用基于纳米结构的光谱检测法分析化学物和生化物的方法

用基于纳米结构的光谱检测法分析化学物和生化物的方法
【专利摘要】一种集成的免疫层析系统，包括一色谱层析单元，用于接收包含纳米颗粒和吸附在纳米颗粒上的抗体的标记纳米结构探针，及一检测膜，包含包被抗原。色谱层析单元使标记纳米结构探针扩散穿过并进入检测膜，其中纳米颗粒上的抗体结合到包被抗原上。激光装置发射激光以照射标记纳米结构探针，该标记纳米结构探针具有结合到检测膜的包被抗原上的抗体。光谱分析仪获得来自标记纳米结构探针的散射光的拉曼光谱，所述标记纳米结构探针具有结合到检测膜的包被抗原上的抗体，并识别与抗体-抗原对相关联的拉曼光谱中的光谱信号，从而检测及识别抗体。
【专利说明】用基于纳米结构的光谱检测法分析化学物和生化物的方法
[0001]本申请是共同转让的未决美国专利申请US13/442，835的延续申请并要求其优先权，美国US13/442，835号专利申请的名称是“用基于纳米结构的光谱检测法确保食品安全”，申请日是2012年4月9日。美国US13/442，835号专利申请要求美国临时申请US61/507, 592的优先权，美国US13/442，835号专利申请的名称是“用基于纳米结构的光谱检测法分析化学物和生化物”，申请日是2011年7月13日。在此公开这些相关专利申请是以引用的方式将其并入本申请。
【技术领域】
[0002]本发明涉及物质检测领域，尤其涉及一种利用光散射探头和化学检测器检测化学物质、生化物质、放射性物质及其他物质的方法。
【背景技术】
[0003]光散射技术例如拉曼光谱法能够检测化学物质和生化物质。应用拉曼光谱法的一个主要限制是，从化学物质和生化物质获得的拉曼散射信号非常弱。尽管人们在增强拉曼散射强度方面做了许多努力，但仍没有产生基于拉曼光谱法的实用且经济的检测器。因此，迄今为止拉曼散射法检测化学物质和生化物质方面的应用还非常有限。
[0004]所以，有必要提供一种有效和实用的基于拉曼光谱法的检测器以检测和探测微痕量化学物质、生化物质、放射性物质及其他物质。

【发明内容】

[0005]本申请公开了一种具有超高灵敏度的检测和探测化学物质或生化物质的拉曼光谱检测(或探测)系统和方法。本发明公开的拉曼光谱检测系统和方法可检测或探测到的生化物质或化学物质浓度水平比常规的检测技术要低几个数量级。生化物质和化学物质包括抗原、抗体和广泛的小分子及金属元素。特别是，当应用到生化免疫测定时，检测灵敏度和特异性能够明显提高。
[0006]一方面，本发明涉及一种集成的免疫层析系统，包括一色谱层析单元，能够接收标记纳米结构探针，该标记纳米结构探针包含纳米颗粒，吸附在纳米颗粒上的抗体以及含有包被抗原的检测膜，其中色谱层析单元允许标记纳米结构探针扩散穿过并进入检测膜，其中纳米颗粒上的抗体被结合到包被抗原上。集成的免疫层析系统还包括一激光装置，能够发射激光以照射标记纳米结构探针，该标记纳米结构探针具有结合在检测膜上的包被抗原上的抗体，及一光谱分析仪，能够获得来自标记纳米结构探针的散射光的拉曼光谱，该标记纳米结构探针具有结合在检测膜上的包被抗原上的抗体，并识别与抗体-抗原对相关联的拉曼光谱中的光谱信号，从而实现抗体的检测和识别。
[0007]上述系统的实施可包括以下的一个或多个。色谱层析单元能够接收竞争性抗原并允许竞争性抗原扩散穿过并进入检测膜，其中竞争性抗原与包被抗原竞争以结合到纳米颗粒表面的抗体上。标记纳米结构探针可包括结合在纳米颗粒或抗体上的光谱标记。抗原可包括但不限于克伦特罗(CIenbuteroI)、硝基呋喃(nitrofurans )、有机磷(organic phosphorus)、有机氯(organochlorine)、正对苯二酸盐(pro terephthalate)、杀虫剂(a pesticide)、灭鼠剂(a rodenticide)或兽药(a veterinary drug)。抗原可包括三聚氰胺(melamine)、甜蜜素(sodium cyclamate)、环己基氨基磺酸钠(sodiumcyclohexylsulfamate)、鹿糖(cane sugar)、淀粉(starch)、苏丹 1、I1、III 和 IV (SudanI, II, III and IV)、孔雀石绿(malachite green)、甲胺磷(methomidophos)、乙酰甲胺磷(acephate)、DDT (二氯二苯三氯乙烧)、DDV (敌敌畏)、马拉硫磷(malathion)、杀螟硫磷(fenitrothion)、溴氰菊酯(deltamethrin)、氯氰菊酯(cypermethrin)、甲基对硫磷(methyl parathion)、亚胺硫憐(phosmet)、乐果(dimethoate)、硝基呋喃(nitrofuran)、呋喃唑酮(furanzolidole)、氯霉素(chloramphenicol)、氯四环素(chlortetracycline)、环丙沙星(ciprofloxacin)、克伦特罗或恩诺沙星(enorfloxacin)。纳米颗粒的平均直径在IO-1OOnm范围内。纳米颗粒可包含的材料选自金属、金属合金、氧化物、硅、复合物材料、磁性或铁磁性材料及它们的组合，或者选自Al、Ag、Au、Cu、Fe、Co、N1、Cr、Zn、Sn、Pd、Pt以及它们的组合。包被抗原可包括克伦特罗，其中克伦特罗被结合到鸡卵白蛋白(OVA)分子上，形成OVA-克伦特罗复合体，该OVA-克伦特罗复合体结合到检测膜上。
[0008]另一方面，本发明涉及一种物质识别方法。该方法包括使抗体吸附到纳米表面结构上，引入未知抗原到纳米表面结构，以使未知抗原与纳米表面结构上的抗体相结合，利用激光束照射纳米表面结构上相结合的未知抗原和抗体，采集纳米表面结构上相结合的未知抗原和抗体的散射光，获得来自纳米表面结构上相结合的未知抗原和抗体散射光的拉曼光谱，寻找拉曼光谱中与相结合的未知抗原和抗体相关联的光谱信号，并根据拉曼信号识别与纳米表面结构上的抗体相配对的未知抗原。
[0009]上述系统的实施可包括以下的一个或多个。抗原可选自克伦特罗、硝基呋喃、有机磷、有机氯、正对苯二酸盐、杀虫剂、灭鼠剂、兽药中的物质(a substance in a veterinarydrug)、砷化合物(an arsenic compound)和氰化物(a cyanide)。抗原还可选自三聚氰胺、甜蜜素、环己基氨基磺酸钠、蔗糖、淀粉、苏丹1、I1、III和IV、孔雀石绿、甲胺磷、乙酰甲胺磷、DDT、DDV、马拉硫磷、杀螟硫磷、溴氰菊酯、氯氰菊酯、甲基对硫磷、亚胺硫磷、乐果、硝基呋喃、呋喃唑酮、氯霉素、氯四环素、环丙沙星、氨哮素或恩诺沙星。该方法进一步包括基于与疾病相关的未知抗原的识别诊断人体疾病。反应物可包括从人体获得的体液。疾病可包括但不限于癌症、哮喘、敏感症、肝硬化、肾衰、白血病、阿尔茨海默氏病、帕金森氏病、糖尿病、烟瘾症、关节炎、心血管病、严重急性呼吸综合征(SARS)、流感和艾滋病(HIV)。未知抗原可包括违禁药物，包括但不限于海洛因(heroin)、脱氧麻黄碱(methamphetamine)、古柯碱(cocaine)、咖啡因(caffeine)、吗B非(morphine)、可待因(codeine)、安非他明(amphetamine)、麻黄素(ephedrine)、罂.粟喊(papaverine)、那可汀(narcotine)、克他命(Ketamine)和摇头丸(MDMA)。未知抗原可包括蛋白载体和结合到蛋白载体上的未知物质分子，其中蛋白载体的识别致使未知物质的识别。未知物质可包括克他命或氟乙酰胺(fIuoroacetamide)。未知抗原可从食品中提取。
[0010]该方法进一步包括在采集纳米表面结构的散射光时，施加电场、磁场或电磁场到纳米表面结构。纳米结构表面可包括平均直径在1-1OOOnm范围内的纳米颗粒。纳米颗粒包含的材料选自金属、金属合金、氧化物、硅、复合物材料、磁性或铁磁性材料及它们的组合，或选自Al、Ag、Au、Cu、Fe、Co、N1、Cr、Zn、Sn、Pd、Pt以及它们的组合。纳米表面结构可在基底上形成。纳米表面结构包括在基底上表面形成的突起或立柱，其中相邻的突起或立柱平均直径在IO-1OOOnm之间。纳米表面结构可包括在基底上表面形成的凹陷或孔隙。相邻凹陷或孔隙的平均直径在IO-1OOOnm之间。
[0011]另一方面，本发明涉及一种物质识别方法。该方法包括将预处理的化学物质或生化物质施加到纳米表面结构；引入包含未知物质的反应物到纳米表面结构，使未知物质的分子在预处理的化学物质或生化物质的协助下吸附到纳米表面结构；利用激光束照射吸附有未知物质的分子的纳米表面结构；采集由吸附有未知物质的分子的纳米表面结构的散射光；从吸附有未知物质的分子的纳米表面结构的散射光获得拉曼光谱；寻找拉曼光谱中与未知物质相关联的光谱信号；以及利用光谱信号识别反应物中的未知物质。
[0012]上述系统的实施可包括以下的一个或多个。抗原可包括蛋白载体和结合在蛋白载体上的未知物质的分子。该方法进一步包括根据光谱信号识别蛋白载体，其中未知物质的识别是根据蛋白载体的识别进行的。未知物质可包括克他命或氟乙酰胺。预处理的化学物质或生化物质可包括可以吸附到纳米表面结构表面上的抗体，其中未知物质是与抗体相匹配的抗原，其中拉曼信号与吸附到纳米表面结构上的抗原一抗体对相关联。预处理的化学物质或生化物质可包括能够吸附到纳米表面结构表面上的抗原，其中未知物质是与抗原相匹配的抗体，其中光谱信号与吸附到纳米表面结构上的抗原一抗体对相关联。纳米表面结构可包括平均直径在1-1OOOnm范围内的纳米颗粒，或在基底上形成的纳米结构。
【专利附图】

【附图说明】
[0013]下列附图作为说明书的一部分，图解本发明的实施例，同
【发明内容】
一起用来阐明本发明的原理。
[0014]图1A-1C举例说明了利用一拉曼散射探头检测化学物质和生化物质的系统。
[0015]图2是适用于图1A-1C的拉曼散射探头的一示例探头的示意图。
[0016]图3A和3B分别是在机场使用拉曼探头对乘客和行李进行检查的示意图。
[0017]图4A是用于建筑物安全监控的拉曼散射探头有线连接网络的示意图。
[0018]图4B是用于建筑物安全监控的拉曼散射探头无线连接网络的示意图。
[0019]图4C是能与控制中心进行无线通信的探头组件的一示例结构图。
[0020]图4D是识别危险物质源的时间和位置的一示例流程图。
[0021]图5是使用拉曼散射探头进行环境监测的示意图。
[0022]图6A是使用拉曼探头检查食品安全的示意图。
[0023]图6B是使用拉曼散射探头进行远程疾病诊断和生物医学检测的系统的示意图。
[0024]图6C是在一个多通道检测系统中使用多个拉曼散射探头进行生产质量控制的示意图。
[0025]图6D是在一个多通道检测系统中使用多个拉曼散射探头进行假冒商品检测、食品和饮料的安全和质量检查及药物鉴定的示意图。
[0026]图7是根据本发明的一个实施例利用含有纳米颗粒的溶液和光散射探头检测痕量化学物或生化物物质的示意图。
[0027]图8是利用含有纳米颗粒的溶液和光散射探头检测痕量化学物或生化物物质的流程图。
[0028]图9A是使用扫描电子显微镜观察到的纳米颗粒的显微图像示例。
[0029]图9B是图7所示溶液中的纳米颗粒的粒径分布示例图。
[0030]图10是用于制造纳米结构的多层层状结构的剖视图。
[0031]图1lA是在图10所示的多层层状结构中形成孔隙的剖视图。
[0032]图1lB为图1lA所示的多层层状结构的顶视图。
[0033]图1lC是图1lB所示多层层状结构沿A-A线的剖视图。
[0034]图12是经湿法化学腐蚀或化学机械抛光后在多层层状结构上形成的纳米结构的首1J视图。
[0035]图13是去除孔隙底部的阻挡层并刻蚀至导电层后在多层层状结构上形成的纳米结构的剖视图。
[0036]图14A是沉积贵金属后在多层层状结构上形成的纳米结构的剖视图。
[0037]图14B是去除顶层的贵金属后在多层层状结构上形成的纳米结构的剖视图。
