一种用于编解码的微球及其编解码方法、解码系统的制作方法
【专利摘要】本发明公开了一种用于编解码的微球及其编解码方法、解码系统。编解码方法包括以下步骤：S1，将多种含金属元素的纳米材料分别复合到微球中，形成多种微球；S2，采用脉冲宽度为纳秒级，单脉冲能量大于100mJ的脉冲激光对一个待测微球进行激光诱导击穿；S3，接收所述待测微球被诱导激发后发出的等离子体辐射光谱；S4，在所述等离子体辐射光谱中遍历谱峰，与标准原子光谱的标准谱峰数据进行比对，将数据吻合的参考元素判定为微球内纳米材料含有的金属元素，确定所述待测微球为相应金属元素的微球。本发明的用于编解码的微球及其编解码方法、解码系统，编解码过程准确性高、稳定性好。
【专利说明】
一种用于编解码的微球及其编解码方法、解码系统【
技术领域
】
[0001]本发明涉及生物检测技术领域，特别是涉及一种用于编解码的微球及其编解码方法、解码系统。【【背景技术】】
[0002]生物芯片(b1chip)技术是融微电子学、生命科学、计算机科学和光电化学为一体的高通量生物分子检测技术，是生命科学领域的一场重大革命。传统形式的生物芯片技术又称为微阵列(microarray)技术，其原理是将已知序列的生物分子(DNA、RNA、多肽、蛋白质等)集成于固体表面形成探针阵列，用被标记的待检测生物分子与上述探针阵列进行杂交反应，通过检测相应位置的杂交探针，实现生物分子检测的目的。传统生物芯片杂交属于固-液相杂交，其分立的固_液反应环境及洗涤因素使其在检测灵敏度及稀有样品的检测中显现出不足之处。在传统生物芯片技术的基础上已发展出了液相生物芯片(Liquid b1chip)技术。
[0003]目前，在生物芯片中，微球的编码载体主要有焚光编码微球、量子点编码微球、光子晶体编码颗粒、纳米条形码编码微球、胶体条编码等。最常用的是基于荧光的编码方法。 基本方法是在微球表面接枝有机荧光染料或在微球中包裹荧光量子点，形成荧光微球。通过对微球进行短波激发，微球就可以发射出荧光。通过包裹不同的荧光物质或者不同荧光物质的组合，就可以利用得到的微球荧光光谱对微球进行辨别完成编码。该方案中，受荧光本身的特性所限，使得编码的准确度和稳定性、抗干扰能力受到一定限制。【
【发明内容】
】
[0004]本发明所要解决的技术问题是:弥补上述现有技术的不足，提出一种用于编解码的微球及其编解码方法、解码系统，编解码过程准确性高、稳定性好。
[0005]本发明的技术问题通过以下的技术方案予以解决:
[0006]—种微球的编解码方法，包括以下步骤:S1，将多种含金属元素的纳米材料分别复合到微球中，形成多种微球;S2,采用脉冲宽度为纳秒级，单脉冲能量大于100mJ的脉冲激光对一个待测微球进行激光诱导击穿；S3,接收所述待测微球被诱导激发后发出的等离子体辐射光谱;S4，在所述等离子体辐射光谱中遍历谱峰，与标准原子光谱的标准谱峰数据进行比对，将数据吻合的参考元素判定为微球内纳米材料含有的金属元素，确定所述待测微球为相应金属元素的微球。
[0007]优选的技术方案中，
[0008]步骤S1中，通过溶胀法将含金属元素的纳米材料复合到微球中，复合前将金属元素的纳米材料使用表活剂进行同类表面修饰。
[0009]还包括如下步骤:分别用所述脉冲激光对同一批次复合的多个微球进行激光诱导击穿；分别接收所述同一批次的多个待测微球被脉冲激光激发后发出的等离子体辐射光谱;将多个所述等离子体辐射光谱进行谱峰遍历后作为判定数据，与所述标准谱峰数据进行比对。
