专利名称：全光纤倏逝波生物传感器的制作方法
技术领域：
全光纤倏逝波生物传感器属于生物检测技术领域，特别涉及到利用激光激发标记有荧光分子的生物物质发光，从而实现生物检测的技术。
背景技术：
光纤倏逝波生物传感器利用光波在光纤内以全反射方式传输时在光纤探头所处的介质中产生倏逝波，该倏逝波将可激发通过吸附或以生物亲和反应而连接在探头表面上的标记有荧光分子的生物物质，从而实现检测待测目标物质浓度的目的。通常倏逝波场的穿透深度只有数十纳米至几百纳米，所以光纤倏逝波生物传感器只能探测到结合于倏逝波场范围内的荧光分子发出的荧光，而溶液中游离的荧光分子对检测结果贡献非常小。因此光纤倏逝波生物传感器具有灵敏度高、生物特异性强；操作简单，测量速度快；可以对生物反应的动态过程进行监测；整机可以小型化等特点，从而使其在生物医学研究、食品检测、环境监测、生物战剂探测领域得到了广泛的应用。
传统的光纤倏逝波生物传感器主要是利用光纤作为探头和光信息传输部分，而在信号的收集等部分大量利用分离元器件。对激发光和从光纤探头一端射出的荧光的传输、收集和检测都是采用常规的光学系统，通常包括反射镜、透镜组、斩波器等光学元件。因此存在系统复杂；能量损耗大；元件定位要求高；占用空间大、不易实现仪器小型化；光路布置灵活度低，调节难度大等缺点。如文献G.Duveneck，M.Ehrat，H.M.Widmer.Fiber optic evanescentwave biosensor(光纤倏逝波生物传感器).SPIE，1991，1510138～145；文献黄惠杰，翟俊辉，任冰强等，光纤倏逝波生物传感器及其应用，光学学报，2003，23(4)451～454。
经检索，目前公开的文献中没有涉及到本发明相关内容的技术方案。
发明内容
本发明的目的在于，提出一种全光纤倏逝波生物传感器，本发明利用单、多模光纤耦合器与光纤探头相结合完成激发光的传输和荧光的收集与传输，单模光纤能够有效减少光传输的能量损失，荧光接收光路采用的多模光纤不仅可增加探头表面可被激发的荧光物质量，而且可以提高荧光的耦合效率，这样便提高了光的传递效率和仪器的信噪比，并尽可能地减少了光学分离元件，简化了仪器结构。同时采用光纤连接器可实现多种样品的顺序检测。
本发明提出的倏逝波生物传感器，含有激光发射装置、激光传输和荧光接收光路、样品流路、荧光采集及数据处理装置，其特征在于，所述激光传输和荧光接收光路含有置于样品流路中的光纤探头(8)和一个单、多模光纤耦合器(5)，所述单、多模光纤耦合器(5)含有一根单模光纤(501)和一根多模光纤(502)，所述激光发射装置的激光出射端通过一个激光到光纤耦合器(2)耦合到所述单模光纤(501)的一端，所述单模光纤(501)的另一端耦合到所述多模光纤(502)中，所述多模光纤(502)的一端连接所述光纤探头(8)，其另一端置于所述荧光采集及数据处理装置的光入射端。
所述多模光纤(502)可以通过一个光纤连接器(6)与所述光纤探头(8)连接。
试验证明，本发明所提出的生物传感器能够有效减少光传输的能量损失，提高荧光的耦合效率，进一步提高了光的传递效率和仪器的信噪比，并尽可能地减少了光学分离元件，简化了仪器结构。
图1是本发明全光纤倏逝波生物传感器的结构示意图。
图2是本发明全光纤倏逝波生物传感器中的单、多模光纤耦合器结构示意图。
图3是本发明全光纤倏逝波生物传感器中的光纤探头结构示意图。
具体实施例方式请参阅图1，图1是本发明全光纤倏逝波生物传感器的结构示意图。由图可见，本发明全光纤倏逝波生物传感器包括激光发射装置、激光传输和荧光接收光路、样品流路、荧光采集装置和数据处理装置。其中激光发射装置含有脉冲激光器1和脉冲信号发生器10；激光传输和荧光接收光路含有激光到光纤耦合器2、单、多模光纤耦合器5和光纤探头8；样品流路含有样品池9、蠕动泵13，样品池上有样品池入口7和样品池出口14；荧光采集及数据处理装置含有荧光滤光片4、光电探测器3、锁相放大器11和计算机12。
由图1可见，脉冲激光器1发出的激光通过激光到光纤耦合器2进入单、多模光纤耦合器5中的单模光纤501，然后经单、多模光纤耦合器5的多模光纤502传输进入光纤探头8，在光纤探头8表面附近区域产生倏逝波，以激发连接在光纤探头8表面上的标记有荧光分子的生物物质发出荧光。部分荧光耦合回光纤探头8，进入单、多模光纤耦合器5的多模光纤502，在多模光纤502的另一端射出。荧光滤光片4滤除反射的或迷失的激发光，而使大部分荧光透过，透过的荧光由光电探测器3(可采用光电二极管)探测并将光信号转换成电信号，然后该电信号经锁相放大器11放大，由计算机12采集并进行数据分析。脉冲激光器1的脉冲信号由脉冲信号发生器10提供，脉冲信号发生器10同时为锁相放大器11提供相同频率信号作为参考信号。