[0038]图15是去除氧化层后在多层层状结构上形成的纳米结构的剖视图。
[0039]图16A-16D，16G和16H是经相应制作工艺后在多层层状结构上形成的纳米结构的首1J视图。
[0040]图16E和16F是经相应制作工艺后在多层层状结构上形成的纳米结构的顶视图。
[0041]图17是通过本发明公开的拉曼散射探头在一口腔癌病人的唾液中检测到口腔癌的拉曼光谱信号的示例图。
[0042]图18是通过本发明公开的拉曼散射探头在一乳癌病人的唾液中检测到乳癌的拉曼光谱信号的示例图。
[0043]图19A和19B分别是使用本发明公开的拉曼散射探头在一肺癌病人的唾液和血清中检测到肺癌的拉曼光谱信号的示例图。
[0044]图20是通过本发明公开的拉曼散射探头在一卵巢癌病人的血清中检测到卵巢癌拉曼光谱信号的示例图。
[0045]图21是通过本发明公开的拉曼散射探头在一艾滋病病人的唾液中检测到艾滋病拉曼光谱信号的示例图。
[0046]图22是通过本发明公开的拉曼散射探头在一违禁药物使用者唾液中检测到使用违禁药物的拉曼光谱信号的示例图。
[0047]图23示例说明了通过本发明公开的拉曼散射探头，经与N-甲-2-5-吡咯烷酮(可梯尼，尼古丁的代谢产物)的拉曼光谱信号作比较，在一吸烟者的唾液中检测到可确定吸烟状态的拉曼光谱信号。
[0048]图24是使用本发明公开的拉曼散射探头进行非侵入式疾病诊断的流程图。
[0049]图25是根据本发明使用基于纳米结构的光谱检测的免疫测定检测未知抗原过程的流程图。
[0050]图26A示例说明了如图25所述过程中利用基于纳米颗粒的光谱检测进行免疫测定的样品的准备。
[0051]图26B示例说明了如图25所述过程中来自包含吸附有抗体的纳米颗粒的样品的光谱检测。[0052]图26C显示了如图25所述过程中包含吸附有抗体的纳米颗粒的样品中待测未知抗原的引入。
[0053]图26D显示了如图25所述过程中未知抗原结合到纳米颗粒上所吸附的抗体上的检测。
[0054]图27是根据本发明使用基于纳米结构的光谱检测的免疫测定法检测未知抗原的另一过程的流程图。
[0055]图28A示例说明了准备用于如图27所述过程中利用基于纳米结构的光谱检测进行免疫测定的样品的结构。
[0056]图28B示例说明了如图27所述过程中来自包含吸附有抗体的纳米结构的样品的光谱检测配置。
[0057]图28C显示了如图27所述过程中结合到纳米颗粒所吸附的抗体上的未知抗原的检测。
[0058]图29显示了根据本发明使用基于纳米结构的光谱检测进行免疫测定的小分子化合物的竞争性测定过程。
[0059]图30A-31B示例说明了设置用于基于纳米结构的光散射物质检测的集成的免疫层析系统。
[0060]图32示例说明了图30A-31B使用的纳米结构探针、示例抗原和包被抗原的标记。
[0061]图33示例说明了适合集成的免疫层析系统的纳米结构探针的准备。
[0062]图34显示了用于集成的免疫层析系统的纳米结构探针的散射光的细节图。
[0063]图35示例说明了使用图30A-31B所示的集成的免疫层析系统进行的基于纳米结构的光散射和物质检测的实施步骤。
[0064]图36显示了作为集成的免疫层析系统中竞争性抗原浓度函数的拉曼散射强度。
[0065]图37显示了集成的免疫层析系统的标准拉曼散射曲线。
[0066]图38显示了由集成的免疫层析系统获得的检测膜中的检测线照片。
[0067]图39示例说明了在不同准备条件下的拉曼散射光谱。
[0068]图40显示了由集成的免疫层析系统沿检测线中间10个不同的点获得的拉曼散射强度峰的重复性。
[0069]图41显示了集成的免疫层析系统的特异性。
【具体实施方式】
[0070]图1A-1C分别示意了使用表面增强拉曼散射(Surface-Enhanced RamanScattering, SERS,或 Nano-Enhanced Raman Scattering, NERS)检测或探测微痕量化学物质或生化物质的系统。参见图1A，一光散射探头100包括一探头110和一位于探头110旁的检测器105。检测器105包括一纳米表面结构。例如，该纳米表面结构可以包括多个纳米柱108 (图1B所示)，多个纳米孔隙，溶液中的纳米颗粒簇，或其他的纳米尺寸的表面结构。在一些实施例中，如下所述，可以通过将含有纳米颗粒的胶体悬浮溶液涂在检测器105的表面来制作纳米表面结构。接着溶液可以被蒸发掉，纳米颗粒沉积到表面上。在本发明的说明书中，术语“纳米颗粒”指的是至少在一个方向的尺寸小于1，OOOnm的小颗粒。
[0071]在一些实施例中，可以将样品溶液引到检测器105的纳米柱108上。所述样品溶液可包括病人或违禁药物使用者的体液，以诊断疾病和确定药物使用情况，或是气相的流体。体液的例子包括但不限于血液、唾液、尿液、血清、泪、汗、胃液、胸腔积水、腹水、脑脊髓液(CSF)、精液和分泌液。样品溶液还可以包括食品样品，为确保食品安全检测食品样品中有害的或非法的添加物。食品的例子包括但不限于乳制品，例如液态奶、奶粉、婴儿配方奶粉、乳酪、酸奶、冰淇淋，和其他含奶食品，例如含奶的糖果、蛋糕和饼干，以及含蛋白质的食品。探头110和检测器105可以是装入一探头组件120中。探头组件120可以通过一真空泵减压来减少杂质对感应面的污染。
[0072]激光器141发射的激光束经光纤125传导到探头，照射在检测器105 (图1A)的纳米表面结构上，如图1C所示。检测器105纳米表面上的样品溶液产生的散射光通过探头110采集，经光纤130传导到光谱仪140。光谱仪140的输出信号通过光谱分析仪150获得散射光的拉曼光谱。识别出拉曼光谱中的一个或多个光谱信号，并将其与预定的多种分子的光谱信号作比较。当检测发现超出了某分子的阈值，输出信号160显示识别到目标分子，例如，食物或水中的有害物质，危险物质(暴炸性或易燃性物质)，或疾病相关分子。在本发明的说明书中，术语“光谱信号”指的是一个或多个光谱峰，一个或多个光谱谷，及其他的波谱形状，例如相对峰高、波峰线宽度、峰形等等，它们表征了生化、医药或化学物质中的一个或多个分子键。
[0073]在一些实施例中，检测器105可包括检测器上不同的纳米结构，如在共同转让的未决美国专利申请US12/014，800 (已于2011年I月11日授权为美国专利US7，869，044)中所公开的，其名称是“微阵列结构上的光学检测系统”，申请日是2008年I月16日，上述申请的内容以引用的方式并入本申请。上述光学检测系统包括一光学检测器，所述光学检测器包括一基底，该基底具有上表面和位于基底之上的多个锥形壁，其中至少一个锥形壁是沿纵向排列的，其中多个锥形壁包含相对于上表面呈倾斜角的斜表面，其中斜表面被用来吸附化学样品分子；一光源用来发射入射光束以入射到吸附有化学样品分子的多个锥形壁；以及一采集器用来采集多个锥形壁的散射光以确定化学样品。
[0074]检测器105也可包括一具有上表面的基底和基底上的多个锥形壁，其中多个锥形壁包含相对于基底上表面呈倾斜角的斜表面，其中至少两个相邻的锥形壁定义一气隙，该气隙具有的宽度是与上表面距离的函数；一光源，被用来发射入射光束以入射到吸附有化学样品分子的锥形壁；以及一采集器，用来采集多个锥形壁的散射光以确定化学样品。
[0075]在一些实施例中，检测器105可包括多层纳米结构，如共同转让的未决美国专利申请US11/754，912 (已于2011年2月22日授权为美国专利US7，892，489)中所公开的多层纳米柱和多层纳米孔，该申请的名称为“具有多层微结构的光散射装置”，申请日是2007年5月29日，纳米颗粒簇或团，或溶液中的多层纳米颗粒，上述申请的内容以引用的方式并入本申请。纳米表面结构可包括硅基底；位于硅基底上的粘附层；位于粘附层上的偏置层；和位于粘附层上的一个或多个结构层。一个或多个结构层可包括不同的物质构成和穿过两个或更多的结构层中的至少两层的多个孔。多个孔的宽度在0.5-1，OOOnm范围内。纳米表面结构还可包括一娃基底；一位于娃基底上的粘附层；一位于粘附层上的偏置层；和位于偏置层上的多个柱。多个柱或孔中的至少一个可包括具有不同物质构成及宽度在
0.5-1，OOOnm范围内的两个或更多的结构层。
[0076]参见图2，探头110接收来自输入光纤125的激光束。该激光束依次通过一个带通滤波器170、一透镜组175-1和175-2投射到检测器105上。从检测器105出来的散射光经一反射镜组180-1和180-2引导通过另一个带通滤波器185，进一步经准直透镜190进入收集光纤130。
[0077]被检测的微痕量化学或生化制剂可以是气体、液体、固体、溶胶凝胶或气溶胶的形式。其分子被吸附到检测器105的纳米表面或纳米颗粒上。与自由存在于气体、液体、固体、溶胶凝胶或气溶胶中的分子相比，这些被吸附在纳米表面或纳米颗粒上的分子在激光束的照射下具有大得多的散射截面。当用激光束照射这些被吸附的分子时，可以获得这些分子的拉曼散射光谱。通过这些分子存于系统数据库的预定的拉曼光谱信号比对可以识别出目标化学或生化制剂。
[0078]图3A显示了一个在交通运输安全领域应用表面增强拉曼散射的例子。对正在通过人行通道的乘客200-1、200-2和200-3进行筛查。一个或多个带有埋置式检测器105的探头组件120被安装在人行通道210中。探头组件120可以通过光纤连接附近或远处办公室内的光谱分析仪150。在探头组件120中，探头和检测器(或探测器)被包装在一起。探头指向检测器105的感应面。人行通道210可以是人工通风的和处于轻微的负压和/或稍高的温度下，以增强有害物质的挥发或输运。如果一个乘客(例如乘客200-2)携带有爆炸物、有害化学物质、化学武器、易燃液体、生化武器、核武器或麻醉药物，微痕量的这些物质将挥发或输运进入空气中，通过专门设计的样品采集系统(美国US7，384，792号专利披露了相关的细节)，这些分子被吸附到检测器的表面。记录拉曼光谱并将其与中心办公室数据库中储存的已知物质的光谱信号做比较。一旦检测到有害物质就触发警报，采取适当的安全措施。
[0079]参见图3B’货物215经由一传送带230运送通过货物筛查通道220。埋置有检测器105的探头组件120置于货物筛查通道220各处。探头组件120经光纤连接附件或远处办公室中的光谱分析仪150。探头组件120对准检测器105的表面，并与检测器105包装在一起，用于检测任何装在货物215中的爆炸物、化学或生化武器、或有害化学品。这一设施可应用于各种需要检查乘客行李的场所，例如机场、邮局、铁路车站、地铁站、海关检查站、交通管制区、轮船或潜艇、飞机、学校、酒店、餐馆、购物中心、娱乐中心、建筑物和其他公共场所，等等。用这一设施很容易实施来检测火药及其他爆炸物、含有液体易燃易爆物的容器或其他危险物品。
[0080]有线检测器网络
[0081]参见图4A，一检测(或探测)器网络系统400应用于公共建筑物的安全监测，所述公共建筑物例如机场、铁路、公交车站、体育场馆、政府机关、礼堂、电影院、法院、大型购物中心、其他公共建筑物或公众聚集场合。多个探头组件401安装于公共建筑物415或其它防卫区域的不同位置上。各探头组件401包括一探头和一检测器(图4A中未分别显示)。该探头可以与探头110 (图1A)相类似，但还可以包括一激光装置。该检测器与图1B所示的检测器105—致，包括其表面上的纳米表面结构。该检测器还可以包括一用以接收反应物进行检测的液体溶液。该溶液可包括吸附反应物分子的纳米颗粒。探头组件401用于监测各种不同的物质分子，为进入到监控区域中的任何危险的或有害的化学物提供早期检测。探头组件401采集的光信号经光纤402多通道输入到控制办公室408中的光多路复用器403。光信号经光谱仪404分解产生光谱信号，光谱信号再由光谱分析仪405进行分析。处理器407利用预存在数据库406中的光谱信息识别出光谱数据中光谱信号。有害物质监测的一些特例包括但不限于检测爆炸物，包括液体炸药、化学或生化武器(包括炭疽)，可燃液体材料,毒品等。
[0082]无线检测器网络
