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空天院“高光谱导模共振成像生化分析装置研制”项目通过测试验收
来源:中国科学院空天信息创新研究院        2021-10-14 09:21:41        阅读:34
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       传感装置是指接收物体电磁波信息,并将这些信息转换为易于放大、传输、运算的电信号的仪器。是遥感仪器中最核心的组成部分。按其工作波长可分为紫外、可见光、红外、多光谱和微波等系统;按收到的信息分为图像方式与非图像方式;按有无发射电磁波的能力,分为主动式与被动式两种。其结构通常包括电磁辐射的能量收集器、检测器、信号处理器和信号输出装置。主动式传感器还附加电磁波发射分系统,一般包括振荡器、信号处理器、功能放大器和发射天线。

       近期,空天院承担的“高光谱导模共振成像生化分析装置研制”通过测试验收和综合验收。在该项目支持下,成功研制新型高光谱表面等离子体共振(SPR)显微成像装置,完成了对细胞、石墨烯等生化样品的微尺度量化分析。多项关键技术获得国家授权发明专利。

       生物传感器是一种对生物物质敏感并将其浓度转换为电信号进行检测的仪器。是由固定化的生物敏感材料作识别元件(包括酶、抗体、抗原、微生物、细胞、组织、核酸等生物活性物质)、适当的理化换能器(如氧电极、光敏管、场效应管、压电晶体等等)及信号放大装置构成的分析工具或系统。生物传感器具有接受器与转换器的功能。

       表面等离子共振技术,英文简写SPR,是从20世纪90年代发展起来的一种新技术,其应用SPR原理检测生物传感芯片(biosensor chip)上配位体与分析物之间的相互作用情况,广泛应用于各个领域。

       等离子体通常指由密度相当高的自由正、负电荷组成的气体,其中正、负带电粒子数目几乎相等。把金属表面的价电子看成是均匀正电荷背景下运动的电子气体,这实际上也是一种等离子体。当金属受电磁干扰时,金属内部的电子密度分布会变得不均匀。因为库仑力的存在,会将部分电子吸引到正电荷过剩的区域,被吸引的电子由于获得动量,故不会在引力与斥力的平衡位置停下而向前运动一段距离,之后电子间存在的斥力会迫使已经聚集起来的电子再次离开该区域。由此会形成一种整个电子系统的集体震荡,而库仑力的存在使得这种集体震荡反复进行,进而形成的震荡称等离子震荡,并以波的形式表现,称为等离子波。

       表面等离子共振(SPR)是一种光学现象,可被用来实时跟踪在天然状态下生物分子间的相互作用。这种方法对生物分子无任何损伤,且不需任何标记物。

       先将一种生物分子(靶分子)键合在生物传感器表面,再将含有另一种能与靶分子产生相互作用的生物分子(分析物)的溶液注入并流经生物传感器表面。生物分子间的结合引起生物传感器表面质量的增加,导致折射指数按同样的比例增强,生物分子间反应的变化即被观察到。这种反应用反应单位(RU)来衡量:1 RU = 1pg 蛋白/mm2 = 1 x 10-6 RIU(折射指数单位)。

       分析物在被注入的过程中,由对流和扩散流经相互作用表面而与靶分子形成复合物,导致分析物浓度改变。微射流系统内nL数量级流动通道的应用,使得这种浓度的改变降至最低点,以确保高传质系数(Mass Transport Coefficient,km)。为保证分析物的传质性不被限制,键合在生物传感器表面的靶分子浓度必须较低。当分析物被注入时,分析物-靶分子复合物在生物传感器表面形成,导致反应增强。而当分析物被注入完毕后,分析物-靶分子复合物解离,导致反应减弱。通过结合式相互作用模型拟合这种反应曲线,动力学常数便可被确定。而非特异性结合和总折射指数移相等效应则可通过参照曲线减除功能予以驱除。

       高光谱成像技术是基于非常多窄波段的影像数据技术,它将成像技术与光谱技术相结合,探测目标的二维几何空间及一维光谱信息,获取高光谱分辨率的连续、窄波段的图像数据。高光谱成像技术发展迅速,常见的包括光栅分光、声光可调谐滤波分光、棱镜分光、芯片镀膜等。可以应用在食品安全、医学诊断、航天领域等领域。

       所谓高光谱图像就是在光谱维度上进行了细致的分割,不仅仅是传统所谓的黑、白或者R、G、B的区别,而是在光谱维度上也有N个通道,例如:我们可以把400nm-1000nm分为300个通道。因此,通过高光谱设备获取到的是一个数据立方,不仅有图像的信息,并且在光谱维度上进行展开,结果不仅可以获得图像上每个点的光谱数据,还可以获得任一个谱段的影像信息。

       高光谱成像技术是基于非常多窄波段的影像数据技术,它将成像技术与光谱技术相结合,探测目标的二维几何空间及一维光谱信息,获取高光谱分辨率的连续、窄波段的图像数据。高光谱成像技术发展迅速,常见的包括光栅分光、声光可调谐滤波分光、棱镜分光、芯片镀膜等。

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