一种基于模式干涉的细芯级联光纤生物传感装置的制造方法
【技术领域】
[0001]本发明属于光学和生物的交叉检测技术领域，具体涉及一种新型基于模式干涉的细芯级联光纤生物传感装置，具有易于制作，结构紧凑，稳定性强和探测灵敏度高等优点。所谓生物传感，就是利用物理化学生物综合检测技术对被分析物进行检测。本发明所提出的生物传感器是利用光学检测技术来检测分析物的装置。
【背景技术】
[0002]生物传感器是用来探测生物化学物质或生物化学反应的一种装置。与传统的实验室分析方法(比如酶分析法)相比，生物传感器因其专一性强、易操作、设备简单、测量准确和成本低等特点，在环境保护、食品工程和临床医学等领域得到了广泛的应用。研究便携、快速、经济、易操作以及高精度的生物传感器对国计和民生均有重要的意义。
[0003]近年来以光纤为载体的生物传感器在研究中受到越来越多的重视。相比于电学生物传感器，光纤生物传感器继承了光纤传感器的特点，具有耐腐蚀，结构简单和小型化，高灵敏度，响应速度快以及抗电磁干扰能力强等优点。目前光纤生物传感器主要有光纤光栅生物传感器，表面等离子体共振光纤生物传感器和单模-多模-单模级联光纤生物传感器。但是这些光纤生物传感器均存在一些缺陷:光纤光栅和表面等离子体共振光纤生物传感器的原理虽然相对简单，但是制作过程相对复杂，不容易操作，存在成本高的问题；单模-多模-单模级联光纤生物传感器虽然制作成本相对低，但是制作过程中需要用化学试剂来腐蚀掉多模光纤的包层。化学腐蚀不仅需要一系列的安全措施，而且腐蚀过程的控制也比较复杂，比如化学腐蚀方法非常难控制光纤表面的光滑度和直径大小。
【发明内容】
[0004]本发明的目的是在于提供一种基于级联光纤的生物传感装置及测量方法，使其可以探测生物化学物质或生物化学反应，与现有技术相比，探测敏感性得到明显的提高，具备结构紧凑，制备简单，测量快速，准确可靠和易操作等优点。
[0005]本发明的目的是由以下技术方案来实现的:
[0006]根据上述目的，我们设计了一种简易基于级联光纤的生物传感装置及测量方法。整个传感装置分为传感探测系统和微流控系统两部分。传感探测系统包括:宽带光源1、级联光纤传感结构3和光学光谱分析仪5。其中级联光纤传感结构3是基于单模光纤-细芯光纤-单模光纤的级联结构，如图2所示，两根带有涂覆层16的单模光纤即入射光纤2和出射光纤4中间级联一根无涂覆层的细芯光纤13，涂覆层16可以通过光纤剥线钳剥落，入射光纤2 —端连接宽带光源1，出射光纤4 一端连接光学光谱分析仪5，级联光纤传感结构3固定于镀有低折射率材料膜7的基底6上。微流控系统包括:微流腔8和微流栗12。微流腔8通过两个微流橡胶管9和10连接到微流栗12，待分析液体样品通过微流橡胶管9输送到微流腔8内，待分析液体样品通过微流橡胶管10被抽出微流腔8，微流腔8和微流橡胶管(9和10)的连接处需要加上垫圈11来保持微流腔8的密封性。
[0007]发明中光源选取的要求:宽带光源，比如光源波长范围在1500纳米至1600纳米。
[0008]本发明中涉及到光学介质镀膜工艺，比如在基底6上需要镀一层低折射率材料膜7，可相应采取真空蒸镀、真空电子束溅射、离子溅射等成膜工艺。镀膜工艺中关键是注意膜厚度和温度的控制，具体镀膜工艺在此不作详细叙述。
[0009]本发明中涉及到光纤结构的设计和制备。光纤结构的设计可相应采取光束传播法来优化结构参数。其制备可相应采取常用的光纤制备工艺，比如光纤切割和光纤电弧熔接。
[0010]本发明中涉及到微流腔的制备工艺。其制备材料可以选取透光性好，无毒和廉价的聚二甲基矽氧烷。微流腔的制备可相应采取光刻，显影和刻蚀等常用制备工艺。
