一种基于光微流激光逻辑门的数字化检测方法

1.本发明属于传感器技术领域，具体涉及一种基于光微流激光逻辑门的数字化检测方法，实现一次性、快速和宽门限范围的生化分析。
技术背景
2.生物分子逻辑门是利用生化反应在分子水平实现布尔逻辑运算的基本单元，在生化检测、生物医学研究等方面有着重要意义。各类疾病、生物标志物等之间的关系可通过生物分子水平的逻辑运算建立联系，实现数字化信息处理和智能诊断。目前，提取生物学信号的手段主要有荧光、比色法、电化学方法等。特别地，在荧光法中，采用荧光强度作为输出，方法简单，但由于荧光的信号较弱，具有信噪比低、门限范围窄、难以判别输出等缺点。基于比色法的光学信号提取方法，具有操作简便、成本低、检测速度快的优点，但其灵敏度通常较低，从而难以区分输出信号。


技术实现要素：

3.针对传统数字化检测中存在的信噪比低、门限范围窄等问题，本发明提出了一种基于光微流激光逻辑门的数字化检测方法。本发明利用dna结构折叠和解离的可逆转变特性，将dna作为信号转换元件，结合fret(荧光共振能量转移)和光学微腔，实现对一种分析物的定量检测或多种分析物的定性检测。本发明方法具有一次性、快速响应、门限范围宽、操作简单、免洗等特点。
4.一种基于光微流激光的检测方法，用于实现对待测样品的定量检测，其特征在于，包括以下步骤：
5.s1.将含有分析物的标准品按照浓度梯度进行稀释，得到不同浓度的稀释样品。
6.s2.将不同浓度的稀释样品分别与两边荧光标记的单链dna溶液混合均匀，然后将混合溶液通入光学微腔，利用激光fret效应和受激响应的dna链折叠和解离特性，将供体能量转移给受体，检测并记录不同浓度的稀释样品产生的受体激光强度，绘制标准曲线。
7.s3.将待测样品与所述两边荧光标记的单链dna溶液混合均匀后通入光学微腔，将测得的受体激光强度与标准曲线进行比对，得到待测样品中分析物的具体浓度。
8.所述分析物为能够使dna结构产生解离和折叠的离子、小分子蛋白质、多肽等。
9.一种基于光微流激光逻辑门的数字化检测方法，其特征在于，用于实现对待测样品中的多种分析物的定性检测；具体地，包括以下步骤：
10.s1.确定目标分析物，所述目标分析物为能够使dna结构产生折叠或解离的离子、小分子蛋白质或多肽等。
11.s2.根据目标分析物与dna结构产生折叠和解离的特性，构建光微流激光逻辑门作为信号转换元件。
12.s3.将两边荧光标记的单链dna溶液通入光学微腔，检测得到原始受体激光强度。
13.s4.将待测样品与两边荧光标记的单链dna溶液混合均匀得到第一混合溶液，将第
一混合溶液通入光学微腔，检测得到第一受体激光强度。
14.s5.比较原始受体激光强度和第一受体激光强度的激光强度变化，确定待测样品中是否含有目标分析物。
15.进一步地，所述单链dna结构为i-基元dna结构、g-四链体dna结构、holliday dna结构或四面体dna结构。
16.进一步地，所述光微流激光逻辑门包括逻辑与门、逻辑禁门、逻辑非门、逻辑或门等。
17.dna结构具有折叠和解离的可逆转变特性，对不同的分析物(离子、小分子蛋白质、多肽等)具有的不同响应，即dna空间构象产生不同的变化。基于该原理，两边荧光标记的单链dna溶液在加入分析物后，引起dna两端标记的供体-受体分子间空间距离发生变化，使fret转换效率发生改变，引起fret激光输出变化。将光微流激光作为输出信号，光微流激光逻辑门作为信号转换元件，实现了数字化的生物检测。本发明利用激光信噪比高、光和物质相互作用强、阈值行为的特点，使激光输出强度的分辨率更高，解决了传统荧光数字化检测中门限范围窄的问题，实现了对分析物的一次性、快速和宽门限范围的数字化检测。
附图说明
18.图1为本发明实施例中的检测装置示意图。
19.图2为dna结构折叠和解离的可逆转变特性示意图。
20.图3为本发明实施例中dna结构对不同分子的响应曲线。
21.图4为本发明实施例提供的基于光微流激光逻辑门的数字化检测结果图。
具体实施方式
22.下面结合附图以及实施例对本发明技术方案做进一步阐述。
23.实施例1：本实施例提供了一种光微流激光的检测装置，包括泵浦光源i模块、样品检测模块ii和信号收集处理模块iii三个部分，如图1所示。所述泵浦光源模块i包括：光参量振荡器(1)、分束镜(2)、第一小孔光阑(3)、能量探头(4)、第二小孔光阑(5)和柱面透镜(6)；所述样品检测模块ii包括：薄壁空心光纤(7)和微型支撑槽(8)；所述信号收集处理模块iii包括：收集元件(9)、探测光纤(10)、光谱仪(11)、计算机(12)。
24.所述光参量振荡器(1)输出脉冲泵浦光，利用分束镜(2)对脉冲泵浦光进行分束，其中一束通过第一小孔光阑(3)进入能量探头(4)用于实时监测能量，另一束通过第二小孔光阑(5)对脉冲泵浦光进行空间滤波和光束整形，然后经柱面透镜(6)会聚，再垂直入射到薄壁空心光纤(7)上；所述薄壁空心光纤(7)通过微型支撑槽(8)支撑并固定，所述薄壁空心光纤(7)中通入溶液；所述收集元件(9)收集激光信号，然后用探测光纤(10)将其与光谱仪(11)连接，使得光谱仪的输出信号传输至计算机(12)，检测得到受体激光强度。
