CN103994978A - 非标记光反射干涉光纤生物传感器 - Google Patents

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于源华
张昊
张淑华
张晓�
金丽红
冀伟
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Abstract

一种非标记光反射干涉光纤生物传感器，属于生化设备技术领域，其特征是：采用全波段卤钨灯做为光源，通过透镜准直器将宽波段光耦合入光纤；采用“Y”型光纤耦合器，及与光源连接的源光纤，与光纤探头连接的传输光纤以及与后分光***连接的检测光纤；光纤探头由多模光纤构成，生物分子层；入射光将在端面的高折射率层和生物分子层发生两次反射，后分光***由入射狭缝、凹面镜、光栅和阵列接收器组成，通过信号采集器件实现对待测信号的检测。有益效果是：1、利用光干涉原理及生物分子间的相互作用原理，样品无需标记和纯化，保证了检测的稳定性和准确性。2、检测时无需添加其他试剂。3、可以直接、实时、原位地检测动态过程，能够同时实现待检测物质的有无的检测。4、适用于在现场对样本进行测量。5、人机交互，操作更加简单。

Description

非标记光反射干涉光纤生物传感器
技术领域
本发明属于生化设备技术领域，涉及一种生物、医学、农业、食品等领域中的待测样本的检测仪器。
背景技术
光纤生物传感器以光纤作为传导介质并收集信号来进行检测，能够适应极端恶劣环境，不受电磁干扰，耐腐蚀，传输信号安全，损耗低，具有非破坏和使用简便等特点而受到广泛关注。在光纤生物传感器中，应用最广泛的是光纤倏逝波生物传感器，该传感器利用光波在光纤中以全反射的方式传输时在光纤探头处产生倏逝波，该倏逝波激发传感器探头表面上连接的标记有荧光分子的生物物质，产生荧光信号，从而实现待测物质的有无及浓度测定。然而倏逝波场能量小,激发出的荧光信号微弱；待检测样品需要荧光标记，但荧光标记稳定性差；倏逝波不仅能够检测传感器表面，还能够深入到检测样本溶液中，对传感信号的稳定性产生巨大干扰。
发明内容
本发明的目的是：提供一种非标记光反射干涉光纤生物传感器，它可实现原位、快速、灵敏的检测生物分子相互作用参数，生物分子及小分子有无、抗体及其他蛋白质、DNA、小分子的浓度等。
本发明的技术方案是：
通过对干涉曲线的分析来检测待测样本中生物分子的有无、浓度及生物分子相互作用的动力学参数。该光纤生物传感器包括光源、光耦合***、光纤探头、后分光***、样本承载机构以及控制***六个部分组成。
采用全波段卤钨灯做为光源，通过透镜准直器将宽波段光耦合入光纤；
采用“Y”型光纤耦合器，及与光源连接的源光纤，与光纤探头连接的传输光纤以及与后分光***连接的检测光纤；
光纤探头由多模光纤构成，远端处分三层：1、高折射率干涉层；2、化学试剂修饰层，它具有生物兼容性；3、生物分子层。入射光将在端面的高折射率层和生物分子层发生两次反射，两次反射形成的干涉光经Y型光纤一端进入后分光***；
后分光***由入射狭缝、凹面镜、光栅和阵列接收器组成，光源发出的光经过准直后直接照射到光纤探头表面，反射光经过准直汇聚后照射到后分光光学***中，通过信号采集器件实现对待测信号的检测；
样本承载机构的主要功能是在实验过程中，用于放置待测样本，同时通过一定的机构使待测样本处于均相状态；
嵌入式控制***的主要作用是解析后分光光学***输出的各波段干涉光强信息，得到检测项目所需的各项指标，如待检检测物有无以及结合/解离速率等。
人机交互***由显示屏和打印机组成，实现人机交互，用户可设置关键参数，并根据屏幕上的提示进行相关的操作；观察测试流程、显示状态曲线，通过打印机输出检测报告。
