微流控SERS及其在生物医学应用的研究进展

微流控芯片以其对微量样品的精确操控能力而引起特别关注,表面增强拉曼光谱(SERS)作为一种超灵敏的光谱检测技术近年来在痕量检测上应用广泛。微流控芯片与SERS相结合的系统可对微量生物样品进行无损、快速、高灵敏度且高通量的检测分析,在生物医学领域有巨大的应用潜力,是当前的研究热点之一。本文介绍了微流控SERS系统近年的发展情况,包括微流控芯片的制作加工和流体操控,以及微流控芯片中SERS基底的集成;并重点介绍了近年来SERS微流控芯片系统在生物医学上的应用,如生物分子的检测、细胞分析、药物监测和筛选、疾病诊断,以及在环境和食品健康安全方面的检测应用。     

基于太赫兹超表面传感器的硝基呋喃类药物痕量检测

硝基呋喃是一种广谱抗生素，其衍生物应用广泛；但摄入过量，会发生溶血性贫血、急性肝坏死等疾病。传统检测方法样品用量大、检测时间长且过程复杂；超表面传感器检测方法样品用量小且检测快速、简单方便。提出一种基于对称开口环的太赫兹超表面微结构器件，该结构折射率灵敏度达到196 GHz/RIU，可应用于高灵敏度传感检测。利用该超表面传感器对两种不同质量浓度的呋喃唑酮和呋喃妥因溶液进行痕量实验检测，结果表明，该超表面传感器对两种药物的最低检测质量浓度达到10 mg/dL，有望应用于生物医学等领域样品的传感检测。     

表面增强拉曼光谱快速检测尿液中的尿酸

表面增强拉曼光谱是一种表面灵敏度极高的“指纹”光谱技术,检测限可达单分子级别。它可以实现痕量物质的特异性识别及快速、无损检测,广泛应用于生命科学、电化学、环境安全等领域以及人们的日常生活中。通过种子生长法成功地实现了形貌均匀、尺寸可调的球形金纳米粒子的制备,并以此作为增强基底进一步探索其粒径对尿酸拉曼谱峰强度的影响。结果表明,金纳米粒子的尺寸显著影响其拉曼增强能力。在研究范围内,随着金纳米粒子尺寸的增加,其拉曼增强能力逐渐增加。在激光波长为638 nm时,150 nm的金纳米粒子具有最优的拉曼增强能力。这使得它们可适用于尿酸溶液的快速高灵敏度分析,检测限可达0.01 mmol·L-1。进一步的研究还表明,该方法可用于痕量尿酸的定量检测。在0.01～0.5 mmol·L-1范围内,尿酸的浓度与其特征拉曼峰640 cm-1处的峰强度之间呈线性关系,线性相关系数达0.98。将该方法用于真实样品(正常人体尿液)的快速检测,发现该方法不受尿液中其他成分的干扰,可以实现人体尿液中尿酸含量的快速测定。研究结果表明,以金纳米粒子作为基底的表面增强拉曼光谱方法可方便、快速地对尿液中尿酸的含量进行分析,极大地拓展了表面增强拉曼光谱在临床上的应用与研究。     

基于芯片实验室技术的表面增强光谱学在分析科学中的应用

集成具有一序列微流控操作单元的芯片实验室技术,在微流控通道内铺陈金属纳米粒子(尤其是金、银以及铜纳米粒子)作为衬底,泵入多通道微纳升分析物,用于联用表面增强光谱在痕量、实时、原位、过程反应等检测中具有重要的意义。这种联用检测技术集成了芯片实验室和表面光谱两种技术的优点：芯片实验室技术集成流程式分步操作,实现筛选取样,分段、实时反应检测,减小样品量,稳定测试环境等优势以及表面增强光谱的光谱响应快,灵敏性和选择性强、原位检测等优点。借助于Drude模型以及适当的边界条件,外电场引发金属颗粒价电子的局域等离子振荡,并推导了产生共振的局域表面等离子增强以及受激感应偶极子振荡产生表面拉曼增强的物理电磁增强机制。综述了芯片实验室表面局域等离子检测在生物、医药、食品安全等方面的应用,检测通道的增加促使检测效率有较大的提高,同时检测限能力获得较大的突破。综述了芯片实验室技术结合表面增强拉曼光谱公共安全、生物医学、电化学和生物传感器等领域的应用, 表面增强拉曼光谱的高度灵敏性以及指纹性应用于痕量检测。根据芯片实验室技术在研究开发和应用已经获得不断的进展,结合3D打印技术,精准控制多通道结构尺寸,更好地满足设计的需求。表面等离子增强光谱以及表面增强拉曼光谱等表面光谱检测技术在应用上日趋成熟,获得突破传统显微镜的光学极限的分辨能力。这种联用技术在实际定性或者半定量痕量分析检测应用中具有光明的前景。     

