CN101246119B - 一种光纤生物传感*** - Google Patents
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Abstract
一种光纤生物传感***，包括：(1)光源和传输装置、(2)光纤传感装置、(3)样品流路及反应装置、(4)信号解调及分析***与(5)控制和数据处理分析***，所说的光源依传输装置连接光纤传感装置的输入端，光纤传感装置封装于样品流路及反应装置，光纤传感装置的输出端连接信号解调及分析***，后者通过进行数据处理分析的数据采集卡/***连接PC机。本发明的优越性：光纤传感装置结构简单、易于制作、成本低、灵敏度高，生物敏感膜制备方便、稳定性强、批间差异小、有时可重复使用，检测装置微型化、检测液体积小、反应速度快，可在待检样品无需纯化、待测分子无需标记的情况下实现生物样品的高特异性、高灵敏度体内外分析以及多项联合检测和远距离遥测。
Description
(一)所属技术领域：
本发明属于生物技术-光纤传感领域，涉及一种光纤生物传感***。
(二)背景技术：
生物传感器(biosensors)是以生物学组件作为主要功能性元件，能够感受规定的被测物并按照一定规律将其转换成可识别信号的器件或装置，一般由生物识别元件、转换元件及机械元件和电气元件组成。生物传感器是典型的多学科交叉产物，结合了生命科学、分析化学、物理学和信息科学及其相关技术，能够对所需要检测的物质进行快速分析和追踪，目前在临床诊断、食品安全、生物防恐、环境监测等方面发挥越来越重要的作用，使得生物传感器的研制成为一个非常活跃的研究和工程技术领域。生物传感器的发展方向是实现被测物质的高特异性、高灵敏度、简易快速便携和现场检测，以及装置的高稳定性、高寿命、低成本、微型化、智能化和自动化，另外，在生物防恐、环境监测等领域远距离遥测也是趋势之一。在各种类型的传感器中，光纤传感器以其抗电磁干扰强、尺寸小、灵敏度高、可实现多项联合检测等适合生物分析的诸多优点成为生物传感领域的新贵。
光纤生物传感器指用光导纤维及其检测器与生物分子识别元件构成的生物传感器。按传感的作用可分为两类，一类是光纤仅做为信号的传输介质，将生物反应产生的光信号(发光、荧光、磷光、光吸收)传输至光电转换器分析***；另一类为光纤本身做为传感的组成部分参与信号的识别和传输，因不需要生物分子的标记且可实现实时监测是未来发展的一个重要方向。在以光纤作为传感器件的装置中，通过特定的光纤结构将特定波长的光从纤芯耦合进包层，光在包层中由于包层/空气界面的损耗而迅速衰减，留下一串损耗带，从而导致共振的中心波长等光学信号的改变，光学信号的变化主要取决于芯和包层的折射率差，后者受应变、温度或外部折射率变化而产生的任何变化的影响，因此通过检测光学信号的变化情况，就可获得外界物理量变化的信息，包一层生物敏感层就能实现生物量的传感。光纤生物传感器的灵敏度受传感器结构、样品反应池结构、生物识别元件等的影响，生物识别元件是其中最首要和最关键的部分，它还决定着传感器的特异性、稳定性和重复性。因此，如何广泛地应用各种生物活性材料(包括抗体、受体等生物大分子、细胞、细胞器、组织以及人工合成的分子等)与传感器结合，研究和开发具有识别功能的换能器是生物传感技术的研究重点。此外，与各种化学传感器和物理传感器相比，在多数情况下，生物传感器的稳定性仍然很差，常常需要精心地护理和频繁地标定，制备的成本比较高，这就要求传感器制备工艺简捷，生物元件稳定性好，具良好的可重复性。
目前，抗体由于其特异性和灵敏性而被广泛用作识别元件。但是，利用抗体做为传感识别元件也有一定的局限性和缺点，如：商业化抗体的定向固定难以实现，大部分抗体用标准的自由表面固定方法甚至会导致识别抗原的活性部位失效；对于没有免疫原性的小分子和一些毒素制备抗体比较困难；作为本质是蛋白的抗体，容易受温度等环境因素的影响而变性失活，长期稳定性、可靠性、一致性等方面还不理想，使用条件比较苛刻，这也是一切以蛋白质为敏感识别元件的传感器的缺陷；另外，反复使用时重复性较差。
(三)发明内容：
