專(zhuān)利名稱(chēng)：基于白光反射干涉頻譜變化規(guī)律的光纖陣列生物芯片的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及光電檢測(cè)技術(shù)領(lǐng)域的一種檢測(cè)裝置，更進(jìn)一步涉及用于檢測(cè)某種特殊生物(或化學(xué))物質(zhì)的存在和變化的一種應(yīng)用白光反射干涉頻譜相移法的光纖陣列生物芯片。
二背景技術(shù)：
檢測(cè)樣本中是否存在某種特殊的生物或化學(xué)物質(zhì)，是在生命科學(xué)研究、藥品開(kāi)發(fā)和醫(yī)學(xué)診斷中經(jīng)常用到的方法。例如，在免疫檢測(cè)中，需要檢查血漿中是否存在某種特殊的抗體?？乖且环N能夠與其互補(bǔ)的抗體發(fā)生反應(yīng)的物質(zhì)，因此可以用它來(lái)檢查血漿中其互補(bǔ)抗體是否存在。生物檢測(cè)可以用擴(kuò)散法、電泳法、熒光法等方法檢測(cè)某種抗體是否存在。
擴(kuò)散法一般用于免疫測(cè)試。它是一種血清的處理過(guò)程，抗體和抗原溶液通過(guò)細(xì)胞凝膠層互相之間擴(kuò)散，抗原和與之互補(bǔ)抗體之間的作用表現(xiàn)為兩種液體之間的一條沉淀線。電泳法廣泛用于多種生物檢測(cè)。它也是一種樣本的處理過(guò)程，利用電泳所產(chǎn)生的離子移動(dòng)將被測(cè)成分分離出來(lái)，再通過(guò)其互補(bǔ)生物體的擴(kuò)散或標(biāo)記作用來(lái)觀察它們。熒光法是一種識(shí)別生物反應(yīng)的過(guò)程，某種抗原附著于特殊標(biāo)記上，被某種波長(zhǎng)的光(例如紫外光)照射時(shí)產(chǎn)生熒光，由此可以很方便地識(shí)別這種抗原。其他的標(biāo)記還有放射性同位素、電子、磁性和酶標(biāo)記等。
利用光纖技術(shù)進(jìn)行測(cè)試的方法，目前主要是光纖熒光和化學(xué)發(fā)光生物傳感器。這種光纖傳感器被認(rèn)為是商品化應(yīng)用和研究開(kāi)發(fā)中最廣泛的一種。有兩種類(lèi)型的光纖生物傳感器已被開(kāi)發(fā)夾層生物傳感器和位移生物傳感器，分別依據(jù)不同的作用原理。它們的工作原理如圖1a、圖1b、圖1c、和圖1d所示。為了方便起見(jiàn)，我們以抗原抗體的測(cè)試為例來(lái)說(shuō)明這兩種生物傳感器的工作原理。
如圖1a所示，夾層光纖生物傳感器是這樣工作的將末端涂有試劑102(如抗原)的光纖100浸入溶液104，來(lái)檢測(cè)溶液104里是否存在與試劑102互補(bǔ)的抗體106。若溶液104中確實(shí)存在互補(bǔ)抗體106，該抗體就會(huì)和試劑102結(jié)合。光纖100要在溶液104中浸足夠長(zhǎng)的時(shí)間，以保證足夠長(zhǎng)的反應(yīng)時(shí)間，然后用諸如鹽水之類(lèi)洗滌。
如圖1b所示，標(biāo)號(hào)為112的熒光指示劑被試劑110吸附。將涂有試劑102的光纖100以及結(jié)合于其上的抗體106浸入試劑110(如抗原)里，帶有標(biāo)志112的試劑110就會(huì)和抗體106相結(jié)合。當(dāng)光源(未畫(huà)出)照亮光纖100的根部后，延著光纖100傳輸?shù)剿哪┒?，依次照明試?02、抗體106，最后照明與抗體106結(jié)合的帶有熒光標(biāo)志112的試劑110。試劑110被光照激勵(lì)，返回一個(gè)熒光信號(hào)。由上可知，在光纖生物傳感器的末端具有試劑102、抗體106、以及帶有熒光標(biāo)志112的試劑110等三層物質(zhì)，所以被叫做夾層光纖生物傳感器。對(duì)于夾層光纖生物傳感器來(lái)說(shuō)，測(cè)試樣本里抗體106的濃度越高，就會(huì)有更多的帶有熒光標(biāo)志的試劑110與其結(jié)合，因此返回的熒光信號(hào)越強(qiáng)。
如圖1c所示，位移光纖生物傳感器由光纖100及其末端所涂試劑120(如某種抗原)組成。帶有酶素標(biāo)志124的試劑122(抗體)被密封在一個(gè)有透析能力的薄膜130里。試劑122(抗體)與試劑層120(抗原)互補(bǔ)。因此，試劑122總有與試劑層相結(jié)合的傾向。將這套裝置浸入樣本溶液150中，檢查樣本溶液150里是否有也與試劑120互補(bǔ)的抗體140，如圖1d所示。如果樣本溶液150里含有該抗體，此抗體就與帶有熒光標(biāo)志的試劑122競(jìng)爭(zhēng)，欲與光纖100末端抗原層120結(jié)合。這時(shí)，在光纖100的根部加上光源(未畫(huà)出)，與試劑層120結(jié)合的帶有標(biāo)志的試劑122受到光的激勵(lì)，返回一個(gè)熒光信號(hào)。在這種情況下，樣本溶液150里抗體140濃度越高，就會(huì)有越多的抗體140與光纖100末端的試劑120結(jié)合，而帶有熒光標(biāo)志的試劑122與試劑120結(jié)合的數(shù)量越少。結(jié)果返回的熒光信號(hào)強(qiáng)度越弱。所以，抗體140的濃度與返回的光強(qiáng)成反比。
以上所述的光纖生物傳感器有不少缺點(diǎn)。對(duì)于夾層光纖生物傳感器來(lái)說(shuō)，光纖100要先浸入樣本溶液104，清洗，再浸入含有試劑110(帶有標(biāo)志112)的溶液108里?；?yàn)要經(jīng)過(guò)兩個(gè)不同的反應(yīng)步驟，較為麻煩。而且，只有當(dāng)待測(cè)物的濃度高于某個(gè)臨界值才能被檢測(cè)出來(lái)。抗體106與試劑102結(jié)合的速率不能實(shí)時(shí)測(cè)定。還有，由于化驗(yàn)麻煩，以及大多數(shù)標(biāo)志(如熒光指示劑)有毒，夾層光纖生物傳感器不能用于體內(nèi)直接檢測(cè)。
大多數(shù)標(biāo)志存儲(chǔ)時(shí)不穩(wěn)定，尤其在光照下。另外，上述方法中的光強(qiáng)信號(hào)易受環(huán)境和系統(tǒng)包括噪聲的影響，如光源不穩(wěn)，溫度變化，纖維彎曲引起光損失等。
對(duì)于位移光纖生物傳感器，薄膜130增加了生物傳感器的成本和尺寸。由于這種傳感器體積較大，試劑的標(biāo)志可能有毒，也不適合體內(nèi)檢測(cè)。
