專利名稱：微納米熒光光纖生物傳感檢測系統(tǒng)的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種微納米熒光光纖生物傳感檢測系統(tǒng)及其實現的技術路線，該 系統(tǒng)屬于自動化檢測儀器，屬于環(huán)境監(jiān)測、生物醫(yī)學和臨床檢驗設備制造領域。
技術背景生物傳感器是一種利用某些生物活性物質所具有的選擇識別待測生物化學物 質的能力而制成的傳感器，是一種在分子水平上認識人體化學信息的新型傳感 器。本發(fā)明所描述的光纖生物傳感檢測系統(tǒng)是將光學檢驗系統(tǒng)同生物學檢測系 統(tǒng)相結合組成的，是最近才發(fā)展起來的領域。目前，國內外都對光纖生物傳感器進行了大量的研究和開發(fā)，相關的報道也比較多，例如，Kopdman在1992年最早構建并使用了基于熒光法的光纖納米傳 感器，用于檢測微環(huán)境中的pH值。該納米傳感器響應時間為300 ms，比傳統(tǒng)的 光纖傳感器響應時間縮短1%以上，pH濃度檢測下限低于傳統(tǒng)傳感器六個數量 級。這些特性使之適宜于對單個細胞和亞細胞結構的檢測。K叩dman等已將其 用于小鼠胚胎細胞pH值的檢測，這是最早報道用于檢測生物樣本的納米傳感器 [Tan W H， Shi Z Y， Smith S， et al. Submicrometer intracellular chemical optical fiber sensors[J]. Science, 1992, 258: 778-781]。 Dinh等人成功地研制出一種用于檢測 BPT(Benzo[a] pyrene tetrol，是一種與暴露于致癌物質苯并a芘相關的DNA損傷的 生物標志物)的光纖納米免疫傳感器，傳感器頭部的生物探針上結合了特異性單 克隆抗體，通過抗原抗體特異性結合，能夠檢測單個細胞內的生物化學物質。 該傳感器的最低檢出限是10-21 mol [Dinh T V， Alarie J P， Cullum B M， et al. Antibody-basednanoqrobe for measurement of a fluorescent analyte in a single cell[J].NatBiotechnol, 2000， 18: 764-767.]。國內在光纖生物傳感器的研究上也投入了不 少，有很多單位進行了相關的研究并取得了一定的成果。例如，武漢理工大學 生物材料與工程研究中心閆玉華等以熒光猝滅原理為基礎，以釕II鄰菲咯啉為 熒光試劑制備熒光薄膜，以醋酸纖維素為膽固醇氧化酶固定化載體，研制了膽 固醇光纖生物傳感器，利用相移法原理，采用鎖相放大技術，實現了對膽固醇 溶液中溶解氧和膽固醇含量的檢測。該傳感器具有較高的靈敏度，快的響應時 間和較好的穩(wěn)定性[閆玉華，徐運華等，基于熒光猝滅原理的膽固醇光纖生物傳 感器的研制，中國生物醫(yī)學工程學報，23 (1) 2004年2月44-47]。中國科學院 上海光學精密機械研究所和軍事醫(yī)學科學院微生物流行病研究所的翟俊輝和黃 惠杰等人使用直徑lmm的石英光纖和635nm激光二極管，利用倏逝波原理制作 了光纖生物傳感器，'實現了對細菌核酸分子的特異性和相對快速檢測，其對特 定核酸分子的檢測可達到納克級水平[翟俊輝，黃惠杰等，光纖生物傳感器用于 核酸的特異性檢測，分析化學研究學報，31 (1) 2003年1月34-37]。
利用光纖傳感和現代光學檢測設備對人體和其他復雜微環(huán)境進行實時檢測和 檢測是一種具有重大實用價值的創(chuàng)新思路。光學傳感在環(huán)境和醫(yī)學中的應用已 十分廣泛，主要有蔬菜殘余農藥檢測儀器、人體血糖檢測儀器以及軍事上的化 學毒氣檢測儀器等。
綜上所述，現有技術存在以下不足
1. 傳感光纖與后端檢測處理系統(tǒng)的連接固定，檢測內容單一，操作不靈活；
2. 整個檢測系統(tǒng)采用分離光學元件作為光路，儀器可靠牲和便攜性受到極 大限制。
發(fā)明內容