光纤类型为多模光纤芯，芯径400μm，波段为200-1100nm，三端皆为标准连接机构。
本发明的有益效果是：
1、利用光干涉原理及生物分子间的相互作用原理，发明一种非标记光反射干涉光纤生物传感器，样品无需标记和纯化，保证了检测的稳定性和准确性。
2、检测时无需添加其他试剂，直接加入样本即可进行检测，所需的样本量小，处理简单，响应快，易实现自动化。
3、可以直接、实时、原位地检测动态过程，能够同时实现待检测物质的有无、浓度及生物分子相互作用参数的检测。
    4、体积小，重量轻，便于携带，适用于在现场对样本进行测量。
    5、采用触摸屏进行人机交互，操作更加简单；测量结果可通过打印机实时打印。
    6、可实现单机测量，无需联接PC机。
附图说明
    图1是设备结构原理框图；
    图2是光源耦合光路图；
    图3是***光路示意图；
    图4是光纤探针远端示意图；
    图5是后分光***图；
    图6是控制***框图。
具体实施方式
它是一种利用光干涉原理及生物分子间的相互作用原理，将与待测生物分子互补的配体固定于光纤传感***的光纤探头表面形成生物层，当在反应池中加入该类生物分子后，光纤探头表面生物层的厚度将产生改变，当具有一定带宽的可见光入射光纤探头的生物层时，根据薄膜干涉的简化模型和光线反射折射定律，入射光线在生物层表面被分成两部分，形成第一部分反射光，进入生物层的透射部分在生物层的第二个界面产生反射，形成第二部分反射光，光束垂直入射时，两部分反射光形成干涉波，被光谱仪所检测，相互作用发生时，生物层厚度增加，反射光干涉光谱曲线会整体向波长增长方向移动，当相互作用分子发生结合或解离过程时，都会导致干涉曲线的漂移。
通过对干涉曲线的分析来检测待测样本中生物分子的有无、浓度及生物分子相互作用的动力学参数。该光纤生物传感器包括光源、光耦合***、光纤探头、后分光***、样本承载机构以及控制***六个部分组成。 
实施例1：
下面结合附图对本发明做进一步说明：
如图1所示，本发明是非标记光反射干涉光纤生物传感器由光源组件100、光耦合***200、光纤探头300、后分光光学***400、嵌入式控制***500、
样本承载机构600、人机交互***700和供电电源800共8部分组成。
    其中各光学组件100、200、300和400，通过标准连接机构相连。整体无运动机构。光源组件100发出的全波段光，经入射光纤202进入光纤探头300，分别在光纤301和化学试剂修饰层303两个端面发生反射，两束反射光经干涉后，原路返回，在Y型光纤节点处一分为二，其中一部分干涉光经出射光纤202，进入后分光光学***400，经过光栅403分光，各波段干涉光强被阵列CCD405接收，光信号转变为电信号，电信号经嵌入式控制***500处理，通过人机交互***700输出光纤探头300远端端面厚度信息。
 图2是光源耦合光路图，其中，101是光源、102是凸透镜、201是光纤A，主要原理是利用凸透镜102的聚焦功能，将光源101发出的光聚焦到纤芯端面，提高光源利用效率，同时降低直接耦合的装配难度。
图3是***光路示意图，其中，200是光耦合***，201入射是光纤、202是出射光纤、203是传导光纤，其中光耦合***200中，所用光纤均为多模光纤，利用光学检测手段，将入射光纤201和出射光纤202的端面与传导光纤203的端面进行精确对准，保证入射光纤201、出射光纤202与传导光纤203之间的高效耦合，各个光学组件之间通过标准连接件相连与其他设备实现高效光耦合。如图示，光源100发出的光途径入射光纤201耦合入传导光纤203，在光纤探头300远端的两个膜层处发生两次反射，两束反射光在传导光纤203耦合，并在耦合节点处一份为二，其中一部分经出射光纤202进入后分光光学***400，在后分光光学***400处完成光电转换，所得电信号经后续***处理，向外输出干涉信息。
