[发明专利]基于双波长光纤干涉法探测纳米微粒尺度的方法及装置

说明书

技术领域

本发明涉及一种纳米微粒尺度的探测方法，尤其涉及一种基于高分辨率双波长光纤干涉法探测纳米微粒尺度的方法及装置。

背景技术

当前，微流控芯片集成了微光学和电子技术，已经成为微型医学诊断和生物传感器件的最重要发展方向。许多早期的技术如细胞分类或计数，DNA分离和病理诊断等都通过微流控技术而获得小型化。随着微流控芯片中各个功能部件的技术在过去十年中日益成熟，基于微流控的Lab-on-a-chip不断在挑战各类医学诊断和疾病检测方法难以解决的复杂功能，如细胞级别的检测，各类疾病病源体筛选、药物筛选以及基础生物的研究。

鉴于生物试样包含可能的微粒种类极为繁多，如人体血液蛋白质组包含了超过10，000种的蛋白质，许多可能涉及到人体的健康和疾病，而在患者样本中发现这些蛋白质最为需要的是无标记（non-labeled）直接检测方法。在尺度上看，从细菌细胞的0.5-5μm，到小至20nm的病毒。纳米级别的识别是高效率实施智能判断，实现病源体自动分析和医学诊断等各类生物功能的前提条件。其中，最为直接的辨别是探测微生物外形尺寸，从而可在微钠流控芯片中实现分类，例如启动激光束将该微粒推送至分叉流道中。

在无标记（如荧光标记，金纳米粒子等）的直接检测方面，近年来国际上投入大量资源对纳米微粒尺度探测这一课题进行研究，代表性成果有：1）基于回音壁微腔（whispering-gallery mode microcavity）探测器，2010年Nature报道的超高品质因数（Q）回音壁模式微腔能够实时检测小至30nm半径纳米粒子；当单个纳米粒子落在微腔外表面时对微腔内回音壁循环模式造成扰动，而导致模式分裂，形成两个频谱偏移的谐振模式，形成具有自我参照的检测方案。这种探测机理以硅或石英材料的微腔的高Q值提供了优越的噪声抑制，并使设备微型化成为可能。2）另一非常具有竞争力的方法是由Rochester Univ.光学学院提出的基于纳米微粒弹性散射的直接光学探测方法，该方法是基于干涉测量电磁场的散射光的振幅，利用纳流控通道与光学干涉的组合，并构建两个相邻的、完全相同的Michelson干涉光路，当检测纳米粒子通过干涉光路时，纳米微粒散射光对两干涉光场振幅造成差异信号，其幅度与纳米微粒的大小相关联。此方法成功获得人类流感H3N2的X31病毒（～80nm）与100nm的聚苯乙烯小珠混合物的分离记数信号，证明其实用性和从混合物中识别不同人类病毒的可能性，并且所得到的信号具有在1ms时间间隔内对单一病毒逐个记录的特点。3）最近在单个大分子的光学检测中也获得了一系列突破，如2011Nature Photonics Letter报道的在室温下基于光学吸收的单分子观察。该实验通过显微物镜聚焦后的两束重合的、不同波长的激光构成pump-probe的透射显微谱研究装置，同样采用配对光电探测器，在散粒噪声限制的条件下，首先将本底光噪声的涨落控制于10－7以下，从而通过扫描样品观察到相对强度变化在10－6级别的单分子吸收，获得对单分子吸收的辨认。值得注意的是：光束的聚焦并没有超越衍射极限，光斑尺寸依然受限于数百纳米，而稀释后的分子样品中单分子的响应清晰可辨，其结果给纳米微粒的探测提供了强烈的可行性支持。4）应用相位调制解调光干涉（PGC）原理获得了沉积在双层干涉基板上的山羊抗小鼠IgG，山羊抗兔IgG抗体和牛血清白蛋白（BSA）的互相分辨。

对目前的探测方法分析可见，回音壁模式微腔探测器虽然依赖于高Q值可获得较高灵敏度，但是其探测必须当纳米微粒接触微腔表面时才能有效，本质上不是非侵入性(non-invasive)的探测，而且当数个微粒同时沉积于微腔表面时，所探测到的信号在强度和频谱上都难以与微粒数目或积累的微粒尺度建立相关性。

而从Lab-on-a-chip的实际需求分析，可靠地识别微纳流道中数量巨大的非标签生物微粒，理想的探测系统必须具备以下特点:

1、非侵入性，在没有物理接触的条件下对其尺度实现探测，并对微粒的深度位置不敏感，微粒在流道中通过后即获得尺寸数据。一个类比是光学粒子计数法(OPC，optical particle counter)，但OPC的散射强度探测法受限于微粒散射功率，效率截止于直径为300-400nm；对此，目前有希望的解决方案是采用散射光振幅和相位的探测方法。