe、Co、Ni、Cr、Zn、Sn、Pd、Pt以及它們的合金)、氧化物材料(例如二氧化鈦、二氧化硅、
氧化鋅等）或聚合物材料制成。氧化物或聚合物顆?？梢杂媒饘匐x子涂布或用導電材料覆 蓋。膠體懸浮溶液可以包括單一的納米顆?；蚣{米顆粒簇集團。該溶液涂抹于檢測器表面 后形成納米級表面結構。該溶液可揮發(fā)，留下納米顆粒將目標分子吸附到檢測器表面。
[0134]基于納米結構的光譜檢測的衛(wèi)生保健應用
[0135]在一些實施例中，使用如上圖1A-2，6B，7_9B相關所述的光散射探頭100獲得病人 體液的拉曼光譜，通過分析該拉曼光譜可以用于鑒定疾病。人體體液可以被直接引入到檢 測器(如圖1A中的105)上或在含有納米顆粒的樣品溶液(如圖7中的720)中混合。光散 射和拉曼光譜分析可以如圖1A-1C或圖7所示的進行。另外，如上所述，含有納米顆粒的樣 品溶液可以轉移到檢測器的具有一定結構的或無特定結構的表面上，隨后用于光散射和拉 曼光譜分析。
[0136]參見圖17，從一個來自口腔癌病人的唾液樣本獲得的拉曼光譜顯示了兩個特征的 光譜峰，分別在 560cm 1 (在 520cm ^SSOcm 1 區(qū)域內(nèi)）和 1100cm 1 (在 1080cm 110cm 1 區(qū) 域內(nèi)）附近，而未患口腔癌的健康個體沒有顯示這兩個光譜峰。560CHT1和llOOcnT1處的特 征光譜峰與C-S、S-S、0-P-0、P02、C-N或C-C鍵引起的分子振動相關，例如含有半胱氨酸、 ATP、ADP、DNA、RNA、蛋白質或其他含有硫或磷酸的生物樣品。光譜信號的識別可包括下列步 驟：首先在具有各個光譜信號的拉曼頻移單位為cm—1 (波數(shù)）的拉曼峰中選擇一光譜峰；確 定本底散射強度；計算峰的強度、相對強度或積分面積。用峰強度和本底計算出信噪比。如 果信噪比高于一預定閾值(例如3或更高)，拉曼峰的光譜信號就被識別。檢測與疾病和藥 物使用相關化學物質的光譜信號的識別可以采用統(tǒng)計分析和幾種算法(例如Dendrograph 和主成分分析)。如果560CHT1和llOOcnT1附近的兩個光譜信號都被識別出，那么可提示或 判認為檢測到與口腔癌有關的化學物質，被檢測者可被提示或判認患有口腔癌或口腔癌早 期。醫(yī)生和被檢測者應使用同樣的或其他的診斷技術進一步檢測，以診斷是否患有口腔癌 或口腔癌早期。
[0137]本發(fā)明公開的系統(tǒng)和方法還可以用來檢測葡萄糖水平以用于評估糖尿病狀況。 1115cm-1到ll^ScnT1區(qū)域內(nèi)的特征光譜峰，例如lUAcnT1附近,與葡萄糖的分子振動相關, 從糖尿病病人的唾液樣品獲得的拉曼光譜可提供提示、判認或診斷糖尿病的關鍵依據(jù)。該 拉曼峰的強度，相對強度或積分面積，可用于評估病人體液的葡萄糖濃度，從而提示、判認 糖尿病級別。同樣地，參見圖18-20，與乳癌相關化學物質也會在唾液的拉曼光譜的約 560CHT1和llOOcnT1處顯示出光譜信號（圖18)。與肺癌和卵巢癌相關化學物質可能在唾液 和血清樣品的拉曼光譜的大約745cm—1處具有一光譜信號(大約Y^cm-i-YeOcnT1范圍內(nèi)) (圖19B和圖20)。745CHT1處的特征光譜峰與蛋白質或磷酸酯中的C-S鍵，或者Z-DNA、 T-DNA中的0-P-0鍵，或者含有S、N或P的原子或分子基團引起的分子振動相關。與艾滋 病相關化學物質可能在血清樣品的拉曼光譜的SeScnTi-SSScnT1區(qū)域內(nèi)，例如870CHT1附近 具有一光譜信號（圖21)。本發(fā)明公開的系統(tǒng)和方法還可以用來進行是否使用違禁藥物的 檢測，例如海洛因、脫氧麻黃堿、古柯堿、咖啡因、嗎啡、可待因、安非他明、麻黃素、罌粟堿、 那可汀、乙?？纱颍╝cetyl codeine)、脫氧麻黃堿鹽酸鹽（methamphetamine HC1)、氯 胺酮鹽酸鹽（ketamine HC1 )、可待因磷酸鹽（codeine H3P04)、派替唳鹽酸鹽（meperidine HC1,又稱陪替丁)、三唑苯二氮（triazolam)、司可巴比妥（secobarbital)、海帕烏頭堿(hypaconitine)、MDMA等等。圖22顯示的是來自一脫氧麻黃堿固體(一種違禁藥物)、一位用藥個體的唾液樣品和一脫氧麻黃堿使用者的唾液樣品的拉曼光譜。來自藥物使用者唾液樣品的拉曼光譜在約1030CHT1和1535CHT1附近各有一特征峰，該特征峰表明其可能使用了違禁藥物。本發(fā)明公開的方法和系統(tǒng)還可以在國際性的運動比賽(比如奧運會)中用來檢測運動員體內(nèi)的興奮劑(例如激素)。
[0138]同樣地，參見圖23，吸煙狀態(tài)和被動吸煙的狀態(tài)也表現(xiàn)出光譜信號，在吸煙者唾液樣品拉曼光譜的約1029CHT1處顯示出的光譜信號不存在于不吸煙的健康個體中。約1029(^1處的特征光譜峰與N-甲-2-5-吡咯燒酮(cotinine)的分子振動模式相關，N-甲-2-5-吡咯烷酮是煙堿尼古丁的代謝產(chǎn)物。
[0139]利用本發(fā)明公開的拉曼探頭進行非侵入的疾病檢測和診斷可包括下列步驟中的一個或多個:參見圖24，首先從一個病人或違禁藥物使用者處獲得體液(步驟2010)。由于本發(fā)明公開的拉曼散射檢測器具有高靈敏度，體液的量可以相當小。例如，從病人處獲得的體液體積可以從約IOOpl到4ml。體液的例子可包括血、唾液、尿、血清、淚、汗、胃液、胸腔積水、腹水、腦脊髓液、精液和分泌液。離心后體液被引入到一納米表面上(步驟2020)。例如，該納米表面可包括檢測器表面上的納米級結構。體液可以被轉移到檢測器的納米表面上。干燥后留在檢測器表面的體液形成一干燥層。在另一個例子中，納米表面由懸浮在溶液中的納米顆粒表面提供。體液可以被引入到包含納米顆粒的溶液中。體液中的分子被被吸附到納米表面上。用激光束照射該納米表面和被吸附到納米表面上的分子(步驟2030)。採集經(jīng)納米表面和被吸附分子的散射光(步驟2040)。