[0010]步骤S4中，遍历波长谱峰，与标准波长谱峰数据进行对比。
[0011]所述纳米材料中包含至少两种金属元素。
[0012]所述金属元素为钠、镁、银、铜、锌中的一种或者多种的组合。
[0013]所述纳米材料为银纳米材料、氧化亚铜纳米材料、氧化镁纳米材料或氧化锌纳米材料。
[0014]本发明的技术问题通过以下进一步的技术方案予以解决:
[0015]—种用于如上所述的编解码方法的微球，所述微球上复合有含金属元素的纳米材料。
[0016]一种微球的解码系统，包括脉冲激光源、扩束器、第一透镜、第二透镜、第三透镜、 光纤、色散装置、线阵光电探测器和处理单元;所述脉冲激光源用于产生脉冲宽度为纳秒级，单脉冲能量大于100mJ的脉冲激光，经所述扩束器扩束后，通过所述第一透镜聚焦照射到一个待测微球进行激光诱导击穿，所述待测微球被脉冲激光诱导激发后发出的光辐射信号经过所述第二透镜准直、所述第三透镜聚焦后，耦合到所述光纤中；所述光纤用于将所述光辐射信号传输到所述色散装置，经过所述色散装置后被所述线阵光电探测器接收，得到激光诱导击穿产生的等离子体辐射光谱;所述处理单元用于在所述等离子体辐射光谱中遍历谱峰，与标准原子光谱的标准谱峰数据进行比对，将数据吻合的参考元素判定为微球内纳米材料含有的金属元素，确定所述待测微球为相应金属元素的微球。[〇〇17]优选地，还包括扫描装置;所述扫描装置用于对所述扩束器出射的激光进行扫描移动传输到所述第一透镜。
[0018]本发明与现有技术对比的有益效果是:
[0019]本发明的微球的编解码方法，将金属元素复合到微球上，利用一定能量密度的脉冲激光激发微球进行激光诱导击穿，从而利用元素原子的等离子体辐射光谱，根据等离子辐射光谱对比标准原子光谱判断相应金属元素的有无，确定待测微球的种类。编码过程中， 可以利用丰富的金属元素材料及其组合进行微球编码，实现高通量检测，且利用原子谱峰不受化学状态、物理形态和其他外界作用影响的特点提供更加稳定的编码信号，使得编码解码更准确，稳定性好，抗干扰能力强。解码时，通过激光诱导击穿产生的等离子辐射光谱进行解码，等离子辐射光谱的谱峰为线性谱峰，不存在光谱重叠问题，从而提高了解码准确性，同时解放了编码的光谱空间限制，提高了编码潜力。本发明的微球的编解码方法，可以采用安全无毒的材料进行编码，对生物分子无毒害作用；制备、运输和保存过程更加简单、 安全，降低了微球编码的成本，在生物医学分析和临床诊断中具有很好的应用前景。【【附图说明】】
[0020]图1是本发明【具体实施方式】中的复合纳米银的微球受激发后的光谱波形图；
[0021]图2是本发明【具体实施方式】中的复合纳米氧化亚铜的微球受激发后的光谱波形图；[〇〇22]图3是本发明【具体实施方式】中的复合纳米氧化镁的微球受激发后的光谱波形图； [〇〇23]图4是本发明【具体实施方式】中的复合纳米氧化锌的微球受激发后的光谱波形图；
[0024]图5是将图1?4中的光谱波形归一化后放在同一个坐标系中的波形图；
[0025]图6是本发明【具体实施方式】中的微球的解码系统的结构示意图。【【具体实施方式】】
[0026]下面结合【具体实施方式】并对照附图对本发明做进一步详细说明。