本发明的目的在于提供一种光纤生物传感***，它属于抗体工程技术领域，即采用一种组合化学的方法，从随机寡核苷酸文库中筛选与靶物质相结合的寡核苷酸序列，即核酸适配子(aptamer)，利用其与靶物质特异、高效的结合能力来捕获、识别待测分子；它利用新型的光纤生物传感***，在保证灵敏度的前提下，简化光纤传感结构，改进样品反应装置，优化生物识别元件，使其在药物发现、疾病体内体外诊断、食品安全、生物防恐、环境监测等领域发挥高特异性、高灵敏度、高稳定性、高重复性、强抗干扰性的实时、快速、准确的检测作用。
本发明的技术方案：一种光纤生物传感***，其特征在于主要部件包括：(1)光源和传输装置、(2)光纤传感装置、(3)样品流路及反应装置、(4)信号解调及分析***与(5)控制和数据处理分析***，所说的光源依传输装置连接光纤传感装置的输入端，光纤传感装置封装于样品流路及反应装置，光纤传感装置的输出端连接信号解调及分析***，后者通过进行数据处理分析的数据采集卡/***连接PC机。
上述所说的光源和传输装置包括宽带光源与单模输入光纤、单模输出光纤或三端光环行器；所说的光纤传感装置包括单模输入光纤、单模输出光纤、无芯光纤以及固化在无芯光纤上的生物敏感膜层；所说的样品流路及反应装置包括样品出口、样品入口、流路、液泵、多道阀门、样品池，样品池内可三维地等间距地排列一根及以上光纤传感器；所说的信号解调及分析***包括光纤波谱分析仪和光电探测器；所说的控制和数据处理分析***包括信号分析***的信号通过数据采集卡/***连接PC机，数据分析***分析、显示、检测过程由计算机控制。
上述所说的由单模输入光纤、单模输出光纤、无芯光纤以及固化在无芯光纤上的生物敏感膜层构成的光纤传感装置，其信号产生方式包括生物亲和型、代谢型和催化型。
上述所说的光纤传感装置中固化在无芯光纤上的生物敏感膜层的偶联载体是在硅基质裸光纤上直接或通过厚度为2nm-500nm的多分子链状或树枝状聚合物膜间接连接上活性功能基团(包括氨基，羧基，醛基，巯基，环氧基等)，或具活性功能基团(氨基，羧基，醛基，巯基，环氧基等)的生物分子，用于偶联生物识别元件。
上述所说的光纤传感装置中固化在无芯光纤上的生物敏感膜层的生物识别元件是针对分析靶标的相对应的核酸适配子及其重复使用。
上述所说的偶联固化在光纤上的生物识别元件包括针对分析靶标的相对应的抗体、天然受体或配体；针对分析靶标所筛选的亲和多肽配体；针对分析靶标的相对应的分子印迹物。
上述所说的包括样品出口、样品入口、流路、液泵、多道阀门、样品池，样品池内可三维地等间距地排列一根及以上光纤传感器的样品流路及反应装置由可控温的腔体组成，腔体两端用于光纤接入接出，并具有用于加样、排液和加工的样品孔与光纤连通。
上述所说的包括样品出口、样品入口、流路、液泵、多道阀门、样品池，样品池内接有一根光纤传感器的样品流路及反应装置由玻璃套管连接两段聚四氟乙烯柱组成，玻璃套管构成可控温的反应池，聚四氟乙烯柱纵向通透，用于光纤接入接出，侧向具有用于加样、排液和加工的样品孔与光纤连通。
上述所说的包括样品出口、样品入口、流路、液泵、多道阀门、样品池，样品池内可三维地等间距地排列一根及以上光纤传感器的样品流路及反应装置由上下两部分闭合构成，各部分采用微加工技术设计加工微流体通道，形成包括进样口、样品池、流路、出口等在内的反应部件。
上述所说的光纤生物传感***的用途，其特征在于它包括：探测细胞、细菌、病毒、生物大分子(蛋白、核酸)、生物小分子(多肽、激素)、环境污染物、毒素、农药等多种物质，用于疾病体内体外诊断、食品安全、生物防恐、环境监测、分子相互作用研究、组合化学库筛选及药物发现等领域。
本发明的技术效果和优越性在于(见图2-4)：光纤传感装置结构简单、易于制作、成本低、灵敏度高，生物敏感膜制备方便、稳定性强、批间差异小、有时可重复使用，检测装置微型化、检测液体积小、反应速度快，可在待检样品无需纯化、待测分子无需标记的情况下实现生物样品的高特异性、高灵敏度体内外分析以及多项联合检测和远距离遥测。
(四)附图说明：
图1为本发明的光纤传感装置的组成及结构示意图。
图2为本发明的光纤生物传感***灵敏度测试的实验结果。
图3为本发明的光纤生物传感***抗干扰实验结果。
图4为使用本发明的光纤生物传感***测定溶液中蛋白浓度的实验结果。
(五)具体实施方式：
