本发明专利技术涉及用于生物分子相互作用实时检测的干涉成像方法及其系统，属于生物技术领域；该方法包括：光源发出的光经准直、偏振，并经扩束后射到传感单元中；从传感单元反射的光经二分之一波片、成像镜头和偏振分束棱镜后，分成传播方向正交的透射和反射２路光，且成像在２台ＣＣＤ上；计算机实时采集２帧干涉图像，通过解算，得到１张折射率分布信息图；不断测量传感单元，得到一系列折射率分布随时间变化的实时信息图。该系统包括产生准直光的入射臂，接收准直光并激发表面等离子体共振的生物传感单元，以及采集处理单元；本发明专利技术能够高通量、高精度、实时、无标记检测蛋白质芯片，获取蛋白质分子之间以及蛋白质与其它生物分子相互作用的信息。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于生物
，特别涉及用来实现高通量、高精度、无标记、实时传感 蛋白质-蛋白质、蛋白质-DNA、蛋白质-效应物、抗原-抗体、配体-受体、药物-靶等生物 分子相互作用的方法及其蛋白质芯片检测系统。
技术介绍
生命科学已经进入蛋白质组学研究时代。蛋白质组学是研究一种基因组所表达的 全套蛋白质，即包括一种细胞乃至一种生物所表达的全部蛋白质。它必须在大规模水平上 才能研究蛋白质的特征，包括蛋白质的表达水平、翻译后的修饰以及蛋白质与蛋白质的相 互作用等；同时，还注重研究参与特定生理或病理状态的所有蛋白质种类及其与周围环境 (分子)的关系。人体中，蛋白质不仅数量比基因多，而且具有时空特性比基因复杂，如何检 测成千上万种蛋白质间以及蛋白质与其它生物大分子间的相互作用是蛋白质组学所面临 的挑战。需要强调，蛋白质组的研究不仅能为透切理解生命活动规律提供理论和实验，也能 为众多种疾病机理的阐明及攻克提供理论根据和解决途径。通过对正常个体及病理个体间 的蛋白质组比较分析，可以找到某些“疾病特异性的蛋白质分子”，成为新药物设计的分子 靶点或为疾病的早期诊断提供分子标志。其实，那些世界范围内销路最好的药物本身就是 蛋白质或其作用靶点也为某种蛋白质分子。正因为如此，基因组学的检测技术还不能满足 蛋白质组学的要求，蛋白质组学检测技术应具备的特点一是高通量，一次可以检测几十、 几百甚至成千种蛋白质；二是高灵敏度，人体中各种蛋白质的丰度即含量相差达几亿倍，必 须高灵敏度才能适应检测低丰度蛋白质的要求；三是实时，有时蛋白质之间的相互作用可 能瞬时即逝，必须及时捕足。基于表面等离子体共振(surface ρlasmon resonance，简称SPR)的生物传感是一 种具有高灵敏度、实时、无标记等特点的光学检测方法，被认为是检测生物分子相互作用的 较理想方法。SPR生物传感的检测方法主要有角度扫描、光强检测和相位检测等，其中相位 检测的灵敏度较高。在相位检测中，又有外差、马赫-泽德干涉、空间调制与时域调制干涉 成像等方法，其中时域调制干涉成像法能实现的检测通量更高。为此，本专利专利技术人已提出 了基于时域相位调制干涉的表面等离子体共振阵列生物传感方法及系统(参见中国专利 号ZL200510086332. 7)，基本原理如图1所示。光源101发出的平行光透过棱镜102和折射 率匹配层103，入射到传感芯片的玻璃基底104和镀在其上的金膜105之间的界面上，金膜 的厚度为30-50nm，并从该界面反射。当入射光位于共振角上时，激发金膜表面的等离子体 共振，使得从玻璃基底104和金膜105之间的界面上反射的光的相位随金膜表面介质折射 率的改变而剧烈变化。反射光透过折射率匹配层103、棱镜102和一维扩束镜106后，射入 电光晶体107。