[0011]本发明的目的是探测生物化学物质或生物化学反应，传感功能主要有两方面:一是生物化学物质的探测，二是生物化学反应的探测。
[0012]关于生物化学物质的探测:比如探测化学物质溶液的浓度，浓度的变化会改变其折射率大小。其探测过程如下:第一，在微流栗12内注入已知浓度A的所需探测的化学溶液，通过微流橡胶管9将其输送到微流腔8内，同时通过微流橡胶管10以相同速率将其抽运出微流腔8，待化学溶液稳定流经级联光纤传感结构3同时，记录下光学光谱分析仪5的测量结果；第二，在微流栗12内注入已知浓度B的所需探测的化学溶液，重复第一步操作过程，记录下光学光谱分析仪5的测量结果；第三，以上述两步的测量结果作为基准就可以实现其他未知浓度的检测。
[0013]关于生物化学反应的探测:比如纤维蛋白质抗原抗体分子识别的检测。其操作过程如下:第一，传感光纤表面纤维蛋白质抗原分子的固定:将溶有纤维蛋白质抗原的磷酸盐缓冲盐水溶液注入微流栗12内，通过微流橡胶管9将其输送到微流腔8内，同时通过微流橡胶管10以相同速率将其抽运出微流腔8，输运持续20分钟后，即可完成纤维蛋白质抗原分子的表面固定过程；第二，移除固定不牢的纤维蛋白质抗原分子:将磷酸盐缓冲盐水溶液注入微流栗12内，通过微流橡胶管9将其输送到微流腔8内，同时通过微流橡胶管10以相同速率将其抽运出微流腔8，多次重复操作即可完成固定不牢的纤维蛋白质抗原分子的移除过程；第三，将溶有纤维蛋白质抗体的磷酸盐缓冲盐水溶液注入微流栗12内，通过微流橡胶管9将其输送到微流腔8内，同时通过微流橡胶管10以相同速率将其抽运出微流腔8。输运过程中，纤维蛋白质抗原和抗体分子的结合将改变光纤表面周围折射率的变化，从而引起光学光谱分析仪5测量结果的变化。由于纤维蛋白质抗原分子不能与其他类型的生物抗体分子结合，因此，通过观察测量结果就可以判断生物特定分子之间是否会相互识别。
[0014]本发明原理如下:
[0015]上述生物化学物质和生物化学反应探测的实现都是基于传感结构周围折射率的变化。
[0016]对于所提的单模光纤-细芯光纤-单模光纤级联结构，由于单模光纤和细芯光纤纤芯尺寸的不匹配，导致单模光纤和细芯光纤的基模模式大小的不匹配(如图3所示)。因此，当单模光纤的基模传播至细芯光纤端口时，将激发出细芯光纤包层内的多个包层模式。包层模式之间由于发生多模干涉，光将以相干相消的叠加形式在细芯光纤内传播(如图4所示)。包层模式的传播常数随着光纤周围折射率环境的变化而变化。外界折射率的变化将直接影响包层模式之间的干涉作用，从而导致光学光谱分析仪输出结果的变化，比如波长的移动(如图5所示)。因此，只需要通过输出光谱的变化就可以推知外界折射率变化的大小。
【附图说明】
[0017]图1是本发明结构示意图。
[0018]图2 (a)是级联光纤传感结构示意图，(b)是实验制备的级联光纤传感结构显微镜照片，取单模光纤-细芯光纤部分。
[0019]图3是单模光纤和细芯光纤基模模场图。
[0020]图4是光在细芯光纤内的能量传播示意图。
[0021]图5是理论计算输出光谱与外界折射率关系示意图。
[0022]图6是理论和实验敏感度对比示意图。
【具体实施方式】
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[0023]下面将结合附图对本发明的实施举例进行描述。
[0024]如图1，本发明包括:宽带光源1，级联光纤传感结构3，光学光谱分析仪5，微流腔8和微流栗12。级联光纤传感结构3两边固定于镀有低折射率材料膜6的基底7上。在基底7上镀