[0140]從散射光獲得拉曼光譜(步驟2050)。光譜中的一個或多個光譜信號被識別以診斷疾病(步驟2060 )。能被檢測的疾病例子包括癌癥，包括但不限于肺癌、乳癌、胃癌、食道癌、甲狀腺癌、喉癌、潰瘍癌、卵巢癌、肝癌、頭部和頸部癌癥、子宮癌、宮頸癌、口腔癌、白血病、結腸癌、膀胱癌、前列腺癌、皮膚癌、支氣管癌、腎癌、肝硬化、腎衰、艾滋病和藥癮。如上所述，一個或多個光譜信號在拉曼光譜中預定拉曼頻移處。拉曼頻移和光譜信號特征對于待檢測的疾病是特異的。例如，口腔癌和乳癌唾液樣品中的光譜信號可能在約560cm—1或llOOcnT1附近。肺癌血清樣品中光譜信號大約在拉曼光譜中745CHT1附近。一光譜信號可包括一光譜峰。當該光譜峰值大于`某預定閾值時，光譜信號被識別出來。例如，相對于噪聲背景，當光譜峰的信噪比大于3時就被識別出來。
[0141]應當說明的是，圖24與圖8是一致的，圖24的步驟中可加入圖8中的一個或多個步驟，包括利用含納米顆粒的樣品溶液。
[0142]生物免疫測定中基于納米結構的光i普法傳感檢測
[0143]在一些實施例中，公開的光散射探頭和物質檢測方法被應用到生物免疫測定。特別地，納米結構增強拉曼光譜分析利用免疫測定，如酶聯(lián)免疫吸附分析(ELISA)或酶免疫測定(EIA)應用于以抗體或抗原作為分析物的檢測。
[0144]參見圖25，一種物質鑒別方法可包括以下步驟:已知抗原被結合到吸附在納米表面上的不同抗體上，以在納米表面結構上形成不同的抗原一抗體對。從每個納米表面結構上獲得的拉曼光譜中建立拉曼信號(步驟2510)。在一些實施例中，光譜標記(例如，拉曼標記)如MBA (P-巰基苯甲酸)在分析物檢測之前被引入與抗體或抗原結合以提供拉曼光譜中的信號。例如，MBA標記的主要的SERS信號在520CHT1，1072cm_1和1588CHT1處。光譜信號通過與上述與疾病相關的圖17-23中的光譜信號相同的方法被確定。一個光譜信號可包括一個或多個光譜峰，一個或多個光譜谷，以及其他光譜形狀，如峰相對高度，峰線寬度和峰形，可以用來表征生物、醫(yī)學或化學物質中的一個或多個分子鍵。生物、醫(yī)學或化學物質可包括能夠引發(fā)人體免疫系統(tǒng)產(chǎn)生抗體。
[0145]抗體，也被稱作免疫球蛋白，是在脊椎動物的血液或其他體液中找到的Y-球蛋白。它們被免疫系統(tǒng)用來識別和消除外來物質，如細菌和病毒。它們代表性的由基本結構單元構成一每個具有兩個大的重鏈和兩個小的輕鏈，以形成，例如具有一個單元的單體，具有兩個單元的二聚物或具有五個單元的五聚物?？贵w由一類被稱作漿細胞的白細胞生成。存在幾種不同類型的抗體重鏈，以及幾種不同種類的抗體，基于它們具有的重鏈被分成不同的同種型。在哺乳動物中已知的有五種不同的抗體，其扮演不同的角色，并為它們遇到的不同的外來物質幫助實施適當?shù)拿庖叻磻?br> [0146]盡管所有抗體的總體結構是非常相似的，在蛋白頂端一個小的區(qū)域是非常容易變化的，允許數(shù)百萬抗體具有些微不同的頂端結構或抗原結合位點存在。該區(qū)域被稱作超變區(qū)。這些超變區(qū)的每一個都能結合不同的目標，也就是抗原?？贵w極大的多樣性允許免疫系統(tǒng)識別相等寬泛的多樣性的抗原。抗原被抗體所識別的獨特部位被稱作抗原決定基。這些抗原決定基以高度特異的相互作用與其抗體相結合，稱作誘導契合，使抗體從構成生物體的上百萬分子中識別并結合其唯一的抗原。通過抗體對抗原的識別，標記其用于免疫系統(tǒng)其他部分的攻擊?？贵w也可以直接通過，例如，與病原體引發(fā)感染所需的部分相結合來消除目標物。
[0147]適用于本發(fā)明公開的方法和系統(tǒng)的抗原包括克倫特羅、硝基呋喃、磷、有機氯、正對苯二酸鹽、殺蟲劑、滅鼠劑、獸藥中的物質、砷化合物或氰化物。
[0148]目標分子可包括小分子和金屬元素，如違禁藥物(海洛因、脫氧麻黃堿、可卡因、咖啡因、嗎啡、可待因、安非他明、麻黃素、罌粟堿、那可汀和MDMA，等等)，硝基呋喃，克倫特羅，氯霉素，奧喹多司和重金屬有害物質汞、鉛、鎘。
`[0149]應當注意的是，盡管以下的過程描述了未知抗原作為分析物并且已知抗體是事先結合到納米結構表面用于檢測抗原，相反的過程也被應用到以下所述的系統(tǒng)和方法中:未知抗體作為分析物，以及已知抗原被準備用來結合到納米結構表面用于未知抗體的檢測。
[0150]為了檢測及識別未知抗原，提供了多個樣品溶液264_1...264_i,…264_N，如圖26A所示。溶液264_1…264」，…264_N中的每一個包含納米顆粒265_1...265_i,...265_N的懸浮液(步驟2520)。納米顆粒265_1...265_i，…265_N可以是圓形或不規(guī)則形狀。納米顆粒265_1...265_i,…265_N的平均直徑在約Inm至1000nm范圍內(nèi)。如上述的圖9A和9B所述，納米顆粒265_1...265_i，…265_N的尺寸分布可以用平均顆粒尺寸和顆粒尺寸分布寬度來表征。納米顆粒265_1...265_?，...265_Ν的材料可選自金屬、金屬合金、氧化物材料、硅、復合材料及其組合。納米顆粒265_1...265_i，…265_N的材料可選自Al、Ag、Au、Cu、Fe、Co、N1、Cr、Zn、Sn、Pd、Pt及其組合。納米顆粒265_1...265」，...265_N的材料可選自鈦氧化物、硅氧化物和鋅氧化物。納米顆粒265_1...265」，".265_Ν也可包括碳納米管。為了增強拉曼散射的光譜強度，樣品溶液可包括多價離子。納米顆粒265_1...265」，-265_Ν可包括磁性或鐵磁性材料。
