SPR超光谱荧光生物芯片检测方法及其应用研究

The advent of microarray technology has revolutionized the biomedical research in genetic engineering. By exploring the gene expression profile, the microarray technology has been efficiently applied to the early diagnosis of desease. For many microarrays, several biomolecular interactions occur simultaneously and the interplay of various factors that affect these interactions remains poorly understood. Detecting such interactions with a single technique can often be a difficult and complicated process. In this project we propose a combined technique which enables simultaneous fluorescence imaging and surface plasmon resonance (SPR) sensing. In the part of fluorescence imaging, a hyperspectral imaging mechanism is adopted. Such an imaging mechanism records the entire emission spectrum for every voxel within the imaged area, so that it allows for quantitative identification of the contributions of multiple fluorescent dyes and elimination of unwanted artifacts. In the part of SPR sensing, the angle-interrogation SPR is modulated with the polarization interferometry technique to improve sensing performance and reduce restrictions on allowable parameters of SPR-supporting metal films. This tandem technique offers two-dimensional imaging of the whole array plane by a line scanning architecture. The refractive index information obtained from SPR sensing and the physicochemical properties obtained from fluorescence imaging provide a comprehensive analysis of biological events on the array-chip. In addition, SPR and fluorescence detection techniques confirm each other in experimental results to exclude false-positive or false-negative cases. On account of these features, the technique proposed in this project has the potential for providing efficient early diagnosis of desease.

近年来不断发展的生物芯片技术，通过对基因表达图谱进行数据挖掘，能够有效地诊断临床表征不明的多种疾病。随着生物芯片技术的不断革新，对生物芯片的检测也提出了越来越高的要求，以往单一的检测方法已经很难适应生物芯片的检测需求。本课题提出了一种能够同时实现荧光与表面等离子体共振（surface plasmon resonance, SPR）成像的生物芯片检测方法。在荧光检测部分，采用超光谱成像机制，通过记录生物芯片上每一点的光谱，有效去除干扰信号的影响，提高检测结果的准确性。在SPR检测部分，采用角度谱型SPR方法，并通过偏振干涉技术降低噪声水平，实现高灵敏度、高折射率分辨率的SPR成像。系统采用线扫描的成像方式，提供了对生物芯片的高通量检测。检测结果同时具有荧光和SPR信号，不但实现了对生物芯片的多参量分析，而且两种信号可以为彼此提供参照，排除假阳性、假阴性等情况，从而有效地应用于疾病早期诊断。

表面等离子体共振（Surface Plasmon Resonance, SPR）检测方法由于具有无需标记、灵敏度高等特点，可以实现对生化反应过程的实时、无损检测，因此在生化分析、临床医疗诊断和食品安全等领域获得了广阔的发展空间。.在本项目中，我们首先以多层膜反射理论为依据，对光波导SPR结构的反射光曲线特征、表面场强分布情况进行了深入的分析与研究，最终提出了MgF2-Au-MgF2对称型光波导结构。接下来，我们搭建了二维角度谱型光波导SPR传感检测系统，对上述对称型光波导结构用作SPR传感时所能达到的性能指标进行了测试，得到了5.22×10-7 RIU的折射率分辨指标，比同等光路条件下传统SPR分辨水平高将近一个量级，充分肯定了对称型光波导SPR结构的优越性。.同时，我们利用光波导SPR结构表面增强的电场强度实现了对波导层表面荧光基团的暗场激发，从而为SPR检测提供荧光参照，以提高检测的信息通量以及准确性。为了实现以上目标，我们搭建了一套SPR与表面等离子体激发荧光高光谱分析同时测量的实验系统，对MgF2-Au-MgF2结构表面激发荧光的特性进行了研究。更进一步地，我们在MgF2-Au-MgF2结构上首次获得了蓝光（473nm）激发SPR并将其用于传感、表面等离子体激发荧光同时测量的初步实验结果。该结果突破了传统SPR检测对入射光波长的限制，同时由于生物荧光标记物在蓝光波段的荧光激发效率更高，因而该研究成果为进一步提高光波导SPR传感检测的灵敏度奠定了研究基础。SPR与荧光检测技术的复合分析方法将会为深入理解生化反应过程提供更好的研究平台。.在上述工作的基础上，我们还实现了对光波导传感结构的表面功能化修饰并对人眼房水中的血糖指标以及细胞因子进行了传感检测，验证了光波导SPR传感检测系统的实际生物应用能力。