無標組合少模光纖消逝場生物傳感器的製作方法

2024-03-22 16:20:05

專利名稱：無標組合少模光纖消逝場生物傳感器的製作方法
技術領域：
本發明屬於生物檢測儀器，特別涉及一種利用光纖消逝場與消逝場能量 穿透範圍內的生物物質發生作用，引起光纖中傳輸的能量吸收，來實現對生 物物質的檢測的光纖消逝場生物傳感器。
背景技術：
光纖消逝場生物傳感器利用光在光纖內以全內反射方式傳播時，在傳感光 纖所處的介質中產生消逝場，在傳感光纖激發的消逝場穿透範圍內的生物物 質與該消逝場產生相互作用，引起能量的吸收，反映為光纖輸出的整體的光 強的降低，從而實現檢測目標物質的濃度。
傳統的光纖消逝場生物傳感器利用除去包層的多模、大直徑式的光纖作 為傳感光纖，因光纖內光的傳播模式太多造成激發的消逝場能量低，包層功
率佔有率小，從而影響了傳感器的靈敏度，如文獻l[A.P. Ferreira , M.M.
Wemeck, R.M. Ribeiro， Development of an evanescent-field fibre optic sensor for
Escherichia coli 0157:H7 (光纖消逝場埃希氏大腸桿菌傳感器的研製)，
Biosensors & Bioelectronics 16 (2001) 399408]和文獻2[A.Kishan, M.S.John,
C.S丄im, A.Asundi. A Fiber optic biosensor to monitor mutans streptococci in
human saliva (用與人唾液中變形鏈球菌監控的光纖生物傳感器).Biosensors
and Bioelectronics,2003,18:1371-1378 ]所述，文獻中所用傳感光纖結構為直的
圓柱型多模傳感光纖，沒有錐形過渡結構。
為提高傳感器的靈敏度，許多學者通過用螢光染料標記待測物質，利用
消逝場的能量激發螢光染料發出螢光，通過檢測發射的螢光強度的大小來反
映被測物的濃度情況。此方法需要一套額外的螢光收集和檢測系統，包括反射鏡、半透鏡、斬波器等光學器件和光電倍增管等檢測設備。光路布置的靈
活性低，佔用空間大，不易實現儀器的小型化和便攜化。如文獻3 [NidhiNath, Seema R.Jain, Sneh Anand. Evanescent wave fiber optic sensor for detection of L.donovani specific antibodies in sera of kala azar patients (銜則黑熱病病人血清 中杜氏利什曼原蟲特異性抗體的光纖消逝波傳感器).Biosensors and Bioelectronics, 1997,12 (6): 491-498]和文獻4[George R Anderson, Chris A. Rowe-Taitt, Frances S. Ligler ， RAPTOR: A PORTABLE, AUTOMATED BIOSENSOR(自動化可攜式的生物傳感器RAPTOR).Proceedings of the First Conference on Point Detection for Chemical and Biological Defense, Oct" 2000] 所述。文獻4中提到了一種可用於多種生物分子濃度探測的光纖消逝場生物 傳感器，以上文獻中用到的傳感光纖為錐形探針式傳感光纖。

發明內容
本發明的目的是提供一種無標組合少模光纖消逝場生物傳感器，以克服 目前傳統的光纖消逝場生物傳感器存在的上述缺陷。
本發明無標組合少模光纖消逝場生物傳感器，是由光源和依次連接的聚 焦透鏡組、第一裸光纖轉換器、傳感區部分被置於樣品池中的少模傳感光纖、 第二裸光纖轉換器、光電信號採集器組成，所述的少模傳感光纖由直徑為微 米量級的裸露纖芯的傳感區段和該傳感區段兩端分別通過錐形過渡區段相連 接的傳輸區段構成。
本發明的工作原理是
光源發出的光，經過透鏡組聚焦到第一裸光纖轉接器上，將光耦合進入 少模傳感光纖中。由於少模傳感光纖的傳感部分置於樣品池中，當傳感光纖 激發的消逝場與樣品池中的待測物質發生作用後，光纖傳播的光強發生變化， 成為攜帶被測物質信號的光。攜帶被測物質信號的光，經過第二裸光纖轉接 器輸入到光電信號採集器中。光電信號採集器根據光源發出的光與攜帶被測 物質信號的光的光強變化數值，實現對待測物質的測量。
4因為少模傳感光纖的傳輸區段和傳感區段的光纖直徑和包層折射率的不 一致，導致兩部分的歸一化頻率不一樣，造成光纖內傳感模式的不匹配。通 過傳感區段兩端的錐形過渡區段，可以消除這種因傳感模式不匹配造成的影 響。在光從傳輸區段通過第一個錐形過渡區段向傳感區段過渡時， 一方面通 過減小光在界面處的反射角，增加光的反射次數，增大消逝場與待測物質的 作用機率；另一方面可以將以低階模式輸入的光轉化為高階模式，提高傳感 光纖激發的消逝場能量。在光從傳感區段通過第二個錐形過渡區段向另一端 傳輸區段過渡時，可以將攜帶被測物質信息較多的高階模式的光轉化為低階 模式，減少因模式不匹配造成的能量損失，提高了傳感器的信息收集能力和 信噪比。
本發明利用兩端具有錐形過渡的少模光纖作為傳感光纖，集傳感和信號 傳輸於一體，簡化了光路結構，便於集成化、小型化。通過在少模光纖的表 面上固定生物識別分子，不僅可以通過捕捉待測溶液中的待測物質來增強消 逝場與待測物間的相互作用，而且可以匹配傳感光纖的折射率，達到弱導條 件，增強傳感光纖的消逝場場強，提高傳感器的靈敏度。且待測溶液中的生 物分子無需用酶或螢光染料等進一步標記，降低了製作成本，簡化了光路設 計和儀器結構。
本發明結構中的兩端具有錐形過渡的少模光纖，激發的消逝場能量高， 光纖表面上的生物識別分子既形成了弱導條件又增強了消逝場與待測物質分 子的相互作用，大大提高了傳感器的靈敏度。本發明無需複雜的生物螢光染 料或酶的標記，不需要額外的螢光收集和探測裝置，光路簡潔，結構簡單， 操作方便，便於小型化和集成化。