[0151]參見圖25和26Β,不同的未知抗體266_1...266_?，…266_Ν被分別引入到樣品溶液264_1...264_i,…264_N,以使不同的抗體266_1...266_i,…266_N分別吸附到不同樣品溶液264_1...264」，…264_N中的納米顆粒265_1...265」，…265_N上(步驟2530)。不同的抗體266_Ρ..266_;?，…266_Ν可根據(jù)待測抗原的類型進行選擇。例如,未知抗原可屬于克倫特羅、硝基呋喃、磷、有機氯、正對苯二酸鹽、殺蟲劑、滅鼠劑、獸藥中的物質、砷化合物或氰化物。這些抗原的抗體被分別引入到樣品溶液264_1...264_?,…264_Ν*，每個樣品溶液264_i接收不同類型的抗體266_i。
[0152]接下來，參見圖25和26C，包含未知抗原267 (也就是分析物)的反應物被引入到含有納米顆粒265_1...265_i,...265_N的樣品溶液264_1…264」，...264_N中，以使未知抗原267與其中一個溶液中的匹配抗體266」相結合。抗原267可以是上述示例性的基底中的一種?？乖?67的其他例子可包括三聚氰胺、甜蜜素、環(huán)己基氨基磺酸鈉、蔗糖、淀粉、亞硝酸鹽、硝酸鹽、蘇丹1、I1、III和IV、孔雀石綠、甲胺磷、乙酰甲胺磷、DDT、DDV,馬拉硫磷、殺螟硫磷、溴氰菊酯、氯氰菊酯、甲基對硫磷、亞胺硫磷、甲拌磷、樂果、硝基呋喃、呋喃唑酮、3-氨基-2-惡唑烷酮(Α0Ζ)、重金屬、鉛、鎘、汞、鉻、砷、氯霉素、氯四環(huán)素、環(huán)丙沙星、恩諾沙星、克倫特羅、萊克多巴胺(ractopamine )、沙丁胺醇(salbutamoI)、青霉素(penicillin)、雙酌.A (bisphenol A)、鄰苯二甲酸二(2-乙基己)酯(DEHP)、6-節(jié)氨基嘌呤(6-benzylaminopurine)或奧喹多司(olaquindox),是食品中的一種管制物質。
[0153]反應物可以從食品中分離。所述食品可包括乳制品、糖果、小甜餅、飲料、酒、肉、海鮮、茶葉、新鮮的或罐藏的蔬菜、水果、糧食、谷物、玉米片、馬鈴薯片或含有蛋白質的食品。乳制品的例子包括牛奶、奶粉、奶酪、奶酪蛋糕、酸奶酪、冰淇淋、含奶糖果或小甜餅。反應物也可以從違禁藥物物質中提取，如海洛因、脫氧麻黃堿、可卡因、咖啡因、嗎啡、可待因、安非他明、麻黃素、罌粟堿、那可汀和MDMA，等等。
[0154]參見圖25和26D，含有未知抗原267和吸附有不同抗體266_1...266_i，…266_N的納米顆粒265_1...265_i,…265_N的樣品溶液264_1...264_i,…264_N中的每一個，分別被激光束2600照射(步驟2550)。激光束2600可由探頭110中的激光裝置發(fā)射。來自樣品溶液264_1...264_i,…264_N中每一個的散射光2601可以分別被探頭110米集。每個樣品溶液264_1...264_i，…264_N的納米表面增強拉曼光譜由光譜分析儀150從散射光2601中獲得(步驟2560)。
[0155]在從樣品溶液264_1...264_?,…264_Ν中獲得的每個拉曼光譜中尋找結合的抗原一抗體對的光譜信號(步驟2570)。與上述圖17的描述相似，抗原一抗體對光譜信號的識別可包括步驟:首先從光譜信號的拉曼信號峰周圍選擇光譜帶。確定背景散射強度水平。計算峰強度水平，相對強度或完整峰面積。通過峰強度和背景水平計算信噪比。如果信噪比比預定臨界值高(例如，3或更高)，拉曼峰的光譜信號可被明確的識別。
[0156]如果抗原一抗體對268_i (或上述相關的拉曼標記分子)的拉曼信號，在從樣品溶液264_i之一得到的拉曼光譜中找到，反應物中的未知抗原267可被確定為與吸附到樣品溶液264_i中的納米顆粒265_i上的抗體266_i相匹配的抗原。由于抗原和抗體之間的鑰匙-鎖特性，從其他樣品溶液中獲得的拉曼光譜不會顯示出他們各自的抗原一抗體對的光譜信號。為了增加準確度及降低光譜背景噪聲的干擾，光譜信號可以通過獲得樣品溶液264_i的納米結構增強拉曼散射進行校驗，該樣品溶液具有吸附有抗體266」并與包含未知抗原267的反應物一起應用的納米顆粒。[0157]在一些實施例中，在散射光被米集時，電場、磁場或電磁場可被施加到包含納米表面結構(例如納米顆粒)的樣品溶液中。電場和磁場可以是直流電或交流電。這些場已被觀察到可以增強納米表面增強拉曼信號的信號強度。
[0158]此外，可以通過找到光譜信號的納米表面增強拉曼光譜，確定在樣品溶液(264_i )識別出的抗原267的濃度水平(步驟2590)。樣品溶液中抗原267的濃度，可以通過例如光譜信號如光譜峰的強度、相對強度或完整峰面積確定。
[0159]利用生物免疫測定和拉曼光譜分析對抗原的識別可以通過除納米顆粒以外的納米表面結構來增強。例如，納米表面結構可包括在基底上構造或形成的納米結構。該納米結構可包括在基底上表面上形成的突起或柱，以及在基底上表面中形成的凹陷或孔。相鄰的突起或柱的平均距離可在IOnm至1000nm范圍內(nèi)。相鄰凹陷或孔的平均距離可在IOnm至1000nm范圍內(nèi)。突起也可以通過在基底表面通過納米顆粒的引入或沉積形成。納米顆粒的寬度范圍在Inm至1000nm范圍內(nèi)。