如图2所示，本发明的主要特点是采用了单、多模光纤耦合器5替代了传统的反光镜、透镜组等光学元件组成的激光传输和荧光接收光路。采用的单、多模光纤耦合器是用目前常用的熔接拉锥法制成，其中单模光纤501作为激光传输光路将激发光引入多模光纤，由于单模光纤只传递一种模式的光，因而可以有效地阻止光的损失。而荧光接收光路采用多模光纤，不仅可以增加探头表面可被激发的荧光物质量，而且可以提高荧光的耦合效率，从而提高系统的灵敏度和信噪比。
如图3所示，光纤探头8采用常规的组合锥型形式，光纤的部分包层801被去除，组合锥型探头802表面修饰有生物识别分子。这样，一方面可以提高入射光的入射角，使得入射光在光纤探头8内反射次数增加，增加了对荧光分子的激发次数，从而可以激发出更多的荧光能量；另一方面，可以将以高阶模形式耦合进探头的荧光转化成低阶模，减少因模式不匹配而造成的荧光损失，以进一步提高系统对荧光的收集和传输效率。
光纤探头8可以是多模光纤的一端，但这种结构为样品的顺序检测带来不便，为了顺序检测多种样品，可以采用可拆卸的光纤连接器6(如FC、SC、ST型等)对光纤探头8与单、多模光纤耦合器5进行连接。使用光纤连接器6后，当检测完某一种样品后，可以更换成另一修饰有其它生物识别分子的探头，以实现其它样品的检测。
样品流路中有蠕动泵13，样品池具有样品入口7和样品出口14，在蠕动泵13的作用下，可以将被测样品吸入样品池9，或将测试完毕的样品排出样品池9，以便检测不同样品或清洗样品池9。
与传统的全光纤倏逝波生物传感器的使用方法相同，本发明的全光纤倏逝波生物传感器检测前，需在探头8修饰上生物识别分子，然后将探头8置于样品池9中。开启蠕动泵13，将待测样品吸入样品池9，反应一定时间后，打开脉冲激光器1，激发光将以全反射方式通过单、多模光纤耦合器5进入探头8，激光束在探头8内多次反射传播时产生的倏逝波激发探头表面的荧光分子，荧光分子发出荧光，部分耦合回探头8，经多模光纤502传输后，从多模光纤502另一端射出，经荧光滤光片4滤光后进入光电探测器3，被转换成与荧光信号强度成正比的电信号，经过锁相放大器11放大后被计算机12采集。计算机12采集到的电信号与探头表面被测物质的浓度成正比，通过分析电信号的幅度可以得到探头8表面被测物质的浓度。
本发明给出了一个实施例，其具体结构和参数如下
激光光源是中心波长为635nm的半导体激光器1，输出功率为8mW，激光到光纤耦合器2的耦合效率≥20％。单、多模光纤耦合器5的光纤均为石英光纤，其中单模光纤的直径为3μm，数值孔径为0.11；多模光纤502的直径为600μm，数值孔径为0.22。荧光滤光片4对激发光的透过率≤10-7，对荧光的透过率≥80％。光电探测器3为光电二极管。
测量时，在样品池6内注入了标记了Cy5.5荧光分子的生物样品溶液，实施例中每根光纤探头对Cy5.5荧光分子溶液的探测灵敏度均达到10-10mol/L。各光纤探头的探测灵敏度差异少于5％。完成一次荧光信号检测所需时间少于15min。
权利要求
1.全光纤倏逝波生物传感器，含有激光发射装置、激光传输和荧光接收光路、样品流路、荧光采集及数据处理装置，其特征在于，所述激光传输和荧光接收光路含有置于样品流路中的光纤探头(8)和一个单、多模光纤耦合器(5)，所述单、多模光纤耦合器(5)含有一根单模光纤(501)和一根多模光纤(502)，所述激光发射装置的激光出射端通过一个激光到光纤耦合器(2)耦合到所述单模光纤(501)的一端，所述单模光纤(501)的另一端耦合到所述多模光纤(502)中，所述多模光纤(502)的一端连接所述光纤探头(8)，其另一端置于所述荧光采集及数据处理装置的光入射端。
2.根据权利要求1所述的全光纤倏逝波生物传感器，其特征在于，所述多模光纤(502)通过一个光纤连接器(6)与所述光纤探头(8)连接。
全文摘要
全光纤倏逝波生物传感器属于生物检测技术领域，特别涉及到利用激光激发标记有荧光分子的生物物质发光，从而实现生物检测的技术。其特征在于，该传感器的激光传输和荧光接收光路含有置于样品流路中的光纤探头和一个单、多模光纤耦合器，该单、多模光纤耦合器含有一根单模光纤和一根多模光纤，激光发射装置的激光出射端通过一个激光到光纤耦合器耦合到单模光纤的一端，单模光纤的另一端耦合到多模光纤中，该多模光纤的一端连接光纤探头，其另一端置于荧光采集及数据处理装置的光入射端。本发明能够有效减少光传输的能量损失，提高荧光的耦合效率，进一步提高了光的传递效率和仪器的信噪比，并尽可能地减少了光学分离元件，简化了仪器结构。
文档编号G01N21/64GK1873450SQ20061008949
公开日2006年12月6日 申请日期2006年6月30日 优先权日2006年6月30日
发明者施汉昌, 龙峰, 何苗 申请人:清华大学