CN104020160A - 用于化学发光传感检测的空芯光纤传感腔 - Google Patents

Abstract

本发明属于传感检测技术领域，具体为用于化学发光传感检测的空芯光纤传感腔。该传感腔是在基管内壁上镀上一层均匀的反射层金属膜，再在该金属膜上镀制包埋了催化酶HRP的溶胶-凝胶膜而形成的一个多层膜结构；纤芯为反应溶液，该反应溶液含有待测物质。在催化酶的作用下反应溶液发生化学反应，并发出可见光，光信号经光纤传感腔内壁金属膜的反射，传输到光纤末端的探测器转变为电信号，从而实现对反应溶液中待测物质含量的检测。由于化学发光向周围扩散，采用空芯镀膜光纤收集光信号，增加了光信号收集和耦合效率；同时采用化学发光，省却了光源激发，大大降低背景噪声。

Description

用于化学发光传感检测的空芯光纤传感腔

技术领域

本发明属于传感检测技术领域，具体涉及一种化学发光传感检测的传感腔。

背景技术    

化学发光反应过程中伴随的一种光辐射现象，基于化学发光的检测技术，主要是依据化学检测体系中待测物浓度与体系的化学发光强度在一定条件下呈定量线性关系的原理，利用仪器检测化学发光强度，从而确定待测物含量。其优点在于，不需要额外光源激发，背景噪声低，检测灵敏度高，甚至可以实现单分子检测，目前广泛应用在临床、环境、病理等检测领域。然而化学发光是四周发散，传统的光敏接受面是平面类型，大部分化学发光信号无法被有效接受，大大降低了光检测的效率，光耦合效率很低。

空芯光纤（hollow fiber，HF）作为一种有发展前景的特种光纤，具有结构简单、易于制造、柔韧性好等优点，在红外传能方面有着重要的应用。同时由于中空的特点，空芯光纤在传感检测方面也有着很多应用，如气体、液体浓度传感等。传统光纤气体传感***中的实芯光纤只是作为光传输媒介，多为非敏感元件，需要另外连接传感腔。空芯光纤则可以同时作为传感腔和光传导介质，在降低耦合损耗和提高灵敏度方面有很好的表现。

本发明结合溶胶-凝胶固定化酶方法和介质膜空芯光纤，提出了一种将溶胶-凝胶敏感膜镀制在空芯光纤内壁的新型化学发光传感腔，采用鲁米诺（luminol）-过氧化氢（H₂O₂）-辣根过氧化物酶（horseradish peroxidase，HRP）化学发光***实现对特定物质的高灵敏检测，该***的很好的稳定性和实用性。

发明内容    

本发明的目的在于提出一种稳定性好，实用性强，用于化学发光传感检测的空芯光纤传感腔。

本发明提出的用于化学发光传感检测的空芯光纤传感腔，是化学发光和空芯光纤技术相结合，在空芯光纤传感腔内有纤芯；其中，所述空芯光纤传感腔，是在基管内壁上镀上一层均匀的反射层金属膜，再在该金属膜上镀制包埋了催化酶HRP（辣根过氧化酶）的溶胶-凝胶膜而形成的一个多层膜结构；所述纤芯为反应溶液，该反应溶液含有待测物质。在催化酶的作用下反应溶液发生化学反应，并发出可见光，光信号经光纤传感腔内壁金属膜的反射，传输到光纤末端的探测器转变为电信号，从而实现对反应溶液中待测物质含量的检测。由于化学发光向周围扩散，采用空芯镀膜光纤收集光信号，增加了光信号收集和耦合效率；同时采用化学发光，省却了光源激发，大大降低背景噪声。

本发明中，所述基管的材料可为玻璃、石英或有机塑料等。基管内壁镀上的反射层金属膜可以为金膜或银膜等。所述溶胶-凝胶膜可为多孔二氧化硅敏感膜。

本发明提出的空芯光纤传感腔的制备方法，具体步骤为：

首先，按现有镀膜工艺，在基管内壁上镀一层均匀的反射层金属膜；

然后，在反射层金属膜上再镀制包埋催化酶HRP的多空二氧化硅敏感膜。

本发明中，镀制包埋催化酶HRP的多空二氧化硅敏感膜的具体操作如下：将正硅酸乙酯（TEOS）、水和HCl溶液混合搅拌2.5-3.5小时得到储备液；将HRP（酶活力≥250U/mg）溶于pH=6.0的磷酸盐缓冲液（PBS）中，再与储备液充分混合后得到溶胶-凝胶液，随即进行液相镀膜。

液相镀膜时，采用由下向上的浸润方式来保证光纤内壁均匀地接触溶胶-凝胶液，液膜在室温下快速凝固成膜。敏感膜厚度适中，如果膜太厚，容易开裂或整体脱落，如果太薄，则包埋的酶分子量有限且无法保护银膜。液相流动速度是控制镀膜厚度的关键，采用5.0-7.0cm/min的流速可以镀制出较为理想膜厚的溶胶-凝胶膜。

检测时，将含有待测物质的反应溶液导入空芯光纤传感腔中。

本发明具有突出的实质性特点和显著的技术进步,具体体现在:

本发明采用空芯光纤传导光信号，避免周围杂散光对检测结果的影响；由于光纤本身具有远距离传输光信号的特点，可以实现对特定目标的遥测和在线检测；另外空芯光纤可以从各个角度收集化学发光产生的光信号，然后耦合至光电探测器，大大提高化学发光信号的检测灵敏度。

附图说明

图1用于新型化学发光传感检测***的空芯光纤。

图2 基于空芯光纤的化学传感***。

图3 以镀银空芯光纤作为传感腔时不同过氧化氢浓度下的化学发光谱。

图4以镀银空芯光纤作为传感腔时光强与过氧化氢浓度的关系。

图5基于空芯光纤的化学传感***检测市售某眼睛护理液中过氧化氢浓度与中和反应时间关系。

图中标号： 1.基管，2. 金属层（银层或者其他反射层），3.包埋有HRP的溶胶-凝胶膜，4.液体纤芯。

具体实施方式   

实施例1

取内径为1mm的镀银空芯光纤作为基管1，通过化学镀膜方式在空芯光纤内壁堵上反射层金属银膜2。溶胶-凝胶层的制备方法如下：首先配置储备液，将正硅酸乙酯（TEOS）2.2mL、水0.7mL和0.1mol/L的HCl溶液0.5 mL混合搅拌3小时即可，在4℃的环境下可密闭保存约3天。将1mgHRP（酶活力≥250U/mg）溶于0.5 mL pH=6.0的磷酸盐缓冲液（PBS）中，再与0.5 mL储备液充分混合后得到溶胶-凝胶液；使用由下向上的浸润方式，使得光纤内壁均匀地接触溶胶-凝胶液3，液膜在室温下快速凝固成膜。溶胶-凝胶溶液流动速度是镀膜的关键，溶液流动速度越大，膜厚越大，容易开裂或整体脱落，如果太薄，则包埋的酶分子量有限且无法保护银膜。因此膜厚需要在一个合适的范围内，采用6.5cm/min的流速可以镀制出较为理想的溶胶-凝胶膜3，老化后保存在水或者PBS缓冲液中可以保持长时间的内膜完整和HRP活性。

传感检测***见图2。蠕动泵将Luminol和H₂O₂溶液以同速率导入传感腔，二者接触多孔溶胶-凝胶膜中的HRP分子，发生化学反应发出中心波长为425nm的蓝光。流动的液体作为空芯光纤的内芯，同时产生并传播光信号。空芯光纤传感检测***的另一个端口将光信号通过透明窗片传导出去，经过透镜提高耦合效率后进入多模光纤（MMF），最后导入探测器并传送到电脑进行数据处理，另一方面将液体隔绝排出，从而保持光纤中液体流动的稳定性，避免耦合元件被液体污染。

实施例1制备的基于空芯光纤的新型化学发光传感检测***，用于隐形眼镜护理液中过氧化氢浓度。使用传感***对某市售护理液的中和过程进行检测，在3~9h的时间里每隔半小时采样一次，测量到的H₂O₂浓度与中和反应时间的关系如图5所示。在6h以后，H₂O₂浓度降低至一个较低的值，说明中和反应完成，消毒结束。

为了验证测量结果的精确度，选取几组数据测量3次并且进行了回收实验，结果如表1所示。

表1 隐形眼镜护理液中过氧化氢浓度回收率的测定

                                                。

Claims (7)

1.一种用于化学发光传感检测的空芯光纤传感腔，其特征在于，空芯光纤传感腔是在基管内壁上镀上一层均匀的反射层金属膜，再在该金属膜上镀制包埋了催化酶HRP的溶胶-凝胶膜而形成的一个多层膜结构；在空芯光纤传感腔内有纤芯，纤芯为反应溶液，该反应溶液含有待测物质。

2.根据权利要求1所述的空芯光纤传感腔，其特征在于所述的基管材料为玻璃、石英或有机塑料。

3.根据权利要求1所述的空芯光纤传感腔，其特征在于所述的反射层金属膜为金膜或银膜。

4.根据权利要求1所述的空芯光纤传感腔，其特征在于所述的溶胶-凝胶膜为多孔二氧化硅敏感膜。

5.一种如权利要求1所述的空芯光纤传感腔的制备方法，其特征在于具体步骤为：

首先，按现有镀膜工艺，在基管内壁上镀一层均匀的反射层金属膜；

然后，在反射层金属膜上再镀制包埋催化酶HRP的多空二氧化硅敏感膜。

6.根据权利要求5所述的空芯光纤传感腔的制备方法，其特征在于镀制包埋催化酶HRP的多空二氧化硅敏感膜的具体操作如下：将正硅酸乙酯、水和HCl溶液混合搅拌2.5-3.5小时得到储备液；将HRP溶于pH=6.0的磷酸盐缓冲液中，再与储备液充分混合后得到溶胶-凝胶液，随即进行液相镀膜。

7.根据权利要求6所述的空芯光纤传感腔的制备方法，其特征在于液相镀膜时，采用由下向上的浸润方式来保证光纤内壁均匀地接触溶胶-凝胶液，液膜在室温下快速凝固成膜；液相镀膜时，控制液相流速为5.0-7.0cm/min。