[0083]在一些实施例中，检测器网络系统430如图4B所示。建筑物415包括一入口和多面墙。探头组件410A - 4101安装在建筑物415的不同位置上。探头组件410A — 4101分别与天线411A - 4111连在一起，天线411A — 4111将当地检测到的光谱信息发射到控制中心450。
[0084]如图4C所示，各探头组件410A包括一探头420A和一位于探头420A邻近位置处的检测器430A。检测器430A可采集周围环境中的物质。在一些实施例中，检测器430A包括一纳米结构表面，吸附在周围环境中采集到的物质的分子。探头420A包括一紧凑的激光器421A(例如一半导体激光器)，激光器421A对吸附于检测器430A的样品分子照射激光束。探头420A进一步包括光学信号采集装置422A，其采集吸附于检测器430A的样品分子散射的光信号，这些散射光包含有样品分子的相关分子信息。检测器430A与检测器105(图1B)一致，其表面上具有一纳米结构。吸附于该纳米表面结构上的样品分子散射入射激光。检测器430A还可以包括一用于接收待测反应物的液体溶液(参见下面的图7)。该溶液还可以包括用于吸附反应物分子的纳米颗粒。
[0085]探头420A还包括一紧凑的光谱仪440A，探头420A采集到的散射光经光谱仪440A产生一光谱。从光谱仪440A输出的光谱数据传输到无线通信线路445A。无线通信线路445A可包括一射频(RF)收发器，一个或多个放大器和阻抗匹配电路。无线通信线路445A用于将探头组件410A检测到的光谱数据传输给控制中心450 (图4B)。
[0086]参见图4B，控制中心450包括一带有天线455的无线路由器460，用于接收来自天线411A — 4111的无线信号，并从该无线信号产生包含光谱数据的电信号。控制中心450可以离信号源(例如，建筑物415)距离较近(例如，几英里之内)，让包含光谱数据的无线信号按照一无线通讯协议来传送，例如蓝牙、WiMax、WiBro、WiF1、WLAN、802.16及其他的无线通讯协议。控制中心450还可以离信号源较远，其中包含光谱数据的无线信号可以利用无线通讯标准和协议来传送，例如全球数字移动电话系统(GSM)、通用移动电信业务(UMTS)和码分多址(CDMA)。GSM可包括GPRS EDGE和CSD。UMTS可包括宽带码分多址(WCDMA)、高速分组接入(HSPA)、高速下行链路分组接入(HSDPA)、通用移动通信系统时分双工(UMTS-TDD)和长期演进(LTE)技术。CDMA可包括CDMA2000和超移动宽带(UMB)。
[0087]控制中心450的光谱分析仪465用于接收来自无线路由器460的包含光谱数据的电子信号。通过光谱分析仪465的分析获得一光谱(例如拉曼光谱)。如下所述，不同的化学物质或生化物质往往具有唯一的光谱信号。这些光谱信号可以利用一已知的化学物质或生化物质，以及一类似于安装在探头组件410A - 4101中的检测器来预先测定。这些光谱信号可以保存在数据库470中。光谱分析仪465可以使用保存在数据库470中的光谱信号作参考识别出光谱数据中的光谱信号。处理器475可对位于建筑物415不同位置处的多个探头组件410A - 4101获取的物质进行计算和测定。如果从一个或多个探头组件410A —4101获得的光谱数据中识别出一危险物质，处理器470可立即汇报给警报和响应系统480。所述危险物质例如包括爆炸物和易燃物，毒气及其他有害化学物品，以及传染性病毒和细菌。警报和响应系统480用于给无线路由器460发送预警通知，无线路由器460接着将无线信号传输给移动装置490及其他无线电设备，警告安全及其他负责人员采取适当的响应行动。移动装置490可包括手提式个人电脑、一个个人数字助理系统(PDA)、一移动互联网设备(MID)、一便携式电话、一智能手机或一无线服务器或路由器。一个应用的例子就是，远程监控公路上正在经过检查站的车辆，检查站中的检测器是电磁防护的从而不会触发附近车辆中的任何爆炸性物质。检查行为可包括无线控制装有探头的机械臂以采集车辆中的气相样品用于检测，分析仪可能通过其他有线(如光纤和光缆)或无线方式连接到探头上。
[0088]在一些实施例中，参见图4D，探头组件网络安装在建筑物、机场、海关、货物或行李输送系统、健康顾问的办公室、公路检查站、海港、车辆、船舶、潜水艇、飞机、火车、地铁、建筑物、工业场所、度假胜地、大型购物中心、研究实验室、学校或水源，人群聚集地等等场所的预定位置处，如上关于图3B - 4C所述。各个探头组件包括一检测器和检测器中的探头，探头用于发射一激光束和收集来自待测分子的散射光。检测器可具有一用于吸附分子的纳米结构表面。探头组件还包括一从散射光产生光谱数据(例如拉曼光谱)的光谱仪。检测器网络可周期性地从各个检测器的环境中俘获物质(步骤510)。由于检测器具有纳米结构表面，被俘获的物质分子是被吸附在检测器的纳米结构表面上。接着从吸附于一个或多个检测器的纳米结构表面上的分子获得光谱数据(步骤520)。可选择的，被检测的分子可以是由一样品溶液俘获，和/或被吸附在悬浮于样品溶液中的纳米颗粒上。如上所述，通过探头组件中的激光器发射一激光束照射吸附于检测器纳米结构表面上或样品溶液中的分子。经这些分子散射的光通过探头组件采集。探头组件中的光谱仪从散射光获得光谱数据，例如拉曼光谱。检测器上的纳米结构表面对拉曼光谱中的信号强度起到放大增强作用。俘获物质和获取相关的光谱数据可以周期性地进行，例如间隔I分钟、10分钟、15分钟或几小时。在一些实施例中，可以响应源于控制中心的命令而产生光谱数据。
[0089]光谱数据接着从检测器传输控制中心(步骤530)。物质俘获时间将会同光谱数据一起传输。光谱数据可以通过有线方式(如图4A所示)或无线通信网络(如图4B和4C所示)进行传输。控制中心可包括一光谱分析仪和一储存预定的已知危险物质的光谱信号的数据库。光谱分析仪用来测定来自检测器的光谱数据中是否存在光谱信号。如果在该光谱数据中发现了一已知危险物质的光谱信号，则识别出该危险物质(步骤540)。
[0090]该危险物质可能被检测器网络中的多个检测器识别出来。该危险物质可能在不同时间被不同的检测器识别。例如，当乘客200-2走过人行道210 (图3A)，该网络中不同的检测器可获得不同时间和不同位置处的危险物质。控制中心的处理器475 (图4B)通过将检测器的位置和光谱数据的获取时间关联起来，可以测定危险物质的位置和存在时间。通过检测器的位置可以测定一固定的危险物质的位置。不同检测器检测到的危险物质的位置相关性可以被用作加权因子来测定该危险物质的精确位置，这可以用一个二维(2D)的或三维(3D)的坐标系来表示。不同位置的不同检测器对危险物质的俘获时间由控制中心的处理器用来测定该危险物质的空间一时间分布状况(也就是说位置作为时间的函数)。由此可以通过处理器预知该危险物质将来的位置。
[0091 ] 在一些实施例中，检测器采集的光谱数据可以与从光谱检测器周边场景采集到的图象资料联系起来。例如，位于识别出危险物质的光谱检测器旁边的摄像机405可以记录下可疑的人物或货物。嫌疑人或货物的影像被存储下来并报到危险物质的位置信息以采取适当的响应措施。
[0092]紧接着向警报响应系统发送警报信号，警报响应系统开始对该危险物质采取响应措施(步骤560)。所述警报信号可以是电子邮件、文本式报文和语音电话等形式。紧急程度可以用例如绿色(安全)、蓝色、黄色、橙色、红色(最危险)表示的不同危险程度来进行分类。警报信号可包括危险物质当前和/或预期的位置，以及带有危险物质的嫌疑人或货物的外形信息。相关人员接到警报，派遣治安保卫人员到危险物质处，开始进行疏散。
[0093]图5是利用检测器监测释放到环境中的有害化学物品的示意图。探头组件120分布在潜在污染来源的周边，例如工厂260或大量汽车270通过的公路附近。探头组件120可以分布在受监测区域的附近，将散射光传输到光谱分析仪150，光谱分析仪150测定释放到环境中的物质的含量和浓度。监测样品包括但不限于土壤、水、湖、河、海滨、井、植物、空气、气雾剂(气溶胶，aerosol)等等。该应用可延伸至汽车尾气检查和监测,将探头组件放置于汽车排气口的出口处。
[0094]一些基于纳米结构的光谱检测的应用
[0095]在一些实施例中，小巧紧凑的拉曼检测系统具有无线电通信性能，能在人体内使用。例如，拉曼系统芯片可包括小的激光源、半导体或基于MEMS装置的微小型光谱仪、无线模块和小探头等等。一个应用例子是消化系统疾病的诊断。例如，病人可在清洗其消化系统后吞咽下一药片大小的拉曼光谱检测系统。根据预定的时间间隔进行拉曼光谱扫描。随后光谱数据通过一无线模块传输给人体外的一无线接收器。电脑通过查找和将光谱数据与存储在数据库中的数据进行比对匹配，从而识别出疾病。在另一个应用例子中，一个针状的极小侵入性探头可将小的拉曼检测探头携带到人体内的诊断区域。拉曼光谱数据可通过光纤或无线模块传输。这样的应用包括但不限于癌症(例如乳癌、结肠癌、食道癌、肺癌、肝癌、膀胱癌、胰腺癌、肾癌、卵巢癌、口腔癌、颈部及脑部癌症、皮肤癌和胃癌)、阿尔茨海默氏病、帕金森氏病等等的诊断。用于SERS的肿瘤标记物的例子是人表皮生长因子(HER2)、CA-125或CA-549。用于肺癌的SERS标记是癌胚抗原(CEA)或A-549。
[0096]本发明公开的拉曼光谱检测系统和方法适合于生物技术和生物医学应用，例如通过检测人或动物的组织或体液、肺癌的A549细胞、DNA、RNA和蛋白质样品，以及生物标记(包括 CEA、CA-125、CA 19-9, CA-549、PSA、AFP、A549、DNA 测序、DNA 分类，等等)来进行生物统计学的身份核验。
[0097]本发明公开的拉曼光谱检测系统和方法适用于药物研发筛选。用于药物研发筛选的样品可以通过人体体液测试和/或呼吸测试获得。本发明公开的拉曼光谱检测系统和同样适用于刑侦。样品可以是液相，如人体液或动物体液，例如唾液、尿、血液、血清或粉末的形式。相关应用还包括识别伪造签名，通过DNA型鉴定和筛查个人，识别微小的油漆碎片，纤维鉴别，等等。
[0098]本发明公开的拉曼光谱检测系统和方法适合于安全应用，例如检测危险物质、化学武器、生物制剂、爆炸物(粉末、固体、液体、气溶胶或气体形式)、易燃物(包括液体、固体和粉末)、麻醉药和放射性物质。
[0099]本发明公开的拉曼检测系统和方法适合于食品安全检查和环境监测。可以检测食品、水果、饮料和水中以气体、液体、粉末、凝胶、气溶胶或固体形式存在的有害化学物和生化物。这些有害化学物包括残留农药(例如甲胺磷、氯氰菊酯、溴氰菊酯、孔雀石绿等)、二噁英、非法人工添加剂(例如苏丹红1、苏丹红I1、苏丹红II1、苏丹红IV、三聚氰胺、罗丹明B、硫化物(例如NaS)、人工绿色等)、水中的重金属，包括但不限于含Pd、Cd、Hg、As、Cr、Cu金属和这些金属的化合物、氰化物(例如KCN、NaCN)、氯酸盐、硫酸盐。可利用本发明公开的拉曼光谱检测技术来监测食品和药品加工过程中的副产品(例如马铃薯片加工温度高于120°C产生的丙烯酰胺，生化药品制造过程中产生的三聚氰胺，等等)以检测有害化学物，例如丙烯酰胺。食品检查包括但不限于马铃薯片、炸薯条、油炸马铃薯、脆炸土豆片、小甜饼、脆点心、谷物产品、松脆面包、面包、咖啡、精制吐司、烘烤过的坚果、饼干、巧克力、爆米花和包括鱼在内的水产品，等等。药品调查包括但不限于生化药品原料、半成品、或包含NH2基和/或芳基的广品。
[0100]本发明公开的拉曼光谱检测系统和方法适用于鉴别和检测食品包装工艺和制备材料，包括鉴别和筛选用于微波食品保鲜膜、厨房用薄膜、食品包装、食品和液体容器，及加工和制备材料的聚乙烯氯化物(聚氯乙烯PVC)、含有邻苯二甲酸酯类的物质和聚苯乙烯(PS)。
[0101]本发明公开的拉曼光谱检测系统和方法适合于鉴别假冒伪劣商品例如药品、麻醉药、中药、奶粉、食用油、酒、茶叶、香烟、宝石、钞票、伪造的墨水签名、艺术品、汽油等。