 图4是光纤探针远端示意图，其中,401是一个长度较短的光纤D,它的近端耦合到Y型光纤，远端是光纤探头的生物分子作用端。生物分子作用端包括402高折射率干涉层；403化学试剂修饰层，它具有生物兼容性；404生物分子层。405是与生物分子层相结合的待测物。高折射率干涉层为第一反射面，采用折射率高于光纤纤芯折射率的材料制备而成；生物分子层为第二反射面，是一层能够与待测样本特异性结合的生物分子。a为入射光，b为第一反射光，c为第二反射光。
光纤探针的制备重点是光纤远端的纤芯端面前处理，处理过程主要五步：
（1）光纤处理：探针中所用光纤手工切割成40mm长，采用光纤透镜抛光方法将端面抛光。
（2）高折射率干涉层的制备：该层为高折射率材料，由离子束辅助物理气相沉积涂布机制备成小分子膜层，厚度为nm量级。
（3）SiO2层的制备：采用离子束溅射技术制备SiO2层，厚度小于1000nm。
（4）化学试剂修饰层：方法1直接在高折射率干涉层表面修饰具有生物兼容性的高分子聚合物，能够与生物分子通过特异性吸附相结合。方法2在高折射率干涉层表面采用离子束溅射技术制备SiO2层，采用合适的硅烷偶联剂在SiO2表面修饰极性基团，生物分子与极性基团通过共价键相结合。
（5）固定抗体层：该层对待检测抗原具有高特异性，通过特异性吸附、共价键结合等方式与化学试剂修饰层实现绑定。该抗体层即为图4中序号304。
（6）固定抗原层：抗原通过特异性吸附，与固定抗体层中的特异性抗体相结合。
该抗体层即为图4中序号305。
图5是后分光***，复合干涉光经入射夹缝401进入到后分光***中，经凹面镜402准直后，照射到光栅表面，复色光经光栅403分光后，各波长的光经凹面镜404整形匹配，被线阵CCD405对应的像元接收，实现光信号到电信号的转换，并向外输出各个波长的干涉光强信息。
图6是嵌入式控制***，为程序控制***。其中701是显示屏、702是热敏打印机，采用外接电源适配器供电；由后分光光学***400输入的各波段干涉光强信息在该***中完成拟合，并根据所得到的的强度/波长曲线，解析出检测项目所需的检测结果，检测结果在人机交换***700中的显示屏701显示，相关检测报告通过内置热敏打印机702输出，打印结果能够长久保留；后分光光学***在检测时需要设置的相关参数，如积分时间等，通过显示屏701输入。

Claims (2)

1.一种非标记光反射干涉光纤生物传感器，其特征是：
采用全波段卤钨灯做为光源，通过透镜准直器将宽波段光耦合入光纤；
采用“Y”型光纤耦合器，及与光源连接的源光纤，与光纤探头连接的传输光纤以及与后分光***连接的检测光纤；
光纤探头由多模光纤构成，远端处分三层：（1）、高折射率干涉层；（2）、化学试剂修饰层，它具有生物兼容性；（3）、生物分子层；入射光将在端面的高折射率层和生物分子层发生两次反射，两次反射形成的干涉光经Y型光纤一端进入后分光***；
后分光***由入射狭缝、凹面镜、光栅和阵列接收器组成，光源发出的光经过准直后直接照射到光纤探头表面，反射光经过准直汇聚后照射到后分光光学***中，通过信号采集器件实现对待测信号的检测。
2.如权利要求1所述的一种非标记光反射干涉光纤生物传感器，其特征是：光纤类型为多模光纤芯，芯径400μm，波段为200-1100nm，三端皆为标准连接机构。
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