基于光波导微环谐振器的lgG非标记检测微流体分析系统.docVIP

基于光波导微环谐振器的lgG非标记检测微流体分析系统 　　摘要 设计开发了与微环谐振器集成的微流体通道系统，不仅避免了敞开环境中由于液体挥发造成的微环谐振器表面盐分的聚结，屏蔽空气中的各种杂质，而且只需要30 μL反应溶液，减少了药品用量，大大节约了实验成本。同时，采用绝缘体硅（SOI）材料，利用光刻技术设计和制作了波导宽度为450 nm，半径为5 μm，品质因子（Q值）为20000的光波导微环谐振器。集成的微环谐振器传感系统具有低成本、免标记、能实时监测生化反应过程等特点。以不同浓度的酒精溶液为测试对象，研究了微环谐振器对均质溶液的传感性能，传感芯片对溶液折射率的探测灵敏度为76.09 nm/RIU，探测极限为5.25×10Symbolm@@ 4 RIU，验证了此微环谐振器对均质溶液进行浓度检测的可行性。利用此传感系统对人免疫球蛋白IgG进行了非标记免疫检测。在测试中，采用微流体通道系统将相应抗体修饰到微环谐振器表面，利用光谱仪对修饰过程以及抗原抗体特异性结合过程中的共振谱线漂移情况进行了监测。结果表明，光波导微环谐振器可以对生物分子进行实时监测。 　　关键词 微环谐振器； 生物传感器； 微流体通道； 倏逝波； 免疫球蛋白G 　　1引 言 　　生化传感器广泛应用于食品安全、药物开发、临床诊断、环境监控等领域。根据输出的物理信号不同可分为光学生物传感器、电化学生物传感器[1]、机械生物传感器（微悬臂梁[2～4]等）及热生物传感器等。与其它类型的生物传感器相比，基于平面光波导的光学生物传感器具有无需标记、成本低、可实时监测、易集成、快速、稳定[5]等优点，在药物筛选、生物制药、环境监测和临床诊断领域得到广泛应用[6]，不仅可与微流体通道系统进行集成，实时监测波导微环表面的物质变化，而且日渐成熟的微电子工艺进一步降低了微环谐振器芯片的加工成本，可实现大批量生产。光波导微环谐振器传感技术在生化测试领域显示出广阔的应用前景[7～9]。 　　光波导微环谐振器利用光波的倏逝波进行探测。光在介质中传播时，会在两种不同介质的分界面上产生一种称为倏逝波[10]的电磁波，其幅值会随着与分界面相垂直的深度的增大而呈指数形式衰减，而且这种衰减可以通过输出光的共振谱线漂移反映出来。当在微环中传输的光满足公式（1）时，光会发生共振。基于抗原抗体特异性结合的光波导微环免疫生物传感器，是在微环的表面固定一层抗体。当含有目标分子（特异性抗原）的溶液流过微环表面时，固定抗体分子与目标分子发生特异性免疫反应，形成抗原抗体复合物，引起倏逝波变化，波导有效折射率改变，最终在输出端共振波长发生漂移。共振波长由公式（1）给出，通过检测这些性质的改变，就可以获得待测物的变化信息，实现系统传感。所以，可以通过观察芯片输出谱线的变化得到待测物的变化。 　　λ=2πRneff/m〖FH（1） 　　其中， R为微环的半径，neff为波导微环的有效折射率， m为共振阶数（m=1， 2， 3…），λ为微环的共振波长。人免疫球蛋白G（IgG）是血清中含量最高的免疫球蛋白，在机体免疫应答中起着重要作用[11]。人表皮生长因子受体2 （Her2）是重要的乳腺癌预后判断因子[12]。目前，广泛应于免疫检测抗原或抗体的方法有酶联免疫法、蛋白质芯片法和荧光素标记法等。 酶联免疫法检出限较低，但需要对底物进行标记，且底物存在污染，所需样品量大，成本高；蛋白质芯片法与酶联免疫法的检出限相当，但需要利用多个荧光标记物进行标记，而且检测仪器昂贵，成本较高。本研究设计开发了与微环谐振器集成的微流体通道系统，以SiO2为衬底，采用光刻技术，设计和制作了基于Si波导结构的微环谐振器。以不同浓度的酒精溶液为测试对象，研究了微环谐振器对均质溶液的传感性能，并且利用此微环谐振器对人IgG和Her2进行实时非标记免疫检测。 　　2实验部分 　　2.1仪器与试?? 　　M5000 CCD光谱仪（北京聚光盈安科技有限公司）；MAC50DMCFENN温控器（日本Shimax公司）；调谐光源（瀚宇科技（香港）有限公司）；BT3002J/YZII1蠕动泵（保定兰格公司）。 　　人IgG、羊抗人IgG（antiIgG）（上海生工生物工程有限公司）；人Her2蛋白、Her2兔源单克隆抗体（北京义翘神州生物技术有限公司）；牛血清白蛋白（BSA）、3氨丙基三乙氧基硅烷 （（3Aminopropyl）triethoxysilane，APTES，美国Sigma公司）；磷酸盐缓冲溶液 （PBS，4.0 g NaCl+0.1 g Na2HPO4+1.48 g KH2PO4?H2O+500 mL去离子水，pH 7.5）；98% H2SO4，30% H2O2，25%戊二醛等其它均为分析纯。实验用水为去离子水。 　　2.2光波