电光晶体107由高压调制电源108控制，可以在其上施加5种不同的电压。 随之，当光通过电光晶体107后，反射光的P和S偏振分量之间就被附加上对应的5个不同 相位差。调制后的光在通过偏振棱镜109时，P偏振光和S偏振光发生干涉，干涉图像经成 像透镜110后，成像在CXD 111上。CXD 111上图像的采集与高压调制电源108输出的对4应电压同步，高压调制电源108输出5种不同的电压为1个周期，对应采集5帧图像也为1 个周期。高压调制电源108可以不断循环输出电压，对应的干涉图像也可以持续循环采集。 接着，利用Hariharan算法，对在同一个周期中所采集的相邻的5帧干涉图像进行解算，得 到即时反射光的相位变化。理论上，只需一个CCD的像素，利用这种方法就可检测传感芯片 上的一个传感点，能实现很高通量的检测。然而，当在电光晶体107上施加高电压时，随之 会出现逆压电效应，造成电光晶体的结构发生微尺度的变化，引起光路微小偏移，即光斑位 置移动，直接产生测量误差，难以达到高精度的要求。这是电光晶体固有的缺陷，无法弥补。 不仅如此，该方法是分时而不是同时采集5帧图像，尽管间隔时间较短，然而也只能算“准 实时”，而不是真正意义上的实时。这样，生物反应中的瞬时变化就很难捕捉到，这种变化却 很可能是重要的生物信息。
技术实现思路
本专利技术的目的在于克服上述技术的不足，提供一种新的用于生物分子相互作用实 时检测的干涉成像方法及系统，能够高通量、高精度、实时、无标记检测蛋白质芯片，获取蛋 白质分子之间以及蛋白质与其它生物分子相互作用的信息。本专利技术提供了一种用于生物分子相互作用实时检测的干涉成像方法，其特征在 于，该方法是基于表面等离子体共振阵列生物传感原理，光源发出的光经准直再通过偏振 棱镜，并经扩束后射到传感单元中；从传感单元反射的光经二分之一波片、成像镜头和偏振 分束棱镜后，分成透射和反射2路光，该2路光的传播方向正交，且同时分别干涉成像在2 台CXD上，2路干涉图像的相位差为180° ；计算机实时从2台CXD上采集到相位差为180° 的2帧干涉图像，通过解算该2帧干涉图像，得到1张反映即时金膜表面的折射率分布信息 图；不断测量传感单元中连续发生的反应，得到一系列折射率分布随时间变化的实时信息 图。本专利技术具体包括以下步骤1)半导体激光器发出的光经过光纤耦合和准直后，再通过偏振器，得到偏振方向 可调的线偏振准直光束；2)所述的线偏振准直光束通过扩束镜后，入射到生物传感单元中的传感芯片的玻 璃基底与金膜之间的界面上，激发金膜上的表面等离子体共振，同时又从该界面反射；3)所述的反射光通过二分之一波片，该二分之一波片的快轴方向与S偏振方向成 22. 5°角，以便调整反射光的偏振状态，接着通过成像镜头，由成像镜头将金膜表面成像；4)通过成像镜头的光又射入偏振分束棱镜，经过偏振分束棱镜后被分成传播方向 为正交的2路偏振光，同时每路偏振光均产生干涉，2路偏振光所产生的干涉图像的相位差 为180°，分别投射在2台CXD上，即将干涉图像成像CXD上，2路偏振光的干涉图像都包含 同一金膜表面的折射率分布信息；5)计算机实时采集成像在2台CXD上的干涉图像，即相位差为180°的2帧图像， 并进行存储与处理；6)计算机利用采集到相位差为180°的2帧干涉图像，根据公式计算出这2帧干涉图像所反映的金膜表面折射率分布，即得到折射率分布信息 图；式中，I0为其中一帧干涉图像的灰度，I180为另一帧干涉图像的灰度；7)生物反应不断进行，计算机持续采集干涉图像，实时解算所采集到的干涉图像， 便得到一系列反映生物分子相互作用所对应的折射率变化信息图。