另一種類(lèi)型的光學(xué)傳感器叫做表面等離子體共振(或簡(jiǎn)稱(chēng)“SPR”)傳感器，如圖2a所示，包括一個(gè)鍍有很薄金屬層204的棱鏡202，金屬層204成為棱鏡與絕緣體208之間的界面。一束橫向的磁化單向偏振光入射到棱鏡202的一面，被金屬層204反射，到達(dá)棱鏡的另一面。反射光束的強(qiáng)度可以測(cè)量出來(lái)，用于計(jì)算入射光束206的入射角θ的大小。如圖2b所示，折射光束的強(qiáng)度在某一特殊入射角θSP處突然下降，就在這個(gè)角度，入射光的能量與由金屬一絕緣體交界面激勵(lì)產(chǎn)生的表面等離子體(或“SP”)波相匹配。如果一層薄膜沉淀在薄金屬層204上，絕緣物質(zhì)的有效折射系數(shù)會(huì)發(fā)生改變，尤其是金屬層附近。有效折射系數(shù)依賴于絕緣物質(zhì)和沉淀膜的厚度和密度的大小。因此，如果沉淀膜的厚度發(fā)生變化，折射率就會(huì)改變，因此臨界入射角θSP也會(huì)改變。通過(guò)測(cè)試臨界入射角θSP的值，沉淀膜的厚度和密度就可以推導(dǎo)出來(lái)。
還有一種類(lèi)型的生物傳感器，叫做光柵生物傳感器。如圖3所示，一束入射激光束302進(jìn)入平面波導(dǎo)304的一端。平面波導(dǎo)304包括一層非常薄的高折射率膜306，以及該膜所基于的玻璃體308。薄膜306的一部分表面刻制成光柵310。表面突起光柵310使激光302以α的角度射出平面波導(dǎo)，α是波導(dǎo)法線與光線的夾角。α的大小與激光的導(dǎo)向模式的有效折射系數(shù)有關(guān)。
表面突起光柵310首先涂上一層試劑。然后用盛有液體樣本314的容器312裝于光柵310上。如果樣本314中的物質(zhì)與試劑層發(fā)生反應(yīng)，則有效折射系數(shù)會(huì)發(fā)生變化，從而改變出射角α。
透鏡316將出射光束聚焦到一維的光傳感器(或“PSD”)318。光傳感器318的輸出被模數(shù)轉(zhuǎn)換器320采樣，送入計(jì)算機(jī)322中進(jìn)行分析。由有效折射率改變而引起的出射光束角度α的變化，與試劑及其所結(jié)合的物質(zhì)生成的薄膜厚度有關(guān)，因此根據(jù)光點(diǎn)的位移量即可計(jì)算得到該薄膜的厚度。
光柵生物傳感器有很多缺點(diǎn)。首先，傳感器反應(yīng)較遲鈍，稱(chēng)為“漂積效應(yīng)”。如果測(cè)試樣本含有被測(cè)物的濃度很低，就很難判斷有效折射率的的增加是否由漂積效應(yīng)引起。第二，光柵生物傳感器不能用于遠(yuǎn)距離測(cè)量。另外，由于它的尺寸比較大，不適合做體內(nèi)檢測(cè)。這樣大的尺寸不利于對(duì)單一樣本做多次檢測(cè)。而且，傳感器太長(zhǎng)，需要較大量的檢測(cè)樣本。最后，制造內(nèi)置光柵的平面波導(dǎo)較為復(fù)雜且造價(jià)高，尤其是微型的。
還有一種利用微槽薄膜反射干涉為原理的生物傳感器。如圖5所示，由玻璃或石英制成的基底514上覆蓋一層聚苯乙烯膜502組成生物基片500。如圖6所示，生物基片500放置于流動(dòng)槽602的底部，用硅做槽頂。多股石英光纖604的一端連接到基底514下面。光纖604另一端的第一個(gè)分支606與頻譜儀610相聯(lián)。另一分支608與光源612相聯(lián)(如氙燈或20瓦的鹵素?zé)?。
接著，含有一定濃度的試劑504的溶液(如某種免疫抗原)流過(guò)流動(dòng)槽602，這樣，膜502上就附上一層抗原504。洗滌流動(dòng)槽，使增加的抗原層504的厚度保持固定。這時(shí)用蛋白質(zhì)將其凝結(jié)。然后再洗滌一次。
最后，讓樣本溶液在一定時(shí)間內(nèi)流過(guò)流動(dòng)槽602。如果樣本溶液內(nèi)含有與抗原504互補(bǔ)的抗體506，它們就會(huì)在槽內(nèi)結(jié)合，這樣槽內(nèi)膜的厚度就會(huì)增加。由于蛋白質(zhì)分子通常小于光源612發(fā)射光波的波長(zhǎng)，所增加的單分子蛋白質(zhì)層可以被認(rèn)為只是增加了膜的厚度。
頻譜儀610用于測(cè)定不同時(shí)間內(nèi)反射光波的頻譜和強(qiáng)度。如圖4所示，當(dāng)膜的厚度增加時(shí)，頻譜儀610第一次輸出為A，第二次輸出為B。膜厚的增量Δ可以由菲涅爾定理確定。即，薄膜反射的干涉光光強(qiáng)I可以表示如下
I=I1+I2+2I1I2cos(2πΔλ)]]>其中，Δ即光程，λ為入射光的波長(zhǎng)。因I1和I2強(qiáng)度接近，可近似認(rèn)為兩者相等。
設(shè)I1＝I2＝IR，上式可簡(jiǎn)化為I=2IR(1+cos(2πΔλ))]]>因此，有效光程Δ可以由反射光的光強(qiáng)和光波的波長(zhǎng)來(lái)確定。根據(jù)Δ即可求得膜厚。
雖然以上討論的微槽干涉儀的優(yōu)勢(shì)在于不需要標(biāo)記，以及檢測(cè)結(jié)果不限于最終數(shù)據(jù)等。但是它仍然存在許多缺點(diǎn)。首先是微槽尺寸仍然較大，從而需要較多量的檢測(cè)樣本，或要求樣本濃度高。其次該方法對(duì)于實(shí)現(xiàn)大量并行測(cè)試有一定困難。最后較大的尺寸使它不合適做體內(nèi)檢測(cè)。
三
發(fā)明內(nèi)容
根據(jù)上述現(xiàn)有技術(shù)中存在的缺陷或不足，生物傳感器應(yīng)從以下幾個(gè)方面進(jìn)行改進(jìn)(1)可同時(shí)達(dá)到多種和并行化驗(yàn)?zāi)康年嚵惺缴镄酒?2)不使用不穩(wěn)定的或有毒的試劑或指示劑；(3)能夠連續(xù)采樣來(lái)監(jiān)視反應(yīng)過(guò)程，同時(shí)也能測(cè)試反應(yīng)終值；(4)造價(jià)低廉，尺寸較小，使用方便；(5)高靈敏度和大的線性范圍。
(6)能防止非互補(bǔ)的吸附；本實(shí)用新型的目的在于，提供一種基于白光反射干涉頻譜變化規(guī)律的光纖陣列生物芯片，該芯片利用集成化的光纖作為生物探頭，涂在探頭上的生物和化學(xué)涂層可以作為薄膜反射干涉儀的感知基準(zhǔn)，其中至少一層是能吸附待測(cè)目標(biāo)生物(或化學(xué))分子的互補(bǔ)材料。當(dāng)待測(cè)分子吸附到互補(bǔ)材料表面或之中后，將改變反射干涉光的頻譜分布。這種譜線偏移即用來(lái)定量或定性地分析樣本分子的濃度、附著速率、以及幾何尺寸的變化。