[0160]參見圖27，光譜信號首先建立在從吸附到納米表面結構上的不同的抗原一抗體對獲得的拉曼光譜中(步驟2710)。抗原一抗體對通過將已知抗原與吸附到納米表面結構的抗體相結合形成。適用于本發(fā)明公開的方法和系統(tǒng)的抗原包括克倫特羅、硝基呋喃、有機磷、有機氯、正對苯二酸鹽、殺蟲劑、滅鼠劑、獸藥中的物質、砷化合物或氰化物。
[0161]為了檢測及識別未知抗原，在基底上提供了多個納米結構285_1...285_?，…285_N，如圖28Α所示(步驟2720)。接下來，如圖28Β所示，不同的抗體286_1...286_i，...286_N被分別引入到納米結構285_1…285_i，...285_N上，以允許不同的抗體286_1...286_i，...286_N各自吸附到納米結構285_1...285_i，…285_N的表面(步驟2730 )。吸附可以通過在引入抗體286_1...286_i，…286_N之前首先在納米結構285_1...285_i，…285_N施加濕潤溶液加以協(xié)助。不同抗體 286_l…286_i，…286_N可以根據(jù)待測抗原的類型進行選擇。例如，未知抗原可能屬于克倫特羅、硝基呋喃、有機磷、有機氯、正對苯二酸鹽、殺蟲劑、滅鼠劑、獸藥中的物質、砷化合物或氰化物。
[0162]接下來，參見圖27和28B，包含未知抗原287的反應物被引入到納米結構285_1...285」，…285_N，以使未知抗原287與納米結構285_1…285_i，…285_N之一上的匹配抗體266」相結合。抗原287可以是上述示例性底物之一。反應物可以從食品中分離。食品可包括乳制品、糖果、小甜餅、飲料、酒、肉、海鮮、茶葉、新鮮的或罐藏的蔬菜、水果、糧食、谷物、玉米片、馬鈴薯片或含有蛋白質的食品。乳制品的例子包括牛奶、奶粉、奶酪、奶酪蛋糕、酸奶酪、冰淇淋、含奶糖果或小甜餅?？乖?87的其他例子可包括三聚氰胺、甜蜜素、環(huán)己基氨基磺酸鈉、蔗糖、淀粉、亞硝酸鹽、硝酸鹽、蘇丹Ι、Π、ΙΙΙ和IV、孔雀石綠、甲胺磷、乙酰甲胺磷、DDT、DDV、馬拉硫磷、殺螟硫磷、溴氰菊酯、氯氰菊酯、甲基對硫磷、亞胺硫磷、樂果、硝基呋喃、呋喃唑酮、氯霉素、氯四環(huán)素、環(huán)丙沙星、氨哮素或恩諾沙星、克倫特羅或6-芐氨基嘌呤，可包括食品中的被管制物質。
[0163]反應物還可以從違禁藥物物質中分離出來，包括海洛因、脫氧麻黃堿、可卡因、咖啡因、嗎啡、可待因、安非他明、麻黃素、罌粟堿、那可汀和MDMA。
[0164]適用于本發(fā)明方法的另一個示例性的被管制藥物是克他命(Ketamine，氯胺酮)?？怂菓糜诼樽?、哮喘、抗抑郁、毒癮治療和復合型疼痛綜合征治療的人和獸用藥?？怂彩菑V泛傳播的違法毒品“K粉”(鹽酸氯胺酮)中的主要物質，能夠引起幻覺和其他心理反應?？怂且环N小分子，不能直接引發(fā)免疫反應和相關抗體的產(chǎn)生。但是，克他命能夠進行化學修飾，生成P-NH2-克他命，使其結合到蛋白載體，如血藍蛋白(KLH)、牛血清蛋白(BSA)、卵白蛋白和Y-球蛋白，等等。這些與克他命結合的蛋白質載體具有抗原的性能并能夠引發(fā)人或動物體中的免疫反應及抗體的產(chǎn)生。利用抗原一抗體對和納米增強拉曼散射對這些蛋白質載體的檢測，能夠實現(xiàn)克他命的識別。
[0165]參見圖27和28C，包含未知抗原287并與不同抗體286_1...286_i，…286_N吸附的納米結構285_1...285_i，…285_N中的每一個各自被激光束2800照射(步驟2750)。激光束2800可通過探頭110中的激光裝置發(fā)射。來自納米結構285_1...285_i，…285_N中每一個的散射光2801可分別被探頭110采集。納米表面增強拉曼光譜通過每個納米結構285_1…285_i，…285_N的光譜分析儀150從散射光2801中獲得(步驟2760)。
[0166]與上述圖17及步驟2570的描述相似(圖25)，在從納米結構285_1…285_i，...285_N中獲得的每個拉曼光譜中尋找結合的抗原一抗體對的光譜信號。如果在從納米結構285」獲得的拉曼光譜中找到抗原一抗體對288_i (或上述相關的拉曼標記分子)的光譜信號，反應物中的未知抗原287可被確定是與吸附到納米結構285」上的抗體286」匹配的抗原。由于抗原和抗體之間的鑰匙-鎖特性，從其他樣品溶液中獲得的拉曼光譜不會顯示出他們各自的抗原一抗體對的光譜信號。光譜信號可以通過獲得多個納米結構284_i中的納米結構增強拉曼散射進行校驗，該納米結構284_i吸附有與包含未知抗原287的反應物一起應用的抗體286_i。
[0167]此外，在反應物中識別出的抗原287的濃度水平可利用找到光譜信號的納米表面增強拉曼光譜測定(步驟2790)。樣品溶液中抗原287的濃度水平可利用光譜信號如光譜峰的強度、相對強度或整體面積進行測定。
[0168]在一些實施例中，上述采用基于納米結構的光譜檢測的生物免疫測定可用于診斷疾病。反應物可以從疑似患有疾病的人的體液或呼吸的氣體中分離出來。體液可包括血液、唾液、尿液、血清、淚液、汗液、胃液、精液或分泌液。反應物中的未知抗體與相關疾病有關聯(lián)。相關疾病選自癌癥、哮喘、敏感癥、肝硬化、腎衰、白血病、HIV、阿爾茨海默氏病、帕金森氏病、糖尿病、煙癮、關節(jié)炎、`心血管病、SARS和流感。癌癥可包括不同的類型,如肺癌、乳癌、胃癌、卵巢癌、子宮癌、宮頸癌、口腔癌、食道癌、甲狀腺癌、喉癌、大腸癌、膀胱癌、前列腺癌、支氣管癌、胰腺癌、血癌、淋巴癌、骨癌、腦癌、頸癌和皮膚癌。