[0102]本发明公开的拉曼光谱检测系统和方法适合于工业生产质量管理和生产安全监测。其他应用领域可包括为了产品质量、气体和湿法化学加工生产线的工艺和生产安全进行的过程控制，包括炼油厂、化工厂、无尘室内的半导体湿法化学加工线、航空系统和航天飞机、船只、船舶、潜水艇和化学相关的生产线或应用场所，等等。
[0103]本发明公开的拉曼光谱检测系统和检测器网络可应用于医疗门诊办公室、外科手术室、购物中心、度假胜地、建筑物、海关、道路检查站、海港、机场、车辆、船只、船舶、潜水艇、飞机、航天飞机、工业生产场所、R&D研究实验室、质量控制办公室、教育研究所、实验办公室和水源，例如地表水、井、地下水等。
[0104]图6A是应用表面增强拉曼散射技术使用检测器为检测食品质量和安全进行物质监测的示意图。光散射探头100被放置在靠近食品280的地方，所述食品可以是食用油、一个苹果或者其他水果、蔬菜，或其他可能因运输、食品加工乃至食物生长过程而被污染的食品。残留农药、兽药、激素、肥料、食品非法添加物、食品包装材料上的或转移过来的或其他的污染物的分子被吸附光散射探头100。有害物质分子可被吸附到纳米结构表面，如胶体溶液中的纳米颗粒或包含纳米表面结构的微芯片。如以下更多的细节描述，光谱检测技术可包括表面增强拉曼光谱，普通拉曼光谱，荧光光谱，等等。
[0105]图6B是应用本发明公开的拉曼光谱技术为早期疾病检测和诊断进行物质监测的示意图。医生可以远距离监测和诊断在家里和医院里的病人。探头组件610置于病人620的旁边以进行身体检查、疾病恢复情况检查或疾病诊断。人呼出的空气可能携带特殊的化学物质例如烯烃和苯衍生物。如果被筛查的人患有疾病，例如癌症，包括但不限于肺癌、乳癌、肝癌、胰腺癌、卵巢癌等，拉曼检测系统和方法可获得呼吸测试中某些化学物质的指纹图谱，从而鉴定出一些特殊的疾病例如癌症。病人向探头组件610呼气。探头组件中的检测器接收进入的空气，产生来自病人或呼吸空气样品提供者的气流中分子相应的散射光。散射光的光谱数据由光谱仪630产生。无线通信线路640将光谱数据转化为射频信号，射频信号经天线645发射出无线电信号。该无线电信号还可以包括病人620的信息(例如病人的姓名、身份等)。计算机终端650与无线通信线路640耦合，可显示来源于医生办公室的信息和允许病人输入信息传输给医生办公室。通过检测人或动物的体液可以进行相似的应用。
[0106]在医生或健康咨询办公室的天线655接收来自一定距离外的多个病人的无线电信号。无线服务器660将转化无线电信号并摘录病人的光谱数据及其他相关信息。光谱分析仪670利用保存在数据库680中的光谱信号对光谱数据进行分析。光谱信号可能显示多个预定疾病。光谱数据中的光谱信号的确定能表明病人患有相关疾病或还没有从过去诊断的疾病中完全恢复。信号强度可表明疾病的严重程度。医生690还可以通过检查光谱数据作出疾病性质和严重程度的判断。本发明描述的系统和方法适合于早期疾病诊断，所述疾病包括但不限于肺癌、乳癌、胃癌、肝硬化、肾衰、溃疡等。在测试人体体液时，将体液人工或自动引入到检测器上，或将拉曼检测装置接在卫生间抽水马桶上，从而很容易地採样，以实时监测疾病和药物作用检测的异常信号。该应用也包括对蛋白质、DNA和RNA进行鉴定和排序分类。上述应用中所有的试验样品可以与检测器接合以增强拉曼散射检测的灵敏度和强度。利用拉曼散射检测微痕量化学物质还可以用于其他的领域，包括但不限于鉴定癌症、艾滋病(HIV)、阿尔茨海默氏病、帕金森氏病，为监测糖尿病所进行的非侵入式葡萄糖测试，为早期癌症筛查、违禁药物而监测抗氧化剂状态所进行的非侵入式类胡萝卜素水平测试和评估。
[0107]图6C是拉曼散射应用于分配和零售渠道中的工业生产质量管理、安全保证或食品安全的示意图。该应用可包括湿法化学加工生产线中化学浓缩物在线监测、化学容器密封基准的远程或单机监测、远程痕量化学物质检查、半导体片缺陷测定，以及食品、水果和蔬菜存储监测，等等。例如，食品可包括在不同场所抽样的食用油。光谱信号经多个位置处的探头采集，由光纤通过多通道传输给控制中心的光谱分析仪进行光谱数据分析。根据光谱数据中的光谱信号识别出食品、药品、化学相关物质等样品中的有害物质。
[0108]图6D是一多通道拉曼散射检测系统的示意图，其可以进行假冒伪劣商品的识别和筛查以及食品安全筛查。该应用可包括食品、药品筛查等操作，其中可能包括或不包括检测器中的纳米结构检测模块。检测系统的激光束可直接照射试验样品。来自测试材料的散射光由探头收集。该散射光的拉曼光谱显示出光谱信号，该光谱信号可以指出是否该商品中添加了非法添加物。潜在的假冒伪劣商品，例如奶粉、酒和药品，可以作为待检测和筛查的材料置于拉曼检测器下。来自不同样品的光谱信号被采集并经过多通道由光纤传输给设置在中心办公室的光谱分析仪，以进行光谱数据的分析。该应用可以延伸至签字和钞票的鉴定，将签字和钞票产生的拉曼散射光谱与合法签字和钞票的光谱相比较，从而检查出伪造的的签字和伪钞。
[0109]利用纳米颗粒的光i普检测
[0110]在一些实施例中，参见图7和8，样品溶液720置于容器710中，容器710例如一光学样品瓶或者石英、玻璃、塑料材质的比色皿(步骤810)。容器710可以是一光学样品瓶、一烧杯或一透明试管，等等。样品溶液720含有纳米颗粒750。纳米颗粒750可以以溶胶悬体的形式存在于样品溶液720中。含有化学物质或生化物质的试剂被引入样品溶液720中(步骤820)。该试剂可以以固体、液体、气溶胶、溶胶凝胶或气体形式存在。将该试剂溶于样品溶液720中，让化学物质或生化物质分子被吸附到纳米颗粒750的表面上(步骤830)。探头110 (如图1A所示)发出一入射光701 (例如一激光束)，照射样品溶液720中的纳米颗粒750和化学物质或生化物质(步骤840)。从纳米颗粒750和化学物质或生化物质而来的散射光702被探头110采集(如图1A所示)(步骤850)。从探头组件输出的信号经光谱分析仪150分析。详细细节见下面的例子，从散射光获得一拉曼光谱(步骤860)。拉曼光谱中的光谱信号可用于测定被吸附到纳米颗粒上的微痕量化学物质或生化物质(步骤870)。
[0111]本发明公开的一方面,样品溶液720中的纳米颗粒750的材料组成要能增强散射光702和来自纳米颗粒的拉曼光谱信号的强度。例如，纳米颗粒750包含金属材料(如Al、Ag、Au、Cu、Fe、Co、N1、Cr、Zn、Sn、Pd、Pt和它们的合金)、氧化物材料(如二氧化钛、二氧化硅、氧化锌等)、硅和聚合物材料。纳米颗粒750在样品溶液720中可以是带电荷的，这有助于纳米颗粒之间的分离和胶悬体的形成。纳米颗粒750还可以包括系留在颗粒表面的聚合物，有助于它们在样品溶液720中相互排斥。
[0112]在一些实施例中，纳米颗粒750可包括一个由磁性材料如Fe203、Fe3O4, CoMe，或含Fe、Co或Ni的化合物构成的核，以及由Au构成的壳包裹磁性核。核的直径在l_500nm范围内。Au壳在核上形成后,核/壳颗粒的直径在约5nm_50 μ m范围内。纳米颗粒核中的磁场利用外部的磁场使颗粒的分离和采集更有效。Au壳能够增强待测物质分子的吸附。而且，由磁性核产生的磁场能够增强拉曼散射中的谐振及信号强度。
[0113]在一些实施例中，纳米颗粒750可包括Ag或SiO2核和Au壳。在一些实施例中，纳米颗粒750可包括Ag或Au核和SiO2壳。
[0114]在一些实施例中，纳米颗粒750可以包括碳纳米管。碳纳米管的直径小于
I,OOOnm,例如碳纳米管的直径可以是0.3-100nm,长度可以是5nm到数毫米。碳纳米管的长度-直径比可以高达5千万。碳纳米管可以是单壁的或多壁的。碳纳米管可以是富勒体(fulIerite)、花托形(torus)、纳米花蕾(nanobuds)和纳米花朵(nanoflowers)的形式。
[0115]本发明公开的系统和方法中，碳纳米管可以置于样品溶液720中形成一个纳米颗粒的悬浮液，反应物也被添加进去。碳纳米管还可以被引入到一非常平整的表面上或者一具有纳米结构的表面上，反应物随后被弓I入到该含有碳纳米管的表面上。在任一种情况下，激光束照射到碳纳米管和反应物上。增强电磁场可以帮助目标化学物质或生化物质分子之间的电荷转移，从而增强拉曼光谱的信号。
[0116]本发明的另一方面，纳米颗粒750可以由磁性或铁磁材料构成，例如Fe、Co、Ni，或者含有Fe、Co、Ni的化合物，如Fe、Co、Ni的合金或氧化物，这样可以通过对样品溶液750施加电场、磁场或电磁场来增强拉曼光谱信号。该电场、磁场或电磁场可以是固定的或交变的。
[0117]本发明的另一方面，样品溶液720可以包括不同组成材料的纳米颗粒的混合物。例如，所述纳米颗粒可以包括娃纳米或微米颗粒和金属纳米颗粒的混合物，或者娃纳米或微米颗粒和聚合物纳米颗粒的混合物，或者硅纳米或微米颗粒、金属纳米颗粒、金属氧化物纳米颗粒和聚合物纳米颗粒的混合物。通过混合物的组成可以增强拉曼信号的强度。
[0118]本发明的另一方面，样品溶液720中的溶剂同样用于增强纳米颗粒的光散射强度。离子可以显著增强拉曼信号的强度，因此，离子材料被加到样品溶液720中。被加到样品溶液720中的离子材料所含的离子可包括但不限于Na+、K+、Li+、Ca2+、Ba2+、Sr2+、Mg2+、Mn2+、Al3+、Zn2+、Sn2+、Sn4+、F_、Cl'Br_和I_等等。样品溶液720的离子可以是单价的，或是二价的或更高价的。所述离子可带有正电荷或负电荷。样品溶液720可具有一离子化合物，包括但不限于LiF、NaF、LiCl、NaCl、KCl、KI等。离子浓度可以是从IOmM到饱和水平。
[0119]如图9A所示，纳米颗粒750可以是球形的或不规则的形状。纳米颗粒在样品溶液720中可以是彼此分离的，也可以是聚集成团的。如图9B所示，纳米颗粒750可具有一粒径分布，这里用平均颗粒尺寸da和颗粒直径分布宽度dw来表征粒径分布。平均颗粒尺寸da可以是lnm-10, OOOnm,或者2nm-500nm。dw/da的值可以是0.01-3,这可限定单分散到多分散的粒子分布。dw/da的值通常为0.03-1。
[0120]在一些实施例中，样品溶液可包括纳米颗粒和作为反应物的肿瘤组织微切片。样品溶液的温度可以通过一 TE冷却器和加热器控制在一个预定的小范围内，温度变化小于1°C或2°C。温度可以是从_20°C到60°C，或从(TC到40°C。在一基底表面上干燥样品溶液，使纳米颗粒和反应物留在基底表面。用激光束照射该纳米颗粒和反应物。采集带有吸附有待测分子的纳米颗粒的反应物产生的散射光。由该散射光获得拉曼光谱。利用拉曼光谱中的光谱信号可以识别出反应物中的化学物质或生化物质。
[0121]利用纳米表面结构的光谱检测
[0122]在一些实施例中，含有微痕量化学物质或生化物质的材料可被引入到化学检测器或探测器的表面上，如图1所示，入射光被散射，获得拉曼光谱以进行物质鉴别。图10-15显示了一系列制作化学检测器(或图1中的检测器105)的纳米结构贵金属表面的工艺步骤。一多层结构302 (图10)包括一基底305、一导电层310和一氧化铝层315。基底305可以是，例如η型娃片(3-8 Ω-cm)或氧化的(30_50nm SiO2) p型娃(5-ΙΟι?Ω-cm)。导电层310可包括Ti或Ni，其沉积在基底305上，既导电又导热。导电层310的厚度可以被优化，使之i)粘附随后沉积的贵金属薄膜，例如Ag、Au或Cu薄膜等等；ii)为导电薄膜，实际应用中对感应面施加电偏压；iii)为导热层，降低感应面的温度。导电层310的厚度一般可以控制在10A-1,OOOA的范围内，代表性地，在100 A-15OOO A范围内。
[0123]金属层，例如，铝层315沉积于导电层310上。铝层315可具有99.999%的纯度，厚度在l.0-l0.0ym范围内。基底305、导电层310和氧化铝层315在充N2的反应炉中4000C -500°C退火2-5小时，使铝膜重结晶。随后进行阳极氧化，在氧化铝层315上形成多孔结构，如图1lA和IlB所示。氧化铝层315上形成的多孔结构包括许多由内壁314环绕的孔隙312，其沿水平线A-A的剖视图如图1lC所示。在图12中进行湿法氧化腐蚀，以去除顶部的多孔Al2O3层和阻挡层。进行第二次阳极氧化消耗掉所有的金属铝，使阻挡层和顶部的多孔的Al2O3层正好位于导电金属层之上。
