非標(biāo)記光反射干涉光纖生物傳感器的制造方法
【專利摘要】一種非標(biāo)記光反射干涉光纖生物傳感器，屬于生化設(shè)備【技術(shù)領(lǐng)域】，其特征是：采用全波段鹵鎢燈做為光源，通過透鏡準(zhǔn)直器將寬波段光耦合入光纖；采用“Y”型光纖耦合器，及與光源連接的源光纖，與光纖探頭連接的傳輸光纖以及與后分光系統(tǒng)連接的檢測(cè)光纖；光纖探頭由多模光纖構(gòu)成，生物分子層；入射光將在端面的高折射率層和生物分子層發(fā)生兩次反射，后分光系統(tǒng)由入射狹縫、凹面鏡、光柵和陣列接收器組成，通過信號(hào)采集器件實(shí)現(xiàn)對(duì)待測(cè)信號(hào)的檢測(cè)。有益效果是：1、利用光干涉原理及生物分子間的相互作用原理，樣品無需標(biāo)記和純化，保證了檢測(cè)的穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性。2、檢測(cè)時(shí)無需添加其他試劑。3、可以直接、實(shí)時(shí)、原位地檢測(cè)動(dòng)態(tài)過程，能夠同時(shí)實(shí)現(xiàn)待檢測(cè)物質(zhì)的有無的檢測(cè)。4、適用于在現(xiàn)場(chǎng)對(duì)樣本進(jìn)行測(cè)量。5、人機(jī)交互，操作更加簡(jiǎn)單。
【專利說明】非標(biāo)記光反射干涉光纖生物傳感器

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本實(shí)用新型屬于生化設(shè)備【技術(shù)領(lǐng)域】，涉及一種生物、醫(yī)學(xué)、農(nóng)業(yè)、食品等領(lǐng)域中的 待測(cè)樣本的檢測(cè)儀器。

【背景技術(shù)】
[0002] 光纖生物傳感器以光纖作為傳導(dǎo)介質(zhì)并收集信號(hào)來進(jìn)行檢測(cè)，能夠適應(yīng)極端惡劣 環(huán)境，不受電磁干擾，耐腐蝕，傳輸信號(hào)安全，損耗低，具有非破壞和使用簡(jiǎn)便等特點(diǎn)而受到 廣泛關(guān)注。在光纖生物傳感器中，應(yīng)用最廣泛的是光纖倏逝波生物傳感器，該傳感器利用光 波在光纖中以全反射的方式傳輸時(shí)在光纖探頭處產(chǎn)生倏逝波，該倏逝波激發(fā)傳感器探頭表 面上連接的標(biāo)記有熒光分子的生物物質(zhì)，產(chǎn)生熒光信號(hào)，從而實(shí)現(xiàn)待測(cè)物質(zhì)的有無及濃度 測(cè)定。然而倏逝波場(chǎng)能量小，激發(fā)出的熒光信號(hào)微弱；待檢測(cè)樣品需要熒光標(biāo)記，但熒光標(biāo) 記穩(wěn)定性差；倏逝波不僅能夠檢測(cè)傳感器表面，還能夠深入到檢測(cè)樣本溶液中，對(duì)傳感信號(hào) 的穩(wěn)定性產(chǎn)生巨大干擾。 實(shí)用新型內(nèi)容
[0003] 本實(shí)用新型的目的是：提供一種非標(biāo)記光反射干涉光纖生物傳感器，它可實(shí)現(xiàn)原 位、快速、靈敏的檢測(cè)生物分子相互作用參數(shù)，生物分子及小分子有無、抗體及其他蛋白質(zhì)、 DNA、小分子的濃度等。
[0004] 本實(shí)用新型的技術(shù)方案是：
[0005] 通過對(duì)干涉曲線的分析來檢測(cè)待測(cè)樣本中生物分子的有無、濃度及生物分子相互 作用的動(dòng)力學(xué)參數(shù)。該光纖生物傳感器包括光源、光耦合系統(tǒng)、光纖探頭、后分光系統(tǒng)、樣本 承載機(jī)構(gòu)以及控制系統(tǒng)六個(gè)部分組成。
[0006] 采用全波段齒鎢燈做為光源，通過透鏡準(zhǔn)直器將寬波段光耦合入光纖；
[0007] 采用"Y"型光纖耦合器，及與光源連接的源光纖，與光纖探頭連接的傳輸光纖以及 與后分光系統(tǒng)連接的檢測(cè)光纖；
[0008] 光纖探頭由多模光纖構(gòu)成，遠(yuǎn)端處分三層：1、高折射率干涉層；2、化學(xué)試劑修飾 層，它具有生物兼容性；3、生物分子層。入射光將在端面的高折射率層和生物分子層發(fā)生兩 次反射，兩次反射形成的干涉光經(jīng)Y型光纖一端進(jìn)入后分光系統(tǒng)；