為了實(shí)現(xiàn)上述目的，其技術(shù)方案是，基于白光反射干涉頻譜變化規(guī)律的光纖陣列生物芯片，包括a)線陣光纖生物芯片；面陣光纖生物芯片；面陣光纖/玻璃基板生物芯片；b)與上述芯片配合的微流槽；c)光纖陣列轉(zhuǎn)換器；其特征在于所述線陣光纖生物芯片是一個(gè)或若干個(gè)線陣光纖模塊1000封裝在芯片體1008內(nèi)；所述的線陣光纖模塊1000是按線陣排列的光纖1001封裝在密封器1002內(nèi)；所述面陣光纖生物芯片是一個(gè)面陣光纖模塊1010封裝在芯片體1019內(nèi)；所述的面陣光纖模塊是按面陣排列的光纖1011封裝在密封器1012內(nèi)；所述面陣光纖-玻璃基板生物芯片是在玻璃基板1022表面包被所需的生物(化學(xué))分子層1023，它呈點(diǎn)陣分布；玻璃基板1022和微流槽體1024封裝成一體；光纖模塊1025或光纖轉(zhuǎn)換器1300、1304安置在玻璃基板1022的背面，它們之間注入折射率匹配液1028，光纖模塊1025或光纖轉(zhuǎn)換器1300、1304的所有光纖1026、1301或1305均與生物(化學(xué))分子層點(diǎn)陣1023一一對(duì)準(zhǔn)。
本實(shí)用新型的其他特點(diǎn)是，所述光纖生物芯片以及與之配合的微流槽的結(jié)構(gòu)形式有三種基型1)線陣光纖生物芯片的基型；線陣光纖生物芯片的基型為光纖1001封裝于密封器1002中組成光纖模塊1000，兩個(gè)光纖模塊1000a和1000b相對(duì)平放，形成一個(gè)微流槽1005，微流槽1005的兩側(cè)與入口1006及出口1007相通，出口1007可與任何一種微流量泵連接；2)面陣光纖生物芯片的基型；面陣光纖生物芯片的基型為光纖1011封裝于密封器1012中組成光纖模塊1010，光纖1011即可按線陣也可按面陣排列，光纖模塊1010垂直鑲嵌于芯片體1019的底部，光纖端面1013前面是水平微流槽1015，在其兩側(cè)分別和分配溝1014及1016相通，分配溝1014和1016的頂部分別是入口1017和出口1018；出口1018可與任何一種微流量泵連接；3)面陣光纖/玻璃基板生物芯片的組合基型；面陣光纖/玻璃基板生物芯片的組合基型為在玻璃基板1022上制作按點(diǎn)陣分布的生物(化學(xué))分子層1023，以此代替上述芯片的光纖模塊表面1013；微流槽體1024壓緊于玻璃基板1022上已經(jīng)制備生物(化學(xué))分子層的一面，在玻璃基板1022的另外一面與光纖模塊1025相連，兩者間注入折射率匹配液1028；所述光纖芯片以及與之配合的微流槽的結(jié)構(gòu)形式，在上述三種基型的基礎(chǔ)上，還可發(fā)展出若干種其它的實(shí)用化芯片結(jié)構(gòu)。
所述其它的實(shí)用化芯片結(jié)構(gòu)是1)多通道微流槽和線陣光纖生物芯片的組合光纖1101等距離地封裝于密封器1102中組成光纖模塊1100，在它的上面是多通道微流槽體1103，在其兩端分別與入口1105及出口1106相連；壓板1107向下將微流槽體1103壓緊于芯片1100上，壓板1107的下面有一個(gè)空腔1108，該空腔位于所有出口1106之上，空腔上方有一根抽氣管1109，它可與任何一種微流量泵相連；2)蚊式線陣光纖生物芯片線陣光纖模塊1200封裝于芯片體1203內(nèi)，已經(jīng)制作生物(化學(xué))分子層的光纖端面1202面向微流槽1205；微流槽的一端與廢液室1207及出口1206相連，另一端與吸管1204相連，吸管1204的排列方式應(yīng)與試劑槽1210一致，一維或兩維排列均可；壓塊1209壓緊在芯片體1203上，抽氣管1208緊鑲于壓塊1209中，抽氣管1208可和任何一種微流量泵連接；3)蚊式線陣光纖生物芯片的組合模塊若干個(gè)蚊式線陣光纖芯片1203’并列地與壓塊1212組合，便可形成兩維面陣芯片，吸管1204’的排列方式應(yīng)與試劑槽1210’一致，一維或兩維排列均可；另外，也可在壓塊1215下面開(kāi)設(shè)一個(gè)氣槽1213，在氣槽中央位置的上方設(shè)置一根排氣管1214，可與任何一種微流量泵連接，對(duì)所有芯片統(tǒng)一排氣；4)線陣光纖/玻璃基板蚊式生物芯片玻璃基板1022’上面先預(yù)制好點(diǎn)陣式生物(化學(xué))分子層1023’，再鑲裝于芯片體1229上，光纖模塊1027’放在玻璃基板1022’的背面，其間注入折射率匹配液1028’；壓塊1230壓緊在芯片排氣孔1206’的上部，壓塊1230上的抽氣管1214’可與任何一種微流量泵相連；和上述蚊式線陣光纖生物芯片一樣，也可以將N個(gè)線陣光纖-玻璃基板蚊式生物芯片1229并列而成組合模塊，吸管1204’可排列得與試劑盒1210’的位置一致，N的數(shù)目不限；5)線陣光纖/玻璃基板蚊式生物芯片的組合模塊和蚊式線陣光纖生物芯片的組合模塊一樣的原理，可將若干個(gè)線陣光纖/玻璃基板蚊式生物芯片1229拼裝成組合模塊；吸管1204’的排列方式應(yīng)與試劑槽1210’一致，一維或兩維排列均可；所述的光纖模塊1000、1010、1025、1100和1200的端面均鍍敷寬帶抗反射膜，光纖端面再經(jīng)過(guò)活化處理，一般為硅烷化處理，必要時(shí)最后再包被所需的生物(化學(xué))分子層。
本實(shí)用新型的光纖陣列生物芯片利用集成化的光纖作為生物探頭，涂在探頭上的生物和化學(xué)涂層可以作為薄膜反射干涉儀的感知基準(zhǔn)，其中至少一層是能吸附待測(cè)目標(biāo)生物(或化學(xué))分子的互補(bǔ)材料。當(dāng)待測(cè)分子吸附到互補(bǔ)材料表面或之中后，將改變反射干涉光的頻譜分布。這種譜線偏移即用來(lái)定量或定性地分析樣本分子的濃度、附著速率、以及幾何尺寸的變化。
四

圖1a、1b、1c和1d給出了傳統(tǒng)的夾層型、位移型、競(jìng)爭(zhēng)型光纖熒光生物傳感器。
圖2a是傳統(tǒng)的表面等離子體傳感器的切面示意圖。
圖2b是表面等離子體傳感器中入射光的入射角與反射光強(qiáng)之間的關(guān)系曲線。圖2c是光纖表面等離子體傳感器探頭的切面圖。
圖2d是利用光纖表面等離子體反應(yīng)生物探頭的系統(tǒng)框圖。圖2a到2d所示為傳統(tǒng)的裝置。
圖3是一種傳統(tǒng)的輸出光柵生物探頭的工作過(guò)程圖示。
圖4是傳統(tǒng)的微槽反射干涉儀。生物傳感器在第一時(shí)間t1和第二時(shí)間t2的反射波長(zhǎng)與光強(qiáng)的關(guān)系曲線。
圖5所示是傳統(tǒng)的微槽生物傳感器中所用的流動(dòng)槽的切面示意圖；其中 表示抗體(即目標(biāo)分子)， 表示抗體(即探針?lè)肿?。
圖6所示是傳統(tǒng)的微槽生物傳感器方法的系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)圖。
圖7a和7b所示是生物傳感器所用的生物探針的工作過(guò)程。