[0124]在图13中，进行氧化刻蚀去除孔隙底部的阻挡层并扩孔。湿法腐蚀使孔隙312向下延伸至导电层。所形成的多孔氧化层的厚度可以通过控制铝物理汽相沉积(PVD)、氧化和随后的湿法腐蚀过程的工艺参数来控制。自组装的多孔结构自然地形成一六边形阵列。孔径(d)和孔隙间的距离(D)取决于所施加的氧化电压(V)、电流密度(i)和电解液的性质，以及后来的湿法腐蚀扩孔过程。
[0125]参见图14A，贵金属例如Ag被沉积在多孔层315上以填充孔隙312和形成一个层320。层320可以用PVD或电镀方式形成。在图14B中，一层贵金属320被去除，而保留了孔隙312中的贵金属320-N。再次进行湿法金属腐蚀或化学机械抛光(CMP)以进一步控制填充在孔隙中的贵金属320-N的高度。在图15中，氧化铝315和多孔铝层315底部残余的铝膜315-AL被去除，形成一纳米结构表面300，其含有一纳米柱320-N阵列。
[0126]纳米柱320-N基本上是直的，垂直于基底305和导电层310。纳米柱320-N可具有基本上相同的或相近的宽度。相邻的纳米柱320-N被间隙隔开，这些间隙与导电层310的距离基本或接近保持不变。
[0127]上述制造工艺中使用的光刻用掩膜的几何形状与传感芯片的尺寸要求及金属衬垫的区域相匹配，金属衬垫位于芯片的角落上。为了野外应用，化学品检测传感芯片采用不同的半导体封装技术进行封装，例如，引线键合、倒装法、系统级芯片(S0C)，等等。
[0128]在一些实施例中，纳米结构可以通过不同的工艺制作，如图16A-16F所示。一双层结构362包括一导电层335和一基底330。导电层335可以由Ti或Ni制成，可以是既导电又导热的。基底330可以是一 η型娃片(3-8 Ω-cm)或氧化的(30-50nm SiO2) p型娃片(5-10mQ -cm)0导电金属层335的厚度可控制在范围内。粘附层(例如可由Ag制成)可以是沉积于金属层335上。导电层335的厚度可加以优化，从而对微痕量化学物质检测感应面施加电偏压，进一步的，为增强微痕量化学物质检测的灵敏度而降低感应面的温度，或为清洁感应面而升高感应面温度。
[0129]在图16B中，贵金属层340沉积在导电层335的顶部。贵金属可以是一银层，例如厚度为10-200nm的Ag。在图16C中，第二金属层345沉积在贵金属层340的顶部。第二金属层345可包括纯度约为99.999%的铝，厚度在1.0-10.0 μ m范围内。铝层345随后在充N2反应炉中400°C _500°C退火2-5小时，使铝膜重结晶。
[0130]在图16D中，通过氧化工艺制作多孔氧化铝345’形式的多孔结构。图16E为其顶视图，该多孔结构自然地形成自组装的六边形纳米孔隙阵列，它包括许多的由六边形孔壁349围绕的孔隙348。相邻孔隙348的中心距离是D。通过一湿法化学处理去除顶部的阳极氧化层和阻挡层后，进行第二次阳极氧化工艺消耗掉所有的金属铝，以便阻挡层和顶部的多孔Al2O3层345’恰好位于贵金属层340上。然后进行湿法腐蚀拓宽孔隙348，并去除孔隙348底部的阻挡层。进行湿法腐蚀时，如图16F所示，孔隙348被拓宽，围绕孔隙的内壁349变薄。可以控制腐蚀工艺以形成大量的被内壁349围绕的纳米孔348。还可以腐蚀至孔隙348之间彼此相接触，制作出一个准三角形纳米柱349’的六边形阵列。
[0131]在图16G中，贵金属层340被腐蚀掉，孔隙348向下延伸到导电的钛层335。在图16H中，进行湿法氧化腐蚀去除氧化铝，继之以湿法金属腐蚀去除残余在孔隙348底部的铝。氧化铝315和多孔铝层315底部残余的铝膜315被去除，形成一个具有可控高度、直径和柱间距离的纳米柱阵列。该阵列可具有准三角形的周期性的空穴。
[0132]纳米柱基本上是直的，垂直于基底330和导电层335。纳米柱320-N可具有基本上相同的或相近的宽度。相邻的纳米柱被间隙隔开，这些间隙与导电层335的距离基本上保持不变。
[0133]在一些实施例中，如上所述，适合于图1A和IC的检测器的制备可以是在一个具一定结构或无特定结构的(即平坦的)基底上或一样品溶液中引入纳米颗粒。微痕量化学物质或生化物质可以先在溶液中与纳米颗粒相混合，使微痕量化学物质或生化物质的分子被吸附到纳米颗粒上，含有该纳米颗粒的样品溶液随后被引入到该化学检测器的具一定结构或无特定结构的表面上。换言之，可以通过将含有纳米颗粒的胶体悬浮溶液涂敷于检测器105的表面而制作出纳米级表面结构。所述纳米颗粒可以由金属材料(例如Al、Ag、Au、Cu、Fe、Co、Ni、Cr、Zn、Sn、Pd、Pt以及它们的合金)、氧化物材料(例如二氧化钛、二氧化硅、
氧化锌等）或聚合物材料制成。氧化物或聚合物颗粒可以用金属离子涂布或用导电材料覆 盖。胶体悬浮溶液可以包括单一的纳米颗粒或纳米颗粒簇集团。该溶液涂抹于检测器表面 后形成纳米级表面结构。该溶液可挥发，留下纳米颗粒将目标分子吸附到检测器表面。
[0134]基于纳米结构的光谱检测的卫生保健应用
[0135]在一些实施例中，使用如上图1A-2，6B，7_9B相关所述的光散射探头100获得病人 体液的拉曼光谱，通过分析该拉曼光谱可以用于鉴定疾病。人体体液可以被直接引入到检 测器(如图1A中的105)上或在含有纳米颗粒的样品溶液(如图7中的720)中混合。光散 射和拉曼光谱分析可以如图1A-1C或图7所示的进行。另外，如上所述，含有纳米颗粒的样 品溶液可以转移到检测器的具有一定结构的或无特定结构的表面上，随后用于光散射和拉 曼光谱分析。
[0136]参见图17，从一个来自口腔癌病人的唾液样本获得的拉曼光谱显示了两个特征的 光谱峰，分别在 560cm 1 (在 520cm ^SSOcm 1 区域内）和 1100cm 1 (在 1080cm 110cm 1 区 域内）附近，而未患口腔癌的健康个体没有显示这两个光谱峰。560CHT1和llOOcnT1处的特 征光谱峰与C-S、S-S、0-P-0、P02、C-N或C-C键引起的分子振动相关，例如含有半胱氨酸、 ATP、ADP、DNA、RNA、蛋白质或其他含有硫或磷酸的生物样品。光谱信号的识别可包括下列步 骤：首先在具有各个光谱信号的拉曼频移单位为cm—1 (波数）的拉曼峰中选择一光谱峰；确 定本底散射强度；计算峰的强度、相对强度或积分面积。用峰强度和本底计算出信噪比。如 果信噪比高于一预定阈值(例如3或更高)，拉曼峰的光谱信号就被识别。检测与疾病和药 物使用相关化学物质的光谱信号的识别可以采用统计分析和几种算法(例如Dendrograph 和主成分分析)。如果560CHT1和llOOcnT1附近的两个光谱信号都被识别出，那么可提示或 判认为检测到与口腔癌有关的化学物质，被检测者可被提示或判认患有口腔癌或口腔癌早 期。医生和被检测者应使用同样的或其他的诊断技术进一步检测，以诊断是否患有口腔癌 或口腔癌早期。
[0137]本发明公开的系统和方法还可以用来检测葡萄糖水平以用于评估糖尿病状况。 1115cm-1到ll^ScnT1区域内的特征光谱峰，例如lUAcnT1附近,与葡萄糖的分子振动相关, 从糖尿病病人的唾液样品获得的拉曼光谱可提供提示、判认或诊断糖尿病的关键依据。该 拉曼峰的强度，相对强度或积分面积，可用于评估病人体液的葡萄糖浓度，从而提示、判认 糖尿病级别。同样地，参见图18-20，与乳癌相关化学物质也会在唾液的拉曼光谱的约 560CHT1和llOOcnT1处显示出光谱信号（图18)。与肺癌和卵巢癌相关化学物质可能在唾液 和血清样品的拉曼光谱的大约745cm—1处具有一光谱信号(大约Y^cm-i-YeOcnT1范围内) (图19B和图20)。745CHT1处的特征光谱峰与蛋白质或磷酸酯中的C-S键，或者Z-DNA、 T-DNA中的0-P-0键，或者含有S、N或P的原子或分子基团引起的分子振动相关。与艾滋 病相关化学物质可能在血清样品的拉曼光谱的SeScnTi-SSScnT1区域内，例如870CHT1附近 具有一光谱信号（图21)。本发明公开的系统和方法还可以用来进行是否使用违禁药物的 检测，例如海洛因、脱氧麻黄碱、古柯碱、咖啡因、吗啡、可待因、安非他明、麻黄素、罂粟碱、 那可汀、乙酰可待因（acetyl codeine)、脱氧麻黄碱盐酸盐（methamphetamine HC1)、氯 胺酮盐酸盐（ketamine HC1 )、可待因磷酸盐（codeine H3P04)、派替唳盐酸盐（meperidine HC1,又称陪替丁)、三唑苯二氮（triazolam)、司可巴比妥（secobarbital)、海帕乌头碱(hypaconitine)、MDMA等等。图22显示的是来自一脱氧麻黄碱固体(一种违禁药物)、一位用药个体的唾液样品和一脱氧麻黄碱使用者的唾液样品的拉曼光谱。来自药物使用者唾液样品的拉曼光谱在约1030CHT1和1535CHT1附近各有一特征峰，该特征峰表明其可能使用了违禁药物。本发明公开的方法和系统还可以在国际性的运动比赛(比如奥运会)中用来检测运动员体内的兴奋剂(例如激素)。
[0138]同样地，参见图23，吸烟状态和被动吸烟的状态也表现出光谱信号，在吸烟者唾液样品拉曼光谱的约1029CHT1处显示出的光谱信号不存在于不吸烟的健康个体中。约1029(^1处的特征光谱峰与N-甲-2-5-吡咯烧酮(cotinine)的分子振动模式相关，N-甲-2-5-吡咯烷酮是烟碱尼古丁的代谢产物。
[0139]利用本发明公开的拉曼探头进行非侵入的疾病检测和诊断可包括下列步骤中的一个或多个:参见图24，首先从一个病人或违禁药物使用者处获得体液(步骤2010)。由于本发明公开的拉曼散射检测器具有高灵敏度，体液的量可以相当小。例如，从病人处获得的体液体积可以从约IOOpl到4ml。体液的例子可包括血、唾液、尿、血清、泪、汗、胃液、胸腔积水、腹水、脑脊髓液、精液和分泌液。离心后体液被引入到一纳米表面上(步骤2020)。例如，该纳米表面可包括检测器表面上的纳米级结构。体液可以被转移到检测器的纳米表面上。干燥后留在检测器表面的体液形成一干燥层。在另一个例子中，纳米表面由悬浮在溶液中的纳米颗粒表面提供。体液可以被引入到包含纳米颗粒的溶液中。体液中的分子被被吸附到纳米表面上。用激光束照射该纳米表面和被吸附到纳米表面上的分子(步骤2030)。採集经纳米表面和被吸附分子的散射光(步骤2040)。
[0140]从散射光获得拉曼光谱(步骤2050)。光谱中的一个或多个光谱信号被识别以诊断疾病(步骤2060 )。能被检测的疾病例子包括癌症，包括但不限于肺癌、乳癌、胃癌、食道癌、甲状腺癌、喉癌、溃疡癌、卵巢癌、肝癌、头部和颈部癌症、子宫癌、宫颈癌、口腔癌、白血病、结肠癌、膀胱癌、前列腺癌、皮肤癌、支气管癌、肾癌、肝硬化、肾衰、艾滋病和药瘾。如上所述，一个或多个光谱信号在拉曼光谱中预定拉曼频移处。拉曼频移和光谱信号特征对于待检测的疾病是特异的。例如，口腔癌和乳癌唾液样品中的光谱信号可能在约560cm—1或llOOcnT1附近。肺癌血清样品中光谱信号大约在拉曼光谱中745CHT1附近。一光谱信号可包括一光谱峰。当该光谱峰值大于`某预定阈值时，光谱信号被识别出来。例如，相对于噪声背景，当光谱峰的信噪比大于3时就被识别出来。
[0141]应当说明的是，图24与图8是一致的，图24的步骤中可加入图8中的一个或多个步骤，包括利用含纳米颗粒的样品溶液。
[0142]生物免疫测定中基于纳米结构的光i普法传感检测
[0143]在一些实施例中，公开的光散射探头和物质检测方法被应用到生物免疫测定。特别地，纳米结构增强拉曼光谱分析利用免疫测定，如酶联免疫吸附分析(ELISA)或酶免疫测定(EIA)应用于以抗体或抗原作为分析物的检测。
