专利名称：阵列光纤倏逝波生物传感器系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种阵列光纤倏逝波生物传感器系统，尤其涉及一 种用于检测环境有机污染物浓度的阵列光纤 <务逝波生物传感器系统。
背景技术：
光纤倏逝波生物传感器系统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^及附或以生物亲和反应而连4妄在纟笨头表面上的标i己有焚光分子 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lt十纳米至几百纳米，所以光纤^务逝波生物传感 器系统只能探测到结合于倏逝波场范围内的荧光分子发出的焚光，
而溶液中游离的荧光分子对;险测结果贡献非常小。因此光纤<务逝波 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4吏其在生物医学研究、食品4企测、环境监测等领域得到了广泛的 应用。
传统的光纤倏逝波生物传感器系统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光学分离元器 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。
5因此，传统的光纤4务逝波生物传感器系统的^:点在于系统复
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。
发明内容
本发明提出了 一种用于检测环境有机污染物浓度的阵列光纤 倏逝波生物传感器系统，目的在于将激发光的传输和荧光的收集与 传输都利用光纤来完成。
根据本发明的一方面，提出了一种阵列光纤^务逝波生物传感器 系统，包括激光发射装置(1);激光传输光路(2， 601， 603 ); 光纤探头(9);荧光接收光路(602, 603 );光电探测器(4);以 及处理单元(11 )。
其中，激光传输光^各(2, 601， 603 )的输入端与激光发射装 置(1)耦合，输出端耦合至光纤探头(9);荧光接收光路(602， 603 )的输入端与光纤探头(9 )耦合，输出端耦合至光电探测器(4 ); 处理单元(11 )与光电探测器(4)以及激光发射装置(1 )连接。
其中，激光传输光路(2， 601， 603 )和荧光接收光路(602， 603 )至少部分地由光纤构成。
其中，传感器系统包括多个所述光纤探头(9);激光传输光路 包括第一激光光路部分(2)，将来自激光发射装置(1)的单路 激光束分成与多个光纤探头(9)相对应的多路激光束；以及第二 ;敫光光^各部分(601, 603 )，由光纤构成，其两端分别井禺合第一;敫 光光路部分(2)和多个光纤探头(9)，以传输多路激光束。其中， 焚光接收光路(602， 603 )由光纤构成；激光传输光路的第二激光 光路部分(601, 603 )与焚光接收光路(602, 603 ) —体构成单多模光纤耦合器(6)。此外，激光传输光路的第一激光光路部分(2) 为由光纤构成的单模光纤耦合器。其中，光电探测器(4)与荧光 接收光路(602， 603 )之间设置有焚光滤光片(5)。此外，传感器 系统还包括样品流路，光纤探头(9)设置在流路中。其中，样品 流路包括样品池(10)、分别与样品池(10)连4妄的入口部(13 ) 和出口部(8)以及i殳置在入口部(13)中的泵(14)。其中，处理 单元(11 )包括锁相放大器(111 )，与光电探测器(4)和激光发 射装置(l)相连接，锁相放大器(111)用于对光电探测器(4) 输出的信号进行过滤以及放大；计算装置(112),与锁相放大器(111 ) 相连接，采集从锁相放大器(111 )输出的电信号并对电信号进行 数据处理。其中，处理单元(11)的计算装置(112)连接至样品 流路的泵(14)以控制泵(14)的运行。此外，光纤探头(9)为 组合锥型的多模光纤探头。其中，光纤探头(9)的光纤纤芯表面 固定有生物识别分子。
本发明的阵列光纤倏逝波传感系统通过光纤来实现激发光的 传输和荧光的收集与传输，因此光学分离元件少、结构简单、光传 递效率高，实现了仪器的紧凑性和小型化；同时，该仪器采用阵列 光纤纟笨头形式，可以同时实if见多种才羊品的冲企测。
此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申 请的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并 不构成对本发明的不当限定。在附图中
图1是根据本发明实施例的阵列光纤倏逝波生物传感器系统的 框图2是图1所示的光纤探头9的示意7图3是图1所示的单多模光纤耦合器6的示意图；以及
图4是图1所示的单模光纤耦合器2的示意图。
具体实施例方式
下面参考附图，详细说明本发明的具体实施方式
。
图1是根据本发明实施例的阵列光纤倏逝波生物传感器系统的 框图。如图l所示，根据本发明实施例的阵列光纤倏逝波生物传感 器系统，包4舌激光发射装置1;激光传输光^各2， 601， 603;光 纤探头9;荧光接收光路602, 603;光电探测器4;以及处理单元 11。
其中，激光传输光^各2， 601， 603的输入端与激光发射装置1 耦合，输出端耦合至光纤探头9;荧光接收光^各602, 603的输入端 与光纤探头9耦合，输出端耦合至光电探测器4;处理单元ll与光 电探测器4以及激光发射装置1连接。