[0009] 后分光系統(tǒng)由入射狹縫、凹面鏡、光柵和陣列接收器組成，光源發(fā)出的光經(jīng)過準(zhǔn)直 后直接照射到光纖探頭表面，反射光經(jīng)過準(zhǔn)直匯聚后照射到后分光光學(xué)系統(tǒng)中，通過信號(hào) 采集器件實(shí)現(xiàn)對(duì)待測(cè)信號(hào)的檢測(cè)；
[0010] 樣本承載機(jī)構(gòu)的主要功能是在實(shí)驗(yàn)過程中，用于放置待測(cè)樣本，同時(shí)通過一定的 機(jī)構(gòu)使待測(cè)樣本處于均相狀態(tài)；
[0011] 嵌入式控制系統(tǒng)的主要作用是解析后分光光學(xué)系統(tǒng)輸出的各波段干涉光強(qiáng)信息， 得到檢測(cè)項(xiàng)目所需的各項(xiàng)指標(biāo)，如待檢檢測(cè)物有無以及結(jié)合/解離速率等。
[0012] 人機(jī)交互系統(tǒng)由顯示屏和打印機(jī)組成，實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互，用戶可設(shè)置關(guān)鍵參數(shù)，并根 據(jù)屏幕上的提示進(jìn)行相關(guān)的操作；觀察測(cè)試流程、顯示狀態(tài)曲線，通過打印機(jī)輸出檢測(cè)報(bào) 生 1=1 〇
[0013] 光纖類型為多模光纖芯，芯徑400 μ m，波段為200-1100nm，三端皆為標(biāo)準(zhǔn)連接機(jī) 構(gòu)。
[0014] 本實(shí)用新型的有益效果是：
[0015] 1、利用光干涉原理及生物分子間的相互作用原理，實(shí)用新型一種非標(biāo)記光反射干 涉光纖生物傳感器，樣品無需標(biāo)記和純化，保證了檢測(cè)的穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性。
[0016] 2、檢測(cè)時(shí)無需添加其他試劑，直接加入樣本即可進(jìn)行檢測(cè)，所需的樣本量小，處理 簡(jiǎn)單，響應(yīng)快，易實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化。
[0017] 3、可以直接、實(shí)時(shí)、原位地檢測(cè)動(dòng)態(tài)過程，能夠同時(shí)實(shí)現(xiàn)待檢測(cè)物質(zhì)的有無、濃度 及生物分子相互作用參數(shù)的檢測(cè)。
[0018] 4、體積小，重量輕，便于攜帶，適用于在現(xiàn)場(chǎng)對(duì)樣本進(jìn)行測(cè)量。
[0019] 5、采用觸摸屏進(jìn)行人機(jī)交互，操作更加簡(jiǎn)單；測(cè)量結(jié)果可通過打印機(jī)實(shí)時(shí)打印。
[0020] 6、可實(shí)現(xiàn)單機(jī)測(cè)量，無需聯(lián)接PC機(jī)。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0021] 圖1是設(shè)備結(jié)構(gòu)原理框圖；
[0022] 圖2是光源耦合光路圖；
[0023] 圖3是系統(tǒng)光路示意圖；
[0024] 圖4是光纖探針遠(yuǎn)端示意圖；
[0025] 圖5是后分光系統(tǒng)圖；
[0026] 圖6是控制系統(tǒng)框圖。

【具體實(shí)施方式】
[0027] 它是一種利用光干涉原理及生物分子間的相互作用原理，將與待測(cè)生物分子互補(bǔ) 的配體固定于光纖傳感系統(tǒng)的光纖探頭表面形成生物層，當(dāng)在反應(yīng)池中加入該類生物分子 后，光纖探頭表面生物層的厚度將產(chǎn)生改變，當(dāng)具有一定帶寬的可見光入射光纖探頭的生 物層時(shí)，根據(jù)薄膜干涉的簡(jiǎn)化模型和光線反射折射定律，入射光線在生物層表面被分成兩 部分，形成第一部分反射光，進(jìn)入生物層的透射部分在生物層的第二個(gè)界面產(chǎn)生反射，形成 第二部分反射光，光束垂直入射時(shí)，兩部分反射光形成干涉波，被光譜儀所檢測(cè)，相互作用 發(fā)生時(shí)，生物層厚度增加，反射光干涉光譜曲線會(huì)整體向波長(zhǎng)增長(zhǎng)方向移動(dòng)，當(dāng)相互作用分 子發(fā)生結(jié)合或解離過程時(shí)，都會(huì)導(dǎo)致干涉曲線的漂移。