[0144]参见图25，一种物质鉴别方法可包括以下步骤:已知抗原被结合到吸附在纳米表面上的不同抗体上，以在纳米表面结构上形成不同的抗原一抗体对。从每个纳米表面结构上获得的拉曼光谱中建立拉曼信号(步骤2510)。在一些实施例中，光谱标记(例如，拉曼标记)如MBA (P-巯基苯甲酸)在分析物检测之前被引入与抗体或抗原结合以提供拉曼光谱中的信号。例如，MBA标记的主要的SERS信号在520CHT1，1072cm_1和1588CHT1处。光谱信号通过与上述与疾病相关的图17-23中的光谱信号相同的方法被确定。一个光谱信号可包括一个或多个光谱峰，一个或多个光谱谷，以及其他光谱形状，如峰相对高度，峰线宽度和峰形，可以用来表征生物、医学或化学物质中的一个或多个分子键。生物、医学或化学物质可包括能够引发人体免疫系统产生抗体。
[0145]抗体，也被称作免疫球蛋白，是在脊椎动物的血液或其他体液中找到的Y-球蛋白。它们被免疫系统用来识别和消除外来物质，如细菌和病毒。它们代表性的由基本结构单元构成一每个具有两个大的重链和两个小的轻链，以形成，例如具有一个单元的单体，具有两个单元的二聚物或具有五个单元的五聚物。抗体由一类被称作浆细胞的白细胞生成。存在几种不同类型的抗体重链，以及几种不同种类的抗体，基于它们具有的重链被分成不同的同种型。在哺乳动物中已知的有五种不同的抗体，其扮演不同的角色，并为它们遇到的不同的外来物质帮助实施适当的免疫反应。
[0146]尽管所有抗体的总体结构是非常相似的，在蛋白顶端一个小的区域是非常容易变化的，允许数百万抗体具有些微不同的顶端结构或抗原结合位点存在。该区域被称作超变区。这些超变区的每一个都能结合不同的目标，也就是抗原。抗体极大的多样性允许免疫系统识别相等宽泛的多样性的抗原。抗原被抗体所识别的独特部位被称作抗原决定基。这些抗原决定基以高度特异的相互作用与其抗体相结合，称作诱导契合，使抗体从构成生物体的上百万分子中识别并结合其唯一的抗原。通过抗体对抗原的识别，标记其用于免疫系统其他部分的攻击。抗体也可以直接通过，例如，与病原体引发感染所需的部分相结合来消除目标物。
[0147]适用于本发明公开的方法和系统的抗原包括克伦特罗、硝基呋喃、磷、有机氯、正对苯二酸盐、杀虫剂、灭鼠剂、兽药中的物质、砷化合物或氰化物。
[0148]目标分子可包括小分子和金属元素，如违禁药物(海洛因、脱氧麻黄碱、可卡因、咖啡因、吗啡、可待因、安非他明、麻黄素、罂粟碱、那可汀和MDMA，等等)，硝基呋喃，克伦特罗，氯霉素，奥喹多司和重金属有害物质汞、铅、镉。
`[0149]应当注意的是，尽管以下的过程描述了未知抗原作为分析物并且已知抗体是事先结合到纳米结构表面用于检测抗原，相反的过程也被应用到以下所述的系统和方法中:未知抗体作为分析物，以及已知抗原被准备用来结合到纳米结构表面用于未知抗体的检测。
[0150]为了检测及识别未知抗原，提供了多个样品溶液264_1...264_i,…264_N，如图26A所示。溶液264_1…264」，…264_N中的每一个包含纳米颗粒265_1...265_i,...265_N的悬浮液(步骤2520)。纳米颗粒265_1...265_i，…265_N可以是圆形或不规则形状。纳米颗粒265_1...265_i,…265_N的平均直径在约Inm至1000nm范围内。如上述的图9A和9B所述，纳米颗粒265_1...265_i，…265_N的尺寸分布可以用平均颗粒尺寸和颗粒尺寸分布宽度来表征。纳米颗粒265_1...265_?，...265_Ν的材料可选自金属、金属合金、氧化物材料、硅、复合材料及其组合。纳米颗粒265_1...265_i，…265_N的材料可选自Al、Ag、Au、Cu、Fe、Co、N1、Cr、Zn、Sn、Pd、Pt及其组合。纳米颗粒265_1...265」，...265_N的材料可选自钛氧化物、硅氧化物和锌氧化物。纳米颗粒265_1...265」，".265_Ν也可包括碳纳米管。为了增强拉曼散射的光谱强度，样品溶液可包括多价离子。纳米颗粒265_1...265」，-265_Ν可包括磁性或铁磁性材料。
[0151]参见图25和26Β,不同的未知抗体266_1...266_?，…266_Ν被分别引入到样品溶液264_1...264_i,…264_N,以使不同的抗体266_1...266_i,…266_N分别吸附到不同样品溶液264_1...264」，…264_N中的纳米颗粒265_1...265」，…265_N上(步骤2530)。不同的抗体266_Ρ..266_;?，…266_Ν可根据待测抗原的类型进行选择。例如,未知抗原可属于克伦特罗、硝基呋喃、磷、有机氯、正对苯二酸盐、杀虫剂、灭鼠剂、兽药中的物质、砷化合物或氰化物。这些抗原的抗体被分别引入到样品溶液264_1...264_?,…264_Ν*，每个样品溶液264_i接收不同类型的抗体266_i。
[0152]接下来，参见图25和26C，包含未知抗原267 (也就是分析物)的反应物被引入到含有纳米颗粒265_1...265_i,...265_N的样品溶液264_1…264」，...264_N中，以使未知抗原267与其中一个溶液中的匹配抗体266」相结合。抗原267可以是上述示例性的基底中的一种。抗原267的其他例子可包括三聚氰胺、甜蜜素、环己基氨基磺酸钠、蔗糖、淀粉、亚硝酸盐、硝酸盐、苏丹1、I1、III和IV、孔雀石绿、甲胺磷、乙酰甲胺磷、DDT、DDV,马拉硫磷、杀螟硫磷、溴氰菊酯、氯氰菊酯、甲基对硫磷、亚胺硫磷、甲拌磷、乐果、硝基呋喃、呋喃唑酮、3-氨基-2-恶唑烷酮(Α0Ζ)、重金属、铅、镉、汞、铬、砷、氯霉素、氯四环素、环丙沙星、恩诺沙星、克伦特罗、莱克多巴胺(ractopamine )、沙丁胺醇(salbutamoI)、青霉素(penicillin)、双酌.A (bisphenol A)、邻苯二甲酸二(2-乙基己)酯(DEHP)、6-节氨基嘌呤(6-benzylaminopurine)或奥喹多司(olaquindox),是食品中的一种管制物质。
[0153]反应物可以从食品中分离。所述食品可包括乳制品、糖果、小甜饼、饮料、酒、肉、海鲜、茶叶、新鲜的或罐藏的蔬菜、水果、粮食、谷物、玉米片、马铃薯片或含有蛋白质的食品。乳制品的例子包括牛奶、奶粉、奶酪、奶酪蛋糕、酸奶酪、冰淇淋、含奶糖果或小甜饼。反应物也可以从违禁药物物质中提取，如海洛因、脱氧麻黄碱、可卡因、咖啡因、吗啡、可待因、安非他明、麻黄素、罂粟碱、那可汀和MDMA，等等。
[0154]参见图25和26D，含有未知抗原267和吸附有不同抗体266_1...266_i，…266_N的纳米颗粒265_1...265_i,…265_N的样品溶液264_1...264_i,…264_N中的每一个，分别被激光束2600照射(步骤2550)。激光束2600可由探头110中的激光装置发射。来自样品溶液264_1...264_i,…264_N中每一个的散射光2601可以分别被探头110米集。每个样品溶液264_1...264_i，…264_N的纳米表面增强拉曼光谱由光谱分析仪150从散射光2601中获得(步骤2560)。
[0155]在从样品溶液264_1...264_?,…264_Ν中获得的每个拉曼光谱中寻找结合的抗原一抗体对的光谱信号(步骤2570)。与上述图17的描述相似，抗原一抗体对光谱信号的识别可包括步骤:首先从光谱信号的拉曼信号峰周围选择光谱带。确定背景散射强度水平。计算峰强度水平，相对强度或完整峰面积。通过峰强度和背景水平计算信噪比。如果信噪比比预定临界值高(例如，3或更高)，拉曼峰的光谱信号可被明确的识别。
[0156]如果抗原一抗体对268_i (或上述相关的拉曼标记分子)的拉曼信号，在从样品溶液264_i之一得到的拉曼光谱中找到，反应物中的未知抗原267可被确定为与吸附到样品溶液264_i中的纳米颗粒265_i上的抗体266_i相匹配的抗原。由于抗原和抗体之间的钥匙-锁特性，从其他样品溶液中获得的拉曼光谱不会显示出他们各自的抗原一抗体对的光谱信号。为了增加准确度及降低光谱背景噪声的干扰，光谱信号可以通过获得样品溶液264_i的纳米结构增强拉曼散射进行校验，该样品溶液具有吸附有抗体266」并与包含未知抗原267的反应物一起应用的纳米颗粒。[0157]在一些实施例中，在散射光被米集时，电场、磁场或电磁场可被施加到包含纳米表面结构(例如纳米颗粒)的样品溶液中。电场和磁场可以是直流电或交流电。这些场已被观察到可以增强纳米表面增强拉曼信号的信号强度。
[0158]此外，可以通过找到光谱信号的纳米表面增强拉曼光谱，确定在样品溶液(264_i )识别出的抗原267的浓度水平(步骤2590)。样品溶液中抗原267的浓度，可以通过例如光谱信号如光谱峰的强度、相对强度或完整峰面积确定。
[0159]利用生物免疫测定和拉曼光谱分析对抗原的识别可以通过除纳米颗粒以外的纳米表面结构来增强。例如，纳米表面结构可包括在基底上构造或形成的纳米结构。该纳米结构可包括在基底上表面上形成的突起或柱，以及在基底上表面中形成的凹陷或孔。相邻的突起或柱的平均距离可在IOnm至1000nm范围内。相邻凹陷或孔的平均距离可在IOnm至1000nm范围内。突起也可以通过在基底表面通过纳米颗粒的引入或沉积形成。纳米颗粒的宽度范围在Inm至1000nm范围内。
[0160]参见图27，光谱信号首先建立在从吸附到纳米表面结构上的不同的抗原一抗体对获得的拉曼光谱中(步骤2710)。抗原一抗体对通过将已知抗原与吸附到纳米表面结构的抗体相结合形成。适用于本发明公开的方法和系统的抗原包括克伦特罗、硝基呋喃、有机磷、有机氯、正对苯二酸盐、杀虫剂、灭鼠剂、兽药中的物质、砷化合物或氰化物。
[0161]为了检测及识别未知抗原，在基底上提供了多个纳米结构285_1...285_?，…285_N，如图28Α所示(步骤2720)。接下来，如图28Β所示，不同的抗体286_1...286_i，...286_N被分别引入到纳米结构285_1…285_i，...285_N上，以允许不同的抗体286_1...286_i，...286_N各自吸附到纳米结构285_1...285_i，…285_N的表面(步骤2730 )。吸附可以通过在引入抗体286_1...286_i，…286_N之前首先在纳米结构285_1...285_i，…285_N施加湿润溶液加以协助。不同抗体 286_l…286_i，…286_N可以根据待测抗原的类型进行选择。例如，未知抗原可能属于克伦特罗、硝基呋喃、有机磷、有机氯、正对苯二酸盐、杀虫剂、灭鼠剂、兽药中的物质、砷化合物或氰化物。
[0162]接下来，参见图27和28B，包含未知抗原287的反应物被引入到纳米结构285_1...285」，…285_N，以使未知抗原287与纳米结构285_1…285_i，…285_N之一上的匹配抗体266」相结合。抗原287可以是上述示例性底物之一。反应物可以从食品中分离。食品可包括乳制品、糖果、小甜饼、饮料、酒、肉、海鲜、茶叶、新鲜的或罐藏的蔬菜、水果、粮食、谷物、玉米片、马铃薯片或含有蛋白质的食品。乳制品的例子包括牛奶、奶粉、奶酪、奶酪蛋糕、酸奶酪、冰淇淋、含奶糖果或小甜饼。抗原287的其他例子可包括三聚氰胺、甜蜜素、环己基氨基磺酸钠、蔗糖、淀粉、亚硝酸盐、硝酸盐、苏丹Ι、Π、ΙΙΙ和IV、孔雀石绿、甲胺磷、乙酰甲胺磷、DDT、DDV、马拉硫磷、杀螟硫磷、溴氰菊酯、氯氰菊酯、甲基对硫磷、亚胺硫磷、乐果、硝基呋喃、呋喃唑酮、氯霉素、氯四环素、环丙沙星、氨哮素或恩诺沙星、克伦特罗或6-苄氨基嘌呤，可包括食品中的被管制物质。
[0163]反应物还可以从违禁药物物质中分离出来，包括海洛因、脱氧麻黄碱、可卡因、咖啡因、吗啡、可待因、安非他明、麻黄素、罂粟碱、那可汀和MDMA。