圖1是無標組合少模光纖消逝場生物傳感器的結構示意圖； 圖2是圖1中所示少模傳感光纖4的結構示意圖。
具體實施例方式
以下就附圖給出的實施例對本發明無標組合少模光纖消逝場生物傳感器 結構作進一步詳細說明。
參照圖l、圖2， 一種無標組合少模光纖消逝場生物傳感器，是由光源l
和依次連接的聚焦透鏡組2、第一裸光纖轉換器3、傳感區部分被置於樣品池 5中的少模傳感光纖4、第二裸光纖轉換器6、光電信號採集器7組成，所述 的少模傳感光纖4由直徑為微米量級的裸露纖芯的傳感區段403和該傳感區 段兩端分別通過錐形過渡區段402相連接的具有光纖包層401的傳輸區段404 構成。
光源1為紅光LED，中心波長627nm，半波寬度24nm，輸出功率3w。聚 焦透鏡組2採用一個數值孔徑為0. 35的顯微鏡物鏡。少模傳感光纖4為單模 石英光纖，芯徑8. 2um，包層直徑125um，全長30cm，除掉光纖包層401的 光纖長14mm，兩端的錐形過渡區段402的錐度為2: 5，傳感區段403的光纖 直徑5um。光電信號採集器7為微型光纖光譜儀，波長範圍400-800nm。第一 裸光纖轉換器3和第二裸光纖轉換器6為常用的裸光纖轉換器。
採用本無標組合少模光纖消逝場生物傳感器進行生物監測實例 被測量物質為葡萄球菌腸毒素B，傳感光纖403表面上固定相應的多克 隆抗體。傳感光纖傳感區段403表面的生物層的折射率為1.46，纖芯的折射 率為1.4682，光纖中的傳播模式少於10個。實例中傳感器的最低檢測濃度 為lng/ml，在l-500ng/ml的動態範圍內有良好的線形。完成一次測試的時 間少於15分鐘。
權利要求
1. 一種無標組合少模光纖消逝場生物傳感器，是由光源(1)和依次連接的聚焦透鏡組(2)、第一裸光纖轉換器(3)、傳感區部分被置於樣品池(5)中的少模傳感光纖(4)、第二裸光纖轉換器(6)、光電信號採集器(7)組成，其特徵在於，所述的少模傳感光纖(4)由直徑為微米量級的裸露纖芯的傳感區段(403)和該傳感區段兩端分別通過錐形過渡區段(402)相連接的傳輸區段(404)構成。
2. 根據權利要求1所述的無標組合少模光纖消逝場生物傳感器，其特徵 在於，所述的少模傳感光纖(4)的錐形過渡區段(402)的錐度為1:2 3。
全文摘要
本發明屬於涉及用於生物的生物傳感器，具體涉及一種無標組合少模光纖消逝場生物傳感器。是由光源和依次連接的聚焦透鏡組、第一裸光纖轉換器、傳感區部分被置於樣品池中的少模傳感光纖、第二裸光纖轉換器、光電信號採集器組成，所述的少模傳感光纖由直徑為微米量級的裸露纖芯的傳感區段和該傳感區段兩端分別通過錐形過渡區段相連接的傳輸區段構成。本發明結構中的兩端具有錐形過渡的少模傳感光纖，激發的消逝場能量高，光纖表面上的生物識別分子既形成了弱導條件又增強了消逝場與待測物質分子的相互作用，大大提高了傳感器的靈敏度。
文檔編號G02B6/02GK101520410SQ200910066779
公開日2009年9月2日 申請日期2009年4月8日 優先權日2009年4月8日
發明者劉永順, 吳一輝, 莊須葉, 平 張, 張志強, 王淑榮 申請人:中國科學院長春光學精密機械與物理研究所