基于光微流生物激光器的离子传感器制作及其使用方法与流程

文档序号:11131460阅读:732来源:国知局
基于光微流生物激光器的离子传感器制作及其使用方法与制造工艺

本发明属于传感器技术领域,具体涉及基于光微流生物激光器的离子传感器制作及其使用方法。



背景技术:

荧光技术已经被广泛应用于生物检测领域。其基本思路是利用分子之间的相互作用使得荧光信号发生变化,通过探测荧光信号的变化可以探测到生物分子发生的变化。然而,对于荧光信号比较弱或者背景噪声很强的情形,荧光的探测方法很难取得比较好的结果。光微流生物激光(Optofluidic bio-laser)技术的出现弥补了荧光信号的缺陷,并已经应用于DNA、蛋白质、细胞的传感。与传统荧光检测方式不同,光微流生物激光器需要外部谐振腔,并将生物材料(比如增益介质)通入谐振腔中,生物分子变化产生的信号由于谐振腔提供的反馈作用而被放大。因此,光微流激光器的输出信号对腔内部增益介质的微小变化非常敏感。

酶在很多生物反应中发挥着重要作用。酶对信号的放大作用使得基于酶建立的检测技术具有灵敏度高的特点,也已经广泛应用于生物领域。其中酶联免疫分析技术(Enzyme-linked immunoassay,ELISA)是利用酶对微小信号放大获得高灵敏度的典型代表。在ELISA检测中,待测物的含量的细小差别引起酶对底物催化速率变化,通过反应速率的时间累积实现对信号的放大并体现出荧光强度的差别。



技术实现要素:

针对上述存在问题或不足,本发明提出了基于光微流生物激光器的离子传感器制作及其使用方法。该测量方法不仅利用酶在酶促反应中的放大作用,又充分发挥了光微流生物激光器在生物传感的优势,使得其离子探测灵敏度相对传统探测方式有数量级的提升。

本发明具体采用如下技术方案:

基于光微流生物激光器的离子传感器其结构如图1所示,包括2根玻璃毛细管、2个塑料毛细管、2个反射镜、三维位移台、收集装置、光纤、泵浦激光器、固定密度滤光片、可调中性密度滤光片、透镜、激光反射镜和光谱仪。

2根玻璃毛细管水平放置并被2块平面反射镜夹在中间,固定于三维位移台上;玻璃毛细管1根起支撑作用,另外1根用作检测通道,玻璃毛细管形状均为方形;

所述塑料毛细管与用作检测通道的玻璃毛细管2端分别相连,用于样品的注入,流出;

所述三维位移台置于反射镜斜后方45度位置,通过调节三维位移台以调节毛细管相对位置;

所述泵浦激光器出射的激光经过固定密度滤光片、可调中性密度滤光片、透镜和激光反射镜后汇聚到三维位移台上的检测通道;

所述收集装置位于用作检测通道的玻璃毛细管正上方10cm-20cm之间,用于收集激光信号;

所述光纤一端固定于收集装置上接收收集装置耦合出的激光信号,另一端与光谱仪相连并将信号送入光谱仪。

所述反射镜镀膜面朝向被其夹持的玻璃毛细管,构成一个法伯结构的光学谐振腔,当检测通道内部充满增益介质的时候,该结构就是一个光微流激光器。在被泵浦光激发的情况下,达到其阈值条件,该光微流激光器出射激光。该光微流激光器其增益介质由酶促反应产生,酶促反应的速率决定了该光微流激光器增益介质浓度达到阈值浓度的时间,也就是决定了激光出现的快慢。因此,通过抑制酶促反应速率以控制激光出射时间。相反,通过检测激光出现的时间以检测抑制酶促反应速率的离子浓度。

所述基于光微流生物激光器的离子传感器的使用方法具体包括以下步骤:

步骤1、清洗检测通道,并打开泵浦激光器及光谱仪预热。

步骤2、将酶及其对应的底物和待测离子混合,通过塑料毛细管注入检测通道并开始计时。

步骤3、每隔5-10分钟让脉冲激光汇聚到检测通道上,同时记录光谱数据,确定激光出射时间。

步骤4、对浓度已知的标准液离子重复步骤1-3。

离子浓度为0对应的激光出射时间为t0,离子浓度为x对应的激光出射时间为tx,定义激光出射时间差为Δt=tx-t0,画出Δt与离子浓度x的关系曲线,作为标定曲线。

步骤5、针对要测量其浓度的样品,按照步骤1-3的方法分别测量浓度为0和该浓度下的激光出射时间,计算待测样品对应的激光出射时间差Δt,再根据标定曲线反推得到离子浓度。

所述基于光微流生物激光器的离子传感器的制作方法,具体包括以下步骤:

步骤1:搭建光路,使得泵浦激光器输出的脉冲激光经过可调中性密度滤光片后单脉冲能量为30μJ,并且经过透镜汇聚到三维位移台上。

步骤2:将两根玻璃毛细管夹于两块平面反射镜之间,并固定于三维位移台上。

步骤3:通过调节三维位移台优化玻璃毛细管相对位置。

首先粗略调节三维位移台,使得泵浦激光器出射光经过透镜汇聚到毛细管上;然后,通过塑料毛细管将增益介质溶液(1mM的罗丹明6G)注入玻璃毛细管;最后,打开泵浦激光器,将脉冲能量衰减到10uJ,通过光谱仪观察光谱,精细调节三维位移台,使得在相同泵浦功率情况下光谱仪上观察到的激光强度最高。

