用于检测胚胎代谢产物的光纤传感器及其制作方法与流程

本发明涉及胚胎代谢产物检测领域，具体涉及一种用于检测胚胎代谢产物的光纤传感器及其制作方法。

背景技术：

自动物胚胎工程技术问世以来，如何进行胚胎选择一直是一个重要课题。截至目前，用于胚胎质量评价的唯一仪器还是光学显微镜，选择哪个胚胎进行移植很大程度上依赖于技术人员对胚胎细胞数量、形态外观或者卵裂时间的观察。该方法带有较强的主观性，不能必然反映胚胎的发育潜力。为了获得对发育中胚胎更为直观的认识，诸如对胚胎活体采用植入前基因诊断以及转录组或者蛋白质组鉴定等方法被用于胚胎检测。但这些有创技术需要从胚胎取出单个卵裂球进行分析，会对胚胎的进一步发育以及囊胚形成造成损害。近年来，胚胎培养液成分分析为胚胎质量评估提供了新思路和新观点。目前已成功商业化的胚胎培养液均来自于对胚胎发育环境(如输卵管与子宫)中成分的分析以及对卵裂期胚胎营养需求的确定。在体外培养过程中，胚胎会摄入某些特定物质如氨基酸，同时会释放大量分泌物在细胞外，改变细胞周围的瞬时环境。通过检测胚胎在培养液中分泌或者消耗的因子，可以评估细胞的生理或病理过程，获得能够反映胚胎活力和整体移植潜力的有用信息。因胚胎培养液易于收集和不影响胚胎后续发育等优点，所以培养液成分分析被研究者认为是一个非常有活力与希望的技术。

光纤传感技术是20世纪70年代伴随光纤通信和光电子技术的发展而迅速发展起来的，以光波为传输媒质，通过光纤感知和传输外界被测量信号的新型传感技术。与传统传感器相比，光纤传感器具有抗电磁干扰、电绝缘性好、灵敏度高、质量轻、体积小、可进行远距离实时分析等诸多优点。石墨烯偏振选择吸收传感器对界面处介质成分的微小变化非常敏感，具有免标记、实时监测、样品消耗量少、高灵敏度和高通量检测的优点，已被应用于在表面检测、生物医学、环境监测等诸多领域。但市面上还没有一款用于检测胚胎培养液中胚胎代谢产物的石墨烯偏振选择吸收光纤传感器。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种用于检测胚胎代谢产物的光纤传感器及其制作方法，该光纤传感器可以实时、无损检测胚胎培养液相关代谢产物浓度，该制作方法能确保光纤传感器的测量精度、灵敏度和稳定性。

本发明所采用的技术方案是：

一种用于检测胚胎代谢产物的光纤传感器，包括光源、输入光纤、Y型传导光纤、光纤探头、输出光纤、信号接收及处理单元；光源将光传递给输入光纤；输入光纤通过第一光纤适配器与Y型传导光纤的第一分叉端口连接；Y型传导光纤的公共端口通过第二光纤适配器与光纤探头连接；Y型传导光纤的第二分叉端口通过第三光纤适配器与输出光纤连接，输出光纤与信号接收及处理单元连接；

所述光纤探头置于胚胎培养液中，其纤芯下端面镀有金属银膜，其纤芯侧面沉积有石墨烯层；

从光源发出的光经过输入光纤后耦合进入Y型传导光纤，接着进入光纤探头，激发光纤探头侧壁的石墨烯层产生偏振选择吸收现象，光信号在光纤探头末端的金属银膜处发生反射折回Y型传导光纤，再经过输出光纤进入信号接收及处理单元，计算出胚胎培养液的折射率，进而计算出胚胎培养液中代谢产物的浓度。

所述光源用于向输入光纤提供光信号；所述输入光纤用于将接收到的光信号通过第一光纤适配器传递给Y型传导光纤；所述Y型传导光纤用于将接收到的光信号通过第二光纤适配器传递给光纤探头，还用于接收从光纤探头传来的反射光信号，并将该反射光信号通过第三光纤适配器传递给输出光纤；所述光纤探头用于接收Y形传导光纤传来的光信号，光纤内的光波能量会部分耦合进入石墨烯层和胚胎培养液的交界面，激发光纤探头侧壁的石墨烯层产生偏振选择吸收现象，光信号经金属银膜反射形成反射光信号后再传递给Y形传导光纤；所述输出光纤用于将Y形传导光纤传来的反射光信号传递给信号接收及处理单元；所述信号接收及处理单元用于采集反射光信号并计算出胚胎培养液的折射率，进而计算出胚胎培养液中代谢产物的浓度。

