CN109900667B

CN109900667B - 一种全光纤激光型选择性超敏生化传感器

Info

Publication number: CN109900667B
Application number: CN201910198450.9A
Authority: CN
Inventors: 曹忠旭; 姚佰承; 秦琛烨; 郭晏宏; 饶云江
Original assignee: University of Electronic Science and Technology of China
Current assignee: University of Electronic Science and Technology of China
Priority date: 2019-03-15
Filing date: 2019-03-15
Publication date: 2021-08-06
Anticipated expiration: 2039-03-15
Also published as: CN109900667A

Abstract

本发明涉及光学传感、材料科学和生化传感领域，涉及光学传感与微腔传感技术，具体提供一种全光纤激光型选择性超敏生化传感器；本发明在石英毛细管中集成功能化氧化石墨烯薄膜，作为传感的介质材料，依靠功能化氧化石墨烯的荧光共振转移特性和先进的外差探测和锁相放大技术，实现功能化传感外界生化分子的同时，极大提高了生化传感器的传感灵敏度，其传感灵敏度可达到单分子量级；同时，该生化传感器可靠性强、抗抗干扰、信噪比高，该传感器可直接集成于全光纤***中，实现生化传感的阵列检测。

Description

一种全光纤激光型选择性超敏生化传感器

技术领域

本发明涉及光学传感、材料科学和生化传感领域，涉及光学传感与微腔传感技术，具体提供一种全光纤激光型选择性超敏生化传感器。

背景技术

伴随光学传感技术日新月异的发展，光学传感器得到长足进步。光波在波导中传播时，表征光波的特征参量(振幅、相位、偏振态、波长等)因外界因素(如温度、压力、磁场、电场、位移、转动等)的作用而发生变化，从而可以在光学传感器上探测各种物理量。与传统的传感器相比，光学传感器具有传递信息量大、抗电磁干扰能力强、安全可靠、灵敏度高、可构成传感网络等优点，并且能够在高温区、核辐射区等对人类有害或人类无法到达的地方工作；因此，光学传感器越来越受到人们的重视，被广泛应用于建筑结构、仪器仪表、生物医疗、石油勘探等领域。目前，市场上主要的光学传感器产品具有探测波长有限、响应度不高、结构复杂等瑕疵，应用于生物传感领域时，对传感***提出了尺寸微小、抗干扰能力强、可靠性好、灵敏度高的苛刻要求。

虽然光学微腔传感器尺寸较小，可达到微米量级，并且具有极高的品质因子，继而拥有极高的灵敏度；但光学微腔传感器应用于生化传感领域需要克服诸多障碍：激光耦合的稳定性与后续装置的集成封装，以及对待测生化分子的选择性区分；因此，在一定程度上限制了其应用面和实用性。

另一种生化传感领域常用的传感手段为荧光检测；荧光分析方法由于灵敏度高、选择性好、需样量少、方便快速等特点，在生化传感及分析检测中应用十分广泛，如环境监测、食品安全检查以及人体疾病相关的生理指标的诊断分析等等。但荧光检测存在几个不可避免的问题，例如，需要对相关物质进行标记，标记成本高昂，同时标记分子势必会对生化分子的反应进程产生一定的影响；另外，在荧光检测中灵敏度不高，其探测精度普遍为微米级别，无法达到单分子量级，因此限制了其进一步的应用。

氧化石墨烯是石墨烯的一种重要衍生物，是化学还原法制备石墨烯的前驱体，同时在其片层结构的边缘和表面存在多种含氧官能团，例如羧基、羟基、环氧基等；也正是由于该含氧官能团的存在使得功能化氧化石墨烯比石墨烯的水溶性更佳；另外功能化氧化石墨烯具有大面积的共轭结构，可以作为能量受体对多种有机染料发生猝灭，相较于传统的猝灭剂，氧化石墨烯具有更高的猝灭效率。

基于此，本发明提出了一种基于功能化氧化石墨烯的全光纤激光型选择性超敏生化传感器。将功能化氧化石墨烯薄膜集成在微腔传感器腔体内部，摆脱了传统的基于荧光生化检测的无腔传感的限制，与传统的微腔传感器相比，本发明除了具有微腔传感器的探测灵敏度极高的优点外，还就其传感参量选择的功能进行了拓展，能够对于不同分子具有超敏选择性分析，解决了选择性传感待测生化分子与单分子超高灵敏度不能兼顾的难题。