本發(fā)明的目的在于針對現有技術的不足而為環(huán)境檢測和臨床檢驗領域提供一種應用范圍更為寬廣和靈活、可靠性和便攜性更好的光纖生物傳感檢測系統(tǒng) 及其實現的技術路線，其特點是采用光纖作為生物傳感信號的傳輸體，后端的 檢測系統(tǒng)包括光傳入系統(tǒng)、光傳出系統(tǒng)、光電轉換模塊、信號調理模塊及計算 機軟件數據采集和處理模塊。在所述的光傳入系統(tǒng)和傳出系統(tǒng)所組成的光路單元中光源(不同波長的激 光器)與單色儀和傳感光纖連成一體，形成光傳入系統(tǒng)。在這個系統(tǒng)中，激光 器所發(fā)出的光通過單色儀的選擇性通過作用后，所需的特定波長的光通過單色 儀的輸出口導入傳感光纖中。光傳出系統(tǒng)由傳感光纖和單色儀組成，傳感光信 號由光纖導出后經單色儀濾除雜波長光信號，信號光由單色儀輸出口導出至后 端的光電轉換模塊和電路處理模塊。所述的光電轉換模塊和電路處理模塊組成所發(fā)明檢測系統(tǒng)的電路單元，光電 轉換模±>采用成熟的商用模塊，電路處理模塊是由AT89S51單片機和高精度的 16位A/D轉換芯片為核心，下位機AT89S51單片機采用串口通信的方式與上位 PC機進行數據通信。上位PC機主要完成數據的自動采集和處理及顯示和存儲等功能，這個部分 為所發(fā)明檢測系統(tǒng)的軟件單元。該軟件單元用美國國家儀器公司的虛擬儀器編 程語言LabVIEW編寫，主要的功能模塊有與下位機的通信和數據采集模塊、 數據處理模塊、數據顯示模塊以及數據存儲模塊。上述的光路單元、電路單元和軟件單元形成一個完整的檢測系統(tǒng)，在計算機 的控制下完成對傳感光纖的光信號進行智能化地檢測。微納米光纖生物傳感器集合了生物傳感器和光氣傳感器的特點，具有較強 的選擇性和很高的靈敏度，而且在分析過程中可省去對測試物分離提純等煩瑣 工作。同其他生物傳感器相比，光纖生物傳感器結合了光纖傳感的特點，具體體現在
① 不需要參考電極，探頭可小型化，操作方便；
② 可實現遙測，并能進行實時、在線和動態(tài)檢測，響應速度快，靈敏度高。 本發(fā)明實現的微納米光纖生物傳感器應用廣泛，主要應用于檢測生物樣品
中的酸堿度，食品和水果中的霉爛變質情況，以及環(huán)境檢測中的化學成分及酸 堿性，在臨床和醫(yī)藥上主要用于檢測細胞的損傷和癌癥組織的酸堿性變化特性。 對傳感器的敏感部分稍加改進，即可用來對各種癌癥和艾滋病等疾病進行早期 的診斷，還可以用來檢測DNA的損傷。
圖1本發(fā)明實施例1的表征結果，系統(tǒng)的基本組成原理圖(A:光學系統(tǒng)；B: 傳感光纖；C:電路系統(tǒng)；D:上位PC)
圖2本發(fā)明實施例2的表征結果，系統(tǒng)實施例原理圖(A:樣品池與熒光光 纖傳感器；B:光路系統(tǒng)；C:信號檢測與處理系統(tǒng))
具體實施例方式
下面通過實施對本發(fā)明進行具體的描述，有必要在此指出的是本實施例只用 于對本發(fā)明進行進一步說明，而不能理解為對本發(fā)明保護范圍的限制，該領域 的技術熟練人員可以根據上述發(fā)明的內容做出一些非本質的改進和調整。
下面結合附圖對本發(fā)明的組成作更詳細的描述。
設計一個以單色儀和傳感光纖為核心的光路單元，該單元與所述電路處理單 元和軟件單元有機結合，構成一體化的自動化熒光光纖生物傳感檢測系統(tǒng)。該 檢測系統(tǒng)的流程為光纖探頭一光信號采集一光電轉換一微弱信號調理一A/D轉
換一單片機控制電路一PC。從中可看出，該系統(tǒng)將傳感光纖所采集的光信號通