光学蛋白质芯片技术在生物检测中的应用

蛋白质芯片技术因其高通量,微型化,可快速分析等特点,在生物检测中具有独特优势。光学蛋白质芯片同时结合了蛋白质芯片技术和高分辨的光学椭偏显微成像技术,在提高灵敏度的同时实现了检测结果的可视化。本工作利用光学蛋白质芯片技术,针对复杂体系中的临床标志物蛋白质,构建了夹心型检测体系,实现了系统的定量检测。实验结果与临床通用方法符合较好。该方法具有灵敏度高,操作简单,检测快速,样品用量少等优点。     

微纳光纤耦合器无标生物传感特性

提出了一种基于微纳光纤耦合器的高灵敏度、便携式生物传感器,并对该传感器用于无标生物检测的灵敏度和重复性进行了研究。通过熔融拉锥法拉制出腰椎直径为3μm的光纤耦合器,并进行折射率检测实验。实验测得折射率灵敏度为1402.3nm/RIU,对检测结果进行拟合,得到拟合曲线的相关系数为0.99459。微纳光纤耦合器的弱耦合模型的计算结果和实验结果相符。将此微纳光纤耦合器用于检测羊免疫球蛋白(IgG)抗原,得到了2pg/mL的检出限;10次解离再生实验验证了该传感器的重复性,表明了微纳光纤耦合器在无标生物传感中具有高检测灵敏度的潜力和较好的实用价值。     

微流体芯片探测艾滋病毒和金黄葡萄球菌

正目前探测核酸的标准方法是基于所谓的聚合酶链式反应(PCR)。这是一种昂贵的技术,需要多步骤的样品制备过程以及离心机等耗电的实验室设备。不适用于低资源处所、小诊所及家用。美国生物物理学家和生物工程师Lee等研制了一种称作SIMPLE的芯片,可以快速地检测血液样品中的核酸。该芯片使用"真空电池"驱动一个微流体系统,自动地将血浆从血液中分离出来,输送到224个     

金点阵芯片的SERS超灵敏检测

SERS技术出现在20世纪70年代,衍生于纳米技术,而今因为其高灵敏度、无损检测和原位测量等优点,被广泛应用于食品安全检测、医药诊断、材料的表征、考古、刑侦等各个领域[1,2]。SERS技术的灵敏度极高,能够达到单分子检测水平,在有害物质检测方面的应用尤为重要。基于利用贵金属层和贵金属纳米粒子产生"热点"增益的思想,制造了金点阵芯片作为活性基底,并以此为基础吸附待检测物质和金纳米粒子,构造三明治结构,实现了对孔雀石绿、罗丹明6G和三聚氰胺等物质的超灵敏检测。这种芯片具有随取随用、操作简单、测量快速便捷、灵敏度高的优点。金点阵芯片为SERS技术的推广提供了一种较好的可行方法,对SERS的研究也具有一定的意义。     

环糊精修饰的Pickering乳液用于痕量有机物及离子的测定

表面增强拉曼光谱(SERS)作为一种分子光谱,不仅能够测得分子的指纹谱图,同时由于增强基底的不断发展,极高的灵敏度和简单快速的测试过程使其在痕量快速测定及成像领域广受关注。采用环糊精作为功能性分子,通过乳化的方式得到了具有SERS增强活性的Pickeiring乳液粒子,并将其作为SERS增强基底,利用在其表面发生的催化反应,以间接法实现了对有机污染物邻苯二胺(OPD)和无机离子NO-2的快速测定。利用这种乳液粒子作为增强基底,不仅可以实现多相物质的测定,同时可以用于界面反应的原位检测,在催化机理研究中也有重要的意义。     

基于铜网置换反应的微纳结构SERS基底制备和应用

电力能源发展与国家经济发展关系密切,因此电网稳定、安全地运行是人民稳定生活的保障。而与稳定可靠的电网的运行有关的是变压器的绝缘水平,因此始终注意电气设备的状况和运行非常重要。而仅由纸绝缘产生的糠醛是目前用于评估电力变压器老化状况最常用的指标之一,所以准确测量变压器油中糠醛含量具有重大意义。拉曼光谱法可以实现对待测物的快速、无损检测,但受限于拉曼散射信号弱,对油中老化特征物这种微量物质检测难度大。表面增强拉曼光谱可以解决痕量物质检测的灵敏性问题,使溶解在变压器油中的老化特征物得到快速、无损地检测。故将SERS应用到变压器油中糠醛的检测对于变压器运行状况的评估具有重要的意义。围绕着变压器油中糠醛作为痕量物质检测灵敏度低的问题,基于置换反应在TEM铜网上制备了微纳米结构的SERS基底,以检测变压器油中的糠醛,为高效,准确地检测变压器油的老化水平提供一种快速、有效的新技术。选择了特定的实验材料,在控制特定的实验条件下基于置换反应制备出微纳结构SERS基底,经过电镜扫描对其表面形貌进行表征;在不同位置进行拉曼检测得到特征拉曼峰峰强的变异系数仅为3.55％,表明该基底的“热点”分布均匀和检测可重复性高;定性分析了一定浓度梯度的变压器油中糠醛和背景噪声的拉曼光谱。选择了1 702 cm-1的拉曼峰作为油中糠醛的特征拉曼峰。定量分析中,建立内标峰和1 702 cm-1处峰强比与变压器油中糠醛浓度的线性函数,得到良好的线性关系。使用3δ准则计算变压器油中糠醛在微纳结构SERS基底上的检测下限约为0.51 mg·L-1。研究说明基于铜网置换反应的微纳结构SERS基底对于变压器油中糠醛具有更灵敏的检测。这对于诊断电力变压器绝缘状况和维护电网稳定非常重要。     

