多探頭光纖倏逝波生物傳感器的製作方法

2023-06-12 15:42:41

專利名稱：多探頭光纖倏逝波生物傳感器的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種多探頭光纖倏逝波生物傳感器，該傳感器在生物醫學、食品檢驗、環境監測等領域得到廣泛應用，它可以探測荷爾蒙、汙染物質、有毒物質、爆炸品、脫氧核糖核酸(DNA)、病毒、各種細菌(如炭疽熱、大腸桿菌O157等)等多種生物物質，還可以監測生物反應的動態過程。
在先技術中，由美國猶他大學(University of Utah)D.E.Yoshida等人發表在SPIE第904卷第57～62頁的一個光纖倏逝波生物傳感器的結構如

圖1所示。該傳感器主要由雷射激發光路和螢光接收光路組成。其中的雷射激發光路由雷射光源1、平面反射鏡2、分色鏡3、耦合透鏡4、光纖5組成，耦合透鏡4的焦點位於光纖5的輸入端面501，光纖5置於樣品池6的樣品601中；螢光接收光路主要由耦合透鏡4、分色鏡3、螢光濾光片7、聚焦透鏡8、光電探測器9和計算機10組成，分色鏡3的表面與螢光接收光路的光軸成45°角。
上述在先技術的缺點是1.螢光激發效率低。由雷射光源1輸出的雷射束通過耦合透鏡4聚焦後進入光纖5，進入光纖5的雷射束數值孔徑小，光束在光纖5內的反射次數少；而且，進入光纖5的雷射束的入射角範圍是從0°開始的，因為光線角度越小，強度越大，而角度越小的光線的激發效率越低。同時小角度光線在光纖內的反射次數少，且穿透深度小，激發範圍小。
2.光能利用率低。雷射束從光纖5輸入端面501進入，從輸出端面503射出，這部分光沒有被再利用。所以雷射束的利用率只有50％。
3.螢光接收效率低。被雷射束激發出的螢光信號從光纖5的兩端出射，而從圖1的結構中看出，只有從光纖5輸入端面501出射的螢光信號被接收，從輸出端面503出射的螢光信號並沒有被收集，因此對螢光的接收效率也只有總信號的50％。
上述三個原因導致在先技術的探測靈敏度較低，只有1.4×10-8摩爾/升。
4.探測效率低。該傳感器的樣品池6中只有一根光纖，一次只能探測樣品601中的一種生物物質。
本發明的技術解決方案如下一種多探頭光纖倏逝波生物傳感器，包含有雷射激發光路和螢光接收光路，其特點是①所述的雷射激發光路，包括雷射光源，沿該雷射光源發出的光束前進方向上，依次設置有第一錐形鏡、第二錐形鏡、分色鏡、耦合透鏡和光纖，該耦合透鏡的焦點與光纖輸入端面的中心重合；②所述的螢光接收光路，從光纖出發，依次為耦合透鏡、分色鏡、螢光濾光片、聚焦透鏡、光闌和光電探測器；③所述雷射激發光路的光軸OO與螢光接收光路的光軸O1O1相互垂直，且均與分色鏡的表面成45°；④還有樣品流路，由樣品池、樣品入口、樣品出口和液泵組成，所述的樣品池內可一維地等間距地排列多根光纖；⑤還有掃描驅動系統，由計算機和帶可控驅動的移動平臺組成，樣品池置於該移動平臺上；⑥所述的計算機用於採集光電探測器輸出的電信號並進行數據處理，該計算機還控制移動平臺和液泵的工作，以完成多根光纖螢光信號的掃描檢測。
所述的第一錐形鏡的前表面為平面，後表面為凹面，第二錐形鏡的前表面為凸面，後表面為平面，兩錐形鏡的圓錐面的母線與平面的夾角為θ，該θ的取值範圍為5°～45°，兩錐形鏡頂點之間的距離L的取値範圍為5mm～20mm。