[0164]适用于本发明方法的另一个示例性的被管制药物是克他命(Ketamine，氯胺酮)。克他命是应用于麻醉、哮喘、抗抑郁、毒瘾治疗和复合型疼痛综合征治疗的人和兽用药。克他命也是广泛传播的违法毒品“K粉”(盐酸氯胺酮)中的主要物质，能够引起幻觉和其他心理反应。克他命是一种小分子，不能直接引发免疫反应和相关抗体的产生。但是，克他命能够进行化学修饰，生成P-NH2-克他命，使其结合到蛋白载体，如血蓝蛋白(KLH)、牛血清蛋白(BSA)、卵白蛋白和Y-球蛋白，等等。这些与克他命结合的蛋白质载体具有抗原的性能并能够引发人或动物体中的免疫反应及抗体的产生。利用抗原一抗体对和纳米增强拉曼散射对这些蛋白质载体的检测，能够实现克他命的识别。
[0165]参见图27和28C，包含未知抗原287并与不同抗体286_1...286_i，…286_N吸附的纳米结构285_1...285_i，…285_N中的每一个各自被激光束2800照射(步骤2750)。激光束2800可通过探头110中的激光装置发射。来自纳米结构285_1...285_i，…285_N中每一个的散射光2801可分别被探头110采集。纳米表面增强拉曼光谱通过每个纳米结构285_1…285_i，…285_N的光谱分析仪150从散射光2801中获得(步骤2760)。
[0166]与上述图17及步骤2570的描述相似(图25)，在从纳米结构285_1…285_i，...285_N中获得的每个拉曼光谱中寻找结合的抗原一抗体对的光谱信号。如果在从纳米结构285」获得的拉曼光谱中找到抗原一抗体对288_i (或上述相关的拉曼标记分子)的光谱信号，反应物中的未知抗原287可被确定是与吸附到纳米结构285」上的抗体286」匹配的抗原。由于抗原和抗体之间的钥匙-锁特性，从其他样品溶液中获得的拉曼光谱不会显示出他们各自的抗原一抗体对的光谱信号。光谱信号可以通过获得多个纳米结构284_i中的纳米结构增强拉曼散射进行校验，该纳米结构284_i吸附有与包含未知抗原287的反应物一起应用的抗体286_i。
[0167]此外，在反应物中识别出的抗原287的浓度水平可利用找到光谱信号的纳米表面增强拉曼光谱测定(步骤2790)。样品溶液中抗原287的浓度水平可利用光谱信号如光谱峰的强度、相对强度或整体面积进行测定。
[0168]在一些实施例中，上述采用基于纳米结构的光谱检测的生物免疫测定可用于诊断疾病。反应物可以从疑似患有疾病的人的体液或呼吸的气体中分离出来。体液可包括血液、唾液、尿液、血清、泪液、汗液、胃液、精液或分泌液。反应物中的未知抗体与相关疾病有关联。相关疾病选自癌症、哮喘、敏感症、肝硬化、肾衰、白血病、HIV、阿尔茨海默氏病、帕金森氏病、糖尿病、烟瘾、关节炎、`心血管病、SARS和流感。癌症可包括不同的类型,如肺癌、乳癌、胃癌、卵巢癌、子宫癌、宫颈癌、口腔癌、食道癌、甲状腺癌、喉癌、大肠癌、膀胱癌、前列腺癌、支气管癌、胰腺癌、血癌、淋巴癌、骨癌、脑癌、颈癌和皮肤癌。
[0169]在确定纳米表面增强拉曼散射的信号强度时，纳米结构表面与未知物质的接近是一个非常重要的因素。在一些实施例中，纳米表面增强拉曼散射中使用的纳米表面结构通过化学物质或生化物质进行预处理，以协助待测物质吸附到纳米表面结构上。上述抗体作为所述化学物质或生化物质的一个例子，能够协助未知抗原吸附或结合到纳米结构表面。所述化学物质或生化物质的另一个例子是抗原，能够协助未知抗体吸附或结合到纳米结构表面。一般地，基底上的纳米结构或纳米颗粒可以通过其他化学物质或生化物质处理，以协助未知物质的吸附。这些化学物质或生化物质可被吸附到纳米表面，如抗体，或修饰纳米表面的结合性能，纳米表面未知物质的分子吸附。这些化学物质或生化物质可根据待测物质进行特殊的选择。
[0170]本发明公开的方法和系统的一个优点在于未知抗体可以以非常高的灵敏度被识另IJ。通过纳米表面结构进行的拉曼光谱分析的增强，能够明显降低生物免疫测定中抗原识别所要求的可检测浓度水平。
[0171]在一些实施例中，本发明公开的系统和方法适用于复合标记免疫测定(multiplexlabeled-1mmunoassay)。报告分子(Reporter molecules)例如苯硫酌.(thiophenol )、联批唳类衍生物(bipyridine derivatives)和氰基卩比唳衍生物(cyanopyridine derivatives)被吸附到不同的免疫胶体金颗粒(immune-gold colloid particles)上。标记的胶体和抗原共价结合到特定覆盖有不同抗体的检测基底上。洗掉溶剂之后，进行表面增强拉曼散射来检测报告分子。脱离特殊抗体基底的报告分子的拉曼信号的存在，能够指示基底表面特定的抗原抗体对的结合，从而识别抗原。
[0172]在一些实施例中，三明治结构(a sandwich structure)主要包括吸附到基底上的抗体，以及与基底上的抗体相结合的未知抗原。具有结合的抗体及标记分子的胶体颗粒被进一步通过抗原/抗体结合作用结合至抗原上以形成三明治结构。标记分子具有特殊的拉曼信号，能够从三明治结构的表面增强拉曼散射中被轻易的识别出来。
[0173]三明治方法通常用于大分子的检测。小分子化合物已知仅与一个抗体结合，从而不能利用三明治结构进行检测。在本发明中，竞争检测方法(代替三明治方法)被用于检测小分子化合物。
[0174]有许多小分子化合物，如兽药、杀虫剂、聚氯联二苯(PCB)、及重金属等等，在食品、环境上的、制药上的和生物学的样品中被观察到。小分子化合物的竞争性纳米增强拉曼免疫学测定(SERSIA)和该方法的原理如图29所示。首先，包被抗原(如分析物载体蛋白配对)被通过吸附或交联作用固定到SERS基底上以形成固相抗原。在标准溶液或样品溶液中的固相抗原和被测试抗原竞争SERS标记(同时固定有SERS活性分子和抗体的纳米颗粒)中有限的抗体。清洗基底后，用激光照射样品基底并采集散射光以生成拉曼光谱。信号强度与测试中抗原的数量成反比。
[0175]已经进行了两项研究:基于纳米颗粒的固定的固相抗原SERSIA和液体固相抗原SERSIA。
[0176]该方法涉及固相抗原的制备和表征，包括SERS基底的选择和评估；包被抗原的制备；包被抗原在基底上的固定；固相抗原的表征；选择封闭条件以减少特异性吸附。
[0177]SERS标记的制备和表征包括胶体金纳米颗粒的制备和表征；SERS活性材料和胶体金纳米颗粒交联的形成；抗体和胶体金纳米颗粒交联的形成；SERS标记表征。
[0178]利用竞争性SERSIA进行的小分子化合物的检测条件的优化包括:固相抗原和SERS标记数量的选择；温度、湿度和免疫反应时间的选择；缓冲液的成分、浓度、离子强度和PH的选择；洗涤液的成分、浓度、离子强度和pH的选择。
[0179]SERS信号测定的条件选择包括:便携的表面增强拉曼光谱仪多种测试条件的选择；采集来自SERS基底的SERS信号进行测定。
[0180]SERSIA方法的表征包括:建立测定SERSIA灵敏度的标准曲线；交叉反应实验以测定SERSIA的特异性；加标样品实验测定SERSIA的准确性和精度；稳定性实验以测定SERSIA的稳定性。
[0181]实际样品分析包括采集、预处理、目标分离、提取、用SERSIA测量，以测定收率。
[0182]生物免疫测定中基于纳米结构的色i普法和光i普传感检测
[0183]在一些实施例中，上述公开的基于纳米结构的光散射探针和物质检测方适用于集成的免疫层析系统。
[0184]参见图30A-31B，集成的免疫层析系统3100包括一底部3110，一层析板3120，一检测膜3130和一吸附板3140。包被抗原3150沿检测膜3130上的测试线3155包被。抗原的例子包括克伦特罗、硝基呋喃、有机磷、有机氯、正对苯二酸盐、杀虫剂、灭鼠剂、兽药中的物质、微毒素(microtoxin)、多氯联苯(PCBs)、多环芳香烃(PAHs),等等。
[0185]参见图30A和30B，标记纳米结构探针3160和竞争性抗原3170被引入到层析板3120上。如图33所示，标记纳米结构探针3160通过将拉曼标记4-MBA和抗体3310固定到纳米颗粒3300的表面上进行制备。标记纳米结构探针3160是MBA-纳米颗粒-Ab配对的形态，然后用牛血清蛋白(BSA)，一种用来减少纳米颗粒上的非特异性结合位点的封闭蛋白进行处理。适用于纳米颗粒的材料可包括胶体金、胶体银、金-银合金、金纳米柱、凹陷的金纳米球，等等。
[0186]参见图30B-31B，置于层析板3120标记纳米结构探针3160和竞争性抗原3170扩散至然后进入检测膜3130。如果在标准溶液或样品溶液中没有竞争性抗原，标记纳米结构探针3160上携带的抗体将大部分被检测线3155处的检测膜3130上固定的包被抗原3150所捕获。相反地，对于包含分析物的标准溶液或样品溶液，特异的抗体分子上的结合位点首先被分析物所占据，只为包被抗原3150留下较少的结合位点。因此，较少标记纳米结构探针会余留在包被抗原3150附近的检测线3155处。这样，检测线3155处标记纳米结构探针3160的浓度就与竞争性抗原3170的浓度成反比。
[0187]图32举例说明了图30A-31B中使用的纳米结构探针示例和示例的抗原和包被抗原。
[0188]在标记纳米结构探针3160与检测线3155处的检测膜3130上包被的包被抗原3150相结合后，参见图34，激光3400被照射结合到沿检测线3155的结合到包被抗原3150上的标记了的纳米结构探针3160。散射光3410通过上述系统和方法进行采集和分析，用于基于纳米结构的拉曼散射的物质检测。
[0189]图35举例说明了利用公开的集成的免疫层析系统进行的基于纳米结构的光散射和物质检测的操作步骤。提供了一种集成的免疫层析系统3100 (如图31A所示)。标记纳米结构探针3160被引入到层析板3120上(如图31B所示)。集成的免疫层析系统3100的层析板3120然后被浸入到含有竞争性抗原溶液的容器(比如塑料容器)3500中，以将竞争性抗原3170吸引到层析板3120中。位于层析板3120上的标记纳米结构探针3160和竞争性抗原3170扩散至然后进入检测膜3130。如果塑料容器3500中竞争性抗原的浓度是零，标记纳米结构探针3160运载的多数抗体将被检测线3155处的包被抗原3155捕获；另一方面，塑料容器3500中较高浓度的竞争性抗原将使较少的标记纳米结构探针被捕获到检测线3155处的检测膜3130上。结合到沿着检测线3155的包被抗原3150上的标记纳米结构探针3160被用激光3400照射。散射光3410采用上述系统和方法进行采集和分析以用于以下具体描述的基于纳米结构的拉曼散射物质检测。
[0190]图36显示了竞争性抗原的浓度在10_10_6ng/ml范围内时，从集成的免疫层析系统3100获得的拉曼散射强度。拉曼散射强度显示在1074cm—1处的峰(MBA的拉曼信号)，该峰由于竞争性抗原与检测抗原竞争标记纳米结构探针上有限的抗体结合位点，而随着浓度(Cin ng/ml)的增加而减弱。塑料容器3500中竞争性抗原的浓度越高，被捕获到检测线3155上的标记纳米结构探针3160越少。
[0191]图37显示了目标分析物的标准曲线，例如，拉曼散射强度在1074CHT1处的峰在基线校正后是竞争性抗原(例如克伦特罗)浓度的函数。B0是在竞争性抗原浓度为零时的拉曼散射信号强度。B是在其他浓度的拉曼散射信号强度。与图36相似，峰强度作为竞争性抗原浓度的函数减弱。图38显示了检测线区域的检测膜中不同克伦特罗浓度的照片。
[0192]图39举例说明了在不同制备条件下的拉曼光谱:a)具有MBA标记的免疫金纳米颗粒(GNP)和对照实验；b)无MBA标记的免疫GNP ;c)无抗体的MBA标记的GNP ;和d)没有经过任何处理的硝酸纤维素膜(NC膜)。可以观察到拉曼强度在1074CHT1处的峰值，仅在MAB标记纳米结构探针存在时出现。在没有MBA标记或抗体结合时,在10740^1处的光谱峰是不存在的。图39清楚的证明了观察到的SERS信号仅来自于与抗体一起被固定在标记纳米结构探针上并被检测线3155上的包被抗原3150所捕获的拉曼标记MBA。
[0193]图40显示了集成的免疫层析系统的拉曼散射强度峰的重复性。在每个克伦特罗浓度为0、0.01和lng/ml时，沿着检测线3155 (图30A-31B)的10个取样区的拉曼峰强度被测量。标准的偏移在5.0%-5.6%之间，显示了采用公开的集成的免疫层析系统的高检测重复性。