实施例1：一种光纤生物传感***(见图1)，其特征在于主要部件包括：
(1)光源和传输装置：包括宽带光源与单模输入光纤、单模输出光纤；
(2)光纤传感装置：包括单模输入光纤、单模输出光纤、无芯光纤以及固化在无芯光纤上的生物敏感膜层；
(3)样品流路及反应装置：包括样品出口、样品入口、流路、液泵、多道阀门、样品池，样品池内接有一根光纤传感器；
(4)信号解调及分析***：为光纤波谱分析仪；
(5)控制和数据处理分析***：包括信号分析***的信号通过数据采集卡/***连接PC机，数据分析***分析、显示、检测过程由计算机控制：
所说的光源依传输装置连接光纤传感装置的输入端，光纤传感装置封装于样品流路及反应装置，光纤传感装置的输出端连接信号解调及分析***，后者通过进行数据处理分析的数据采集卡/***连接PC机。
上述所说的由单模输入光纤、单模输出光纤、无芯光纤以及固化在无芯光纤上的生物敏感膜层构成的光纤传感装置，其信号产生方式为生物亲和型。
上述所说的光纤传感装置中固化在无芯光纤上的生物敏感膜层的偶联载体是在硅基质裸光纤上连接上具有活性氨基的葡聚糖，用于偶联生物识别元件。
上述所说的偶联固化在光纤上的生物识别元件是针对白蛋白的核酸适配子。
上述所说的包括样品出口、样品入口、流路、液泵、多道阀门、样品池，样品池内可三维地等间距地排列一根光纤传感器的样品流路及反应装置由可控温的腔体组成，腔体两端用于光纤接入接出，并具有用于加样、排液和加工的样品孔与光纤连通。
上述所说的包括样品出口、样品入口、流路、液泵、多道阀门、样品池，样品池内接有一根光纤传感器的样品流路及反应装置由玻璃套管连接两段聚四氟乙烯柱组成，玻璃套管构成可控温的反应池，聚四氟乙烯柱纵向通透，用于光纤接入接出，侧向具有用于加样、排液和加工的样品孔与光纤连通。
操作过程为：用光纤熔接机将两单模光纤和无芯光纤熔接在一起构成光纤多模干涉仪。水洗无芯光纤3次，用浓HCl与MeOH混合溶液(1∶1)处理30min，再水洗3次；用浓H2SO4与30％H2O2混合溶液(7∶3)处理30min，水洗3次，无水甲醇清洗3次，甲苯清洗3次；用10％APES处理5h，甲苯清洗3次，无水甲醇清洗3次，水洗5次；用0.01mol/L PBS(pH7.0)清洗1次，5％戊二醛处理2h；加入不同pH值的葡聚糖溶液，反应过夜，再与过量白蛋白核酸适配子(序列：5’ATCCGCCTGATTAGCGATACTGGGACTGACTGATACGAAGGCATGATTGGGACACTACTTGAGCAAAATCACCTGCAGGG 3’)孵育，4℃过夜，用0.01mol/LPBS清洗5次；用溶于0.1mol/L硼酸缓冲液(pH9.0)的NaBH4处理30min，依次用水、1mol/L NaCl、水、PBS清洗。
上述所说的光纤生物传感***的用途，其特征在于探测体液中白蛋白的浓度，用于肾炎、感染等疾病的诊断。
实施例2：一种光纤生物传感***(见图1)，其特征在于主要部件包括：
(1)光源和传输装置：包括宽带光源与单模输入光纤、单模输出光纤；
(2)光纤传感装置：包括单模输入光纤、单模输出光纤、无芯光纤以及固化在无芯光纤上的生物敏感膜层；
(3)样品流路及反应装置：包括样品出口、样品入口、流路、液泵、多道阀门、样品池，样品池内接有一根光纤传感器；
(4)信号解调及分析***：为光纤波谱分析仪；
(5)控制和数据处理分析***：包括信号分析***的信号通过数据采集卡/***连接PC机，数据分析***分析、显示、检测过程由计算机控制：
所说的光源依传输装置连接光纤传感装置的输入端，光纤传感装置封装于样品流路及反应装置，光纤传感装置的输出端连接信号解调及分析***，后者通过进行数据处理分析的数据采集卡/***连接PC机。
上述所说的由单模输入光纤、单模输出光纤、无芯光纤以及固化在无芯光纤上的生物敏感膜层构成的光纤传感装置，其信号产生方式为生物亲和型。
上述所说的光纤传感装置中固化在无芯光纤上的生物敏感膜层的偶联载体是在硅基质裸光纤上直接连接上活性醛基，用于偶联生物识别元件。
上述所说的偶联固化在光纤上的生物识别元件是针对白蛋白的核酸适配子。