所述的光纖為多根多模光纖，且每根光纖的一部分包層被除掉，露出芯線，每根芯線的表面固定有不同的生物識別分子。
所述的光纖輸出端面鍍有寬帶反射介質薄膜。
所述的光闌位於光纖輸入端的共軛面處。本發明與在先技術相比具有下列技術效果1.螢光激發效率高。一方面，圓形高斯光束通過第一錐形鏡和第二錐形鏡變成環形光束後再被耦合透鏡聚焦於光纖的輸入端面，從而增大了雷射束在光纖內的入射角，使雷射束在光纖內的反射次數增多，能夠激發出更多的螢光能量；另一方面，在光纖內光線的入射角越大，它的倏逝波穿透深度越大，對光纖表面螢光染料的激發範圍越大，這同樣可以激發出更多的螢光能量。
2.光能利用率高。光纖的輸出端面鍍有寬帶介質全反射膜，將入射到該端面的激發雷射束反射回到光纖內，兩次激發螢光，使光能利用率提高1倍。
3.螢光接收效率高。光纖的鍍有寬帶介質全反射膜的輸出端面不僅可以反射激發雷射束，而且可以把傳輸到光纖輸出端面的螢光反射回到光纖，經光纖傳輸後再進入螢光接收光路，使螢光接收效率也提高1倍。所以，本發明的總螢光信號強度是在先技術的4倍。
4.檢測效率高。本發明的樣品池內同時放置了多根光纖，不同的光纖芯線表面固定了不同的生物識別分子，所以一次可探測一個樣品中多種生物物質。而在先技術的樣品池6內只有一根光纖，一次只能探測樣品中的一種生物物質。如果本發明的樣品池6內放置了多根表面固定了不同生物識別分子的光纖，則本發明的檢測效率是在先技術的多倍。
圖2是本發明多探頭光纖倏逝波生物傳感器的結構示意圖。
圖3是本發明多探頭光纖倏逝波生物傳感器中的第一錐形鏡11與第二錐形鏡12組成的光束變換器光路示意圖。
圖4是本發明多探頭光纖倏逝波生物傳感器中第一錐形鏡11入射面處圓形高斯光束AA與第二錐形鏡11出射面處環形光束BB的橫截面示意圖。其中圖4-1是第一錐形鏡11入射面處圓形高斯光束AA的橫截面示意圖，圖4-2是第二錐形鏡12出射面處環形光束BB的橫截面示意圖。
在雷射激發光路上，沿著雷射光源1發出的圓形高斯光束AA前進方向上，依次置有第一錐形鏡11、第二錐形鏡12、分色鏡3、耦合透鏡4、光纖5，耦合透鏡4的焦點與光纖5輸入端面501的中心重合。在螢光接收光路上，從光纖5出發，依次置有耦合透鏡4、分色鏡3、螢光濾光片7、聚焦透鏡8、光闌13、光電探測器9。雷射激發光路的光軸OO與螢光接收光路的光軸O1O1相互垂直，且均與分色鏡3的表面成45°角。樣品流路由樣品池6、樣品入口602、液泵14和樣品出口603組成。樣品池6內放置多根光纖，多根光纖一維等間距排列，各光纖輸入端面的中心點位於一條直線上。樣品池6內的樣品601中的生物分子標記了螢光染料。樣品池6內與被測樣品601接觸的光纖5是去掉包層且表面置有生物識別分子的光纖芯線502，光纖輸出端面503鍍全反射光學薄膜。掃描驅動系統有計算機10和移動平臺15組成。樣品池6置於移動平臺15上面，與移動平臺15一起沿多根光纖5的排列方向作一維掃描運動。計算機10用於採集光電探測器9輸出的電信號、控制移動平臺15作一維掃描運動及液泵14吸入樣品。
