专利名称：倏逝波光纤生物传感器及其应用的制作方法
技术领域：
本发明涉及可广泛适用于分子生物学、生物医学、食品检验、生物战剂 和环境监测等领域的生物检测装置，特别是一种能够实现对生物靶标，如细
菌、生物战剂分子、病毒、脱氧核糖核酸(DNA)、多肽、抗原抗体等生物分 子进行量化精确检测的倏逝波光纤生物传感器。
背景技术：
目前，广泛使用的基于光纤倏逝波生物传感器的生物检测系统，是采用 光波在光纤内以全反射方式传输过程中产生的倏逝波激发以生物亲和反应而 结合于光纤探针表面标记有荧光染料的生物分子。把表面固定了一种捕获生 物分子的光纤生物探针置于被检测样品中，该样品中如果存在与固定在光纤 探针表面的生物分子同种生物物质，则两者将发生亲和反应形成复合分子， 样品中的被测生物分子则结合到光纤探针的表面。然后再把该光纤探针置于 具有荧光染料标记的识别生物分子溶液中，同样两者也会发生特异反应，该 溶液中的识别生物分子与光纤生物探针上的复合分子结合，则将荧光染料固 定于光纤探针的表面。通过倏逝波激发光纤探针表面倏逝波场范围内的荧光 染料，从而检测被检测分子的生物物质的属性及其含量。但是对于以荧光为
检测信号的光纤传感器系统存在着一个普遍的问题光纤与光纤之间存在着 差异，如光纤入射角度的微小差别、光纤表面的缺陷、光源的微小波动或 者被固定的抗体量的多少等原因都将引起每次测量信息的失真和较大的误 差。这主要是由于荧光强度是一个相对值，因此要实现定量、精确检测，必
然需要弓l入一个参考值，文献《Calibration of biosensor response using
simultaneous evanescent wave excitation of cyanine隱labeled capture antibodies and antigens》(Analytical Biochemistry, 232(1995),74-78)中介绍了通过以下的 方式来实现定量检测在构建传感器时，对识别分子进行标记的同时需要对 捕获分子也进行荧光标记。因此需要两套检测系统，导致价格昂贵、操作费 时烦琐，使得此系统在当前的倏逝波光纤生物传感器中未见应用。
发明内容
本发明的目的在于为克服上述现有技术的缺点，以实现对生物分子直接利 用现有光学系统来完成量化检测，提出一种改进的倏逝波光纤生物传感器。 其操作简单，灵敏度高，信号稳定、检测费用低廉。
本发明倏逝波光纤生物传感器，包括光学检测系统、由一根光纤和在该 光纤表面植被的捕获生物分子构成的光纤生物探针，其特点是，所述的光纤 本体内含有惨杂的La系元素或过渡族元素的内定标离子，所述的内定标离子 的浓度为500—4000 ppm。该掺杂元素在光纤中以离子形式存在，在可见和 红外波段的辐射和吸收覆盖紫外，可见以及红外波段。
本发明倏逝波光纤生物传感器在快速检测生物分子中的应用，是将所述 的含有内定标离子的光纤生物探针放入待测溶液中，如果该溶液中存在与光 纤生物探针上捕获生物分子同种的生物分子，由于生物分子的特异性结合而 被捕获形成复合分子；然后再将光纤生物探针放入所述的识别生物分子溶液 中，该溶液中的识别生物分子与光纤生物探针上的相应的复合分子结合，则 将其标记的荧光物质固定在光纤生物探针上，通过在光纤中传播的激光激发 掺杂的内定标离子产生荧光，利用传播的激光产生的倏逝波场激发荧光物质， 根据标记的荧光物质的荧光强度与掺杂离子荧光强度的比值，表征观测溶液 中生物分子的属性和含量。