上述所说的包括样品出口、样品入口、流路、液泵、多道阀门、样品池，样品池内接有一根光纤传感器的样品流路及反应装置由上下两部分闭合构成，各部分采用微加工技术设计加工微流体通道，形成包括进样口、样品池、流路、出口等在内的反应部件。
操作过程为：用光纤熔接机将两单模光纤和无芯光纤熔接在一起构成光纤多模干涉仪。水洗无芯光纤3次，用浓HCl与MeOH混合溶液(1∶1)处理30min，再水洗3次；用浓H2SO4与30％H2O2混合溶液(7∶3)处理30min，水洗3次，无水甲醇清洗3次，甲苯清洗3次；用10％APES处理5h，甲苯清洗3次，无水甲醇清洗3次，水洗5次；用0.01mol/L PBS(pH7.0)清洗1次，5％戊二醛处理2h；加入过量白蛋白核酸适配子(序列：5’ATCCGCCTGATTAGCGATACTGGGACTGACTGATACGAAGGCATGATTGGGACACTACTTGAGCAAAATCACCTGCAGGG 3’)，4℃孵育过夜，用0.01mol/L PBS清洗5次；用溶于0.1mol/L硼酸缓冲液(pH9.0)的NaBH4处理30min，依次用水、1mol/LNaCl、水、PBS清洗。
上述所说的光纤生物传感***的用途，其特征在于探测体液中白蛋白的浓度，用于肾炎、感染等疾病的诊断。
实施例3：光纤生物传感***的灵敏度测试
配制系列浓度的白蛋白溶液样品。采用输出光谱范围为1520-1565nm的宽带光源，将样品经进样口注入安装有光纤生物传感装置的样品反应池，在样品池与其捕获分子——白蛋白特异性核酸适配子作用10min，采用波峰峰位探测法，由光纤光谱分析仪动态监测并记录透射谱上一峰谷对应的波长，通过检测波峰位移的存在即可得知光纤生物传感***的响应情况。实验在25℃下完成。
实施例4：光纤生物传感***的抗干扰实验
实验过程同实施例3，用兔源IgG替代白蛋白，观察波峰位移情况。实验在25℃下完成。
实施例5：使用光纤生物传感***测定溶液中的蛋白浓度
实验过程同实施例3，记录不同浓度白蛋白标准液的波峰位移随时间变化情况，绘制波峰位移达到平衡后白蛋白标准液的浓度-波峰位移曲线，将待测液的波峰位移平衡点经标准曲线标准化后计算样品浓度。实验在25℃下完成。
Claims (9)
1.一种光纤生物传感***，其特征在于主要部件包括：(1)光源和传输装置、(2)光纤传感装置、(3)样品流路及反应装置、(4)信号解调及分析***与(5)控制和数据处理分析***，所说的光源依传输装置连接光纤传感装置的输入端，光纤传感装置封装于样品流路及反应装置，光纤传感装置的输出端连接信号解调及分析***，后者通过进行数据处理分析的数据采集卡/***连接PC机；其中：所说的光源和传输装置包括宽带光源与单模输入光纤、单模输出光纤；所说的光纤传感装置包括单模输入光纤、单模输出光纤、无芯光纤以及固化在无芯光纤上的生物敏感膜层；所说的样品流路及反应装置包括样品出口、样品入口、流路、液泵、多道阀门、样品池，样品池内排列一根光纤传感器或三维等间距地排列一根以上光纤传感器；所说的信号解调及分析***包括光纤波谱分析仪和光电探测器；所说的控制和数据处理分析***包括信号解调及分析***的信号通过数据采集卡/***连接PC机，数据处理分析***分析、显示、检测过程由计算机控制。
2.根据权利要求1所述的光纤生物传感***，其特征在于所说的由单模输入光纤、单模输出光纤、无芯光纤以及固化在无芯光纤上的生物敏感膜层构成的光纤传感装置，其信号产生方式包括生物亲和型、代谢型和催化型。
3.根据权利要求2所述的光纤生物传感***，其特征在于所说的光纤传感装置中固化在无芯光纤上的生物敏感膜层的偶联载体是在硅基质裸光纤上直接或通过厚度为2nm-500nm的多分子链状或树枝状聚合物膜间接连接上活性功能基团，或具活性功能基团的生物分子，用于偶联生物识别元件。
4.根据权利要求3所述的光纤生物传感***，其特征在于所说的光纤传感装置中固化在无芯光纤上的生物敏感膜层的生物识别元件是针对分析靶标的相对应的核酸适配子及重复使用的核酸适配子。
5.根据权利要求3所述的光纤生物传感***，其特征在于偶联固化在光纤上的生物识别元件包括针对分析靶标的相对应的抗体、天然受体或配体；针对分析靶标所筛选的亲和多肽配体；针对分析靶标的相对应的分子印迹物。