從本發明的結構圖2和在先技術的結構圖1比較，本發明的特點就是在雷射光源1與分色鏡3之間的雷射激發光路上置有第一錐形鏡11和第二錐形鏡12，這兩個錐形鏡組成光束變換器；樣品池6內放置了多根光纖5；光纖輸出端面503鍍有全反射光學薄膜；樣品池6置於移動平臺15之上，在計算機10控制下樣品池6與移動平臺15一起沿多根光纖5的排列方向作一維掃描運動，實現對多根光纖表面螢光信號的掃描檢測。
所說的第一錐形鏡11和第二錐形鏡12置於雷射激發光路上的雷射光源1與分色鏡3之間，兩錐形鏡11、12的圓錐面的旋轉中心位於雷射激發光路的光軸OO上。第一錐形鏡11的前表面為平面，後表面為凹面。第二錐形鏡12的前表面為凸面，後表面為平面。兩個錐形鏡圓錐面的母線與平面之間的夾角均為θ，如圖3所示。這兩個錐形鏡11、12組成一個光束變換器，把圓形雷射束變換成環形雷射束，即把入射於第一錐形鏡11前表面上的半徑為a的圓形高斯光束AA由第二錐形鏡12出射時，被變換為內半徑為r、外半徑為R的環形光束BB，其寬度(R-r)＝a；環形光束BB的內半徑r、外半徑R與兩個錐形鏡11、12頂點間的距離L有關，但其環寬度(R-r)保持不變，始終等於a。如圖4所示。R與θ、L及錐形鏡折射率n之間的關係由下式決定r＝sin2θ[ncosθ/(1-n2sin2θ)1/2-1](L/2)。通常情況下，θ為5°≤θ≤45°，L為5mm≤L≤20mm。改變θ、L中的一個參數，或同時改變θ和L兩個參數，可改變環形光束BB的內外徑尺寸。
環形光束BB經耦合透鏡4聚焦後進入光纖5，離開中心越遠的光線的入射角越大。這種環形光束可以大大提高對螢光的激發效率，一是因為入射角越大的光線在光纖5內反射次數越多，也就增加了對螢光物質的激發次數，從而可以激發出較多的螢光能量；二是因為光線入射角越大，其倏逝波的穿透深度越大，這也就增大了對螢光物質的激發範圍，同樣可以激發較多的螢光能量。
所說的光纖5是多模粗光纖，其中一部分包層被去除，露出芯線502，芯線502表面置有生物識別分子，表面帶有生物識別分子的光纖芯線502置於樣品池6內。樣品池6內置有標記了螢光染料的被測樣品601。當光纖芯線502表面的生物識別分子與樣品池6內的被測樣品601之間發生特異性結合時，螢光染料也一起附著於光纖芯線502表面，在雷射束激發下，螢光染料發出螢光。
光纖輸出端面503鍍有寬帶全反射介質薄膜，用於將激發雷射和螢光反射回去，以提高雷射激發效率和螢光的接收效率。雷射束被反射回到光纖5後，又一次激發光纖芯線502表面的螢光染料，使激發雷射束的利用率提高1倍；螢光也被反射回光纖5並通過光纖5傳輸後，進入螢光接收光路，使螢光接收效率提高1倍。所以在光纖輸出斷面503鍍寬帶全反射介質薄膜後，本發明的光電探測器9接收到的總的螢光信號強度是在先技術的4倍。
所說的樣品池6內放置了多根光纖5，多根光纖一維等間距排列，各光纖輸入端面的中心點位於一條直線上，即X軸上。不同的光纖芯線表面固定了不同的生物識別分子，通過移動平臺15的一維掃描運動，可測得各光纖芯線表面的螢光染料的濃度，也就是樣品池6內對應的某種被測生物物質的濃度。所以一次可探測一個樣品中多種生物物質的濃度。
本發明的樣品流路中有液泵14，樣品池6具有樣品入口602、樣品出口603，在液泵14的作用下，可以將被測樣品吸入樣品池6，或將測試完畢的樣品排出樣品池6，以便更換樣品、漂洗樣品池6。