由于生物分子的特异结合性，被测溶液中的生物分子与生物探针上的捕 获生物分子相结合，而形成复合分子，然后将光纤生物探针放入识别生物分
子溶液中，识别溶液中的生物分子与光纤生物探针上的复合分子结合，即将 标记于识别生物分子上的荧光物质固定在光纤探针上。实现同时根据荧光物 质的荧光来观测溶液中生物分子的存在和根据荧光物质的荧光强度的变化演 示分子的反应过程。
本发明与现有技术相比具有以下优点
1. 实现了光纤生物传感器的内定标参考的量化检测。由于在光纤制备原 材料中掺杂了特定浓度的特征发光离子，以其特征发光光谱强度作为同一光 纤生物传感器的量化检测的内定标参考值，因而实现了同一光纤生物传感器 的量化检测。
2. 提高了量化检测值的稳定性和检测精确度。由于掺杂的特征发光离子 为稀士发光离子，其4f电子受到了最外层电子的屏蔽，因而其受环境影响极 小，光纤内定标的参考发光谱强度稳定，光谱线窄，因此提高了光纤生物传 感器的量化检测精确度和稳定性。
3. 减化了现有技术半量化或准量化生物检测技术中采用参考和检测两 种光纤生物传感器同时进行的复杂过程。本发明技术中是在检测光纤中掺杂 了特定浓度的发光稀士离子，内定标参考和生物检测均在同一光纤生物传感 器内进行，因此减化了先生物检测技术的复杂过程。
4. 降低了光纤生物传感器整机的复杂结构和成本。本传感器由于无需检 测参考光纤，因而减少了光纤数目和激发光源及其光路设计的复杂性，从而 也降低了成本。
本发明倏逝波光纤生物传感器的光纤生物探针的制作方法，包括以下步
骤
1、光纤的制作-
将分析纯(纯度大于99.99%)的Si02和稀土或过渡族元素的氧化物按照 设定比例混合后，按照常规的生产光纤的方式获得光纤；按常规做法对光纤
表面进行光刻处理，做成矩阵式分布的凹陷表面单元。 2、表面亲水化处理
将上述得到的表面矩阵化的光纤探针表面先在清洗液1中清洗30分钟，
再在清洗液2中清洗30分钟，然后在清洗液3中煮沸10分钟，制备出在表 面矩阵化的光纤探针上具有亲水的极化层。
其中清洗液l为浓HC1:乙醇4:1 (V/V);
清洗液2为浓硫酸； 清洗液3为超纯水。 3、捕获生物分子层的制备 将上述处理好的光纤探针放入捕获生物分子溶液持续1小时，然后拿出 用去离子水洗净，即得到活性捕获生物分子层。
采用本发明倏逝波光纤生物传感器进行生物分子探测按如下步骤进行 将一制好的掺杂内定标离子的光纤生物探针浸入待测的混合溶液，经过 一定反应时间后，溶液中的生物分子与探针表面上生物分子特异性结合，形
成分子复合物；然后把光纤浸入荧光物质标记的识别分子的混合溶液中，把
荧光物质固定于探针的表面上。然后把得到的光纤生物探针通过透镜耦合到 倏逝波光纤检测系统，通过在光纤中传播的激光激发掺杂的离子产生荧光， 利用传播的激光产生的倏逝波场激发荧光标记物，根据荧光标记物的荧光强 度与掺杂离子荧光强度的比值，表征观测溶液中生物分子的属性和含量。
图1是以TmS+作为内定标离子得到的结果示意图。
具体实施方式
以下结合实施例对本发明作进一步详细描述。 实施例1
本发明倏逝波光纤生物传感器，包括光学检测系统、由一根光纤和在该
光纤表面植被的捕获生物分子构成的光纤生物探针，其特点是，所述的光纤
本体内含有掺杂的Tn^+离子，TmS+离子浓度为500—4000ppm;该掺杂元素 在光纤中以离子形式存在，在可见和红外波段的辐射和吸收覆盖紫外，可见 以及红外波段。