[0028] 通過對(duì)干涉曲線的分析來檢測(cè)待測(cè)樣本中生物分子的有無、濃度及生物分子相互 作用的動(dòng)力學(xué)參數(shù)。該光纖生物傳感器包括光源、光耦合系統(tǒng)、光纖探頭、后分光系統(tǒng)、樣本 承載機(jī)構(gòu)以及控制系統(tǒng)六個(gè)部分組成。
[0029] 實(shí)施例1 :
[0030] 下面結(jié)合附圖對(duì)本實(shí)用新型做進(jìn)一步說明：
[0031] 如圖1所示，本實(shí)用新型是非標(biāo)記光反射干涉光纖生物傳感器由光源組件100、光 奉禹合系統(tǒng)200、光纖探頭300、后分光光學(xué)系統(tǒng)400、嵌入式控制系統(tǒng)500、
[0032] 樣本承載機(jī)構(gòu)600、人機(jī)交互系統(tǒng)700和供電電源800共8部分組成。
[0033] 其中各光學(xué)組件100、200、300和400,通過標(biāo)準(zhǔn)連接機(jī)構(gòu)相連。整體無運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)。 光源組件100發(fā)出的全波段光，經(jīng)入射光纖202進(jìn)入光纖探頭300,分別在光纖301和化學(xué) 試劑修飾層303兩個(gè)端面發(fā)生反射，兩束反射光經(jīng)干涉后，原路返回，在Y型光纖節(jié)點(diǎn)處一 分為二，其中一部分干涉光經(jīng)出射光纖202,進(jìn)入后分光光學(xué)系統(tǒng)400,經(jīng)過光柵403分光， 各波段干涉光強(qiáng)被陣列CCD405接收，光信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)，電信號(hào)經(jīng)嵌入式控制系統(tǒng)500 處理，通過人機(jī)交互系統(tǒng)700輸出光纖探頭300遠(yuǎn)端端面厚度信息。
[0034] 圖2是光源耦合光路圖，其中，101是光源、102是凸透鏡、201是光纖A，主要原理 是利用凸透鏡102的聚焦功能，將光源101發(fā)出的光聚焦到纖芯端面，提高光源利用效率， 同時(shí)降低直接耦合的裝配難度。
[0035] 圖3是系統(tǒng)光路示意圖，其中，200是光耦合系統(tǒng)，201入射是光纖、202是出射光 纖、203是傳導(dǎo)光纖，其中光耦合系統(tǒng)200中，所用光纖均為多模光纖，利用光學(xué)檢測(cè)手段， 將入射光纖201和出射光纖202的端面與傳導(dǎo)光纖203的端面進(jìn)行精確對(duì)準(zhǔn)，保證入射光 纖201、出射光纖202與傳導(dǎo)光纖203之間的高效耦合，各個(gè)光學(xué)組件之間通過標(biāo)準(zhǔn)連接件 相連與其他設(shè)備實(shí)現(xiàn)高效光耦合。如圖示，光源100發(fā)出的光途徑入射光纖201耦合入傳 導(dǎo)光纖203,在光纖探頭300遠(yuǎn)端的兩個(gè)膜層處發(fā)生兩次反射，兩束反射光在傳導(dǎo)光纖203 耦合，并在耦合節(jié)點(diǎn)處一份為二，其中一部分經(jīng)出射光纖202進(jìn)入后分光光學(xué)系統(tǒng)400,在 后分光光學(xué)系統(tǒng)400處完成光電轉(zhuǎn)換，所得電信號(hào)經(jīng)后續(xù)系統(tǒng)處理，向外輸出干涉信息。
[0036] 圖4是光纖探針遠(yuǎn)端示意圖，其中，401是一個(gè)長(zhǎng)度較短的光纖D，它的近端耦合 到Y(jié)型光纖，遠(yuǎn)端是光纖探頭的生物分子作用端。生物分子作用端包括402高折射率干涉 層；403化學(xué)試劑修飾層，它具有生物兼容性；404生物分子層。405是與生物分子層相結(jié) 合的待測(cè)物。高折射率干涉層為第一反射面，采用折射率高于光纖纖芯折射率的材料制備 而成；生物分子層為第二反射面，是一層能夠與待測(cè)樣本特異性結(jié)合的生物分子。a為入射 光，b為第一反射光，c為第二反射光。
[0037] 光纖探針的制備重點(diǎn)是光纖遠(yuǎn)端的纖芯端面前處理，處理過程主要五步：
[0038] (1)光纖處理：探針中所用光纖手工切割成40mm長(zhǎng)，采用光纖透鏡拋光方法將端 面拋光。