[0194]图41显示了处于不同准备条件下集成的免疫层析系统中拉曼散射信号的特异性。可以观察到在苯乙醇胺A (Phenylethanolamine A)、莱克多巴胺和氯霉素间几乎没有交叉反应，这是由于它们被用作浓度在1.0、10和100pg/mL的竞争性抗原时，SERS强度几乎是恒定不变的。竞争性抑制仅在沙丁胺醇和克伦特罗中是明显的，后者比前者效果更显著。
[0195]适用于集成的免疫层析系统及相关方法的抗原包括多种小分子化合物，如克伦特罗、硝基呋喃、有机磷、有机`氯、正对苯二酸盐、杀虫剂、灭鼠剂和兽药中的物质，如果相应的抗体是可利用的。
[0196]抗原的其他例子包括三聚氰胺、甜蜜素、环己基氨基磺酸钠、蔗糖、淀粉、苏丹1、I1、III和IV、孔雀石绿、甲胺磷、乙酰甲胺磷、DDT、DDV、马拉硫磷、杀螟硫磷、溴氰菊酯、氯氰菊酯、甲基对硫磷、亚胺硫磷、甲拌磷、乐果、硝基呋喃、呋喃唑酮、氯霉素、氯四环素、氯霉素、环丙沙星、恩诺沙星、A0Z、重金属、铅、镉、汞、铬、莱克多巴胺、沙丁胺醇、青霉素、双酚A、邻苯二甲酸二(2-乙基己)酯、6-苄氨基嘌呤或奥喹多司，其可包括食品中的管制物质。
[0197]克他命可被化学修饰以生成p-NH2-克他命，允许它们结合到蛋白载体，例如血蓝蛋白(KLH)、牛血清白蛋白(BSA)、卵白蛋白和Y -球蛋白等等。这些与克他命结合的蛋白载体具有抗原性能并能够引发免疫反应及人或动物体中抗体的产生，适用于公开的系统和方法中的检测抗原。
[0198]值得注意的是，上述的系统和方法也适用于未偏离本发明的精神所做的其他变动。该系统和方法适用于竞争性免疫测定和非竞争性免疫测定(例如，三明治结构方法)。在非竞争性免疫测定中，未知抗原被结合到检测基底上的抗体位点上。然后标记的抗体被结合到抗原上形成“三明治”结构。在三明治结构上进行表面增强拉曼散射以检测抗体/抗原对的增强光谱信号，从而鉴别出未知抗原。
[0199]尽管本发明以目前优选的实施方式进行了描述，可以理解的是，此公开不能看作是对其限定。在阅读以上公开内容后，不同的变动及修饰对本领域技术人员而言无疑是显而易见的。因此，附加的权利要求可被认为是覆盖了落入本发明真正的精神和范围内的所有变动和修饰。例如，在接近或不同于上述那些光谱信号的拉曼频移处所做的“坏的食用油”和“好的食用油”的鉴别。
【权利要求】
1.一种集成的免疫层析系统，包括: 一色谱层析单元，被设置用来接收标记纳米结构探针，所述标记纳米结构探针包含纳米颗粒和吸附到纳米颗粒上的抗体； 一检测膜，包含包被抗原，其中所述色谱层析单元被设置用来使标记纳米结构探针扩散穿过并进入检测膜，所述纳米颗粒上的抗体被结合到所述包被抗原上； 一激光装置，被设置用来发射激光以照射标记纳米结构探针，所述标记纳米结构探针具有结合在检测膜上的包被抗原上的抗体；以及 一光谱分析仪，被设置用来获得来自具有结合在检测膜上的包被抗原上的抗体的标记纳米结构探针的散射光的拉曼光谱，并识别与抗体-抗原对相关联的拉曼光谱中的光谱信号，从而实现抗体的检测和识别。
2.如权利要求1所述的集成的免疫层析系统，其特征在于，所述色谱层析单元被设置用来接收竞争性抗原并使竞争性抗原扩散穿过并进入检测膜，所述竞争性抗原与包被抗原竞争以结合到纳米颗粒上的抗体上。
3.如权利要求1所述的集成的免疫层析系统，其特征在于，所述标记纳米结构探针包含一附着在纳米颗粒或抗体上的光谱标记。
4.如权利要求1所述的集成的免疫层析系统，其特征在于，所述抗原选自克伦特罗、硝基呋喃、有机磷、有机氯、正对苯二酸盐、杀虫剂、灭鼠剂和兽药。
5.如权利要求1所述的集成的免疫层析系统，其特征在于，所述抗原选自三聚氰胺、甜蜜素、环己基氨基磺酸钠、蔗糖、淀粉、苏丹1、I1、III和IV、孔雀石绿、甲胺磷、乙酰甲胺磷、DDT、DDV、马拉硫磷、杀螟硫磷、溴氰菊酯、氯氰菊酯、甲基对硫磷、亚胺硫磷、乐果、硝基呋喃、呋喃唑酮、氯霉素、金霉素、环丙沙星、克伦特罗和恩诺沙星。
6.如权利要求1所述的集成的免疫层析系统，其特征在于，所述纳米颗粒的平均直径为 10-100nm。
7.如权利要求1所述的集成的免疫层析系统，其特征在于，所述纳米颗粒包含的材料选自金属、金属合金、氧化物、硅、复合物材料、磁性或铁磁性材料及它们的组合，或选自Al、Ag、Au、Cu、Fe、Co、N1、Cr、Zn、Sn、Pd、Pt 以及它们的组合。
8.如权利要求1所述的集成的免疫层析系统，其特征在于，所述包被抗原包括克伦特罗，其中克伦特罗被结合到OVA分子上，形成OVA-克伦特罗复合体，所述OVA-克伦特罗复合体结合到检测膜上。
9.一种利用集成的免疫层析系统识别抗体的方法，包括: 通过一色谱层析单元接收标记纳米结构探针，所述标记纳米结构探针包含纳米颗粒和吸附到纳米颗粒上的抗体； 使标记纳米结构探针扩散穿过检测膜，所述检测膜包含包被抗原； 使纳米颗粒上的抗体结合到包被抗原上； 通过激光照射标记纳米结构探针，所述标记纳米结构探针具有结合到检测膜上的包被抗原上的抗体； 从来自标记纳米结构探针的光谱分析仪的散射光中获得拉曼光谱，所述标记纳米结构探针具有结合到检测膜上的包被抗原上的抗体； 识别与抗体一抗原对相关联的拉曼光谱中的光谱信号，实现抗体的检测和识别。
10.如权利要求9所述的利用集成的免疫层析系统识别抗体的方法，还包括: 通过色谱层析单元接收竞争性抗原；以及 使竞争性抗原扩散穿过检测膜，其中所述竞争性抗原被设置用来与包被抗原竞争结合到纳米颗粒上的抗体上。
11.如权利要求9所述的利用集成的免疫层析系统识别抗体的方法，其特征在于，所述标记纳米结构探针包括附着在纳米颗粒或抗体上的光谱标记。
12.如权利要求9所述的利用集成的免疫层析系统识别抗体的方法，其特征在于，所述抗原选自克伦特罗、硝基呋喃、有机磷、有机氯、正对苯二酸盐、杀虫剂、灭鼠剂、和兽药。
13.如权利要求9所述的利用集成的免疫层析系统识别抗体的方法，其特征在于，所述抗原选自三聚氰胺、甜蜜素、环己基氨基磺酸钠、蔗糖、淀粉、苏丹1、I1、III和IV、孔雀石绿、甲胺磷、乙酰甲胺磷、DDT、DDV、马拉硫磷、杀螟硫磷、溴氰菊酯、氯氰菊酯、甲基对硫磷、亚胺硫磷、乐果、硝基呋喃、呋喃唑酮、氯霉素、金霉素、环丙沙星、克伦特罗和恩诺沙星。
14.如权利要求9所述的利用集成的免疫层析系统识别抗体的方法，其特征在于，所述纳米颗粒的平均直径为10-100nm。
15.如权利要求9所述的利用集成的免疫层析系统识别抗体的方法，其特征在于，所述纳米颗粒包含的材料选自金属、金属合金、氧化物、硅、复合物材料、磁性或铁磁性材料及它们的组合，或选自Al、Ag、Au、Cu、Fe、Co、N1、Cr、Zn、Sn、Pd、Pt以及它们的组合。
16.如权利要求9所 述的利用集成的免疫层析系统识别抗体的方法，其特征在于，所述包被抗原包括克伦特罗，其中克伦特罗被结合到OVA分子上，形成OVA-克伦特罗复合体，所述OVA-克伦特罗复合体结合到检测膜上。
17.一种物质识别方法，包括: 使抗体吸附到纳米表面结构上； 引入未知抗原至纳米表面结构以使未知抗原与纳米表面结构上的抗体相结合； 通过激光束照射纳米表面结构上相结合的未知抗原和抗体； 采集纳米表面结构上相结合的未知抗原和抗体的散射光； 从纳米表面结构上相结合的未知抗原和抗体的散射光中获得拉曼光谱； 在拉曼光谱中寻找与相结合的未知抗原和抗体相关联的拉曼信号； 基于光谱信号识别作为与纳米表面结构上的抗体相匹配的抗原的未知抗原。
18.如权利要求17所述的物质识别方法，其特征在于，所述抗原选自克伦特罗、硝基呋喃、有机磷、有机氯、正对苯二酸盐、杀虫剂、灭鼠剂、兽药中的物质、砷化合物和氰化物。
19.如权利要求17所述的物质识别方法，其特征在于，所述抗原选自三聚氰胺、甜蜜素、环己基氨基磺酸钠、蔗糖、淀粉、亚硝酸盐、硝酸盐、苏丹1、I1、III和IV、孔雀石绿、甲胺磷、乙酰甲胺磷、DDT、DDV、马拉硫磷、杀螟硫磷、溴氰菊酯、氯氰菊酯、甲基对硫磷、亚胺硫磷、乐果、硝基呋喃、呋喃唑酮、氯霉素、金霉素、环丙沙星、克伦特罗和恩诺沙星。
20.如权利要求17所述的物质识别方法，还包括:基于与疾病相关联的未知抗原的识别诊断人体疾病。
21.如权利要求20所述的物质识别方法，其特征在于，反应物包括来自人体的体液。
22.如权利要求20所述的物质识别方法，其特征在于，所述疾病选自癌症、哮喘、敏感症、肝硬化、肾衰、白血病、阿尔茨海默氏病、帕金森氏病、糖尿病、烟瘾症、关节炎、心血管病、SARS、流感和HIV。
23.如权利要求17所述的物质识别方法，其特征在于，所述未知抗原包括违禁药物物质，选自海洛因、脱氧麻黄碱、古柯碱、咖啡因、吗啡、可待因、安非他明、麻黄素、罂粟碱、那可汀、克他命和MDMA。
24.如权利要求17所述的物质识别方法，其特征在于，所述未知抗原包括蛋白载体和结合到蛋白载体上的未知物质的分子，其中蛋白载体的识别致使未知物质的识别。
25.如权利要求24所述的物质识别方法，其特征在于，所述未知物质包括克他命或氟乙酰胺。
26.如权利要求17所述的物质识别方法，其特征在于，所述未知抗原从食品中提取。
27.如权利要求17所述的物质识别方法，还包括在采集纳米表面结构的散射光时，施加电场、磁场或电磁场到所述纳米表面结构。
28.如权利要求17所述的物质识别方法，其特征在于，所述纳米表面结构包括平均直径为1-1OOOnm的纳米颗粒。
29.如权利要求28所述的物质识别方法，其特征在于，所述纳米颗粒包含的材料选自金属、金属合金、氧化物、硅、复合物材料、磁性或铁磁性材料及它们的组合，或选自Al、Ag、Au、Cu、Fe、Co、N1、Cr、Zn、Sn、Pd、Pt 以及它们的组合。
30.如权利要求17所述的物质识别方法，其特征在于，所述纳米表面结构在基底上形成。
31.如权利要求30所述的物质识别方法，其特征在于，所述纳米表面结构包括在基底上表面形成的突起或立柱，其中相邻的突起或立柱平均直径为10-1000nm。
32.如权利要求30所述的物质识别方法，其特征在于，所述纳米表面结构包括在基底上表面形成的凹陷或孔隙。相邻凹陷或孔隙的平均直径为10-1000nm。
33.一种物质识别方法，包括: 将预处理的化学物质或生化物质施加到纳米表面结构； 引入包含未知物质的反应物到纳米表面结构，使未知物质的分子在预处理的化学物质或生化物质的协助下吸附到纳米表面结构； 利用激光束照射吸附有未知物质的分子的纳米表面结构； 采集由吸附有未知物质的分子的纳米表面结构的散射光； 从吸附有未知物质的分子的纳米表面结构的散射光获得拉曼光谱； 寻找拉曼光谱中与未知物质相关联的光谱信号；以及 利用光谱信号识别反应物中的未知物质。
34.如权利要求33所述的物质识别方法，其特征在于，所述抗原包括蛋白载体和结合到蛋白载体上的未知物质的分子，所述方法还包括: 根据光谱信号识别蛋白载体，其中未知物质的识别是根据蛋白载体的识别进行的。
35.如权利要求34所述的物质识别方法，其特征在于，所述未知物质包括克他命或氟乙酰胺。
36.如权利要求33所述的物质识别方法，其特征在于，所述预处理的化学物质或生化物质包括被设置用来吸附到纳米表面结构表面上的抗体，所述未知物质是与抗体相匹配的抗原，所述光谱信号与吸附到纳米表面结构上的抗原一抗体对相关联。
37.如权利要求33所述的物质识别方法，其特征在于，所述预处理的化学物质或生化物质包括被设置用来吸附到纳米表面结构表面上的抗原，所述未知物质是与抗原相匹配的抗体，所述光谱信号与吸附到纳米表面结构上的抗原一抗体对相关联。
38.如权利要求33所述的物质识别方法，其特征在于，所述纳米表面结构包括平均直径为1-1OOOnm的纳米颗粒或在基底上形成的纳米结构。
【文档编号】G01N21/65GK103698510SQ201310688128
【公开日】2014年4月2日 申请日期:2013年12月16日 优先权日:2012年12月21日
【发明者】汪泓, 郭浔, 刘春伟, 邓安平, 常化仿 申请人:欧普图斯(苏州)光学纳米科技有限公司