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光学生物传感器技术及其应用研发能力介绍

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

光学生物传感器技术及其应用研发能力介绍

 

       光学生物传感器技术及其应用是中国科学院上海光学精密机械研究所信息光学与光电技术实验室一个重要的研究与发展方向。

1、光学生物传感

       光学生物传感器把生物识别事件通过光学信号的变化显示出来,从而实现对化学、生物信息的定量分析,具有灵敏度高、速度快、多通道或高通量检测等优点。应用领域包括:生物/化学反应、炸药和生化毒剂的预警,环境污染监测,食品卫生检验以及生物、医学领域中各种无机物、有机物、蛋白质、酶、核酸的分析化验等。

       光学生物传感器通常由荧光检测模块、机械运动模块、电控模块和软件模块组成。

 

       

       荧光检测模块主要用于获取表征生物识别事件的光信号,包括照明光路和荧光接收光路。照明光路中光源的选择主要取决于荧光标记物的吸收波长和荧光效率,荧光接收光路中的滤光片主要根据荧光的峰值波长与带宽来选取。高收集效率的荧光接收光路可提高仪器信噪比,进而提升仪器性能。机械运动模块包括仪器整体的结构与外观造型、样品承载机构。如需扫描检测,则机械运动模块中还包含运动机构以带动样品或荧光检测模块运动。合理的结构设计是保证仪器长期稳定工作的重要因素。电控模块为整机提供电源并协调仪器内各功能模块的工作,实现仪器内运动机构的精密扫描运动和光电探测器输出信号的采集。电控模块的处理器可为计算机或嵌入式计算机。软件主要包括界面、算法及对外通讯组件。通过软件界面,用户可进行仪器操作、特定参数输入、结果查询等;软件算法主要包括协调仪器工作过程的控制算法和对原始数据进行处理与分析的数据处理算法;软件中的对外通讯组件用于与外部设备通讯,如可通过网口、串口或USB接口与计算机相连,以实现与医院信息系统或实验室信息系统的交互。功能强大的软件不仅可实现对样品的精确测量,更能提升仪器的智能化程度,使仪器发挥出更大的作用。

2、主要研究内容和具备的研发能力

1)主要研究内容

       基于荧光检测方法,开展免疫学和分子生物学检测技术研究,形成高特异性、高灵敏度、高通量、快速光学生物传感器技术平台。

       开展纤维状三维立体结构层析膜中光传播特性研究;开展多种纳米光学标记物(上转换发光颗粒、胶体金颗粒、时间分辨荧光颗粒等)光学特性研究;针对不同光学标记物,开展高灵敏度的荧光检测方法研究;针对免疫层析反应的特点,开展高效控制算法和智能定带算法研究。在上述单元技术研究的基础上,开展光学生物检测系统的研究。

2具备的研发能力

       经过近20年的发展,形成了一支20余人的兼备创新性检测技术研究与产品化仪器研发的光学生物传感器技术及其应用研发团队,已在光学、精密机械、电子学、算法及与生物医学融合匹配方面积累了丰富经验,建立了光纤生物传感技术平台、免疫层析检测技术平台、高通量检测技术平台,形成了从仪器概念设计、原理样机研发、产品样机研发、定型产品设计、仪器生产的最优化开发流程。因此,本团队不仅具备创新性检测技术研发能力,同时具备定型仪器产业化能力,已经研制出多种实用化面向国家重要需求的光学生物传感器产品。

 

 

3、主要研究成果

1)光学免疫层析分析仪

       POCT意为即时诊断或床边诊断,要求在最靠近病人的地方开展检验,具有快速、简便、检验周期短、成本低、标本用量少、不需专业的临床检验师操作等优点,可以省去诸多标本预处理步骤以及大型仪器设备检测、数据处理及传输等大量繁琐的过程,直接快速得到可靠的结果。同时,其试剂稳定且便于保存和携带,可被广泛用于医院、家庭、野外等各种场合。

       光学免疫层析分析仪是一种重要的POCT仪器,以免疫层析试纸条为检测对象,通过对试纸条上质控带和检测带信号的精确检测,可获得滴加在其上的样品的浓度,具有灵敏度高、检测速度快(生物反应时间<15min,检测时间<20s)、体积小、成本低等优点。

       根据荧光标记物的不同种类,光学免疫层析分析仪内的荧光检测模块有所不同。常见的荧光标记物有上转换发光颗粒、时间分辨荧光颗粒、荧光微球、藻胆蛋白、胶体金颗粒等。荧光检测模块根据不同荧光标记物的吸收光谱和发射光谱来进行设计。下表列出了常用荧光标记物的特征波长。

 