[0027]本发明的构思是:对已有的微球编码方案进行深入研究，荧光编码技术基于荧光发光光谱，从而有多方面的局限性:(1)无论是荧光染料微球还是量子点微球，受限于荧光的发光原理，发射光的谱峰宽度都较宽，在多组分检测中容易导致信号重叠，从而直接影响芯片的编码潜力；(2)荧光的编码和解码依赖于光谱的波形，这在制备过程中要求同类微球拥有同样的荧光强度，而不同类微球要具备足够的可区分度，给制备工艺提出了较高的要求；(3)由于对荧光波形的高度依赖，解码过程也需要较为精细的强度拟合和分析方法，提高了编码的难度；(4)荧光染料的发光性能易受外界因素影响，给编码的稳定性带来威胁。 基于上述分析，本发明考虑从光谱波形方面进行改进，提出原子光谱编码的概念，将激光诱导击穿产生等离子体光谱和生物芯片编码这两个跨度较大的技术领域相结合。在荧光编码的过程中，光谱的重叠和过大的半高宽是制约编码性能的主要因素，从光谱学角度来说，减小半高宽，减少光谱重叠是重要的优化方向。在寻找适合条件的光谱的过程中，最终发现激光诱导击穿产生的等离子体光谱可以非常完美地满足需求，解决荧光编码过程中存在的多方面的局限性。
[0028]本【具体实施方式】中，一种微球的编码方法包括以下步骤:
[0029]S1，将多种含金属元素的纳米材料分别复合到微球中，形成多种微球。
[0030]该步骤中，使用各种合成方法将含有金属元素的纳米材料合成到微球。例如，可将钠、镁、银、铜、锌中的一种或者多种的金属元素复合到微球上。本【具体实施方式】中，分别将四种纳米材料复合到微球上。四种材料分别为银、氧化亚铜、氧化镁和氧化锌纳米材料。合成时有多种方法可供选择，优选地，通过溶胀法将含金属元素的纳米材料复合到微球中，复合前将金属元素的纳米材料使用表活剂进行同类表面修饰。通过表活剂表面修饰，可使纳米材料在溶剂中稳定性相似，从而通过溶胀法复合到微球时，可均勾稳定地合成到微球上。 [0031 ]纳米材料中可包括一种金属元素，也可包含至少两种金属元素。优选地，纳米材料中包含至少两种金属元素。这样，合成步骤中金属元素的种类越多，可获得的编码组合也越多。具体地，元素有2种时，可以获得3种编码组合;3种元素可以获得7种编码组合。依次类推，n种元素可以获得2n-l种编码组合，编码组合可实现指数级增长，满足高通量检测需求。 [〇〇32]S2,采用脉冲宽度为纳秒级，单脉冲能量大于100mJ的脉冲激光对一个待测微球进行激光诱导击穿。
[0033]上述脉冲激光，相对普通激光具有更高的能量密度，从而可激发微球进行激光诱导击穿产生等离子体光谱。本【具体实施方式】中入射激光脉冲宽度为10纳秒级，单脉冲能量大于100mJ。[〇〇34]S3,接收所述待测微球被诱导激发后发出的等离子体辐射光谱。
[0035]S4,在所述等离子体辐射光谱中遍历谱峰，与标准原子光谱的标准谱峰数据进行比对，将数据吻合的参考元素判定为微球内纳米材料含有的金属元素，确定所述待测微球为相应金属元素的微球。[〇〇36]对于某种待测的微球，使用脉冲激光对微球进行激发，微球表面形成等离子体，采集等离子体辐射可以获得待测微球上金属元素的原子光谱。本【具体实施方式】中，四种纳米材料的微球经过脉冲激光激发后的激光诱导击穿等离子体光谱波形图分别如图1、2、3、4。 图5中将四种类型的微球激光诱导击穿光谱进行归一化后叠加到同一张图，A、B、C、D分别为复合了银、氧化亚铜、氧化镁和氧化锌纳米粒子的微球的等离子体激发谱线。从图1?5可以清晰地看到四种材料的微球对应的谱峰之间清晰可辨，从而能极大地提高编码的准确性。 由于原子光谱的波长_光强谱线的线性特征，原子光谱的谱峰极窄，可以使用读图软件直接读出谱峰波长数据。通过遍历多种金属元素的原子光谱就可以判定相应金属元素的有无， 从而判断微球中金属元素材料的有无，进而对微球做出区分。