(1) Ti^+离子掺杂光纤的制作
实验所用原料Si02、 丁111203均为分析纯，纯度大于99.99%。 Tm在光纤 中的含量为1000 ppm，将上述原料按照一定比例混合然后按照常规的生产光 纤的方式获得光纤。
(2) 表面亲水极化处理 将上述得到的纤芯表面先在清洗液1中清洗30分钟，再在清洗液2中清
洗30分钟，然后在清洗液3中煮沸10分钟，制备出在表面矩阵化的纤芯上 具有亲水的极化层。
其中所述清洗液l为浓HC1:乙醇4:1 (V/V);
清洗液2为浓硫酸； 清洗液3为超纯水。
(3) 捕获分子层的制备
将上述表面亲水化处理的纤芯，放入IgG蛋白质溶液(lmg/ml),使蛋白 分子自然吸附在纤芯表面上，持续30分钟时间，然后洗净，即形成了检测所 用的探针。
(4) 制备量子点标记的识别分子 选择发光波长585nm的量子点，其表面含有羧基，浓度为10—7M的量子
点溶液，向量子点中分别加入20|iL 0.05M的NHS以及同样体积的0.5M的 EDC溶液，搅拌30—60分钟；之后向发光在585nm的量子点溶液中加入同 样浓度的IgG抗体。
(5) 应用上述掺杂Tm离子的生物探针进行生物分子检测；
将该探针浸入含有585nm标记的识别分子溶液，经过一定反应时间后探针 表面上捕获生物分子与对应溶液中的分子特异性结合，使得量子点固定在探 针的表面。量子点的发光以及掺杂的Tm离子的发光通过先技术倏逝波光纤 生物传感器光学检测系统检测，得到图1所示光谱图。
权利要求
1. 一种倏逝波光纤生物传感器，包括光学检测系统、由一根光纤和在该光纤表面植被的捕获生物分子构成的光纤生物探针，其特征在于，所述的光纤本体内含有掺杂的La系元素或过渡族元素的内定标离子，所述的内定标离子的浓度为500—4000ppm。
2. 权利要求1所述的倏逝波光纤生物传感器在快速检测生物分子中的应用，其特征是将权利要求1所述的含有内定标离子的光纤生物探针放入待测溶液中，如果该溶液中存在与光纤生物探针上捕获生物分子同种的生物分子，由于生物分子的特异性结合而被捕获形成复合分子；然后再将光纤生物 探针放入识别生物分子溶液中，该溶液中的识别生物分子与光纤生物探针上 的相应的复合分子结合，则将其标记的荧光物质固定在光纤生物探针上，通 过在光纤中传播的激光激发掺杂的内定标离子产生荧光，利用传播的激光产 生的倏逝波场激发荧光物质，根据标记的荧光物质的荧光强度与内定标离子 荧光强度的比值，表征观测溶液中生物分子的属性和含量。
全文摘要
本发明涉及可广泛适用于分子生物学、生物医学、食品检验、生物战剂和环境监测等领域的生物检测装置，特别是一种能够实现对生物靶标进行量化精确检测的倏逝波光纤生物传感器，包括光学检测系统、由一根光纤和在该光纤表面植被的捕获生物分子构成的光纤生物探针，所述的光纤本体内含有掺杂的La系元素或过渡族元素的内定标离子，所述的内定标离子的浓度为500-4000ppm。实现了光纤生物传感器的内定标参考的量化检测；减化了现有技术半量化或准量化生物检测技术中采用参考和检测两种光纤生物传感器同时进行的复杂过程，并提高了量化检测值的稳定性和检测精确度。
文档编号G01N21/64GK101393202SQ20081005139
公开日2009年3月25日 申请日期2008年11月6日 优先权日2008年11月6日
发明者刘晓敏, 孔祥贵, 孙雅娟, 张友林, 曾庆辉 申请人:中国科学院长春光学精密机械与物理研究所