一种用于单分子动力学检测的纳米光学器件

本发明涉及生物检测芯片，具体涉及一种用于单分子动力学检测的纳米光学器件。

背景技术：

1、随着基于光学、机械、电、化学和流体动力学的单分子操纵技术的出现，单个分子的构象变化及其机械性能的研究得以实现，即单分子动力学检测。单分子的动力学研究可以一次监测一个单体的结合和解离行为。分子反应的模式可以通过相应的反应速率常数来解析。荧光标签标记的单分子检测方法可以实现生物单分子检测，在蛋白相互作用、生物膜作用机制、核酸测序等领域获得了广泛应用。

2、由于单分子荧光的特性，检测需要高空间分辨率和高时间分辨率的仪器和方法。目前，共焦显微镜、全内反射荧光显微镜、零模波导以及等离激元纳米天线等技术可以克服光学衍射极限，实现毫秒（ms）级别的时间分辨率。但对于单分子动力学，更高的时间分辨率意味着更高的准确性。目前对于微秒（μs）级别时间分辨率的单分子动力学检测研究，尚且缺少研究手段。

3、另一方面，在高时间分辨率的需求下，相比于目标检测信号，背景噪声水平和其他干扰噪声水平也相应提高，所以需要提高目标检测信号的收集效率。收集效率越高，意味着采集到的目标信号强度越大，信噪比越高。同时，在核酸测序、单分子动力学、蛋白测序等领域需要进行同时并行检测，以提高检测结果的准确性。因此单分子检测手段，须具有高通量的特点。

技术实现思路

1、有鉴于此，本发明实施例提供一种用于单分子动力学检测的纳米光学器件，以解决现有技术中对于单分子动力学检测时间分辨率较差的技术问题。

2、本发明实施例提供的技术方案如下：

3、本发明实施例提供一种用于单分子动力学检测的纳米光学器件，包括：纳米结构芯片和激光器；所述激光器用于向所述纳米结构芯片发射激光；所述纳米结构芯片包括纳米孔，所述纳米孔用于检测单分子的结合行为以及在激光照射下的解离行为，所述纳米孔的直径范围为50nm至200nm。

4、本发明实施例提供的单分子动力学检测的纳米光学器件，通过设置纳米结构芯片中纳米孔的直径为50nm至200nm，该纳米孔能够对入射的激光产生阻挡效应，产生有效激发体积小于典型的零模波导，获得更高的时间分辨率。从而解决目前对于单分子动力学检测时间分辨率较差的技术问题。

5、可选地，所述激光的入射角为0°至85°。

6、可选的，用于单分子动力学检测的纳米光学器件还包括：聚焦控制系统、物镜、二向色镜以及相机；所述聚焦控制系统、所述物镜以及所述二向色镜设置在所述激光器和所述纳米结构芯片之间，所述聚焦控制系统用于调整所述激光入射至所述纳米结构芯片的激光的入射角，所述二向色镜用于将所述聚焦控制系统调整后的激光反射后通过所述物镜照射至所述纳米结构芯片上，所述二向色镜还用于将单分子结合和解离时产生的荧光信号透射至所述相机。

7、可选地，所述聚焦控制系统包括：第一反射镜、第二反射镜以及聚焦透镜，所述第一反射镜将所述激光器输出的激光反射至所述第二反射镜，所述第二反射镜将第一反射镜反射的激光反射至所述聚焦透镜，所述聚焦透镜用于将接收的激光聚焦后输出，改变所述第二反射镜和所述聚焦透镜相对于所述第一反射镜的位置，改变激光入射至所述纳米结构芯片上的入射角。

8、可选地，所述纳米结构芯片包括依次设置的基底和金属薄膜，多个阵列设置的纳米孔穿过所述金属薄膜并延伸至所述基底预设深度。

9、本实施例中，通过设置纳米孔延伸至基底预设深度，能够使得在有效激发体积内形成更大的平均激发功率。

10、可选地，用于单分子动力学检测的纳米光学器件还包括：荧光聚焦增强元件，设置在所述纳米孔的回转轴线方向上，所述荧光聚焦增强元件设置在所述基底和所述金属薄膜之间。