[0037]本【具体实施方式】中，选用了银、氧化亚铜、氧化镁和氧化锌四种纳米粒子作为特征元素材料合成供编码的微球。除去基底和部分连续辐射的干扰，通过遍历得到等离子体辐射光谱的谱峰数据，与标准原子光谱的谱峰数据进行比对，发现数据吻合良好，将数据吻合的参考元素判定为微球内纳米材料含有的金属元素，从而判断待测微球为相应金属的微球。当然，如前述复合时复合的是其它种类的金属，此处即对应对比其它种类的标准原子光谱。每种元素的原子光谱都是标准可获取的。
[0038]优选地，本【具体实施方式】中，分别用所述脉冲激光对同一批次复合的多个微球进行激光诱导击穿;分别接收所述同一批次的多个待测微球被脉冲激光激发后发出的等离子体辐射光谱;将多个所述等离子体辐射光谱进行谱峰遍历后作为判定数据，与所述标准谱峰数据进行比对。对同一批次的多个微球进行激光诱导击穿，同一批次的金属种类相同，从而获取的等离子辐射光谱波形较接近，从而遍历谱峰后获取的判定数据更精确，使得解码更为精确。[〇〇39]本【具体实施方式】中，通过复合金属元素到微球上构成编码微球。激发微球产生等离子体辐射光谱，通过分析等离子体辐射光谱与标准原子光谱实现解码。由于激光诱导击穿光谱谱线波长具有很强的稳定性，在生物化学反应中可以保证优异的准确性;激光诱导击穿光谱谱峰为线性谱峰，很大程度上解决了荧光编码中存在的光谱重叠问题，提高了准确性，解放了编码的光谱空间限制，从而提高了编码潜力;激光诱导击穿光谱微球的编码数目可以通过增加材料元素种类获得指数级的增长，可以满足高通量检测需求;激光诱导击穿光谱编码中的解码过程更加简单，只需要读取激光诱导击穿光谱峰值并从原子光谱数据库中索引出相应元素即可完成识别；由于物理化学作用对激光诱导击穿光谱谱峰影响不大，而相对而言荧光微球容易受到外界影响而发生淬灭导致效果失常，所以相较于荧光微球，激光诱导击穿光谱微球的保存和使用都更加方便。在生物医学分析和临床诊断中，量子点微球的封装失当导致的量子点泄露可能会对生物分子产生毒害作用，而激光诱导击穿光谱由于使用材料的广泛性，可以采用一些无毒元素进行利用，很好地规避毒害问题。
[0040]如图6所示，为本【具体实施方式】中的编码微球的解码系统的结构示意图，解码系统包括:激光源1、扩束器2、扫描装置3、第一透镜4、第二透镜5、第三透镜6、光纤、色散装置7、 线阵光电探测器8、处理单元10。待测的微球置于工作台9上。
[0041]激光源1发出的激光经过扩束器2的扩束后、通过第一透镜4的聚焦后照射到工作台9上的某个待测微球，微球即被激发而产生等离子体辐射光谱。待测微球被激光激发发出的等离子体辐射经过第二透镜5的准直后，透过第三透镜6聚焦后耦合进入光纤，通过色散装置7的作用后被线阵光电探测器8接收，从而获得激光诱导击穿的等离子辐射光谱。处理单元10对等离子辐射光谱遍历谱峰后获取谱峰数据，与标准原子光谱的标准谱峰数据进行比对，将数据吻合的参考元素判定为微球内纳米材料含有的金属元素，确定所述待测微球为相应金属元素的微球。由于等离子体衰变快寿命短，需要在激发后立即采集，因而采用外触发模式，激光源1发射脉冲时同步输出触发信号，对线阵光电探测器8进行触发采集。
[0042]优选地，解码系统还包括扫描装置。扫描装置3对从扩束器2出射的激光进行移动， 进而使激光经过第一透镜4的聚焦之后移动到工作台9上的不同微球上，从而可以对检测平台上的不同微球进行照射，据此可以快速分析多个微球。