发明内容

本发明的目的在于针对上述存在的问题或不足，为解决现有的生化传感器荧光标记价格高昂、传感精度不高、功能化的选择性实现难度大等问题，本发明提供了一种基于功能化氧化石墨烯的全光纤激光型选择性超敏生化传感器，采用法珀腔体结构，提高了腔内光子与腔内待测生化分子的作用次数，采用功能化的氧化石墨烯薄膜作为敏感层，将腔内通入待测生化分子溶液与罗丹明染料溶液的混合液，利用不同生化分子与粘附在功能化氧化石墨烯薄膜的罗丹明分子的竞争性作用，使得罗丹明分子在功能化氧化石墨烯薄膜上脱落，在自由状态下产生荧光复现，此后光子在法珀谐振腔内不断增益放大产生激光信号，光电转换后，接入电学传感测试***，利用外差探测和锁相放大技术完成信号的提取与测量。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种全光纤激光型选择性超敏生化传感器，包括：1根石英毛细管及2根单模光纤；其特征在于，所述石英毛细管的内壁附着有功能化氧化石墨烯薄膜；所述每根单模光纤的一端端面上沉积有金膜，2根单模光纤以金膜端面向中的方式插接于所述石英毛细管内、共同构成法珀腔结构；所述功能化氧化石墨烯薄膜由部分还原氧化石墨烯薄膜表面粘附H⁺、OH^-或Na⁺离子后形成。

进一步的，所述法珀腔结构的腔体用于存储待测生化分子溶液与罗丹明溶液的混合液，混合液与两端单模光纤的金膜端面构成法珀微腔，所述法珀微腔的Q值≥50万。

进一步的，所述法珀腔结构的腔体长度为5～8毫米；即2根单模光纤的金膜端面之间的间距为5～8毫米。

进一步的，所述金膜的厚度≥30纳米，在可见光波段的反射率≥80％。

进一步的，所述功能化氧化石墨烯薄膜的制备方法，包括以下步骤：

步骤1、将石英毛细管垂直浸入到0.5～3g/L的氧化石墨烯分散液中，利用毛细作用吸取氧化石墨烯分散液；

步骤2、将吸有氧化石墨烯分散液的石英毛细管烘干，烘干完成后将石英毛细管浸入20～50g/L的VC溶液中保持60～80℃的温度水浴加热20分钟以上，还原过程使得氧化石墨烯经VC还原后变为部分还原氧化石墨烯；

步骤3、用清水洗净石英毛细管内残留的VC溶液后再次将石英毛细管烘干，得到内壁附着有部分还原氧化石墨烯薄膜的石英毛细管；

步骤4、将经步骤3的石英毛细管浸入PH＝2的硝酸溶液、PH＝8的氨水或PH＝7的碳酸钠溶液中，在室温下静置3分钟以上，取出用清水洗去残留溶液；使部分还原氧化石墨烯薄膜上粘附有H⁺、OH^-、Na⁺，从而完成部分还原氧化石墨烯的H⁺、OH^-、Na⁺的功能化，即制备得功能化氧化石墨烯薄膜。

更进一步的，所述待测生化分子溶液与罗丹明溶液的混合液中，罗丹明溶液的浓度为100～300微摩尔每升。

本发明的工作过程为：石英毛细管所封装的法珀腔体，作为传感器的主要传感单元，当已沉积功能化氧化石墨烯薄膜的石英毛细管中分别浸入到多巴胺溶液、尼古丁溶液以及单链DNA溶液与罗丹明混合液中，多巴胺分子、尼古丁分子以及单链DNA与罗丹明分子由于与功能化氧化石墨烯上的粘附能力不同，从而产生竞争性置换，处于自由状态的罗丹明分子受到泵浦激光的作用产生荧光信号，作为待测分子浓度相关的传感信号；随着多巴胺分子、尼古丁分子以及单链DNA数目的增加，不同的分子的竞争性置换效果不同，其传感信号也会产生不同；封装在法珀腔体的荧光传感信号在法珀腔内不断谐振放大，最终形成激光出射；出射激光通过镀金单模光纤接入到硅光电探测器中完成光电转换形成电传感信号，同时另一路由信号发生器与放大器产生的800KHz的参考电信号，与电传感信号接入混频器中混频，混合后的电信号将分成两路，其中一路接入自适应滤波器与射频分析仪，测量其不同浓度的电信号的一阶拍频的频差；另一路电信号通入锁相放大器中，设置50KHz的参考信号后完成对信号的锁相放大提取后，接入示波器中，测量其分子直接作用产生的信号强度的变化。