[0169]在確定納米表面增強拉曼散射的信號強度時，納米結構表面與未知物質的接近是一個非常重要的因素。在一些實施例中，納米表面增強拉曼散射中使用的納米表面結構通過化學物質或生化物質進行預處理，以協(xié)助待測物質吸附到納米表面結構上。上述抗體作為所述化學物質或生化物質的一個例子，能夠協(xié)助未知抗原吸附或結合到納米結構表面。所述化學物質或生化物質的另一個例子是抗原，能夠協(xié)助未知抗體吸附或結合到納米結構表面。一般地，基底上的納米結構或納米顆?？梢酝ㄟ^其他化學物質或生化物質處理，以協(xié)助未知物質的吸附。這些化學物質或生化物質可被吸附到納米表面，如抗體，或修飾納米表面的結合性能，納米表面未知物質的分子吸附。這些化學物質或生化物質可根據(jù)待測物質進行特殊的選擇。
[0170]本發(fā)明公開的方法和系統(tǒng)的一個優(yōu)點在于未知抗體可以以非常高的靈敏度被識另IJ。通過納米表面結構進行的拉曼光譜分析的增強，能夠明顯降低生物免疫測定中抗原識別所要求的可檢測濃度水平。
[0171]在一些實施例中，本發(fā)明公開的系統(tǒng)和方法適用于復合標記免疫測定(multiplexlabeled-1mmunoassay)。報告分子(Reporter molecules)例如苯硫酌.(thiophenol )、聯(lián)批唳類衍生物(bipyridine derivatives)和氰基卩比唳衍生物(cyanopyridine derivatives)被吸附到不同的免疫膠體金顆粒(immune-gold colloid particles)上。標記的膠體和抗原共價結合到特定覆蓋有不同抗體的檢測基底上。洗掉溶劑之后，進行表面增強拉曼散射來檢測報告分子。脫離特殊抗體基底的報告分子的拉曼信號的存在，能夠指示基底表面特定的抗原抗體對的結合，從而識別抗原。
[0172]在一些實施例中，三明治結構(a sandwich structure)主要包括吸附到基底上的抗體，以及與基底上的抗體相結合的未知抗原。具有結合的抗體及標記分子的膠體顆粒被進一步通過抗原/抗體結合作用結合至抗原上以形成三明治結構。標記分子具有特殊的拉曼信號，能夠從三明治結構的表面增強拉曼散射中被輕易的識別出來。
[0173]三明治方法通常用于大分子的檢測。小分子化合物已知僅與一個抗體結合，從而不能利用三明治結構進行檢測。在本發(fā)明中，競爭檢測方法(代替三明治方法)被用于檢測小分子化合物。
[0174]有許多小分子化合物，如獸藥、殺蟲劑、聚氯聯(lián)二苯(PCB)、及重金屬等等，在食品、環(huán)境上的、制藥上的和生物學的樣品中被觀察到。小分子化合物的競爭性納米增強拉曼免疫學測定(SERSIA)和該方法的原理如圖29所示。首先，包被抗原(如分析物載體蛋白配對)被通過吸附或交聯(lián)作用固定到SERS基底上以形成固相抗原。在標準溶液或樣品溶液中的固相抗原和被測試抗原競爭SERS標記(同時固定有SERS活性分子和抗體的納米顆粒)中有限的抗體。清洗基底后，用激光照射樣品基底并采集散射光以生成拉曼光譜。信號強度與測試中抗原的數(shù)量成反比。
[0175]已經(jīng)進行了兩項研究:基于納米顆粒的固定的固相抗原SERSIA和液體固相抗原SERSIA。
[0176]該方法涉及固相抗原的制備和表征，包括SERS基底的選擇和評估；包被抗原的制備；包被抗原在基底上的固定；固相抗原的表征；選擇封閉條件以減少特異性吸附。
[0177]SERS標記的制備和表征包括膠體金納米顆粒的制備和表征；SERS活性材料和膠體金納米顆粒交聯(lián)的形成；抗體和膠體金納米顆粒交聯(lián)的形成；SERS標記表征。
[0178]利用競爭性SERSIA進行的小分子化合物的檢測條件的優(yōu)化包括:固相抗原和SERS標記數(shù)量的選擇；溫度、濕度和免疫反應時間的選擇；緩沖液的成分、濃度、離子強度和PH的選擇；洗滌液的成分、濃度、離子強度和pH的選擇。
[0179]SERS信號測定的條件選擇包括:便攜的表面增強拉曼光譜儀多種測試條件的選擇；采集來自SERS基底的SERS信號進行測定。
[0180]SERSIA方法的表征包括:建立測定SERSIA靈敏度的標準曲線；交叉反應實驗以測定SERSIA的特異性；加標樣品實驗測定SERSIA的準確性和精度；穩(wěn)定性實驗以測定SERSIA的穩(wěn)定性。
[0181]實際樣品分析包括采集、預處理、目標分離、提取、用SERSIA測量，以測定收率。
[0182]生物免疫測定中基于納米結構的色i普法和光i普傳感檢測
[0183]在一些實施例中，上述公開的基于納米結構的光散射探針和物質檢測方適用于集成的免疫層析系統(tǒng)。
[0184]參見圖30A-31B，集成的免疫層析系統(tǒng)3100包括一底部3110，一層析板3120，一檢測膜3130和一吸附板3140。包被抗原3150沿檢測膜3130上的測試線3155包被?？乖睦影藗愄亓_、硝基呋喃、有機磷、有機氯、正對苯二酸鹽、殺蟲劑、滅鼠劑、獸藥中的物質、微毒素(microtoxin)、多氯聯(lián)苯(PCBs)、多環(huán)芳香烴(PAHs),等等。
[0185]參見圖30A和30B，標記納米結構探針3160和競爭性抗原3170被引入到層析板3120上。如圖33所示，標記納米結構探針3160通過將拉曼標記4-MBA和抗體3310固定到納米顆粒3300的表面上進行制備。標記納米結構探針3160是MBA-納米顆粒-Ab配對的形態(tài)，然后用牛血清蛋白(BSA)，一種用來減少納米顆粒上的非特異性結合位點的封閉蛋白進行處理。適用于納米顆粒的材料可包括膠體金、膠體銀、金-銀合金、金納米柱、凹陷的金納米球，等等。