6.根据权利要求1所述的光纤生物传感***，其特征在于所说的包括样品出口、样品入口、流路、液泵、多道阀门、样品池，样品池内排列一根光纤传感器或三维等间距地排列一根以上光纤传感器的样品流路及反应装置由可控温的腔体组成，腔体两端用于光纤接入接出，并具有与光纤连通的样品孔，用于加样、排液和加工。
7.根据权利要求6所述的光纤生物传感***，其特征在于所说的包括样品出口、样品入口、流路、液泵、多道阀门、样品池，样品池内接有一根光纤传感器的样品流路及反应装置由玻璃套管连接两段聚四氟乙烯柱组成，玻璃套管构成可控温的反应池，聚四氟乙烯柱纵向通透，用于光纤接入接出，侧向具有与光纤连通的样品孔，用于加样、排液和加工。
8.根据权利要求1所述的光纤生物传感***，其特征在于所说的包括样品出口、样品入口、流路、液泵、多道阀门、样品池，样品池内排列一根光纤传感器或三维地等间距地排列一根以上光纤传感器的样品流路及反应装置由上下两部分闭合构成，各部分采用微加工技术设计加工微流体通道，形成包括样品入口、样品池、流路、样品出口在内的反应部件。
9.根据权利要求1所述的光纤生物传感***的用途，其特征在于它包括：探测细胞、细菌、病毒、生物大分子、生物小分子、毒素、农药多种物质。
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Legal Events
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| ASS | Succession or assignment of patent right |
Owner name: TIANJIN YIJUN BIOTECHNOLOGY CO., LTD. Free format text: FORMER OWNER: CHINA NATIONAL ACADEMY NANOTECHNOLOGY + ENGINEERING Effective date: 20130106 |
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| C41 | Transfer of patent application or patent right or utility model | ||
| TR01 | Transfer of patent right |
Effective date of registration: 20130106 Address after: 300457, room four, building 80, building C5, Tian Da Science Park, No. fourth, 412 Avenue, Tianjin Development Zone, Tianjin Patentee after: Tianjin Wing Chun Biotechnology Co., Ltd. Address before: 300457 No. fourth, 80 Avenue, Tianjin economic and Technological Development Zone, Tianjin Patentee before: China National Academy Nanotechnology & Engineering |
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Addressee: Tianjin Wing Chun Biotechnology Co., Ltd. Document name: Notification of Termination of Patent Right |
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Granted publication date: 20110608 Termination date: 20150321 |
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