[发明专利]一种单离子检测方法和装置

说明书

本发明属于光学精密测量技术领域，针对光学生物传感器灵敏度不足、无法对单个离子或带电小分子相互作用分析的问题，本发明公开了一种基于单离子成像检测方法和装置，全内反射椭偏成像仪的探测光束，经电调制奇点耦合差分成像反应单元反射后，汇聚于CCD或CMOS探测器，所采集的传感表面图像数据传输给信号处理单元，通过对工作传感表面和参比传感表面的差分信号进行频谱分析，消除共模噪声，在频谱上选取调制信号所在峰值强度进行滤波，获得固液界面处单个离子或带电分子间的相互作用实时信号。本申请基于椭偏相位在表面等离子体共振角处的奇点效应及相应光学信号噪声抑制方案，能够实时观测单个离子或带电分子在固相表面的吸附及其物化反应。

技术领域

本发明涉及光学精密测量技术领域，具体涉及一种单离子检测方法和装置。

背景技术

离子或带电分子在固相表面相互作用的分析对于揭示诸多物理、化学、生物过程的分子机制具有重要的意义。然而在溶液中，单个离子尺寸较小，且容易受到液相扰动的影响，难以表征，特别是缺乏有效的成像分析工具来系统分析溶液中离子或带电分子的相互作用。

目前常见的光学传感技术包括斜入射反射差扫描成像装置、反射干涉光谱成像仪和共振波导光栅传感器等。但对于检测单个离子或带电分子，上述技术都难以实现或者达到理想的效果。

全内反射椭偏成像生物传感器是一种可用于研究生物分子在固相表面吸附行为的光学生物传感器。该传感器利用生物分子在固相表面吸附时引起的光谱吸收、反射以及折射率等光学性质的改变作为检测手段，具有高通量，对生物样品破坏小，可对亚纳米厚度的膜层进行检测等优点。同时，由于其检测用的样品通常可以避免繁复的预处理步骤。因此，全内反射椭偏成像生物传感器可用于实时、高通量的样品检测，从而在生物医学研究、疾病诊断、制药、食品安全以及环境监测等诸多领域具有广泛的应用。

然而，随着医疗水平的不断提高和人们健康环保意识的觉醒，人们在疾病早期检测、药理学分析和微量污染检测方面，对全内反射椭偏成像生物传感器提出了更高的要求。现有的全内反射椭偏成像生物传感器，针对蛋白质等生物大分子具有较高的检测灵敏度，针对单离子，或者诸如氨基酸等带电生物小分子，存在灵敏度低、无法进行有效的带电小分子相互作用分析的问题。

发明内容

针对现有技术中存在的光学生物传感器灵敏度不足、无法对单个离子或带电小分子相互作用分析的问题，本发明的目的在于提供一种基于单离子成像检测方法和装置，可用于溶液中单个离子、带电分子的实时检测。本申请基于椭偏相位在表面等离子体共振角处的奇点效应及相应光学信号噪声抑制方案，能够实时观测单个离子或带电分子在固相表面的吸附及其物化反应。

本发明的目的是通过下述技术方案实现的。

一种单离子成像检测方法，包括如下步骤：

(1)信号发生器对电调制奇点耦合差分成像反应单元的工作传感表面施加一高频正弦调制信号,用以对所采集的信号进行傅里叶分析和滤波；

(2)全内反射椭偏成像仪的探测光束，经电调制奇点耦合差分成像反应单元反射后，汇聚于全内反射椭偏成像仪的CCD或CMOS探测器，用以获得含有靶标的样品在表面吸附的原始图像；

(3)经CCD或CMOS探测器所采集的传感表面图像数据传输给信号处理单元，用以对步骤(1)所采集的原始图像信号进行处理；

(4)信号处理单元通过选取差分成像反应单元中工作传感表面和参比传感表面相同大小的区域图像，分别获得工作区域信号强度I₀(t)及其平均值和参比区域信号强度I_r(t)及其平均值由反演得到反应单元传感表面固液界面处单个离子或带电分子差分信号S，对差分信号S进行傅里叶变换，选取频谱上调制信号所在峰值进行滤波降噪，用以获得单个离子在传感表面吸附时所获得的传感信号。

进一步的，所述步骤(1)中通过微流道单元向电调制奇点耦合差分成像反应单元内输运含有靶标离子的溶液及参比溶液。