从工作原理上讲，由于多巴胺分子与氧化石墨烯薄膜的粘附能力与PH无关，其在PH等于8和2的环境下能够有效置换出原本粘附在氧化石墨烯上的罗丹明分子，而在Na⁺的环境下，其与氧化石墨烯的粘附能力极差，无法实现与罗丹明分子的置换，从而无法实现罗丹明分子的荧光复现；由于尼古丁分子在PH等于8的环境下，其与氧化石墨烯薄膜的粘附能力最强，能够有效置换出原本粘附在氧化石墨烯上的罗丹明分子，而在PH等于2和Na⁺的环境下，其与氧化石墨烯的粘附能力极差，无法实现与罗丹明分子的置换，从而无法实现罗丹明分子的荧光复现；由于单链DNA分子在Na⁺环境下，其与氧化石墨烯薄膜的粘附能力最强，能够有效置换出原本粘附在氧化石墨烯上的罗丹明分子，而在PH等于8和2的环境下，其与氧化石墨烯的粘附能力极差，无法实现与罗丹明分子的置换，从而无法实现罗丹明分子的荧光复现。由此可见，通过上述对部分还原的氧化石墨烯的功能化，使其具备对多巴胺分子、尼古丁分子以及单链DNA分子分别具有选择性传感的能力。

综上，本发明的有益效果在于：

本发明采用成熟稳定的光学微腔传感原理，结合光光学传感与微腔传感的先进工艺，在石英毛细管中集成功能化氧化石墨烯薄膜，作为传感的介质材料，依靠功能化氧化石墨烯的荧光共振转移特性和先进的外差探测和锁相放大技术，实现功能化传感外界生化分子的同时，极大提高了生化传感器的传感灵敏度，其传感灵敏度可达到单分子量级；同时，该生化传感器可靠性强、抗抗干扰、信噪比高，该传感器可直接集成于全光纤***中，实现生化传感的阵列检测。

附图说明

图1为本发明全光纤激光型选择性超敏生化传感器三维结构图。

图2为本发明的功能化氧化石墨烯石英毛细管的制备流程图。

图3为本发明的选择性传感多巴胺、尼古丁、单链DNA光谱图。

图4为本发明的测得的单分子灵敏度示意图。

图5为应用本发明的传感***图。

具体实施方式

下面将结合附图及实施例对本发明作进一步的描述。

本实施例提供一种基于功能化氧化石墨烯的全光纤激光型选择性超敏生化传感器，其结构如图1所示，法珀腔结构包括石英毛细管、功能化氧化石墨烯薄膜、镀金单模光纤等结构；其中：

所述石英毛细管内径为126微米、长度为1.5厘米，通过对腔内的均匀分布的氧化石墨烯分散液进行烘干—还原—烘干等步骤在内壁沉积部分还原的氧化石墨烯薄膜，具体步骤为：

1)将洁净的石英毛细管垂直浸入到1g/L的氧化石墨烯分散液中，利用毛细作用吸取氧化石墨烯分散液；

2)将吸有氧化石墨烯分散液的石英毛细管置于烘干台上烘干，烘干完成后将石英毛细管浸入30g/L的VC溶液中保持80℃的温度水浴加热30分钟，还原过程使得氧化石墨烯经VC还原后变为部分还原的氧化石墨烯；

3)用清水洗净石英毛细管内残留的VC溶液后再次将石英毛细管置于烘干台上烘干，得到内壁附着有部分还原氧化石墨烯薄膜的石英毛细管；

之后将上述石英毛细管进行离子功能化，具体步骤为：

将按上述要求制备的石英毛细管分别以三种方式进行功能化：浸入PH＝2的硝酸溶液、PH＝8的氨水以及PH＝7的碳酸钠溶液中，H⁺、OH^-、Na⁺与部分还原的氧化石墨烯上的化学键相结合，使部分还原的氧化石墨烯上分别粘附有H⁺、OH^-、Na⁺，从而完成部分还原的氧化石墨烯的H⁺、OH^-、Na⁺的功能化，在室温下静置5分钟，取出用清水洗去残留溶液，得到三种功能化石英毛细管，如图2所示。

基于功能化的石英毛细管，进行选择性测量，具体步骤为：

将采用不同方式功能化的石英毛细管分别浸入浓度为10毫摩尔每升的多巴胺、20毫克每升的尼古丁、100纳摩尔每升的单链DNA和浓度为100微摩尔每升罗丹明混合液中静置5分钟；由于不同待测分子在不同功能化的石英毛细管中与罗丹明分子的竞争能力不同，经H⁺、OH^-功能化的部分还原氧化石墨烯在检测传感多巴胺分子时可发生荧光复现；经OH^-功能化的部分还原氧化石墨烯在检测传感尼古丁分子时可发生荧光复现；经Na⁺功能化的部分还原氧化石墨烯在检测单链DNA分子时可发生荧光复现；不同功能化的石英毛细管能产生不同强度的荧光复现，从而达到选择性传感的目的，因此，当波长为514纳米的激光照射在石英毛细管上时，由荧光共振能量转移特性，未被吸附的罗丹明分子产生荧光信号可通过光谱仪(7)被检测到，通过对荧光强度的记录分析，可以得到对不同分子的选择结果，选择性传感多巴胺、尼古丁、单链DNA的光谱图如图3所示。