圖8所示是生物傳感器的基本實(shí)現(xiàn)方式。
圖9a和9b所示是此生物傳感器所用頻譜儀接受到的移動(dòng)的頻譜分析圖。
圖10a、10b和10c所示是三種光纖陣列生物芯片的基型。
圖11所示是多通道微流槽和線陣光纖生物芯片的組合。
圖12a、12b、12c和12d所示是蚊式光纖生物芯片及其組合模塊。
五具體實(shí)施方式
在詳細(xì)描述本實(shí)用新型的光纖陣列生物芯片之前，還需要對(duì)于其光纖探針生物傳感器作一描述。
基于白光反射干涉頻譜變化規(guī)律的光纖探針生物傳感器，它包括a)光源804；b)一個(gè)光纖生物探針700；c)用來(lái)檢測(cè)由反射光束形成的干涉光頻譜圖案的檢測(cè)器818、829；d)一個(gè)用于耦合光源和光纖探針，以及耦合光纖探針和檢測(cè)器的耦合器或連接器802；e)一個(gè)用來(lái)確定檢測(cè)器818二次檢測(cè)到的干涉光頻譜圖形的相位，并檢測(cè)由兩次圖形的相位移動(dòng)所確定的待測(cè)物質(zhì)的濃度的信號(hào)處理器；信號(hào)處理器包括微處理器830、程序存儲(chǔ)器832、RAM834，并按常規(guī)的方法連接；f)一個(gè)相位跟蹤器822；g)一個(gè)輸出裝置824；h)一個(gè)周期信號(hào)產(chǎn)生器820；i)光學(xué)耦合器808、812；j)光學(xué)波導(dǎo)806、828、816、814、810；光纖生物探針700是一根末端涂有試劑的光纖，包括一節(jié)光纖，其根部用于接收入射光束，其末端涂有一層或幾層材料和試劑，光纖生物探針至少要產(chǎn)生由入射光束所產(chǎn)生的反射光束，光纖生物探針700通過(guò)連接器802與光纖生物檢測(cè)儀的光學(xué)波導(dǎo)814相連；光源804是寬帶光源。它所發(fā)出的光束，射入諸如光纖這樣的光學(xué)波導(dǎo)，通過(guò)一個(gè)“Y”型光學(xué)耦合器808，用光學(xué)的方法連接一光學(xué)波導(dǎo)806與另一光學(xué)波導(dǎo)828，光學(xué)波導(dǎo)828連接檢測(cè)器829，所述檢測(cè)器829是頻譜儀，還包括一個(gè)一維電荷耦合器件(CCD)。檢測(cè)器829與周期信號(hào)產(chǎn)生器820相連；光學(xué)耦合器812還將光學(xué)波導(dǎo)814與另一個(gè)光學(xué)波導(dǎo)816相聯(lián)，光學(xué)波導(dǎo)816與檢測(cè)器818相聯(lián)，所述檢測(cè)器818也是頻譜儀，還包括一個(gè)一維電荷耦合器件(CCD)。檢測(cè)器818與周期信號(hào)產(chǎn)生器820相連；光學(xué)耦合器808還將光學(xué)波導(dǎo)806與另一個(gè)光學(xué)波導(dǎo)810光學(xué)耦合，光學(xué)耦合器812將光學(xué)波導(dǎo)810和另一個(gè)光學(xué)波導(dǎo)814光學(xué)耦合；光學(xué)波導(dǎo)814通過(guò)耦合器802與生物探針700相聯(lián)；相位跟蹤器822與周期信號(hào)產(chǎn)生器820、輸出裝置824、信號(hào)處理器互連；周期信號(hào)產(chǎn)生器820也與信號(hào)處理器互連；光源804、檢測(cè)器818、輸出裝置824均與信號(hào)處理器互連。
光學(xué)波導(dǎo)806、828、816、814、810是單模光纖，也可以使用多模光纖，光纖直徑可在6μm-600μm之間。
該光纖探針的制備包括以下步驟(a)將光纖探針末端浸入樣本溶液；(b)在光纖根部加上光源；(c)至少檢測(cè)兩束光，第一束光是由光纖末端表面與試劑層的界面反射回來(lái)的，第二束光是由試劑層和樣本溶液的界面反射回來(lái)的；(d)第一次檢查兩束光形成的干涉條紋；(e)第二次檢查兩束光形成的干涉條紋；(f)由干涉條紋是否發(fā)生移動(dòng)來(lái)確定樣本溶液中是否含有待測(cè)物質(zhì)。物質(zhì)的濃度可以由干涉條紋的移動(dòng)量和兩次檢查得到的條紋的不同來(lái)確定。
為了得到最佳結(jié)果，檢測(cè)的每一步都應(yīng)該包括以下步驟(a)將兩束光形成的干涉光束送入光譜儀；(b)根據(jù)頻譜圖的分布確定一個(gè)周期函數(shù)；(c)確定周期函數(shù)的相位。
為更好地實(shí)現(xiàn)該檢測(cè)儀，信號(hào)處理器要包括一個(gè)周期信號(hào)產(chǎn)生器、一個(gè)相位跟蹤器和一臺(tái)計(jì)算機(jī)。周期信號(hào)產(chǎn)生器用于產(chǎn)生兩個(gè)周期信號(hào)，第一個(gè)周期信號(hào)由檢測(cè)器第一次檢測(cè)到的干涉條紋得到，第二個(gè)周期信號(hào)由檢測(cè)器第二次檢測(cè)到的干涉條紋得到。相位跟蹤器用于確定第一個(gè)周期信號(hào)和第二個(gè)周期信號(hào)的相位，計(jì)算機(jī)用來(lái)確定相位差，并由相位差計(jì)算出樣本溶液中待測(cè)物質(zhì)的濃度。
該檢測(cè)儀還有另外一種實(shí)現(xiàn)形式，檢測(cè)儀包括一個(gè)與光源相聯(lián)的頻率調(diào)節(jié)器，用來(lái)調(diào)節(jié)光源所提供光束的頻率。這時(shí)，信號(hào)處理器要與頻率調(diào)節(jié)器同步。
在這里，還要說(shuō)明一種線陣/環(huán)形及面陣/環(huán)形光纖耦合系統(tǒng)，該耦合系統(tǒng)包括a)線陣/環(huán)形光纖轉(zhuǎn)換器；b)面陣/環(huán)形光纖轉(zhuǎn)換器；c)環(huán)形光纖耦合器；d)N1光纖耦合系統(tǒng)；線陣/環(huán)形光纖轉(zhuǎn)換器是將線陣光纖模塊1301轉(zhuǎn)換成環(huán)形分布的光纖模塊1302的器件；兩個(gè)光纖模塊全部固定封裝在殼體1304內(nèi)；該光纖轉(zhuǎn)換器的兩個(gè)端面均經(jīng)精密光學(xué)拋光，并鍍敷寬帶減反射膜；面陣/環(huán)形光纖轉(zhuǎn)換器是將面陣光纖模塊1305的光纖尾端編排成等間距的環(huán)形光纖模塊1306；兩個(gè)光纖模塊全部固定封裝在殼體1307內(nèi)。