颗粒

主吸收波长

主发射波长

备注

上转换发光颗粒

980nm

514nm、660nm

NaYF4: Yb3+, Er3+的吸收波长和发射波长

时间分辨荧光颗粒

341nm

613nm

Eu3+的吸收波长和发射波长

量子点

425nm

450nm

CdS, 22nm, Cd/S=2

藻胆蛋白

450nm-600nm

550nm-600nm

藻胆蛋白的种类不同,其光学特性亦不相同

胶体金颗粒

532nm

/

主要测纳米金颗粒的光吸收

荧光聚苯乙烯微球

545nm

590nm

聚苯乙烯微球内填充的荧光染料不同,微球的光学特性亦不同

      

       光学免疫层析分析仪的关键技术在于:高效率的荧光激发和接收光路、精确的功能带定位算法、小型化的结构等。

我们已研制成功上转换发光免疫分析仪(UPT-2型、UPT-3型、UPT-3A型、UPT-M1型)、时间分辨荧光免疫分析仪(TRF-1型)、快速荧光免疫检测仪(RFIA-1型)、定量金标分析仪(DJM-3型、DJM-4型)。目前,这些仪器已经应用于在临床检验、生物事件处置、疾控应急、口岸检疫等众多领域。

2)光纤生物传感器

       光纤倏逝波生物传感器(光纤生物传感器)采用光波在光纤内以全反射方式传输时产生的倏逝波来激发光纤纤芯表面标记在生物分子上的荧光染料,从而检测通过特异性反应而附着于纤芯表面倏逝波场范围内的生物物质的含量。

       由于穿透到待测生物分子溶液中的倏逝波场深度只有波长量级,所以光纤生物传感器只能探测到结合于倏逝波场范围内的荧光染料发出的荧光,而溶液中游离的荧光染料对测量结果无贡献。因此,与其他生物检测手段相比,光纤生物传感器具有如下优点:灵敏度高,生物特异性强,因为不受纤芯表面倏逝波场以外的生物分子的干扰;操作简单,测量速度快,时间短,因为无需将光纤从被测溶液中取出和清洗,杂交反应完成后马上可以进行荧光检测;可以进行现场检测及生物反应的动态过程进行监测, 即在杂交反应过程中进行荧光检测;整机可以小型化。光纤生物传感器的这些特点使其在生物医学研究、食品检验、环境监测、生物战剂探测等需要迅速得出结果并及时采取应对措施的领域得到广泛应用。

       我们已研制出单探头光纤生物传感器原理样机(FOB-1和FOB-3)、多探头光纤生物传感器原理样机(FOB-2),实验室条件下,对纯Cy5溶液、鼠疫F1抗原、炭疽芽孢进行了检测实验,灵敏度(检测限)分别达到0.01nmol/l、50ng/ml、4×104CFU/ml,性能与美国军方同类仪器性能相当。

3)管式流动芯片扫描仪

       管式流动芯片扫描检测技术是一种高通量(多重)检测技术。首先将固定有不同生物分子探针的微珠(100个)按顺序排列在毛细管内,并在毛细管内引入样品进行生物反应;在特定波长激光激发下,通过检测散射光判断管道内流动微珠出现的同时,检测微珠激发的荧光信号;以机械扫描方式检测各微珠上的荧光信号,根据微珠在毛细管内的位置及其荧光信号强度,判断目标被检物的有无及其浓度。

我们成功研制出管式流动芯片扫描仪样机,并交付华东理工大学科研人员开展相关研究工作。

4)生物芯片扫描仪

       生物芯片是20世纪90年代发展起来的一项尖端技术,以玻片、尼龙、硅片为载体,将大量生物大分子比如核酸片段、多肽分子甚至组织切片、细胞等等生物样品有序地固化于支持物的表面,组成密集二维分子排列,然后与已标记的待测生物样品中靶分子杂交,通过特定的仪器对杂交信号的强度进行快速、并行、高效地检测分析,从而判断样品中靶分子的数量。生物芯片扫描仪是生物芯片能否得到广泛应用的关键器件,它是利用强光照明生物芯片以激发荧光,并用探测器探测荧光强度,最后获取生物芯片信息。

我们成功研制出激光共聚焦型生物芯片扫描仪样机,并交付合作单位开展相关研究工作。

5)毛细管电泳荧光检测

       毛细管电泳是以内径为20~200μm的柔性毛细管柱作为分离通道,以高压直流电场为驱动力,对各种小分子、大分子以致细胞等进行高效分离的技术。毛细管电泳荧光检测仪是对毛细管内某一位置处的生物分子、细胞进行定量检测的仪器,具有灵敏度高、分辨率高、速度快、成本低、应用范围广等优点。

我们成功研制出毛细管电泳荧光检测仪样机,并交付复旦大学科研人员开展相关研究工作。

5、主要合作单位

       军事医学科学院微生物流行病研究所、复旦大学、华东理工大学、中国检验检疫科学研究院、上海科炎光电技术有限公司、北京热景生物技术有限公司、上海出入境检验检疫局、泰国清迈大学、中科院微系统所、江苏省人民医院、威海威高集团,等。

6、技术咨询

hlh@siom.ac.cn,huanghuijie@siom.ac.cn

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