而后将腔体进行封装，封装完成后的结构图如图1所示，具体步骤为：

将直径为125纳米的镀金单模光纤1一端用离子溅射法沉积上一层30纳米厚的金膜3、作为法珀腔的腔镜；将功能化的石英毛细管2分别吸取不同浓度的待测物与罗丹明的混合液，然后将镀金单模光纤置于石英毛细管两端，以镀膜端面向中的方式，***石英毛细管中，其间留出一个长8毫米的空隙4存储混合液。

此后，基于外差检测和锁相放大技术，进行灵敏度测量，传感***如图5所示，将出射波长为514纳米的激光器5发射的激光照射在传感器6上时，由于待测物分子更易与石英毛细管内壁沉积的部分还原的功能化氧化石墨烯结合，因此罗丹明分子将不会粘附在功能化氧化石墨烯上而处于自由状态，由于泵浦激光的作用，罗丹明分子产生荧光信号，在法珀腔内发生多次谐振增益放大后产生激光出射，通过镀金单模光纤接入到硅光电探测器8中完成光电转换形成电传感信号，同时另一路由信号发生器9与放大器10产生的800KHz的参考电信号，与电传感信号接入混频器11中混频，混合后的电信号将分成两路，其中一路接入自适应滤波器12与射频分析仪13，测量其不同浓度的电信号的一阶拍频的频差；另一路电信号通入锁相放大器15中，设置50KHz的参考信号14后完成对信号的锁相放大提取后，接入示波器16中，测量其分子直接作用产生的信号强度的变化，测量结果如图4所示；由图可知，不同数量的多巴胺、尼古丁和单链DNA分子在氧化石墨烯上的脱离或者吸附行为产生强度不同的阶梯状信号。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，本说明书中所公开的任一特征，除非特别叙述，均可被其他等效或具有类似目的的替代特征加以替换；所公开的所有特征、或所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以任何方式组合。

Claims

1.一种全光纤激光型选择性超敏生化传感器，包括：1根石英毛细管及2根单模光纤；其特征在于，所述石英毛细管的内壁附着有功能化氧化石墨烯薄膜；所述每根单模光纤的一端端面上沉积有金膜，2根单模光纤以金膜端面向中的方式插接于所述石英毛细管内、共同构成法珀腔结构；所述功能化氧化石墨烯薄膜由部分还原氧化石墨烯薄膜表面粘附H⁺、OH^-或Na⁺离子后形成；所述法珀腔结构的腔体用于存储待测生化分子溶液与罗丹明溶液的混合液，混合液与两端单模光纤的金膜端面构成法珀微腔。

2.按权利要求1所述全光纤激光型选择性超敏生化传感器，其特征在于，所述法珀微腔的Q值≥50万。

3.按权利要求1所述全光纤激光型选择性超敏生化传感器，其特征在于，所述法珀腔结构的腔体长度为5~8毫米。

4.按权利要求1所述全光纤激光型选择性超敏生化传感器，其特征在于，所述金膜的厚度≥30纳米，在可见光波段的反射率≥80%。

5.按权利要求1所述全光纤激光型选择性超敏生化传感器，其特征在于，所述功能化氧化石墨烯薄膜的制备方法，包括以下步骤：

步骤1、将石英毛细管垂直浸入到0.5~3g/L的氧化石墨烯分散液中，利用毛细作用吸取氧化石墨烯分散液；

步骤2、将吸有氧化石墨烯分散液的石英毛细管烘干，烘干完成后将石英毛细管浸入20~50g/L的VC溶液中保持60~80℃的温度水浴加热20分钟以上，还原过程使得氧化石墨烯经VC还原后变为部分还原氧化石墨烯；

步骤4、将经步骤3的石英毛细管浸入PH=2的硝酸溶液、或PH=8的氨水、或PH=7的碳酸钠溶液中，在室温下静置3分钟以上，取出用清水洗去残留溶液，制备得功能化氧化石墨烯薄膜。

6.按权利要求1所述全光纤激光型选择性超敏生化传感器，其特征在于，所述待测生化分子溶液与罗丹明溶液的混合液中，罗丹明溶液的浓度为100~300微摩尔每升。