該光纖轉(zhuǎn)換器的兩個(gè)端面均經(jīng)精密光學(xué)拋光，并鍍敷寬帶減反射膜；環(huán)形光纖耦合器，由兩部份組成a)為了實(shí)現(xiàn)光纖1404作圓周運(yùn)動(dòng)的間歇轉(zhuǎn)動(dòng)裝置，既可采用閉環(huán)控制的步進(jìn)電機(jī)或伺服電機(jī)作為驅(qū)動(dòng)裝置；也可采用機(jī)械式的間歇轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)構(gòu)作為驅(qū)動(dòng)裝置，利用槽輪1501和驅(qū)動(dòng)輪1505組成的間歇轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)械是比較理想的方案之一；另外還可選用任何一種機(jī)械式的間歇傳動(dòng)機(jī)構(gòu)作為驅(qū)動(dòng)裝置；b)為了防止當(dāng)光纖1404作圓周運(yùn)動(dòng)時(shí)被纏繞，可按曲柄連桿機(jī)構(gòu)原理設(shè)計(jì)一種防纏繞裝置，它由套筒1406、定向桿1407、滑套1408及支座1409等構(gòu)件組成；根據(jù)這種原理，還可設(shè)計(jì)成其它形式的機(jī)構(gòu)。
以下結(jié)合附圖7a、7b、8、9a、9b、10a、10b、10c、11、12a、12b、12c及12d、13a、13b對(duì)本實(shí)用新型作進(jìn)一步的詳細(xì)描述。
圖7a和7b所示的是單通道光纖生物傳感器的原理圖。如圖7a所示，生物傳感器探針700包括一根光纖702和涂在光纖702末端的試劑704。試劑704可能是某種抗原，如免疫抗原。也可能是一種特殊的抗體、化學(xué)物質(zhì)、DNA片段、酶或蛋白質(zhì)。將一定濃度的試劑704在一定時(shí)間內(nèi)涂到光纖702的末端，確定光纖702的末端的確形成了一層試劑704，然后將該裝置清洗和包裝。有經(jīng)驗(yàn)的人還可以用其他方法在光纖702的末端涂上試劑704?？筛鶕?jù)不同的試劑決定不同的涂敷方法。入射光束710從光纖根部傳到光纖末端。在試劑層704和光纖702的交界面將會(huì)有第一束反射光712被反射回去，同時(shí)，入射光束710的一部分714會(huì)繼續(xù)通過(guò)試劑704。在試劑704的暴露的外表面708上，第二束反射光716被反射回去，而入射光束710的又一部分718將繼續(xù)射向與試劑層704相鄰的媒介。由入射光束710的一部分714所反射的反射光716的一部分760將通過(guò)光纖702傳到根部，反射光716的另一部分將在交界面706處反射回試劑層704(未畫(huà)出)。
下面將詳細(xì)討論，在光纖702的根部，反射光712和760得到檢測(cè)和分析。沿著光纖702的任一給定點(diǎn)，包括它的根部，反射光712和760會(huì)有一個(gè)相位差。根據(jù)這個(gè)相位差，可以檢測(cè)出試劑層704的厚度。
如圖7b所示，將探針700浸入樣本溶液734，檢測(cè)與抗原704互補(bǔ)的抗體736是否存在，以及樣本溶液734中抗體736的濃度。由于抗體736與抗原704的特性決定了它們之間會(huì)發(fā)生特別的反應(yīng)，抗體736會(huì)黏附在試劑層704上，從而在一定時(shí)間內(nèi)，在試劑層704上形成一個(gè)抗體層732。然而，非互補(bǔ)的抗體738就不會(huì)黏附在試劑層704上。對(duì)樣本溶液734來(lái)說(shuō)必須減少探針700與(除抗體外)其他物質(zhì)發(fā)生粘和的可能性。也就是說(shuō)，要使探針700上的試劑704減少與非互補(bǔ)抗體738之間發(fā)生黏附的可能性。
例如，一個(gè)有代表性的例子是，要被檢測(cè)的分子(如抗原和抗體)的尺寸應(yīng)該遠(yuǎn)小于入射光710的波長(zhǎng)。因此，從光學(xué)的角度來(lái)看，試劑層704和抗體層732可以看做一個(gè)單層。也就是說(shuō)，從光學(xué)角度講，圖7b所示的試劑層704和抗體層732的交界面730通常并不明顯。這樣，圖7b所示的試劑層704和抗體層732的組合層同圖7a中試劑層704具有相似性。不過(guò)，兩層的總厚度S2比單獨(dú)試劑層704的厚度大。因此，與圖7a中的探針700相似，當(dāng)入射光710進(jìn)入光纖702的末端時(shí)，在光纖702和組合層的界面706上，入射光710的一部分712被反射回去，同時(shí)，入射光710的另一部分720繼續(xù)通過(guò)組合層和樣本溶液734。720的一部分724被反射回去，而720的另一部分722繼續(xù)通過(guò)樣本溶液734。對(duì)反射光724來(lái)說(shuō)，它的一部分726返回到光纖702中，而另一部分(未畫(huà)出)被界面706反射到組合層中。
沿著光纖702的任一給定點(diǎn)，包括它的根部，反射回來(lái)的光束712和726會(huì)呈現(xiàn)出一個(gè)相位差。根據(jù)這個(gè)相位差，組合層的厚度S2可以檢測(cè)出來(lái)。
通過(guò)比較組合層的厚度S2和試劑層704的厚度S1，就可以確定抗體層704的厚度。根據(jù)這個(gè)厚度，互補(bǔ)抗體736在樣本溶液734中是否存在就可以確定。更進(jìn)一步，組合層的厚度S2可以在離散時(shí)間點(diǎn)上抽樣。用這種方法，組合層的厚度S2和試劑層704的厚度S1之間的厚度差增加的速率(例如，抗體層732的厚度增加速率)就可以測(cè)出。根據(jù)這個(gè)速率，在很短的一段培養(yǎng)期內(nèi)就可以測(cè)出互補(bǔ)抗體736在樣本溶液734中的濃度。
圖8描述的是進(jìn)一步改進(jìn)的應(yīng)用上述生物探針700的生物傳感器的實(shí)現(xiàn)方法。再重復(fù)一遍，包括光纖702以及涂在光纖702末端的試劑層704在內(nèi)的生物探針700，要浸入樣本溶液734中，從圖中被放大的部分可以看出，光纖外殼包裹著光纖芯直到光纖芯的末端。更特別的是，光纖外殼從頭到尾包裹著光纖芯，樣本溶液盛在試管780里，光纖探針700通過(guò)連接器802與生物傳感器光學(xué)分析儀800相聯(lián)。
生物傳感器光學(xué)分析儀800包括光源804、頻譜儀818、周期信號(hào)產(chǎn)生器820，相位跟蹤器822、以及輸出裝置824。生物傳感器光學(xué)分析儀800可以用許多方法實(shí)現(xiàn)。例如，(1)通過(guò)外部計(jì)算機(jī)或計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)826的命令；(2)通過(guò)微處理器830的命令，該微處理器執(zhí)行程序存儲(chǔ)器832發(fā)出的指令，這套裝置還包括RAM834；(3)或通過(guò)專(zhuān)用集成電路(ASIC)830發(fā)出的命令。