[0186]參見圖30B-31B，置于層析板3120標記納米結構探針3160和競爭性抗原3170擴散至然后進入檢測膜3130。如果在標準溶液或樣品溶液中沒有競爭性抗原，標記納米結構探針3160上攜帶的抗體將大部分被檢測線3155處的檢測膜3130上固定的包被抗原3150所捕獲。相反地，對于包含分析物的標準溶液或樣品溶液，特異的抗體分子上的結合位點首先被分析物所占據(jù)，只為包被抗原3150留下較少的結合位點。因此，較少標記納米結構探針會余留在包被抗原3150附近的檢測線3155處。這樣，檢測線3155處標記納米結構探針3160的濃度就與競爭性抗原3170的濃度成反比。
[0187]圖32舉例說明了圖30A-31B中使用的納米結構探針示例和示例的抗原和包被抗原。
[0188]在標記納米結構探針3160與檢測線3155處的檢測膜3130上包被的包被抗原3150相結合后，參見圖34，激光3400被照射結合到沿檢測線3155的結合到包被抗原3150上的標記了的納米結構探針3160。散射光3410通過上述系統(tǒng)和方法進行采集和分析，用于基于納米結構的拉曼散射的物質檢測。
[0189]圖35舉例說明了利用公開的集成的免疫層析系統(tǒng)進行的基于納米結構的光散射和物質檢測的操作步驟。提供了一種集成的免疫層析系統(tǒng)3100 (如圖31A所示)。標記納米結構探針3160被引入到層析板3120上(如圖31B所示)。集成的免疫層析系統(tǒng)3100的層析板3120然后被浸入到含有競爭性抗原溶液的容器(比如塑料容器)3500中，以將競爭性抗原3170吸引到層析板3120中。位于層析板3120上的標記納米結構探針3160和競爭性抗原3170擴散至然后進入檢測膜3130。如果塑料容器3500中競爭性抗原的濃度是零，標記納米結構探針3160運載的多數(shù)抗體將被檢測線3155處的包被抗原3155捕獲；另一方面，塑料容器3500中較高濃度的競爭性抗原將使較少的標記納米結構探針被捕獲到檢測線3155處的檢測膜3130上。結合到沿著檢測線3155的包被抗原3150上的標記納米結構探針3160被用激光3400照射。散射光3410采用上述系統(tǒng)和方法進行采集和分析以用于以下具體描述的基于納米結構的拉曼散射物質檢測。
[0190]圖36顯示了競爭性抗原的濃度在10_10_6ng/ml范圍內(nèi)時，從集成的免疫層析系統(tǒng)3100獲得的拉曼散射強度。拉曼散射強度顯示在1074cm—1處的峰(MBA的拉曼信號)，該峰由于競爭性抗原與檢測抗原競爭標記納米結構探針上有限的抗體結合位點，而隨著濃度(Cin ng/ml)的增加而減弱。塑料容器3500中競爭性抗原的濃度越高，被捕獲到檢測線3155上的標記納米結構探針3160越少。
[0191]圖37顯示了目標分析物的標準曲線，例如，拉曼散射強度在1074CHT1處的峰在基線校正后是競爭性抗原(例如克倫特羅)濃度的函數(shù)。B0是在競爭性抗原濃度為零時的拉曼散射信號強度。B是在其他濃度的拉曼散射信號強度。與圖36相似，峰強度作為競爭性抗原濃度的函數(shù)減弱。圖38顯示了檢測線區(qū)域的檢測膜中不同克倫特羅濃度的照片。
[0192]圖39舉例說明了在不同制備條件下的拉曼光譜:a)具有MBA標記的免疫金納米顆粒(GNP)和對照實驗；b)無MBA標記的免疫GNP ;c)無抗體的MBA標記的GNP ;和d)沒有經(jīng)過任何處理的硝酸纖維素膜(NC膜)。可以觀察到拉曼強度在1074CHT1處的峰值，僅在MAB標記納米結構探針存在時出現(xiàn)。在沒有MBA標記或抗體結合時,在10740^1處的光譜峰是不存在的。圖39清楚的證明了觀察到的SERS信號僅來自于與抗體一起被固定在標記納米結構探針上并被檢測線3155上的包被抗原3150所捕獲的拉曼標記MBA。
[0193]圖40顯示了集成的免疫層析系統(tǒng)的拉曼散射強度峰的重復性。在每個克倫特羅濃度為0、0.01和lng/ml時，沿著檢測線3155 (圖30A-31B)的10個取樣區(qū)的拉曼峰強度被測量。標準的偏移在5.0%-5.6%之間，顯示了采用公開的集成的免疫層析系統(tǒng)的高檢測重復性。
[0194]圖41顯示了處于不同準備條件下集成的免疫層析系統(tǒng)中拉曼散射信號的特異性。可以觀察到在苯乙醇胺A (Phenylethanolamine A)、萊克多巴胺和氯霉素間幾乎沒有交叉反應，這是由于它們被用作濃度在1.0、10和100pg/mL的競爭性抗原時，SERS強度幾乎是恒定不變的。競爭性抑制僅在沙丁胺醇和克倫特羅中是明顯的，后者比前者效果更顯著。
[0195]適用于集成的免疫層析系統(tǒng)及相關方法的抗原包括多種小分子化合物，如克倫特羅、硝基呋喃、有機磷、有機`氯、正對苯二酸鹽、殺蟲劑、滅鼠劑和獸藥中的物質，如果相應的抗體是可利用的。
[0196]抗原的其他例子包括三聚氰胺、甜蜜素、環(huán)己基氨基磺酸鈉、蔗糖、淀粉、蘇丹1、I1、III和IV、孔雀石綠、甲胺磷、乙酰甲胺磷、DDT、DDV、馬拉硫磷、殺螟硫磷、溴氰菊酯、氯氰菊酯、甲基對硫磷、亞胺硫磷、甲拌磷、樂果、硝基呋喃、呋喃唑酮、氯霉素、氯四環(huán)素、氯霉素、環(huán)丙沙星、恩諾沙星、A0Z、重金屬、鉛、鎘、汞、鉻、萊克多巴胺、沙丁胺醇、青霉素、雙酚A、鄰苯二甲酸二(2-乙基己)酯、6-芐氨基嘌呤或奧喹多司，其可包括食品中的管制物質。