25.实施例2：基于实施例1的检测装置，结合光学微腔和荧光共振能量转移(fret)，对本发明的dna结构折叠和解离的可逆转变特性进行进一步地阐述。
26.以两边标记cy3和cy5的单链i-motif dna结构为例，其中cy3为供体，cy5为受体。如图2所示，将单链dna溶于ph 7.4的磷酸缓冲液中，得到20μm的单链dna溶液，通入薄壁空心光纤内检测并记录cy5受体激光强度。向上述溶液中加入agno3，混合均匀后，通入薄壁空
心光纤内检测并记录cy5受体激光强度。继续向上述溶液中加入谷胱甘肽(gsh)溶液，混合均匀后，通入薄壁空心光纤内检测并记录cy5受体激光强度。继续向上述溶液中加入agno3溶液，通入薄壁空心光纤内检测并记录cy5受体激光强度。重复上述步骤，实现激光输出强度的循环调控。
27.实施例3：基于实施例1的检测装置和实施例2的原理，本实施例提供了一种基于光微流激光的检测ag
+
的方法，将不同浓度的ag
+
与两边标记cy3和cy5的ssdna溶液混合，得到20μm的dna-ag
+
混合溶液。ag
+
的加入使ssdna不断折叠，直至全部ssdna转变为i-基元dna，继续加入ag
+
不再使dna折叠，而产生荧光猝灭，使受体激光强度下降。绘制的ssdna对ag
+
响应的标准曲线如图3(a)所示，当ag
+
浓度为256μm时，可使20μm的ssdna完全折叠，受体激光强度达到最强；当ag
+
浓度为4μm-256μm时，cy5激光强度与ag
+
浓度呈线性关系。将待测样品与ssdna溶液混合均匀，检测cy5受体激光强度，与标准曲线进行比对，得到待测样品中ag
+
浓度。
28.实施例4：本实施例提供了一种基于光微流激光的检测gsh的方法，与实施例3检测ag
+
的方法相同，首先绘制i-基元dna对gsh响应的标准曲线，如图3(b)所示，随着gsh浓度的增加，cy5激光强度不断下降；gsh浓度为0μm时，对应于完全折叠的i-基元dna状态；当gsh浓度为4μm-320μm时，cy5激光强度随gsh浓度呈线性变化趋势。将待测样品与i-基元dna溶液混合均匀，检测cy5受体激光强度，与标准曲线进行比对，得到待测样品中gsh浓度。
29.实施例5：本实施例提供了一种基于光微流激光的检测ph值的方法，与实施例3检测ag
+
的方法相同，首先绘制i-基元dna对h
+
响应的标准曲线，如图3(c)所示，cy5激光强度随着ph的降低，先缓慢增加，当ph值达到6.2后，迅速增大。结果表明，基于i-基元dna的光微流激光检测方法可实现ph为5.8-7.4的检测。将待测样品与单链dna溶液混合均匀，检测cy5受体激光强度，与标准曲线进行比对，得到待测样品中h
+
浓度，即得到其ph值。
30.实施例6：本实施例提供了一种基于逻辑禁门的数字化检测方法，利用i-基元dna对ag
+
、gsh的不同响应原理，以cy5激光信号为输出，构建光微流激光逻辑禁门，实现对ag
+
和gsh的检测。
31.具体地，以ssdna两端标记的cy3和cy5分子之间的fret转换效率为基础，以ag
+
和gsh作为输入，当有ag
+
、gsh存在时，将输入分别定义为1，否则定义为0。以i-基元dna结构变化引起的cy5激光强度作为输出，存在激光时，输出为1；无激光时，输出为0。
32.将单链dna溶于ph 7.4的磷酸缓冲液中，得到20μm的单链dna溶液，通入薄壁空心光纤内检测并记录cy5受体激光强度。在单链dna溶液中加入待测样品，检测并记录cy5受体激光强度。图4(a)所示，当待测样品中只有ag
+
存在时，cy5的激光光谱较强，其余输入下，激光光谱均处于阈值附近。相比于荧光逻辑禁门而言，激光逻辑禁门具有宽门限范围的特点，其门限范围提升了5倍。
33.实施例7：本实施例提供了一种基于逻辑或门的数字化检测方法，利用i-基元dna对ag
+
、h
+
的不同响应原理，以cy5激光信号为输出，构建光微流激光逻辑或门，实现对ag
+
和h
+
的检测。
34.具体地，以ssdna两端标记的cy3和cy5分子之间的fret转换效率为基础，当有ag
+
或h
+
存在时，将输入分别定义为1；反之，则定义为0；以cy5的激光信号作为输出，有激光定义为1，无激光输出定义为0。
35.将单链dna溶于ph 7.4的磷酸缓冲液中，得到20μm的单链dna溶液，通入薄壁空心光纤内检测并记录cy5受体激光强度；在单链dna溶液中加入待测样品，检测并记录cy5受体激光强度。如图4(b)所示，当待测样品中不存在ag
+
和h
+
时，cy5处于激光阈值附近，输出为0；一旦加入ag
+
或h
+
(即待测样品中含有ag
+
或h
+
)，cy5激光出现并增强，输出为1。相比于荧光逻辑或门而言，激光逻辑或门具有宽门限范围的特点，其门限范围提升了11倍。