光源804是寬頻光源，如發(fā)光二極管。光源804也可以是鎢鹵素?zé)?。光?04發(fā)出的光束，射入諸如光纖這樣的光學(xué)波導(dǎo)，也可以加一個(gè)光學(xué)耦合器808，用光學(xué)的方法連接光學(xué)波導(dǎo)806與另一光學(xué)波導(dǎo)828，光學(xué)波導(dǎo)828連接一個(gè)可選擇的頻譜儀829。頻譜儀829最好包括一個(gè)一維電荷耦合器件(CCD)，如1*1024 CCD，并與一個(gè)周期信號(hào)發(fā)生器820相連接。
光學(xué)耦合器808還將光學(xué)波導(dǎo)806與另一個(gè)光學(xué)波導(dǎo)810光學(xué)耦合。光學(xué)耦合器812將光學(xué)波導(dǎo)810和另一個(gè)光學(xué)波導(dǎo)814光學(xué)耦合。光學(xué)波導(dǎo)814通過(guò)耦合器802與生物探針700相聯(lián)。
光學(xué)耦合器812還將光學(xué)波導(dǎo)814與另一個(gè)光學(xué)波導(dǎo)816相聯(lián)。光學(xué)波導(dǎo)816與頻譜儀818相聯(lián)。同頻譜儀829一樣，頻譜儀818最好包括一個(gè)一維CCD，如1*1024 CCD，并與周期信號(hào)發(fā)生器相聯(lián)。
光源804發(fā)出的光，通過(guò)光學(xué)波導(dǎo)806、光學(xué)耦合器808、光學(xué)波導(dǎo)810、光學(xué)耦合器812、光學(xué)波導(dǎo)814和光學(xué)耦合器802被生物探針700接收到。從上面對(duì)圖7b的討論中知道，兩束反射回來(lái)的光束712和726通過(guò)生物探針后返回，并通過(guò)耦合器802、光學(xué)波導(dǎo)814和光學(xué)波導(dǎo)816后被頻譜儀818接收到。如上所述，由于組合層具有厚度S2，反射光束712和726會(huì)有微弱的移相現(xiàn)象。因此，根據(jù)菲涅爾理論，反射光束712和726會(huì)在頻譜儀818上形成衍射圖。隨著組合層厚度S2的增加，衍射圖會(huì)發(fā)生移動(dòng)。
當(dāng)頻譜儀818記錄下CCD的像素之后，周期信號(hào)發(fā)生器820就會(huì)產(chǎn)生一個(gè)周期信號(hào)波形。由衍射圖決定的周期信號(hào)波形(如正弦波)的相位能被相位跟蹤器822檢測(cè)出來(lái)。通過(guò)比較正弦波的相位，該相位在不同時(shí)間頻譜儀采樣得到的衍射圖決定，組合層厚度S2的增加的速率就可以檢測(cè)出來(lái)。得到相位數(shù)據(jù)之后或同時(shí)，可以確定S2增加的速率。
回到圖7a，在生物探針700被浸入樣本溶液734之前，由試劑層704的厚度S1，也可以得到反射光束712和760形成的一個(gè)衍射圖。圖9所示為頻譜儀820上一維CCD器件所顯示的衍射圖的一部分(即在生物探針被浸入樣本溶液734之前)。圖9b所示為頻譜儀820上一維CCD器件所顯示的衍射圖的一部分。比較圖9a和圖9b所示圖形，會(huì)發(fā)現(xiàn)衍射圖發(fā)生了移動(dòng)。根據(jù)移動(dòng)量，可以確定樣本溶液734中與抗原704互補(bǔ)的抗體736是否存在。生物探針700浸入樣本溶液734之后，通過(guò)不同時(shí)間頻譜儀對(duì)一維CCD的取樣結(jié)果，可以測(cè)出圖形移動(dòng)變化的速率，并由此確定在樣本溶液734中互補(bǔ)抗體736的濃度。
在如圖8所示的實(shí)現(xiàn)方式里，光學(xué)波導(dǎo)806、810、814、816和828可以是單模光纖，如通信級(jí)單模光纖。也可以使用多模光纖，比如梯度光纖。光纖直徑最少3μm，一般為100-600μm。
光學(xué)耦合器808和812最好是“Y”型光纖，也可以是“X”型光學(xué)耦合器。不過(guò)，若使用第二種光學(xué)耦合器，就要提供膠化匹配指數(shù)，用于去掉開(kāi)放末端的反射噪聲。
與光源804耦合的頻譜儀829，只在光源804的激光二極管的頻譜不穩(wěn)定時(shí)才需要。特殊情況是，要區(qū)別由生物探針700的末端厚度變化導(dǎo)致的相移與光源頻率移動(dòng)帶來(lái)的相移時(shí)，要用到頻譜儀829。然而，如果光源804的激光二極管的頻譜非常穩(wěn)定，光源804以及光學(xué)耦合器808和光學(xué)波導(dǎo)828就不再需要了。
圖10a所示是線陣光纖生物芯片基型示意圖。光纖模塊1000由等間距排列的光纖1001和密封器1002組成，光纖1001兩個(gè)端面1003和1004分別鍍敷不同的介質(zhì)膜，以期達(dá)到最佳的光學(xué)傳輸和光學(xué)相干性能。光纖端面1004再經(jīng)過(guò)特殊的活化處理，使其與生物(化學(xué))分子具有盡量強(qiáng)的結(jié)合性能，然后包被所需的生物(化學(xué))分子層。這種處理過(guò)程以下簡(jiǎn)稱(chēng)“B類(lèi)預(yù)處理”。最后將上述兩個(gè)線陣光纖模塊1000a和1000b對(duì)稱(chēng)地放置于芯片體1008內(nèi)。兩個(gè)對(duì)稱(chēng)放置的兩組線陣光纖端面1004a和1004b保持微小的距離，形成一條流體的微流槽1005。入口1006和出口1007分別和微流槽1005相通。定位倒角1009可保證芯片的正確工作方位。當(dāng)試劑從入口1006注入，流入微流槽1005，與所有光纖端面1004發(fā)生反應(yīng)，然后流到出口1007。為了驅(qū)動(dòng)液體流動(dòng)，可采用任何一種可控的微流量泵與出口1007連接，憑借負(fù)壓吸取或加壓壓回試劑。
圖10b所示是面陣光纖生物芯片基型示意圖，光纖1011封裝于密封器1012中組成光纖模塊1010，光纖模塊1010垂直鑲嵌于芯片體1019的底部。光纖模塊的兩個(gè)端面1013和1020分別鍍敷不同的介質(zhì)膜，以期達(dá)到最佳的光學(xué)傳輸和光學(xué)相干性能，然后端面1013再經(jīng)過(guò)特殊的活化處理，使其與生物(化學(xué))分子具有盡量強(qiáng)的結(jié)合性能，這種處理過(guò)程以下簡(jiǎn)稱(chēng)“A類(lèi)預(yù)處理”；也可繼續(xù)包被所需的生物(化學(xué))分子層，即“B類(lèi)預(yù)處理”。光纖端面1013前面是水平微流槽1015，其兩側(cè)分別和分配溝1014及1016相通，分配溝1014和1016的頂部分別是入口1017和出口1018。定位槽1021可保證芯片的正確工作方位。試劑從入口1017注入，通過(guò)分配溝1014進(jìn)入水平微流槽1015，與所有光纖端面1013發(fā)生反應(yīng)，然后通過(guò)分配溝1016而進(jìn)入垂直出口1018。為了驅(qū)動(dòng)液體流動(dòng)，可采用任何一種可控的微流量泵與出口1018連接，憑借負(fù)壓吸取或加壓壓回試劑。