[0197]克他命可被化學修飾以生成p-NH2-克他命，允許它們結合到蛋白載體，例如血藍蛋白(KLH)、牛血清白蛋白(BSA)、卵白蛋白和Y -球蛋白等等。這些與克他命結合的蛋白載體具有抗原性能并能夠引發(fā)免疫反應及人或動物體中抗體的產(chǎn)生，適用于公開的系統(tǒng)和方法中的檢測抗原。
[0198]值得注意的是，上述的系統(tǒng)和方法也適用于未偏離本發(fā)明的精神所做的其他變動。該系統(tǒng)和方法適用于競爭性免疫測定和非競爭性免疫測定(例如，三明治結構方法)。在非競爭性免疫測定中，未知抗原被結合到檢測基底上的抗體位點上。然后標記的抗體被結合到抗原上形成“三明治”結構。在三明治結構上進行表面增強拉曼散射以檢測抗體/抗原對的增強光譜信號，從而鑒別出未知抗原。
[0199]盡管本發(fā)明以目前優(yōu)選的實施方式進行了描述，可以理解的是，此公開不能看作是對其限定。在閱讀以上公開內(nèi)容后，不同的變動及修飾對本領域技術人員而言無疑是顯而易見的。因此，附加的權利要求可被認為是覆蓋了落入本發(fā)明真正的精神和范圍內(nèi)的所有變動和修飾。例如，在接近或不同于上述那些光譜信號的拉曼頻移處所做的“壞的食用油”和“好的食用油”的鑒別。
【權利要求】
1.一種集成的免疫層析系統(tǒng)，包括: 一色譜層析單元，被設置用來接收標記納米結構探針，所述標記納米結構探針包含納米顆粒和吸附到納米顆粒上的抗體； 一檢測膜，包含包被抗原，其中所述色譜層析單元被設置用來使標記納米結構探針擴散穿過并進入檢測膜，所述納米顆粒上的抗體被結合到所述包被抗原上； 一激光裝置，被設置用來發(fā)射激光以照射標記納米結構探針，所述標記納米結構探針具有結合在檢測膜上的包被抗原上的抗體；以及 一光譜分析儀，被設置用來獲得來自具有結合在檢測膜上的包被抗原上的抗體的標記納米結構探針的散射光的拉曼光譜，并識別與抗體-抗原對相關聯(lián)的拉曼光譜中的光譜信號，從而實現(xiàn)抗體的檢測和識別。
2.如權利要求1所述的集成的免疫層析系統(tǒng)，其特征在于，所述色譜層析單元被設置用來接收競爭性抗原并使競爭性抗原擴散穿過并進入檢測膜，所述競爭性抗原與包被抗原競爭以結合到納米顆粒上的抗體上。
3.如權利要求1所述的集成的免疫層析系統(tǒng)，其特征在于，所述標記納米結構探針包含一附著在納米顆粒或抗體上的光譜標記。
4.如權利要求1所述的集成的免疫層析系統(tǒng)，其特征在于，所述抗原選自克倫特羅、硝基呋喃、有機磷、有機氯、正對苯二酸鹽、殺蟲劑、滅鼠劑和獸藥。
5.如權利要求1所述的集成的免疫層析系統(tǒng)，其特征在于，所述抗原選自三聚氰胺、甜蜜素、環(huán)己基氨基磺酸鈉、蔗糖、淀粉、蘇丹1、I1、III和IV、孔雀石綠、甲胺磷、乙酰甲胺磷、DDT、DDV、馬拉硫磷、殺螟硫磷、溴氰菊酯、氯氰菊酯、甲基對硫磷、亞胺硫磷、樂果、硝基呋喃、呋喃唑酮、氯霉素、金霉素、環(huán)丙沙星、克倫特羅和恩諾沙星。
6.如權利要求1所述的集成的免疫層析系統(tǒng)，其特征在于，所述納米顆粒的平均直徑為 10-100nm。
7.如權利要求1所述的集成的免疫層析系統(tǒng)，其特征在于，所述納米顆粒包含的材料選自金屬、金屬合金、氧化物、硅、復合物材料、磁性或鐵磁性材料及它們的組合，或選自Al、Ag、Au、Cu、Fe、Co、N1、Cr、Zn、Sn、Pd、Pt 以及它們的組合。
8.如權利要求1所述的集成的免疫層析系統(tǒng)，其特征在于，所述包被抗原包括克倫特羅，其中克倫特羅被結合到OVA分子上，形成OVA-克倫特羅復合體，所述OVA-克倫特羅復合體結合到檢測膜上。
9.一種利用集成的免疫層析系統(tǒng)識別抗體的方法，包括: 通過一色譜層析單元接收標記納米結構探針，所述標記納米結構探針包含納米顆粒和吸附到納米顆粒上的抗體； 使標記納米結構探針擴散穿過檢測膜，所述檢測膜包含包被抗原； 使納米顆粒上的抗體結合到包被抗原上； 通過激光照射標記納米結構探針，所述標記納米結構探針具有結合到檢測膜上的包被抗原上的抗體； 從來自標記納米結構探針的光譜分析儀的散射光中獲得拉曼光譜，所述標記納米結構探針具有結合到檢測膜上的包被抗原上的抗體； 識別與抗體一抗原對相關聯(lián)的拉曼光譜中的光譜信號，實現(xiàn)抗體的檢測和識別。
10.如權利要求9所述的利用集成的免疫層析系統(tǒng)識別抗體的方法，還包括: 通過色譜層析單元接收競爭性抗原；以及 使競爭性抗原擴散穿過檢測膜，其中所述競爭性抗原被設置用來與包被抗原競爭結合到納米顆粒上的抗體上。
11.如權利要求9所述的利用集成的免疫層析系統(tǒng)識別抗體的方法，其特征在于，所述標記納米結構探針包括附著在納米顆?；蚩贵w上的光譜標記。
12.如權利要求9所述的利用集成的免疫層析系統(tǒng)識別抗體的方法，其特征在于，所述抗原選自克倫特羅、硝基呋喃、有機磷、有機氯、正對苯二酸鹽、殺蟲劑、滅鼠劑、和獸藥。
13.如權利要求9所述的利用集成的免疫層析系統(tǒng)識別抗體的方法，其特征在于，所述抗原選自三聚氰胺、甜蜜素、環(huán)己基氨基磺酸鈉、蔗糖、淀粉、蘇丹1、I1、III和IV、孔雀石綠、甲胺磷、乙酰甲胺磷、DDT、DDV、馬拉硫磷、殺螟硫磷、溴氰菊酯、氯氰菊酯、甲基對硫磷、亞胺硫磷、樂果、硝基呋喃、呋喃唑酮、氯霉素、金霉素、環(huán)丙沙星、克倫特羅和恩諾沙星。
14.如權利要求9所述的利用集成的免疫層析系統(tǒng)識別抗體的方法，其特征在于，所述納米顆粒的平均直徑為10-100nm。