DNA microarray scanner with a DVD pick-up head

A low-cost highly sensitive DNA microarray scanner for fluorescent detection is developed based on the pick-up head of a commercially available optical storage device, DVD. A laser beam of 650 nm, generated by a DVD laser diode, is used for dynamic auto-focusing as well as the excitation of Cy5 fluorescent dye. The fluorescence intensity emitted from Cy5 dye is measured by a photomultiplier tube (PMT). In contrast to other microarray scanners, the DVD-based scanner offers the auto-focusing function using the focus error signal (FES) and a voice coil motor (VCM), and this enables fast response, high accuracy and compact size. The fluorescence-detecting performance of the scanner is inspected by using a commercial BAC (bacterial artificial chromosome) oligonucleotide chip and a scanner evaluation microarray (DS01). Experiments have shown that the DVD-based scanner meets the limit of detection, ensuring the feasibility of a low-cost, highly sensitive DNA microarray scanner.     

芯片毛细管电泳-原子荧光在线联用设计

讨论了芯片毛细管电泳-原子荧光在线联用技术的若干问题。针对芯片的集成化特点,直接在芯片上蚀刻了一条补充液通道,优化了芯片设计、芯片-原子荧光接口、气液分离器以及原子化器等,成功地消除了引入流体(补充液HCl、还原剂KBH₄和氩气)对芯片电泳分离的不利影响。     

表面增强拉曼光谱技术快速检测神经性化学毒剂模拟剂

神经性化学毒剂具有毒性高、挥发性好和作用快等特点,在浓度很低的情况下就可以造成很大的伤亡,因此成为现场快速检测的难点。而化学毒剂沙林（甲氟膦酸异丙酯,GB）是一种经常用的军事神经性毒剂,该毒剂可通过抑制乙酰胆碱酯酶来破坏神经系统的功能,同时该毒剂被吸入后在人体内的降解速度很慢。为了避免和降低该类毒剂的污染和对人员伤害,迫切需要发展一种灵敏度高、准确性好、响应时间短和可便携化的检测技术检测GB。表面增强拉曼光谱(SERS)检测方法具有灵敏度高、操作简单和响应速度快的特点,成为检测水中痕量化学毒剂的有效方法之一。将购买的Ag纳米溶胶进行离心,然后将其组装固定在硅基Au膜表面从而制备高SERS增强的基底来对化学毒剂模拟剂甲基磷酸二甲酯（DMMP）的快速检测方法进行研究。在实验中,通过优化团聚剂的离子强度、测试方法等来对检测条件进行优化筛选。通过对比不同的团聚剂HCl,KI,MgSO₄,NaCl和NaOH,最终得到最优的离子强度,从而确定1 mol·L-1的KI为团聚剂时具有最好的效果。分别对不同的检测方法来进行了相应的优化,通过对比芯片法和液态溶胶法,最终发现改进后的芯片法能够获得较好的检测效果。最终确定的检测方法为将1 mol·L-1的KI和待测溶液（DMMP）混匀,然后滴在事先准备的以Ag纳米溶胶为基质制得的SERS芯片上,用波长为785 nm激光的便携式拉曼光谱仪直接进行检测,最低可以测至10 μg·L-1。而在文献资料中报道美军短期（＜7 d）饮用水最大暴露安全指南规定对神经性化学毒剂最低检出限是10 μg·L-1,因此采用该SERS检测方法,满足了军队应对化学战或者恐怖袭击的行动的需要。实验结果表明该方法突破了便携拉曼光谱仪灵敏度低的局限,解决了痕量神经性毒剂现场快速检测难题,拓展了SERS技术在化学侦察领域的应用。     

Video-rate optical low-coherence reflectometry based on a linear smart detector array

A low-coherence reflectometer based on a conventional Michelson interferometer and a novel silicon detector chip that allows parallel heterodyne detection is presented. Cross-sectional images of 64x256 pixels covering an area of 1.92 mm x 1.3 mm are acquired at video rate and with a sensitivity close to the shot-noise limit. Applications in surface profiling and thickness measurement are demonstrated.     