其中，激光传输光路2, 601， 603和荧光4妄收光路602， 603 至少部分地由光纤构成。
其中，传感系统包括多个所述光纤探头9;激光传输光路包括 第一激光光路部分2，将来自激光发射装置1的单路激光束分成与 多个光纤探头9相对应的多路激光束；以及第二激光光路部分601， 603,由光纤构成，其中，601和602分别耦合第一激光光^各部分2 和多个光纤探头9，以传输多路激光束。其中，荧光接收光路602, 603由光纤构成；激光传输光i 各的第二激光光^各部分601， 603与焚 光4^收光i 各602， 603 —体构成单多才莫光纤耦合器6。此外，激光传 输光路的第一激光光路部分2为由光纤构成的单^^莫光纤耦合器。其
8中，光电探测器4与荧光接收光路602, 603之间设置有荧光过滤 片5。此外，传感系统还包括样品流路，光纤探头9设置在流路中。 其中，才羊品流路包括^羊品池10 、分别与才羊品池10连4妄的入口部13 和出口部8以及i殳置在入口部13中的泵14。其中，处理单元11包 括锁相放大器lll，与光电探测器4和激光发射装置1相连接， 锁相放大器111用于对光电探测器4输出的信号进行过滤以及放大； 计算装置112，与锁相放大器111相连接，采集从锁相放大器111 输出的电信号并对电信号进刊-凄t据处理。其中，处理单元11的计 算装置112连接至样品流路的泵14以控制泵14的运行。此外，光 纤探头9为组合锥型的多模光纤探头。其中，光纤探头9的光纤纤 芯表面固定有生物识别分子。
如图1所示，才艮据本发明另一实施例的阵列光纤4务逝波生物传 感器系统，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构成。其中激光发射装置为脉沖 激光器l;激光传输和荧光接收光路lx3单模光纤耦合器2、单多 模光纤耦合器6和光纤探头9;样品流路含有样品池10、蠕动泵14， 样品池上有样品池入口 8和样品池出口 13;荧光采集及数据处理装 置含有荧光滤光片5、光电探测器4、锁相放大器111和计算装置 112。
由图1可见，在激发光路上，脉冲激光器1发出的激光通过1 x 3单模光纤耦合器2分别进入3个单多模光纤耦合器6中的单模 光纤601,然后经单多模光纤耦合器的多模光纤603传输，由连接 单多模光纤耦合器6和光纤探头9的连接器7进入光纤探头9，在 探头9表面附近区域产生倏逝波，以激发连接在探头9表面上的标 记有荧光分子的生物物质。部分荧光耦合回探头9，通过连接器7 进入单多模光纤耦合器6的多模光纤603,然后进入多模光纤602， 在多模光纤602的另一端射出。荧光滤光片5滤除反射的或迷失的 激发光，而4吏大部分荧光透过，透过的荧光由光电探测器4 (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111放大，由计算装置112采集并进行数据分析。脉冲激光器1 同时为锁相放大器lll提供相同频率信号作为参考信号。
如图2所示，光纤探头9采用组合锥型形式，光纤的部分包层 901 ^皮去除，纤芯902用氢氟酸腐蚀成带4偉型结构903，组合锥型 探头904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，使得入射光在光纤对笨头9内反射次数增加，可以增加对 荧光分子的激发次数，从而可以激发出更多的焚光能量；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焚光的收集和传输 效率。
如图3所示，单多模光纤耦合器6是采用目前常用的熔接拉锥 法制成，其中，601是单模光纤，602和603是多模光纤。单模光 纤601是将激发光引入多模光纤，单模光纤只传递一种模式的光， 可有效地阻止光的损失。而荧光接收光路采用多才莫光纤，不仅可以 增加探头表面可被激发的荧光物质量，而且可以纟是高荧光的耦合效 率，从而提高系统的灵敏度和信噪比。
光纤探头9与单多模光纤耦合器6采用可拆卸的连接器7进行 连接。
样品流3各中有蠕动泵14,样品池具有样品入口 8和样品出口 13, 在蠕动泵14的作用下，可以将^皮测样品吸入样品池10，或将测试 完毕的才羊品4非出才羊品》也10，以使j企测不同冲羊品或清;先才羊品;也10。
与传统的全光纤4务逝波生物传感器的使用方法相同，本发明的 阵列光纤^务逝波传感系统在^r测前，需在#1头SM奮饰上生物识别分 子，然后将三个不同探头9置于样品池10中，并用连接器7将分 别与单多模光纤耦合器6相连。开启蠕动泵14，将待测样品吸入样 品池IO,反应一定时间后，打开激光发射装置l,激发光将以全反
10射方式进入探头9，激光束在探头9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，荧光分子发出焚光，部分耦合回探头 9，经多才莫光纤603和602传输后，/人多才莫光纤602另 一端射出， 经荧光滤光片5滤光后进入光电探测器4,并被转换成与荧光信号 强度成正比的电信号，再被计算装置112采集。计算装置112采集 到的电信号与探头表面被测物质的浓度成比例关系，通过分析电信 号的大小可以得到探头9表面被测物质的浓度。