综上所述,本发明的有益效果为:本发明将酶催化的光微流激光器用于离子测量,具有高灵敏度特点,制作和操作过程简单。

附图说明

图1为本发明提供的离子传感器的结构示意图;

图2为本发明提供的玻璃毛细管、反射镜部分的截面示意图;

图3为实施例的硫离子浓度和激光相对阈值时间关系曲线;

附图标记:1、2-玻璃毛细管,3-塑料毛细管,4、5-反射镜,6-三维位移台,7-收集装置,8-光纤,9-泵浦激光器,10-固定密度滤光片,11-可调中性密度滤光片,12-透镜,13-激光反射镜,14-光谱仪。

具体实施方式

下面结合附图和实施例以硫离子为例对本发明做进一步的详细说明。

基于光微流生物激光器的离子传感器其结构如图1所示,包括玻璃毛细管1、2、塑料毛细管3(2个)、反射镜4、5、三维位移台6、收集装置7、光纤8、泵浦激光器9、固定密度滤光片10、可调中性密度滤光片11、透镜12、激光反射镜13和光谱仪14。

玻璃毛细管1、2平行放置并被两块平面反射镜4、5夹在中间并固定于三维位移台6上;玻璃毛细管1起支撑作用,另外一根玻璃毛细管2用于检测通道,玻璃毛细管1、2形状均为方形;塑料毛细管3(2个)与玻璃毛细管2两端相连,用于样品的注入,流出;三维位移台6置于反射镜13斜后方45度位置,通过调节三维位移台以调节毛细管相对位置;泵浦激光器9出射的激光汇聚到三维位移台上。收集装置7位于玻璃毛细管2正上方用于收集激光信号;光纤8一端固定于收集装置上接收收集装置耦合出的激光信号,另一端与光谱仪相连并将信号送入光谱仪。

其制作方法具体包括以下步骤:

步骤1:搭建光路,使得泵浦激光器9输出的脉冲激光经过可调中性密度滤光片后单脉冲能量为30μJ,并且经过透镜汇聚到三维位移台上。光路搭建方法如下:首先搭建固定密度滤光片和可调中性密度滤光片,使得泵浦光输出单脉冲能量衰减到30μJ;然后装上激光反射镜和透镜,调节激光反射镜使得泵浦光线以45度角汇聚到玻璃毛细管上;在三维位移台正上方安装上收集装置,并保持收集装置离三维位移台垂直距离为10cm;将光纤一端与光谱仪相连,另一端固定于收集装置上。

步骤2:将两根玻璃毛细管夹于两块平面反射镜之间,并用夹具固定于三维位移台上。首先将反射镜4放置于三维位移台上,镀膜一面朝上;然后,将两根方形毛细管平行置于反射镜镀膜面上;再将另一个反射镜3放置于玻璃毛细管1、2上方,镀膜面朝下;最后用夹具将其固定于三维位移台5上,旋上螺丝。

步骤3:通过调节三维位移台优化玻璃毛细管相对位置。首先粗略调节三维位移台,使得泵浦激光器出射光经过透镜汇聚到毛细管上;然后,通过塑料毛细管将增益介质溶液(1mM的罗丹明6G)注入玻璃毛细管;最后,打开泵浦激光器,将脉冲能量衰减到10uJ,通过光谱仪观察光谱,精细调节三维位移台,使得在相同泵浦功率情况下光谱仪上观察到的激光强度最高。

其使用方法具体包括以下步骤:

步骤1、清洗检测通道,并打开泵浦激光器及光谱仪预热。

首先,配置洗涤试剂,将25倍的清洗缓冲液原液稀释25倍,得到1倍的清洗缓冲液;将质量分数40%的氢氟酸溶液稀释100倍得到质量分数为4‰氢氟酸溶液。然后,将1倍的清洗缓冲液通过塑料毛细管通入玻璃毛细管中,孵育5分钟。再将4‰的氢氟酸溶液通过塑料毛细管通入玻璃毛细管中,孵育2分钟。最后在将1倍的清洗缓冲液通过塑料毛细管通入玻璃毛细管中,孵育5分钟,并重复两次。

步骤2、将酶、底物和待测离子混合,通过塑料毛细管注入检测通道并开始计时。

首先,将浓度为200mM的S2-原液稀释到适当浓度作为样品硫溶液准备用于测量;将浓度为3mg/ml的HRP原液逐级稀释至20ng/ml;将90μl 20ng/ml的HRP与10μl样品硫溶液混合后孵育15分钟。然后,将原液浓度为10M的双氧水溶液逐级稀释40000倍得到250μM的双氧水溶液;取100μl浓度为250μM的双氧水、100μl QuantaRed Enhancer Solution和2μl QuantaRed ADHP Concentrate混合配置为工作底物溶液。最后,取出190ul工作底物溶液,并加入10ul孵育后的HRP混合并将混合溶液通过塑料毛细管通入玻璃毛细管中。

步骤3、每隔5分钟让脉冲激光汇聚到检测通道上,同时记录光谱数据,确定激光出射时间。首先根据不同时刻采集的光谱图绘制时间和光强度的曲线;然后根据时间和强度关系曲线上的拐点确定激光出射时间。

步骤4、对浓度已知的硫离子重复步骤1-3。硫离子浓度为0对应的激光出射时间为t0,硫离子浓度为x时的激光出射时间为tx,定义激光出射时间差为Δt=tx-t0,画出Δt与离子浓度x的关系曲线,作为标定曲线。

步骤5、针对要测量其浓度的硫离子样品,按照步骤1-3的方法分别测量浓度为0和该浓度下的激光出射时间,计算待测样品对应的激光出射时间差为Δt,再根据标定曲线反推得到离子浓度。

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