本發明的多探頭光纖倏逝波生物傳感器的工作過程分三步進行第一、光纖和樣品的準備將芯線表面帶有生物識別分子的多根光纖插入樣品池6，液泵14在計算機10的控制下將樣品吸入樣品池6內。第二、單根光纖螢光信號的檢測由雷射光源1發出的圓形高斯光束AA經第一錐形鏡11和第二錐形鏡12變換成環形光束BB，經分色鏡3反射並使光束前進方向偏轉90°後，射向耦合透鏡4。耦合透鏡4將環形光束BB聚焦於光纖5的輸入端面501，雷射束進入光纖5後在光纖5內經多次反射後到達輸出端面503，又被輸出端面503按原路反射返回到光纖5。雷射束在光纖5內多次反射傳播時產生的倏逝波激發光纖芯線502表面的螢光染料，螢光染料發出螢光，並有部分進入光纖5，經光纖5傳輸後，一部分從光纖5輸入端面501射出；另一部分傳輸到輸出端面503，又被輸出端面503反射回到光纖5，再經光纖5傳輸後，也從輸入端面501射出。由光纖5輸入端面501射出的螢光信號經耦合透鏡4準直後，以平行光射向分色鏡3，透過分色鏡3射向螢光濾波片7，經螢光濾光片7進一步濾除激發雷射後，被聚焦透鏡8聚焦於光闌13處。光闌13位於光纖5輸入端面501的共軛面處，它可以濾除光纖5輸入端面501以外的雜光。螢光信號穿過光闌13後進入光電探測器9，被轉換成與螢光信號強度成正比的電信號，再被計算機10採集。計算機10採集到的電信號與光纖5表面被測物質的濃度成正比，通過分析電信號的幅度可以獲得光纖5表面被測物質的濃度。第三、多根光纖螢光信號的掃描檢測在計算機10的控制下，移動平臺15帶著多根光纖沿X軸方向作一維掃描運動，當其中一根光纖的輸入端面中心點與耦合透鏡4的焦點重合時，移動平臺15即停止移動，採用第二步完成對該光纖螢光信號的檢測。重複第二步、第三步，則可完成多根光纖螢光信號的掃描檢測。
圖2是本發明的最佳實施例，其具體結構和參數敘述如下雷射光源1是中心波長為635nm的半導體雷射器，輸出功率為10mW，圓形高斯光束AA的半徑a＝2mm。第一、第二錐形鏡11和12均由K9光學玻璃製成，折射率n＝1.51459，其圓錐面母線與平面夾角θ＝30°，兩個圓錐面頂點距離L＝14.9mm，出射環形光束BB的內半徑r＝4.5mm，外半徑R＝6.5mm。耦合透鏡4由一個雙膠合鏡和一個凸凹單透鏡組成，焦距為17.4mm。環形光束BB被耦合透鏡4聚焦後內外孔徑半角分別為14.5°和20.5°。光纖5總長為61mm，其中光纖芯線502長42mm，光纖芯線502的材料為石英，直徑為φ1mm，包層材料為有機矽，它們在所用波長下的折射率分別為1.51459和1.41，所以光纖5的數值孔徑為0.367，允許最大入射角為21.5°。光纖5的輸出端面503鍍寬帶增強型鋁全反射膜，既反射激發雷射束，又反射螢光。分色鏡3對激發雷射全反射，而對螢光全透射。螢光濾光片7對激發雷射束的透過率≤10-6，而對螢光的透過率≥75％。聚焦透鏡8是雙膠合鏡，焦距為25mm。光闌13位於聚焦透鏡8的焦面處，其通光口徑為φ1.5mm。光電探測器9為光電倍增管，位於光闌13之後約3mm處。
樣品池6內放置了5根光纖，一維等間距排列，相鄰光纖的中心距為2.5mm，第一根和第五根光纖輸入端面的中心距為10mm。移動平臺15由步進電機驅動，其行程為15mm，足以實現對5根光纖的掃描檢測。移動平臺15的步進速度為1mm/s。