11、本实施例中，通过设置荧光聚焦增强元件，能够将结合或解离形成产生的荧光信号增强，由此，单位时间内可采集到荧光信号量提高，在相机的感应灵敏度相同的情况下，可以进一步缩小采样时间，同时不影响荧光信号的采集，由此通过荧光聚焦增强元件的设置进一步提高了时间分辨率。并且，荧光信号的增强，意味着可以使用低数值孔径的物镜，即采用低倍物镜进行荧光成像。而低倍物镜的成像视野更大，可以同时对更多的纳米孔进行成像，实现并行检测，从而实现高通量的目标。

12、可选地，所述荧光聚焦增强元件包括反射镜或光学透镜，所述反射镜包括曲面反射镜、二元反射镜或斜面反射镜中的任一种，所述光学透镜包括透镜过渡层和透镜本体，所述透镜过渡层设置在所述透镜本体和所述纳米孔之间，所述透镜本体的折射率大于所述透镜过渡层和所述基底的折射率，所述透镜本体包括曲面光学透镜、二元光学透镜或斜面光学透镜中的任一种。

13、可选地，所述曲面反射镜和/或所述曲面光学透镜的空间形状为采用抛物线截面、双曲线截面或标准圆曲线截面沿纳米孔轴线旋转而形成的回转体，所述曲面反射镜的高度范围为1μm至6μm，所述曲面光学透镜的高度范围为0.36μm至3μm。

14、可选地，所述二元反射镜和/或所述二元光学透镜的空间形状为多级台阶轮廓截面旋转而形成的回转体，多级台阶的阶数为2阶、4阶、6阶或8阶，所述二元反射镜和/或所述二元光学透镜纵截面的轮廓拟合形状为抛物线、双曲线、标准圆曲线或直线，当轮廓拟合形状为直线时，所述直线与纳米孔轴线的夹角范围为5°至70°，所述二元反射镜顶面直径范围为1μm至4μm，所述二元反射镜的高度范围为1μm至6μm，所述二元光学透镜远离纳米孔一侧的端面的直径范围为0.5μm至7μm，所述二元光学透镜的高度范围为0.36μm至3μm。

15、可选地，所述斜面反射镜和/或所述斜面光学透镜的空间形状为梯形轮廓截面旋转而形成的回转体，所述斜面反射镜和/或所述斜面光学透镜的纵截面与纳米孔轴线的夹角范围为5°至70°，所述斜面反射镜的顶面直径范围为1μm至4μm，所述斜面反射镜的高度范围为1μm至6μm，所述斜面光学透镜远离纳米孔一侧的端面的直径范围为0.5μm至7μm，所述斜面光学透镜的高度范围为0.36μm至3μm。

16、可选地，用于单分子动力学检测的纳米光学器件还包括：钝化层、修饰层和连接层，所述钝化层设置在所述纳米孔的侧壁以及所述金属薄膜远离所述基底的表面，所述修饰层设置在所述纳米孔底部，所述修饰层用于控制所述纳米孔中所述连接层的位点数量；当纳米孔中加入待测溶液时，待测溶液中的锚定蛋白和连接层固定连接；当纳米孔中加入荧光标记的目标蛋白时，目标蛋白和锚定蛋白反应结合，并在激光的照射下进行解离。

17、本实施例中，设置钝化层能够防止荧光染料、蛋白质等非特异性吸附。同时通过设置修饰层和连接层，便于进行蛋白质结合和解离相互作用的动力学检测。

18、可选地，用于单分子动力学检测的纳米光学器件还包括：钝化层、磷脂修饰层和脂质体类生物膜，所述钝化层设置在所述纳米孔的侧壁以及所述金属薄膜远离所述基底的表面，所述磷脂修饰层设置在所述纳米孔底部，所述磷脂修饰层用于固定所述脂质体类生物膜；当纳米孔中加入待测溶液时，待测溶液中的膜蛋白和脂质体类生物膜固定连接；当纳米孔中加入荧光标记的目标蛋白时，目标蛋白和膜蛋白反应结合，并在激光的照射下进行解离。

19、本实施例中，通过设置磷脂修饰层和脂质体类生物膜，便于进行膜蛋白结合和解离相互作用的动力学检测。

20、可选地，用于单分子动力学检测的纳米光学器件还包括：处理器，所述处理器接收所述相机转发的荧光信号，提取所述荧光信号中的上升沿或者下降沿之间的时间间隔，对所述时间间隔进行统计拟合，得到包含结合时间常数或解离时间常数的曲线。

21、本实施例中，通过对荧光信号中的上升沿或者下降沿之间的时间间隔，进行统计拟合，实现了对单分子结合和解离作用的检测和分析。