基于上述的折射率变化信息图，可从中解析出所检测生物分子的特异性、亲和力 以及动力学常数等，提供给生物医学专家用于疾病诊断或发现新药靶与开发新药。本专利技术还提供了一种基于上述方法的用于生物分子相互作用实时检测的干涉成 像系统，其特征在于包括产生准直光的入射臂，接收准直光并激发表面等离子体共振的 生物传感单元，将从生物传感单元射出的光分成正交的2路偏振光且分别干涉成像的反射 臂，以及包含获取干涉图像的2台CCD和计算机的信号采集处理单元；所述入射臂中的偏振激光准直部分包括半导体激光器、依次设置在半导体激光 器出射光路中的单模光纤、激光准直器、偏振棱镜和扩束镜；所述半导体激光器的波长为600-900nm;所述本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种用于生物分子相互作用实时检测的干涉成像方法，其特征在于，该方法是基于表面等离子体共振阵列生物传感原理，将光源发出的光经准直再通过偏振棱镜，并经扩束后射到传感单元中；从传感单元反射的光经二分之一波片、成像镜头和偏振分束棱镜后，分成透射和反射２路光，该２路光的传播方向正交，且同时分别干涉成像在２台ＣＣＤ上，２路干涉图像的相位差为１８０°；计算机实时从２台ＣＣＤ上采集到相位差为１８０°的２帧干涉图像，通过解算该２帧干涉图像，得到１张反映即时金膜表面的折射率分布信息图；不断测量传感单元中连续发生的反应，得到一系列折射率分布随时间变化的实时信息图。
【技术特征摘要】
1.一种用于生物分子相互作用实时检测的干涉成像方法，其特征在于，该方法是基于 表面等离子体共振阵列生物传感原理，将光源发出的光经准直再通过偏振棱镜，并经扩束 后射到传感单元中；从传感单元反射的光经二分之一波片、成像镜头和偏振分束棱镜后，分 成透射和反射2路光，该2路光的传播方向正交，且同时分别干涉成像在2台CXD上，2路 干涉图像的相位差为180° ；计算机实时从2台C⑶上采集到相位差为180°的2帧干涉图 像，通过解算该2帧干涉图像，得到1张反映即时金膜表面的折射率分布信息图；不断测量 传感单元中连续发生的反应，得到一系列折射率分布随时间变化的实时信息图。2.如权利要求1所述方法，其特征在于，该方法具体包括以下步骤1)半导体激光器发出的光经过光纤耦合和准直后，再通过偏振器，得到偏振方向可调 的线偏振准直光束；2)所述的线偏振准直光束通过扩束镜后，入射到生物传感单元中的传感芯片的玻璃基 底与金膜之间的界面上，激发金膜上的表面等离子体共振，同时又从该界面反射；3)所述的反射光通过二分之一波片，该二分之一波片的快轴方向与S偏振方向成 22. 5°角，以便调整反射光的偏振状态，接着通过成像镜头，由成像镜头将金膜表面成像；4)通过成像镜头的光又射入偏振分束棱镜，经过偏振分束棱镜后被分成传播方向为 正交的2路偏振光，同时每路偏振光均产生干涉，2路偏振光所产生的干涉图像的相位差为 180°，分别投射在2台CXD上，即将干涉图像成像CXD上，2路偏振光的干涉图像都包含同 一金膜表面的折射率分布信息；5)计算机实时采集成像在2台CCD上的干涉图像，即相位差为180°的2帧图像，并进 行存储与处理；6)计算机利用采集到相位差为180°的2帧干涉图像，根据公式[1]A=ioil8G_ [！]I0+I180计...
【专利技术属性】
技术研发人员：邓焱，王大千，张玮，余兴龙，罗昭锋，
申请(专利权)人：清华大学，
类型：发明
国别省市：11[中国|北京]
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