過光信號采集單元進行處理，得到單波長的傳感光信號，這個光信號在強度上與被檢測的物質存在確定的量化關系。由光路單元出來的在強度上與被檢測的 物質存在確定的量化關系的單一波長光信號進入光電轉換模塊，光電轉換模塊 將所述脈動光信號轉換成為脈動的電壓信號，該電壓信號經過調理模塊的處理后，成為符合后端A/D轉換芯片所需要的2-3v的電壓信號。隨后，這個電壓信 號進入高精度的16位A/D轉換芯片，轉換成計算機能處理的數字信號，這些數 字信號在下位機AT89S51單片機的控制下，按照一定的時序通過串行總線傳送 至上位PC機。然后通過PC機中的軟件程序對這些數據進行處理、顯示和存儲， 從而實現對人體或其他復雜微環(huán)境中的感興趣物質進行實時的檢測。圖1中可以看到本系統(tǒng)的主要組成，主要由傳感光纖子系統(tǒng)、光路子系統(tǒng)、 電路子系統(tǒng)和軟件子系統(tǒng)等四個子系統(tǒng)構成，圖中1、傳感光纖頭部關鍵傳感 部位；2、光源(氘燈)；3、 l號單色儀；4、 2號單色儀；5、光電轉換模塊；6、 電路調理模塊；7、通信和控制模塊。由光源2和1號單色儀3構成光傳入系統(tǒng)， 得到傳感光纖所需的特定波長的單色光；由2號單色儀4和光電轉換模塊5構 成光傳出系統(tǒng)，其完成的功能是把與被檢測的物質存在確定的量化關系的光信 號傳出并將其轉換為電信號；在由電路調理模塊6和通信控制模塊7所組成的 下位機子系統(tǒng)的控制下，完成模擬信號到數字信號的高保真轉換，并以串口通 信的方式將數據實時地送至上位機PC;位于上位機PC上的虛擬儀器軟件模塊 完成對數據的處理、顯示和存儲等功能。在圖2實施例中，熒光生物傳感器是將生物傳感器插入到待測的物質當中， 啟動傳感器的光源，使和光纖頭部相接觸的生物組織產生熒光，然后用接收傳 感器接觸發(fā)熒光的生物組織，將所發(fā)出的熒光接收到探測器中，進行檢測，檢 測到的信號進入數據釆集系統(tǒng)中進行數字處理，以電壓、電流的形式從計算機 中顯示出來，通過輸出電壓、電流的值與被測物質的特性(如pH值的大小)之間的關系，便可以從所測的電流或電壓值得出被測物的特征參數(如pH值)的 大小。
權利要求
1.一種微納米熒光光纖生物傳感檢測系統(tǒng)，其特征在于采用光纖作為傳感光信號的傳輸體，光路傳入系統(tǒng)和傳出系統(tǒng)均采用單色儀，該光路結合光電轉換模塊和信號調理模塊并由計算機軟件實現數據的自動采集和處理等，構成一體化的熒光光纖生物傳感檢測系統(tǒng)。
2. 如權利要求1所述之微納米熒光光纖生物傳感檢測系統(tǒng)，其特征在于在 所述的光路傳輸模塊中，傳輸光纖的尺寸為微納米級(10.6-10-9m)，整個光路中 包括兩個單色儀模塊，其中一個在光傳入通路中，實現光源發(fā)出的白光中特定 波長的光傳入到傳感光纖中；另一個在光傳出通路中，實現特定激發(fā)波長信號 光的傳出。后端的光電轉換模塊采用成熟的商用模塊完成相關功能。
3.如權利要求1所述之微納米熒光光纖生物傳感檢測系統(tǒng)，其特征在于 在前面所述的信號調理和模數轉換模塊中，使用AT89S51單片機和高精度的16 位A/D轉換芯片，實現信號的高保真數字化。上位機的數據采集和處理軟件模 塊由虛擬儀器編程語言LabVIEW編寫完成，其實現的功能包括數據的自動采集、 數據的存儲和處理結果的顯示。上述的下位機AT89S51單片機和上位機PC的 通信采用串口通信方式。在上位機對下位機AT89S51單片機的控制下，實現整 個熒光光纖生物傳感檢測系統(tǒng)的自動化。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種微納米熒光光纖生物傳感檢測系統(tǒng)及其技術實現路線，其特點是采用光纖作為信號的傳輸體，后端檢測系統(tǒng)包括光傳入，光傳出，光電轉換，信號調理及計算機軟件數據采集和處理等。其中光傳入系統(tǒng)采用氘燈結合單色儀，形成單色光傳入；光傳出系統(tǒng)采用特定單色儀作為生物光信號傳出；它們與特定的光電轉換和信號調理模塊整合組成了該傳感檢測系統(tǒng)的硬件，以完成數據的自動采集、處理、顯示和存儲等功能。本發(fā)明結合光纖傳感和單色光選擇及計算機自動控制構成熒光檢測系統(tǒng)，和傳統(tǒng)的熒光檢測相比具有可靠性強、檢測波長靈活可變、便攜性強等優(yōu)點，可用于生物醫(yī)學中具有弱光特性的組織和疾病包括癌癥的臨床檢測。
文檔編號G01N21/64GK101625323SQ20091006021
公開日2010年1月13日 申請日期2009年7月31日 優(yōu)先權日2009年7月31日
發(fā)明者龐小峰 申請人:電子科技大學