[0043]本【具体实施方式】中的编码微球的解码系统，通过激光诱导击穿光谱进行解码，解码过程更加简单，只需要读取激光诱导击穿光谱峰值数据并从原子光谱数据库中索引出相应元素即可完成识别。等离子辐射光谱光强高，检测便捷，从中获取的波长信息不受外界干扰，稳定性好。
[0044]以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下做出若干替代或明显变型，而且性能或用途相同，都应当视为属于本发明的保护范围。
【主权项】
1.一种微球的编解码方法，其特征在于:包括以下步骤:SI，将多种含金属元素的纳米 材料分别复合到微球中，形成多种微球;S2，采用脉冲宽度为纳秒级，单脉冲能量大于lOOmJ 的脉冲激光对一个待测微球进行激光诱导击穿；S3,接收所述待测微球被诱导激发后发出 的等离子体辐射光谱;S4，在所述等离子体辐射光谱中遍历谱峰，与标准原子光谱的标准谱 峰数据进行比对，将数据吻合的参考元素判定为微球内纳米材料含有的金属元素，确定所 述待测微球为相应金属元素的微球。2.根据权利要求1所述的微球的编解码方法，其特征在于:步骤S1中，通过溶胀法将含 金属元素的纳米材料复合到微球中，复合前将金属元素的纳米材料使用表活剂进行同类表 面修饰。3.根据权利要求1所述的微球的编解码方法，其特征在于:还包括如下步骤:分别用所 述脉冲激光对同一批次复合的多个微球进行激光诱导击穿;分别接收所述同一批次的多个 待测微球被脉冲激光激发后发出的等离子体辐射光谱;将多个所述等离子体辐射光谱进行 谱峰遍历后作为判定数据，与所述标准谱峰数据进行比对。4.根据权利要求1所述的微球的编解码方法，其特征在于:步骤S4中，遍历波长谱峰，与 标准波长谱峰数据进行对比。5.根据权利要求1所述的微球的编解码方法，其特征在于:所述纳米材料中包含至少两 种金属元素。6.根据权利要求1所述的微球的编解码方法，其特征在于:所述金属元素为钠、镁、银、 铜、锌中的一种或者多种的组合。7.根据权利要求1所述的微球的编解码方法，其特征在于:所述纳米材料为银纳米材 料、氧化亚铜纳米材料、氧化镁纳米材料或氧化锌纳米材料。8.—种用于权利要求1?7任一项所述的编解码方法的微球，其特征在于:所述微球上 复合有含金属元素的纳米材料。9.一种微球的解码系统，其特征在于:包括脉冲激光源、扩束器、第一透镜、第二透镜、 第三透镜、光纤、色散装置、线阵光电探测器和处理单元;所述脉冲激光源用于产生脉冲宽 度为纳秒级，单脉冲能量大于l〇〇mJ的脉冲激光，经所述扩束器扩束后，通过所述第一透镜 聚焦照射到一个待测微球进行激光诱导击穿，所述待测微球被脉冲激光诱导激发后发出的 光辐射信号经过所述第二透镜准直、所述第三透镜聚焦后，耦合到所述光纤中；所述光纤用 于将所述光辐射信号传输到所述色散装置，经过所述色散装置后被所述线阵光电探测器接 收，得到激光诱导击穿产生的等离子体辐射光谱;所述处理单元用于在所述等离子体辐射 光谱中遍历谱峰，与标准原子光谱的标准谱峰数据进行比对，将数据吻合的参考元素判定 为微球内纳米材料含有的金属元素，确定所述待测微球为相应金属元素的微球。10.根据权利要求9所述的微球的解码系统，其特征在于:还包括扫描装置;所述扫描装 置用于对所述扩束器出射的激光进行扫描移动传输到所述第一透镜。
【文档编号】G01N21/71GK106053432SQ201610387277
【公开日】2016年10月26日
【申请日】2016年6月1日
【发明人】何永红, 何清华, 孙树清
【申请人】清华大学深圳研究生院