CN101126714A - 光纤生物传感器的应用方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种光纤生物传感器的应用方法。所述的光纤生物传感器包括样品池，样品池内一段无芯光纤，无芯光纤的两端的输入光纤和输出光纤。以该传感器检测生物材料的过程包括：首先在无芯光纤周围表面涂上能与被检测生物材料发生结合的亲和膜，于是传感器的特定的波长产生干涉极大或干涉极小；然后将含有需要检测的生物材料的液体注入样品池，则生物材料与亲和膜结合，亲和膜厚度增加，从而使传感器特定的波长干涉极大或干涉极小对应的波长产生相应的变化，测量干涉极大或干涉极小对应的光波长的变化即可得到生物材料信息。本发明的优点在于，采用的传感器结构简单，制作容易，测试过程简单、易于实现、灵敏度高。
Description
技术领域
本发明涉及一种光纤生物传感器的应用方法，特别是一种基于光纤中高阶模干涉的光纤生物传感器的应用方法，属光纤生物传感领域。
背景技术
生物传感器是用于检测和识别生物活性材料的重要手段，这些活性材料可以是酶、蛋白质、DNA、抗体、抗原、生物膜等。生物传感器在微生物检测、药物筛选、血液分析、DNA分析、抗原/抗体分析、各类疾病的诊断与检测、新药的开发、食品检验以及有毒气体检测等方面发挥着极其重要的作用。现有生物传感器按其功能可分为微生物传感器、免疫传感器、组织传感器、细胞传感器、酶传感器、DNA传感器等。在由各种不同原理构成的生物传感器中，光学生物传感器，特别是光纤生物传感器以其高灵敏度、可实现快速在线检测以及可用于现场检测等显著特点而受到普遍的重视并得到迅速发展。采用表面等离子体共振技术(Surface Plasmon Resonance，简称SPR)的光学生物传感器自从1982年Nylander等首次将SPR技术用于免疫传感器领域以来更是以惊人的速度发展，并得到广泛应用。SPR是在金属和电介质界面传播的自由电子的振荡波与在电介质内传播的具有特定波长和偏振态的光波场产生谐振，而使光波的能量产生衰减的一种物理现象。当金属膜及沉积在金属上的材料的厚度、介电常数等发生变化时，SPR谐振波长或谐振角会发生相应变化。如果将生物活性材料固定在金属膜上，当与另一种生物活性材料发生结合特异性时，由于膜厚度的变化，SPR谐振波长或谐振角会发生变化。所以，采用SPR技术可检测和识别不同生物活性材料之间的特异性结合。目前，SPR技术被广泛地应用于各种表面技术的研究中，已经成为生物传感中的关键技术和方法，同时也成为微生物检测以及研究分子反应动力学的重要手段。SPR中金属膜的制作一般采用溅射的方法，要求设备及其它条件较高。SPR所需金属膜的厚度在几十纳米，需要精确控制才能获得良好的SPR效果。常用的金属为金、银等材料，对金而言，其SPR谐振波长在红光波段，而且要选择合适偏振方向。
发明内容
本发明的目的在于提供一种光纤生物传感器的应用方法，以该方法检测生物材料具有操作过程简单、易于实现、灵敏度高等特点。
本发明是通过下述技术方案加以实现的，一种光纤生物传感器的应用方法，所述的光纤生物传感器包括封闭的样品池104，样品池内设置一段无芯光纤102，无芯光纤的两端无偏心对接单模输入光纤101和单模输出光纤107。以上述光纤生物传感器检测包括酶、细胞、基因、抗原、抗体的生物材料的方法，其特征在于包括以下过程：
1，首先在无芯光纤周围表面涂敷或浸渍涂上能与被检测生物材料发生结合的亲和膜，于是由单模输入光纤传来的单模光在无芯光纤与固定在其周围表面的亲和膜以及周围介质构成的多模光波导内产生多个圆对称的高阶模，高阶模沿所述多模光波导传播，在无芯光纤与单模输出光纤的界面产生多模干涉，在特定的波长产生干涉极大或干涉极小；
2，然后将含有需要检测的生物材料的液体注入样品池，则生物材料与亲和膜结合，亲和膜厚度增加，于是使在多模光波导内传播的高阶模的传播常数发生改变，从而使干涉极大或干涉极小对应的波长产生相应的变化，测量干涉极大或干涉极小对应的光波长的变化即可得到无芯光纤表面生物亲和膜发生结合的情况，由此检测和识别待测生物材料是否存在以及存在的量的多少或浓度信息。
本发明所涉及的光纤生物传感器的特点是：1)传感器结构极其简单，制作容易，只需普通的单模通信光纤和无芯光纤，使用通用的光纤熔接机即可完成传感器的光学制作。由于传感器本身造价低廉，可以实现真正意义上的一次性使用。2)可采用常用的化学及其它方法将生物材料固定在无芯光纤表面，而无需特殊的技术和设备。3)光波长检测可采用通用的光谱分析仪即可完成。4)具有波长编码特征，且由于输入/输出光纤均为单模光纤，适合于远程和在线检测。
附图说明
图1为光纤生物传感器结构示意图。
图中：101为单模输入光纤；102为无芯光纤；103为固定在无芯光纤表面的生物材料的亲和膜；104为样品池；105为样品注入口；106为光纤固定胶；107为单模输出光纤。