Spectral-domain optical coherence reflectometric sensor for highly sensitive molecular detection

We describe what we believe to be a novel use of spectral-domain optical coherence reflectometry (SD-OCR) for highly sensitive molecular detection in real time. The SD-OCR sensor allows identification of a sensor surface of interest in an OCR depth scan and monitoring the phase alteration due to molecular interaction at that surface with subnanometer optical thickness sensitivity. We present subfemtomole detection sensitivity for etching of SiO(2) molecules and demonstrate its application as a biosensor by measuring biotin-streptavidin binding in a microfluidic device.     

Atypical perceptual narrowing in prematurely born infants is associated with compromised language acquisition at 2 years of age

Background

Protein aggregation plays important roles in several neurodegenerative disorders. For instance, insoluble aggregates of phosphorylated tau and of Aβ peptides are cornerstones in the pathology of Alzheimer's disease. Soluble protein aggregates are therefore potential diagnostic and prognostic biomarkers for their cognate disorders. Detection of the aggregated species requires sensitive tools that efficiently discriminate them from monomers of the same proteins. Here we have established a proximity ligation assay (PLA) for specific and sensitive detection of Aβ protofibrils via simultaneous recognition of three identical determinants present in the aggregates. PLA is a versatile technology in which the requirement for multiple target recognitions is combined with the ability to translate signals from detected target molecules to amplifiable DNA strands, providing very high specificity and sensitivity.

Results

For specific detection of Aβ protofibrils we have used a monoclonal antibody, mAb158, selective for Aβ protofibrils in a modified PLA, where the same monoclonal antibody was used for the three classes of affinity reagents required in the assay. These reagents were used for detection of soluble Aβ aggregates in solid-phase reactions, allowing detection of just 0.1 pg/ml Aβ protofibrils, and with a dynamic range greater than six orders of magnitude. Compared to a sandwich ELISA setup of the same antibody the PLA increases the sensitivity of the Aβ protofibril detection by up to 25-fold. The assay was used to measure soluble Aβ aggregates in brain homogenates from mice transgenic for a human allele predisposing to Aβ aggregation.

Conclusions

The proximity ligation assay is a versatile analytical technology for proteins, which can provide highly sensitive and specific detection of Aβ aggregates - and by implication other protein aggregates of relevance in Alzheimer's disease and other neurodegenerative disorders.     

A nano-metallic-particles-based CMOS image sensor for DNA detection

In this paper we report on a study of the CMOS image sensor detection of DNA based on self-assembled nano-metallic particles, which are selectively deposited on the surface of the passive image sensor. The nano-metallic particles effectively block the optical radiation in the visible spectrum of ordinary light source. When such a technical method is applied to DNA detection, the requirement for a special UV light source in the most popular fluorescence is eliminated. The DNA detection methodology is tested on a CMOS sensor chip fabricated using a standard 0.5 μm CMOS process. It is demonstrated that the approach is highly selective to detecting even a signal-base mismatched DNA target with an extremely-low-concentration DNA sample down to 10 pM under an ordinary light source.     

微光像增强器图像传递信噪比的测试研究

图像传递信噪比是微光像增强器的重要特性参数．能够全面定量地表征像增强器在探测弱辐射图像时的综合性能，对于确定像增强器的图像探测灵敏闽具有重要意义。针对其测试原理．采用高灵敏度低噪声CCD器件作为像管输出图像的探测接收器．并引入数字图像处理技术。利用设计的测试系统实现了典型目标图像传递信噪比的自动测试．多次实验结果表明．陔测试系统具有测试过程自动快速及测试数据准确稳定的优点．相同测试条件下的不确定度优于±3%。     

基于相位敏感谱域光学相干层析术的潜指纹获取方法

本文提出一种基于相位敏感谱域光学相干层析术 (spectral domain optical coherence tomography, SD-OCT) 的遗留指纹获取方法, 该方法具有非接触、无损、快速和高灵敏度优势. 实验结果显示, 即使在低对比度条件下, 本方法也能较好地再现遗留指纹, 证明相位敏感谱域光学相干层析术可以准确、可靠地识别潜指纹. 关键词： 潜指纹 谱域光学相干层析术 相位敏感     

压电基因传感器研究进展

压电基因传感器是一种新型的生物传感器，它将压电传感器的灵敏性和DNA杂交反应结合在一起。与传统的基因检测技术相比，压电基因传感器具有结构简单、不需要标记、检测时间短等特点。本对压电基因传感器的研究现状作了综述，包括压电基因传感器的原理、测量技术、固定方法、以及压电基因传感器在各个领域的应用。