15.如權利要求9所述的利用集成的免疫層析系統(tǒng)識別抗體的方法，其特征在于，所述納米顆粒包含的材料選自金屬、金屬合金、氧化物、硅、復合物材料、磁性或鐵磁性材料及它們的組合，或選自Al、Ag、Au、Cu、Fe、Co、N1、Cr、Zn、Sn、Pd、Pt以及它們的組合。
16.如權利要求9所 述的利用集成的免疫層析系統(tǒng)識別抗體的方法，其特征在于，所述包被抗原包括克倫特羅，其中克倫特羅被結合到OVA分子上，形成OVA-克倫特羅復合體，所述OVA-克倫特羅復合體結合到檢測膜上。
17.一種物質識別方法，包括: 使抗體吸附到納米表面結構上； 引入未知抗原至納米表面結構以使未知抗原與納米表面結構上的抗體相結合； 通過激光束照射納米表面結構上相結合的未知抗原和抗體； 采集納米表面結構上相結合的未知抗原和抗體的散射光； 從納米表面結構上相結合的未知抗原和抗體的散射光中獲得拉曼光譜； 在拉曼光譜中尋找與相結合的未知抗原和抗體相關聯(lián)的拉曼信號； 基于光譜信號識別作為與納米表面結構上的抗體相匹配的抗原的未知抗原。
18.如權利要求17所述的物質識別方法，其特征在于，所述抗原選自克倫特羅、硝基呋喃、有機磷、有機氯、正對苯二酸鹽、殺蟲劑、滅鼠劑、獸藥中的物質、砷化合物和氰化物。
19.如權利要求17所述的物質識別方法，其特征在于，所述抗原選自三聚氰胺、甜蜜素、環(huán)己基氨基磺酸鈉、蔗糖、淀粉、亞硝酸鹽、硝酸鹽、蘇丹1、I1、III和IV、孔雀石綠、甲胺磷、乙酰甲胺磷、DDT、DDV、馬拉硫磷、殺螟硫磷、溴氰菊酯、氯氰菊酯、甲基對硫磷、亞胺硫磷、樂果、硝基呋喃、呋喃唑酮、氯霉素、金霉素、環(huán)丙沙星、克倫特羅和恩諾沙星。
20.如權利要求17所述的物質識別方法，還包括:基于與疾病相關聯(lián)的未知抗原的識別診斷人體疾病。
21.如權利要求20所述的物質識別方法，其特征在于，反應物包括來自人體的體液。
22.如權利要求20所述的物質識別方法，其特征在于，所述疾病選自癌癥、哮喘、敏感癥、肝硬化、腎衰、白血病、阿爾茨海默氏病、帕金森氏病、糖尿病、煙癮癥、關節(jié)炎、心血管病、SARS、流感和HIV。
23.如權利要求17所述的物質識別方法，其特征在于，所述未知抗原包括違禁藥物物質，選自海洛因、脫氧麻黃堿、古柯堿、咖啡因、嗎啡、可待因、安非他明、麻黃素、罌粟堿、那可汀、克他命和MDMA。
24.如權利要求17所述的物質識別方法，其特征在于，所述未知抗原包括蛋白載體和結合到蛋白載體上的未知物質的分子，其中蛋白載體的識別致使未知物質的識別。
25.如權利要求24所述的物質識別方法，其特征在于，所述未知物質包括克他命或氟乙酰胺。
26.如權利要求17所述的物質識別方法，其特征在于，所述未知抗原從食品中提取。
27.如權利要求17所述的物質識別方法，還包括在采集納米表面結構的散射光時，施加電場、磁場或電磁場到所述納米表面結構。
28.如權利要求17所述的物質識別方法，其特征在于，所述納米表面結構包括平均直徑為1-1OOOnm的納米顆粒。
29.如權利要求28所述的物質識別方法，其特征在于，所述納米顆粒包含的材料選自金屬、金屬合金、氧化物、硅、復合物材料、磁性或鐵磁性材料及它們的組合，或選自Al、Ag、Au、Cu、Fe、Co、N1、Cr、Zn、Sn、Pd、Pt 以及它們的組合。
30.如權利要求17所述的物質識別方法，其特征在于，所述納米表面結構在基底上形成。
31.如權利要求30所述的物質識別方法，其特征在于，所述納米表面結構包括在基底上表面形成的突起或立柱，其中相鄰的突起或立柱平均直徑為10-1000nm。
32.如權利要求30所述的物質識別方法，其特征在于，所述納米表面結構包括在基底上表面形成的凹陷或孔隙。相鄰凹陷或孔隙的平均直徑為10-1000nm。
33.一種物質識別方法，包括: 將預處理的化學物質或生化物質施加到納米表面結構； 引入包含未知物質的反應物到納米表面結構，使未知物質的分子在預處理的化學物質或生化物質的協(xié)助下吸附到納米表面結構； 利用激光束照射吸附有未知物質的分子的納米表面結構； 采集由吸附有未知物質的分子的納米表面結構的散射光； 從吸附有未知物質的分子的納米表面結構的散射光獲得拉曼光譜； 尋找拉曼光譜中與未知物質相關聯(lián)的光譜信號；以及 利用光譜信號識別反應物中的未知物質。
34.如權利要求33所述的物質識別方法，其特征在于，所述抗原包括蛋白載體和結合到蛋白載體上的未知物質的分子，所述方法還包括: 根據(jù)光譜信號識別蛋白載體，其中未知物質的識別是根據(jù)蛋白載體的識別進行的。
35.如權利要求34所述的物質識別方法，其特征在于，所述未知物質包括克他命或氟乙酰胺。
36.如權利要求33所述的物質識別方法，其特征在于，所述預處理的化學物質或生化物質包括被設置用來吸附到納米表面結構表面上的抗體，所述未知物質是與抗體相匹配的抗原，所述光譜信號與吸附到納米表面結構上的抗原一抗體對相關聯(lián)。
37.如權利要求33所述的物質識別方法，其特征在于，所述預處理的化學物質或生化物質包括被設置用來吸附到納米表面結構表面上的抗原，所述未知物質是與抗原相匹配的抗體，所述光譜信號與吸附到納米表面結構上的抗原一抗體對相關聯(lián)。
38.如權利要求33所述的物質識別方法，其特征在于，所述納米表面結構包括平均直徑為1-1OOOnm的納米顆?；蛟诨咨闲纬傻募{米結構。
【文檔編號】G01N21/65GK103698510SQ201310688128
【公開日】2014年4月2日 申請日期:2013年12月16日 優(yōu)先權日:2012年12月21日
【發(fā)明者】汪泓, 郭潯, 劉春偉, 鄧安平, ?；? 申請人:歐普圖斯(蘇州)光學納米科技有限公司