圖10c所示是面陣光纖-玻璃基板生物芯片的組合基型。在玻璃基板1022上面進(jìn)行B類(lèi)預(yù)處理，形成點(diǎn)陣分布的生物(化學(xué))分子層1023，以此代替圖10b所示芯片的光纖模塊表面1013。在玻璃基板1022的下面與光纖模塊1025相連，兩者間注入折射率匹配液1028。微流槽體1024壓緊于玻璃基板的上部，從而組成與圖10b所示芯片的類(lèi)似結(jié)構(gòu)。試劑從入口1017’注入后流經(jīng)玻璃基板表面，與生物(化學(xué))分子點(diǎn)陣1023發(fā)生反應(yīng)，其反應(yīng)過(guò)程的信號(hào)透過(guò)玻璃基板1022耦合到光纖模塊1025，該模塊中的所有光纖1026應(yīng)與生物(化學(xué))分子點(diǎn)陣1023一一對(duì)準(zhǔn)，于是信號(hào)便可傳輸?shù)綑z測(cè)儀。上述光纖模塊1025可直接采用圖13a的線陣/環(huán)形光纖轉(zhuǎn)換器或圖13b的面陣/環(huán)形光纖轉(zhuǎn)換器。
圖11是多通道微流槽和線陣光纖生物芯片的組合。光纖1101等距離地封裝于密封器1102中組成光纖模塊1100，光纖的兩端面1110和1111進(jìn)行A類(lèi)預(yù)處理。多通道微流槽體1103緊壓在光纖模塊1100上，光纖端面1110和多通道微流槽體1103組成微流槽1104。各種試劑分別注入各入口1105，然后進(jìn)入與其相通的微流槽1104，流經(jīng)相應(yīng)的光纖端面1110，各種試劑中的生物(化學(xué))分子便分別包被于光纖端面1110，試劑最后流到出口1106。壓板1107向下壓緊于多通道微流槽體1103和光纖模塊1100上，壓板1107的下面有一個(gè)空腔1108，該空腔位于所有出口1106之上，空腔上方有一根抽氣管1109，它與任何一種可控的微流量泵相連，在工作時(shí)使空腔1108形成負(fù)壓或正壓，從而使試劑在微流槽1104內(nèi)作單向或往返流動(dòng)。提升壓板1107和微流槽1103，便可取出包被完成的光纖模塊1100。這種光纖模塊可用于單一樣本的多指標(biāo)檢驗(yàn)場(chǎng)合。
圖12a所示是蚊式線陣光纖芯片。將已經(jīng)完成B類(lèi)預(yù)處理的光纖模塊1200鑲裝于芯片體1203中。壓塊1209壓緊在芯片體1203上，抽氣管1208緊鑲于壓塊1209中，其位置正好對(duì)準(zhǔn)排氣孔1206，抽氣管1208和任何一種可控式微流量泵連接，當(dāng)微流量泵吸氣時(shí)，芯片體1203內(nèi)形成負(fù)壓，此時(shí)，鑲裝于芯片體1203的吸管1204插入試劑槽1210的樣本溶液1211中，樣本便被吸入而流經(jīng)微流槽1205，最后流入廢液室1207。在此過(guò)程中，各光纖端面1202分別與樣本進(jìn)行生物(化學(xué))反應(yīng)，實(shí)現(xiàn)單一樣本的多指標(biāo)檢驗(yàn)。各光纖端面1201可與相應(yīng)的光纖陣列轉(zhuǎn)換器耦合。
圖12b所示是蚊式線陣光纖生物芯片的組合模塊。若干個(gè)蚊式線陣光纖芯片1203’并列地與壓塊1212組合，便可形成兩維面陣芯片，吸管1204’的排列方式應(yīng)與試劑槽1210’一致，一維或兩維排列均可，所有吸管1204可同時(shí)伸入相應(yīng)的試劑槽1210內(nèi)，進(jìn)行多樣本的多指標(biāo)檢驗(yàn)。
圖12c所示是蚊式線陣光纖生物芯片組合模塊的統(tǒng)一抽氣裝置。壓塊1215緊壓于由若干個(gè)芯片1203’組成的模塊上，壓塊1215下面的凹槽1213對(duì)準(zhǔn)全部芯片的出氣孔1206’，在凹槽上方是抽氣管1214，它與任何一種可控式微流量泵連接，統(tǒng)一對(duì)所有芯片抽氣。當(dāng)組合模塊的芯片數(shù)目較多時(shí)，采用這種統(tǒng)一抽氣裝置，可簡(jiǎn)化抽氣系統(tǒng)。
圖12d所示是線陣光纖-玻璃基板蚊式生物芯片。玻璃基板1022’上面按B類(lèi)預(yù)處理法制作點(diǎn)陣分布的生物(化學(xué))分子層1023’后，鑲裝于芯片體1229上，光纖模塊1027’放在玻璃基板的背面，其間注入折射率匹配液1028’，光纖陣列1026’必須與干涉層點(diǎn)陣1023’一一對(duì)準(zhǔn)。壓塊1230壓緊在芯片排氣孔1206’的上部。當(dāng)抽氣時(shí)，試劑流經(jīng)生物(化學(xué))分子層1023’，并與其發(fā)生反應(yīng)，信號(hào)通過(guò)玻璃基板背面的光纖模塊1025’中的光纖陣列1026’與測(cè)試儀器相連。
此外，還可采取和蚊式線陣光纖芯片組合模塊一樣的原理，把若干個(gè)線陣光纖-玻璃基板蚊式生物芯片拼裝成組合模塊。
綜上所述，本發(fā)明所提出的基于白光反射干涉頻譜變化規(guī)律的光纖生物芯片，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積微小、成本低廉、靈敏度高、線性度大、不用標(biāo)記或指示劑以及僅需微量樣本量等優(yōu)點(diǎn)。并可以做成多種形式的光纖生物芯片，在一次操作過(guò)程中就可實(shí)現(xiàn)單樣本的多指標(biāo)或多樣本的多指標(biāo)檢驗(yàn)。
權(quán)利要求1.一種基于白光反射干涉頻譜變化規(guī)律的光纖生物芯片，包括線陣光纖生物芯片；面陣光纖生物芯片；面陣光纖/玻璃基板生物芯片；其特征在于所述線陣光纖生物芯片是一個(gè)或若干個(gè)線陣光纖模塊[1000]封裝在芯片體[1008]內(nèi)；所述的線陣光纖模塊[1000]是按線陣排列的光纖[1001]封裝在密封器[1002]內(nèi)；所述面陣光纖生物芯片是一個(gè)面陣光纖模塊[1010]封裝在芯片體[1019]內(nèi)；所述的面陣光纖模塊是按面陣排列的光纖[1011]封裝在密封器[1012]內(nèi)；所述面陣光纖-玻璃基板生物芯片是在玻璃基板[1022]表面包被所需的生物或化學(xué)分子層[1023]，它呈點(diǎn)陣分布；玻璃基板[1022]和微流槽體[1024]封裝成一體；光纖模塊[1025]或光纖轉(zhuǎn)換器[1300]、[1304]安置在玻璃基板[1022]的背面，它們之間注入折射率匹配液[1028]，光纖模塊[1025]或光纖轉(zhuǎn)換器[1300]、[1304]的所有光纖[1026]、[1301]或[1305]均與生物或化學(xué)分子層點(diǎn)陣[1023]一一對(duì)準(zhǔn)。