測量時，在樣品池6內注入標記了Cy5螢光染料的生物樣品溶液，然後驅動移動平臺15，依此採集各光纖的螢光信號。實施例中每根光纖對Cy5螢光染料溶液的探測靈敏度均達到10-10摩爾/升，是在先技術的140倍；同時各光纖的探測靈敏度差異小於10％。實施例完成5根光纖螢光信號的檢測所需時間為10s，檢測效率為在先技術的5倍。
權利要求
1.一種多探頭光纖倏逝波生物傳感器，包含有雷射激發光路和螢光接收光路，其特徵在於①所述的雷射激發光路，包括雷射光源(1)，沿該雷射光源(1)發出的光束前進方向上，依次設置有第一錐形鏡(i1)、第二錐形鏡(12)、分色鏡(3)、耦合透鏡(4)和光纖(5)，該耦合透鏡(4)的焦點與光纖(5)的輸入端面(501)的中心重合；②所述的螢光接收光路，從光纖(5)出發，依次為耦合透鏡(4)、分色鏡(3)、螢光濾光片(7)、聚焦透鏡(8)、光闌(13)、光電探測器(9)；③所述雷射激發光路的光軸OO與螢光接收光路的光軸O1O1相互垂直，且均與分色鏡(3)的表面成45°；④還有樣品流路，由樣品池(6)、樣品入口(602)、樣品出口(603)和液泵(14)組成，所述的樣品池(6)內可一維地等間距地排列多根光纖(5)；⑤還有掃描驅動系統，由計算機(10)和帶可控驅動的移動平臺(15)組成，樣品池(6)置於該移動平臺(15)上；⑥所述的計算機(10)用於採集光電探測器(9)輸出的電信號並進行數據處理，該計算機(10)還控制移動平臺(15)和液泵(14)的工作，以完成多根光纖螢光信號的掃描檢測。
2.根據權利要求1所述的多探頭光纖倏逝波生物傳感器，其特徵在於所述的第一錐形鏡(11)的前表面為平面，後表面為凹面，第二錐形鏡(12)的前表面為凸面，後表面為平面，兩錐形鏡(11、12)的圓錐面的母線與平面的夾角為θ，該θ的取值範圍為5°～45°，兩錐形鏡(11、12)頂點之間的距離L的取值範圍為5mm～20mm。
3.根據權利要求1所述的多探頭光纖倏逝波生物傳感器，其特徵在於所述的光纖(5)為多根多模光纖，且每根光纖的一部分包層被除掉，露出芯線(502)，每根芯線(502)的表面固定有不同的生物識別分子。
4.根據權利要求1所述的多探頭光纖倏逝波生物傳感器，其特徵在於所述的光纖(5)輸出端面(503)鍍有寬帶反射介質薄膜。
5.根據權利要求1所述的多探頭光纖倏逝波生物傳感器，其特徵在於所述的光闌(13)位於光纖(5)輸入端(501)的共軛面處。
全文摘要
本發明多探頭光纖倐逝波生物傳感器包括雷射激發光路、螢光接收光路、樣品流路和掃描驅動系統，分別用於激發光纖芯線表面的被測生物物質的螢光、接收來自光纖的螢光信號並完成光電轉換、樣品的吸入及對多根光纖上螢光信號的掃描檢測。本發明具有螢光激發效率高、光能利用率高、螢光接收效率高和檢測效率高的特點。
文檔編號G01N33/50GK1434287SQ0311558
公開日2003年8月6日 申請日期2003年2月28日 優先權日2003年2月28日
發明者黃惠傑, 翟俊輝, 趙永凱, 楊瑞馥, 任冰強, 程兆谷, 杜龍龍, 路敦武 申請人:中國科學院上海光學精密機械研究所, 中國人民解放軍軍事醫學科學院微生物流行病研究所