[0039] (2)高折射率干涉層的制備：該層為高折射率材料，由離子束輔助物理氣相沉積涂 布機(jī)制備成小分子膜層，厚度為nm量級(jí)。
[0040] (3) Si02層的制備：米用尚子束減射技術(shù)制備Si02層，厚度小于lOOOnm。
[0041] (4)化學(xué)試劑修飾層：方法1直接在高折射率干涉層表面修飾具有生物兼容性的 高分子聚合物，能夠與生物分子通過特異性吸附相結(jié)合。方法2在高折射率干涉層表面采 用離子束濺射技術(shù)制備Si0 2層，采用合適的硅烷偶聯(lián)劑在Si02表面修飾極性基團(tuán)，生物分 子與極性基團(tuán)通過共價(jià)鍵相結(jié)合。
[0042] (5)固定抗體層：該層對(duì)待檢測(cè)抗原具有高特異性，通過特異性吸附、共價(jià)鍵結(jié)合 等方式與化學(xué)試劑修飾層實(shí)現(xiàn)綁定。該抗體層即為圖4中序號(hào)304。
[0043] (6)固定抗原層：抗原通過特異性吸附，與固定抗體層中的特異性抗體相結(jié)合。
[0044] 該抗體層即為圖4中序號(hào)305。
[0045] 圖5是后分光系統(tǒng)，復(fù)合干涉光經(jīng)入射夾縫401進(jìn)入到后分光系統(tǒng)中，經(jīng)凹面鏡 402準(zhǔn)直后，照射到光柵表面，復(fù)色光經(jīng)光柵403分光后，各波長(zhǎng)的光經(jīng)凹面鏡404整形匹 配，被線陣CCD405對(duì)應(yīng)的像元接收，實(shí)現(xiàn)光信號(hào)到電信號(hào)的轉(zhuǎn)換，并向外輸出各個(gè)波長(zhǎng)的 干涉光強(qiáng)信息。
[0046] 圖6是嵌入式控制系統(tǒng)，為程序控制系統(tǒng)。其中701是顯示屏、702是熱敏打印機(jī)， 采用外接電源適配器供電；由后分光光學(xué)系統(tǒng)400輸入的各波段干涉光強(qiáng)信息在該系統(tǒng)中 完成擬合，并根據(jù)所得到的的強(qiáng)度/波長(zhǎng)曲線，解析出檢測(cè)項(xiàng)目所需的檢測(cè)結(jié)果，檢測(cè)結(jié)果 在人機(jī)交換系統(tǒng)700中的顯示屏701顯示，相關(guān)檢測(cè)報(bào)告通過內(nèi)置熱敏打印機(jī)702輸出，打 印結(jié)果能夠長(zhǎng)久保留；后分光光學(xué)系統(tǒng)在檢測(cè)時(shí)需要設(shè)置的相關(guān)參數(shù)，如積分時(shí)間等，通過 顯示屏701輸入。
【權(quán)利要求】
1. 一種非標(biāo)記光反射干涉光纖生物傳感器，其特征是： 采用全波段齒鎢燈做為光源，通過透鏡準(zhǔn)直器將寬波段光耦合入光纖； 采用"Y"型光纖耦合器，及與光源連接的源光纖，與光纖探頭連接的傳輸光纖以及與后 分光系統(tǒng)連接的檢測(cè)光纖； 光纖探頭由多模光纖構(gòu)成，遠(yuǎn)端處分三層：（1)、高折射率干涉層；（2)、化學(xué)試劑修飾 層，它具有生物兼容性；（3)、生物分子層；入射光將在端面的高折射率層和生物分子層發(fā) 生兩次反射，兩次反射形成的干涉光經(jīng)Y型光纖一端進(jìn)入后分光系統(tǒng)； 后分光系統(tǒng)由入射狹縫、凹面鏡、光柵和陣列接收器組成，光源發(fā)出的光經(jīng)過準(zhǔn)直后直 接照射到光纖探頭表面，反射光經(jīng)過準(zhǔn)直匯聚后照射到后分光光學(xué)系統(tǒng)中，通過信號(hào)采集 器件實(shí)現(xiàn)對(duì)待測(cè)信號(hào)的檢測(cè)。
2. 如權(quán)利要求1所述的一種非標(biāo)記光反射干涉光纖生物傳感器，其特征是：光纖類型 為多模光纖芯，芯徑400 μ m，波段為200-1 lOOnm，三端皆為標(biāo)準(zhǔn)連接機(jī)構(gòu)。
【文檔編號(hào)】G01N21/27GK203908938SQ201420297861
【公開日】2014年10月29日 申請(qǐng)日期:2014年6月6日 優(yōu)先權(quán)日:2014年6月6日
【發(fā)明者】于源華, 張昊, 張淑華, 張曉 , 金麗紅, 冀偉 申請(qǐng)人:長(zhǎng)春理工大學(xué)