2.如權(quán)利要求1所述的基于白光反射干涉頻譜變化規(guī)律的光纖生物芯片，其特征在于，所述光纖生物芯片以及與之配合的微流槽的結(jié)構(gòu)形式有三種基型1)線陣光纖生物芯片的基型；線陣光纖生物芯片的基型為光纖[1001]封裝于密封器[1002]中組成光纖模塊[1000]，兩個(gè)光纖模塊[1000a]和[1000b]相對(duì)平放，形成一個(gè)微流槽[1005]，微流槽1005的兩側(cè)與入口[1006]及出口[1007]相通，出口[1007]可與任何一種微流量泵連接；2)面陣光纖生物芯片的基型；面陣光纖生物芯片的基型為光纖[1011]封裝于密封器[1012]中組成光纖模塊[1010]，光纖[1011]即可按線陣也可按面陣排列，光纖模塊[1010]垂直鑲嵌于芯片體[1019]的底部，光纖端面[1013]前面是水平微流槽[1015]，在其兩側(cè)分另和分配溝[1014]及[1016]相通，分配溝[1014]和[1016]的頂部分別是入口[1017]和出口[1018]；出口[1018]可與任何一種微流量泵連接；3)面陣光纖/玻璃基板生物芯片的組合基型；面陣光纖/玻璃基板生物芯片的組合基型為在玻璃基板[1022]上制作按點(diǎn)陣分布的生物或化學(xué)分子層[1023]，以此代替上述芯片的光纖模塊表面[1013]；微流槽體[1024]壓緊于玻璃基板[1022]上已經(jīng)制備生物或化學(xué)分子層的一面，在玻璃基板[1022]的另外一面與光纖模塊[1025]相連，兩者間注入折射率匹配液[1028]；所述光纖芯片以及與之配合的微流槽的結(jié)構(gòu)形式，在上述三種基型的基礎(chǔ)上，還可發(fā)展出若干種其它的實(shí)用化芯片結(jié)構(gòu)。
3.如權(quán)利要求2所述的基于白光反射干涉頻譜變化規(guī)律的光纖生物芯片，其特征在于，所述其它的實(shí)用化芯片結(jié)構(gòu)是1)多通道微流槽和線陣光纖生物芯片的組合光纖[1101]等距離地封裝于密封器[1102]中組成光纖模塊[1100]，在它的上面是多通道微流槽體[1103]，在其兩端分別與入口[1105]及出口[1106]相連；壓板[1107]向下將微流槽體[1103]壓緊于芯片[1100]上，壓板[1107]的下面有一個(gè)空腔[1108]，該空腔位于所有出口[1106]之上，空腔上方有一根抽氣管[1109]，它可與任何一種微流量泵相連；2)蚊式線陣光纖生物芯片線陣光纖模塊[1200]封裝于芯片體[1203]內(nèi)，已經(jīng)制作生物(化學(xué))分子層的光纖端面[1202]面向微流槽[1205]；微流槽的一端與廢液室[1207]及出口[1206]相連，另一端與吸管[1204]相連，吸管[1204]的排列方式應(yīng)與試劑槽[1210]一致，一維或兩維排列均可；壓塊[1209]壓緊在芯片體[1203]上，抽氣管[1208]緊鑲于壓塊[1209]中，抽氣管[1208]可和任何一種微流量泵連接；3)蚊式線陣光纖生物芯片的組合模塊若干個(gè)蚊式線陣光纖芯片[1203’]并列地與壓塊[1212]組合，便可形成兩維面陣芯片，吸管[1204’]的排列方式應(yīng)與試劑槽[1210’]一致，一維或兩維排列均可；另外，也可在壓塊[1215]下面開(kāi)設(shè)一個(gè)氣槽[1213]，在氣槽中央位置的上方設(shè)置一根排氣管[1214]，可與任何一種微流量泵連接，對(duì)所有芯片統(tǒng)一排氣；4)線陣光纖/玻璃基板蚊式生物芯片玻璃基板[1022’]上面先預(yù)制好點(diǎn)陣式生物(化學(xué))分子層[1023’]，再鑲裝于芯片體[1229]上，光纖模塊[1027’]放在玻璃基板[1022’]的背面，其間注入折射率匹配液[1028’]；壓塊[1230]壓緊在芯片排氣孔[1206’]的上部，壓塊[1230]上的抽氣管[1214’]可與任何一種微流量泵相連；和上述蚊式線陣光纖生物芯片一樣，也可以將N個(gè)線陣光纖-玻璃基板蚊式生物芯片[1229]并列而成組合模塊，吸管[1204’]可排列得與試劑盒[1210’]的位置一致，N的數(shù)目不限；5)線陣光纖/玻璃基板蚊式生物芯片的組合模塊和蚊式線陣光纖生物芯片的組合模塊一樣的原理，可將若干個(gè)線陣光纖/玻璃基板蚊式生物芯片[1229]拼裝成組合模塊；吸管[1204’]的排列方式應(yīng)與試劑槽[1210’]一致，一維或兩維排列均可。
4.如權(quán)利要求1或2所述的基于白光反射干涉頻譜變化規(guī)律的光纖生物芯片，其特征在于，所述的光纖模塊[1000]、[1010]、[1025]的端面均鍍敷寬帶抗反射膜；或在寬帶抗反射膜上再包被生物或化學(xué)分子層。
5.如權(quán)利要求3所述的基于白光反射干涉頻譜變化規(guī)律的光纖生物芯片，其特征在于，所述的光纖模塊[1100]和[1200]的端面均鍍敷寬帶抗反射膜；或在寬帶抗反射膜上再包被生物或化學(xué)分子層。
專(zhuān)利摘要本實(shí)用新型公開(kāi)了用于檢測(cè)某種特殊生物(或化學(xué))物質(zhì)的存在和變化的一種應(yīng)用白光反射干涉頻譜變化規(guī)律的光纖陣列生物芯片。該芯片利用光纖作為生物傳感器，光纖的端部首先涂有一層或多層與光纖和待測(cè)物質(zhì)不同的材料，可以作為薄膜反射干涉儀的感知基準(zhǔn)，其中至少一層是能吸附待測(cè)目標(biāo)生物(或化學(xué))分子的互補(bǔ)材料。當(dāng)待測(cè)分子吸附到互補(bǔ)材料表面或之中后，將改變反射干涉光的頻譜分布。這種譜線偏移即用來(lái)定量或定性地分析樣本分子的濃度、附著速率、以及幾何尺寸的變化。將很多光纖按線陣或面陣排列做成生物芯片，并配以N:1的光纖耦合器，便可用一臺(tái)檢測(cè)儀實(shí)現(xiàn)生化物質(zhì)的單試劑多指標(biāo)或多試劑多指標(biāo)的并行檢驗(yàn)。
文檔編號(hào)G01N21/77GK2662247SQ0321880
公開(kāi)日2004年12月8日 申請(qǐng)日期2003年4月25日 優(yōu)先權(quán)日2003年4月25日
發(fā)明者譚玉山, 譚洪, 陳端軍 申請(qǐng)人:譚玉山, 譚洪, 陳端軍