图2为光纤生物传感实验装置仪示意图。
图中：100为光纤生物传感器；201为宽带光源；202为传输光纤；203为恒温水槽；204为波长解调仪。
图3为实测抗原/抗体反应过程曲线图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式作详细说明。如附图1所示，单模光纤101采用标准单模光纤(G652)，其纤芯直径为8.2μm，包层直径为125μm，数值孔径0.14。首先将其保护涂层除去，然后使用光纤切刀将其端面切成与其轴线垂直。无芯光纤102为纯石英光纤，其直径为125μm。使用光纤切刀将其端面切成与其轴线垂直，之后，将端面处理后的单模光纤101和无芯光纤102放入光纤熔接机将两光纤熔接在一起。在无芯光纤上55mm处使用光纤切刀将其切断，并将其与另一段单模光纤107熔接在一起。
样品池壳体104由外径5mm内径3mm的玻璃管制成，使用环氧树脂将由单模光纤-无芯光纤-单模光纤构成的光纤传感器与样品池104的壳体粘接在一起。在环氧树脂充分固化后由样品注入口105注入双氧水对光纤及样品池进行清洗。之后，加入2.5％的戊二醛溶液，室温静置一小时，然后加入浓度为10μg/ml的兔IgG抗体，待抗体完全覆盖无芯光纤102的表面后，一小时后形成由抗体构成的亲和膜103。之后加入缓冲液，从而完成光纤生物传感器的制作。
图2为光纤生物传感实验装置仪示意图。其中100为光纤生物传感器。宽带光源201的输出光谱范围为1520-1565nm，输出功率为5mW；为了消除温度变化可能对测量的影响，在实验中将光纤生物传感器100置于恒温水槽203中。恒温水槽203的温度设定在25℃，其温度稳定度为±0.1℃。实验中，在样品注入口105上接入样品注入导管，光纤生物传感器100固定在一支架上，光纤生物传感器100与支架一起置于恒温水槽203中。204为光纤光谱分析仪，作为光谱记录和波长解调设备。
当恒温水槽203的温度稳定在25℃后，由样品注入导管注入缓冲液，在光纤光谱分析仪204记录的透射谱上确定一个由多模干涉产生的波谷(干涉极小值)，并测量该波谷对应的波长。对应缓冲液的波长值作为测量的参考值。之后，将缓冲液排空，注入含有抗原的被检测液体。由于抗原与固定在无芯光纤102表面的生物活性亲和膜(抗体)103发生特异性结合，使在无芯光纤102中传播的高阶模的传播常数发生改变，而使多模干涉产生的波谷向长波方向移动，其移动量与抗体-抗原的结合量成正比。通过光纤光谱分析仪204记录波谷对应波长随时间的变化，即可获得抗体-抗原结合的动态过程和结合量，从而可检测和识别待测测液体中是否存在与固定在无芯光纤102表面的抗体具有特异性结合特性的抗原以及存在的量的多少或浓度等信息。
图3为实测抗原/抗体反应实验结果。由此可看出，随着时间的增加，不断有抗体-抗原发生，无芯光纤102表面的亲和膜103的厚度在不断增加，从而无芯光纤102内多模干涉产生的波谷(干涉极小值)将向长波方向移动。
由以上的实施例可以看出，本发明涉及的光纤生物传感器制作极为简单，无需像SPR技术中的纳米级厚度的金属膜，所使用的光纤均为常规的光纤，易于获得且价格低廉。生物材料的固定可以采用任何已有的方法进行。
将生物活性材料固定到无芯光纤表面的方法还有多种，如吸附法、溶胶-凝胶法、共价键合法以及LB模技术等，它们均为已有技术。
本领域的专业技术人员都清楚，本发明的思想可采用上面列举的具体实施方式以外的其它方式实现。
Claims (1)
1.一种光纤生物传感器的应用方法，所述的光纤生物传感器包括封闭的样品池(104)，样品池内设置一段无芯光纤(102)，无芯光纤的两端无偏心对接单模输入光纤(101)和单模输出光纤(107)，以上述光纤生物传感器检测包括酶、细胞、基因、抗原、抗体的生物材料的方法，其特征在于包括以下过程：
1)首先在无芯光纤周围表面涂敷或浸渍涂上能与被检测生物材料发生结合的亲和膜，于是由单模输入光纤传来的单模光在无芯光纤与固定在其周围表面的亲和膜以及周围介质构成的多模光波导内产生多个圆对称的高阶模，高阶模沿所述多模光波导传播，在无芯光纤与单模输出光纤的界面产生多模干涉，在特定的波长产生干涉极大或干涉极小；
2)然后将含有需要检测的生物材料的液体注入样品池，则生物材料与亲和膜结合，亲和膜厚度增加，于是使在多模光波导内传播的高阶模的传播常数发生改变，从而使干涉极大或干涉极小对应的波长产生相应的变化，测量干涉极大或干涉极小对应的光波长的变化即可得到无芯光纤表面生物亲和膜发生结合的情况，由此检测和识别待测生物材料是否存在以及存在的量的多少或浓度信息。
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