如图1所示，才艮据本发明的又一实施例的阵列光纤^务逝波传感 系统，激光光源是中心波长为635 nm的半导体激光器l，输出功率 为15 mW,激光器到单才莫光纤耦合器201耦合效率> 80%，三才艮单 才莫光纤202: 203: 204的分光率为1: 1: 1。单多才莫光纤耦合器6 的光纤均为石英光纤，其中多才莫光纤602和603的直径为60(H殷米， 凄t值孔径为0.22。荧光滤光片4对激发光的透过率《1(T7，对荧光 的透过率>80%。光电探测器4为光电二极管。
测量时，在才羊品池10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 —9mol/L。同时各光纤探头的探测灵敏度差异少于5 %。完成一次荧光信号才全测所需时间少于15min。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发 明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。 凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进 等，均应包含在本发明的保护范围之内。
权利要求
1.一种用于检测环境有机污染物浓度的阵列光纤倏逝波生物传感器系统，包括激光发射装置(1)、激光传输光路(2，601，603)、光纤探头(9)、荧光接收光路(602，603)、光电探测器(4)、以及处理单元(11)，其中所述激光传输光路(2，601，603)的输入端与所述激光发射装置(1)耦合，输出端耦合至所述光纤探头(9)；所述荧光接收光路(602，603)的输入端与所述光纤探头(9)耦合，输出端耦合至所述光电探测器(4)；所述处理单元(11)与所述光电探测器(4)以及所述激光发射装置(1)连接；其特征在于，所述激光传输光路(2，601，603)和所述荧光接收光路(602，603)至少部分地由光纤构成。
2. 根据权利要求1所述的传感器系统，其特征在于所述传感系统包括多个所述光纤探头(9);所述激光传^T光^各包4舌第一激光光路部分(2),将来自所述激光发射装置(1 )的单路激光束分成与多个所述光纤探头(9 )相对应的多^各〖敫光束；以及第二激光光^各部分(601, 603 ),由光纤构成，其两端分别耦合所述第一激光光路部分(2)和多个所述光纤探头(9),以传输所述多路激光束。
3. 根据权利要求2所述的传感器系统，其特征在于所述荧光4妄收光路(602, 603 )由光纤构成；所述激光传输光路的所述第二激光光路部分(601, 603 )与所述荧光接收光路(602， 603 ) —体构成单多模光纤耦合器(6)。
4. 根据权利要求3所述的传感器系统，其特征在于所述激光传输光路的所述第一激光光路部分(2)为由光纤构成的单模光纤耦合器。
5. 根据权利要求1至4中之一所述的传感器系统，其特征在于所述光电探测器(4)与所述焚光接收光路(602, 603 )之间设置有荧光滤光片(5)。
6. 根据权利要求1至4中之一所述的传感器系统，其特征在于所述传感系统还包括样品流路，所述光纤探头(9)设置在所述流路中。
7. 根据权利要求6所述的传感器系统，其特征在于所述样品流^各包括样品池(10 )、分别与所述样品池(10 )连接的入口部(13 )和出口部(8)以及设置在所述入口部(13 )中的泵(14)。
8. 根据权利要求1至4中之一所述的传感系统，其特征在于所述处理单元(11 )包4舌锁相放大器(111),与所述光电探测器(4)和所述激光发射装置(1 )相连接，所述锁相放大器(111 )用于对所述光电探测器(4)输出的信号进行过滤以及放大；计算装置(112),与所述锁相放大器(111 )相连接，采集从所述锁相放大器(111)输出的电信号并对所述电信号进行数据处理。
9. 根据权利要求8所述的传感器系统，其特征在于所述传感器系统还包括样品流^各，所述样品流路包括样品池(10)、分别与所述样品池(10)连接的入口部(13)和出口部(8)以及设置在所述入口部(13)中的泵(14);所述处理单元(11 )的所述计算装置(112)连接至所述样品流路的所述泵(14)以控制所述泵(14)的运行。
10. 根据权利要求1至4中之一所述的传感器系统，其特征在于，所述光纤探头(9)为组合锥型的多模光纤探头。
11. 根据权利要求1至4中之一所述的传感器系统，其特征在于，所述光纤探头(9)的光纤纤芯表面固定有生物识别分子。
全文摘要
本发明提出了一种阵列光纤倏逝波生物传感器系统，包括激光发射装置(1)；激光传输光路(2，601，603)；光纤探头(9)；荧光接收光路(602，603)；光电探测器(4)；以及处理单元(11)。其中，激光传输光路(2，601，603)的输入端与激光发射装置(1)耦合，输出端耦合至光纤探头(9)；荧光接收光路(602，603)的输入端与光纤探头(9)耦合，输出端耦合至光电探测器(4)；处理单元(11)与光电探测器(4)以及激光发射装置(1)连接。其中，激光传输光路(2，601，603)和荧光接收光路(602，603)至少部分地由光纤构成。通过本发明，实现了传感系统结构简单、光传递效率高，仪器紧凑和小型化。
文档编号G01N21/64GK101666747SQ200810119650
公开日2010年3月10日 申请日期2008年9月4日 优先权日2008年9月4日
发明者苗 何, 廖志民, 施汉昌, 峰 龙 申请人:北京金达清创环境科技有限公司;清华大学