所述金属银膜采用银镜反应法或离子溅射法镀制；所述石墨烯层采用光沉积方法沉积，沉积时间不少于10分钟。

所述光源的波长范围为350-2000nm。

光纤探头的制作方法为：

取纤芯直径为600-700微米的高分子包层光纤，将所述高分子包层光纤置于丙酮中浸泡，使其包层软化，削去两端一定长度的涂覆层和包层，再依次用丙酮、酒精将纤芯表面清洗干净，将纤芯两端切割形成平整光滑的端面；

取0.1-0.2M的AgNO₃溶液逐滴加入25％的氨水，制得银氨溶液；将预处理好的高分子包层光纤竖直夹持，使其下端面恰好浸没于银氨溶液中，随即加入0.05-0.1M的葡萄糖溶液，银镜反应发生；依次用去离子水、丙酮和乙醇将高分子包层光纤清洗干净；

以石墨为原料，采用Hummer法制作氧化石墨烯，将氧化石墨烯旋涂分散后，在850-1000℃下进行高温还原制作高温还原氧化石墨烯；使用二甲基甲酰胺(DMF)为溶剂，加入高温还原氧化石墨烯；经超声分散10分钟以上后，制成石墨烯分散液；采用光沉积方法在裸露的纤芯侧面沉积石墨烯层。

用于检测胚胎代谢产物的光纤传感器的工作原理是：光在光纤纤芯边缘会以倏逝场的形式扩散到纤芯外部，激发纤芯表面石墨烯层与胚胎培养液交界处的自由电子形成石墨烯电子震荡波，当光纤内部的光波矢与所述石墨烯电子震荡波波矢一致的时候，发生偏振选择吸收现象，纤芯内部的光场能量被部分耦合进入石墨烯层表面，因此信号接收及处理单元接收得到的光谱会在特定波长处产生凹陷峰，通过凹陷峰峰位即可确定所测胚胎培养液的折射率，进而得知胚胎培养液相关代谢产物的浓度。

本发明还提供一种用于检测胚胎代谢产物的光纤传感器的制作方法，包括如下步骤：

1)、制作光纤探头，使光纤探头的光纤下端面镀金属银膜，使光纤探头纤芯侧面沉积一层均匀的石墨烯层；

2)、将光纤探头的上端通过第二光纤适配器与Y型传导光纤的公共端口连接；Y型传导光纤的的第一分叉端口通过第一光纤适配器与输入光纤连接，输入光纤接收光源发出的光信号；Y型传导光纤的的第二分叉端口通过第三光纤适配器与输出光纤连接，输出光纤、光谱仪、计算机依次连接。

步骤1)中，制作光纤探头的步骤为：

取纤芯直径为600-700微米的高分子包层光纤，将所述高分子包层光纤置于丙酮中浸泡，使其包层软化，削去两端一定长度的涂覆层和包层，再依次用丙酮、酒精将纤芯表面清洗干净，将纤芯两端切割形成平整光滑的端面；

取0.1-0.2M的AgNO₃溶液逐滴加入25％的氨水，制得银氨溶液；将预处理好的高分子包层光纤竖直夹持，使其下端面恰好浸没于银氨溶液中，随即加入0.05-0.1M的葡萄糖溶液，银镜反应发生；依次用去离子水、丙酮和乙醇将高分子包层光纤清洗干净；

以石墨为原料，采用Hummer法制作氧化石墨烯，将氧化石墨烯旋涂分散后，在850-1000℃下进行高温还原制作高温还原氧化石墨烯；使用二甲基甲酰胺(DMF)为溶剂，加入高温还原氧化石墨烯；经超声分散10分钟以上后，制成石墨烯分散液；采用光沉积方法在裸露的纤芯侧面沉积石墨烯层。

在光沉积方法中，采用980nm波长的连续激光光源，激光功率范围为100-150mW，石墨烯分散液浓度为3-5mg/mL，沉积时间不少于10分钟。

本发明中，光纤探头为直径600微米的粗型光纤，其纤芯为玻璃材质，包层为高分子聚合物材质。

本发明的有益效果在于：

该光纤传感器能实现微量、灵敏、实时监测胚胎培养液中相关代谢产物浓度；

该光纤传感器具有测量精度高、灵敏度高、稳定性好，以及无损检测等特点，能准确测量胚胎代谢产物的浓度，为以后研究提供技术支持；

该制作方法简单，易于实现，便于推广应用。

附图说明

下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：

图1是本发明用于检测胚胎代谢产物的光纤传感器的结构示意图；

图2是光纤探头的俯视图；

图3是光纤探头的剖面图；

图4是光纤探头的右视图；

图5是实施例1的光谱测试图；

图6是石墨烯层厚度为20nm的凹陷峰峰位-胚胎培养液折射率图。

其中：1、宽带光源；2、输入光纤；3、第一光纤适配器；4、第二光纤适配器；5、容器；6、光纤探头；7、Y型传导光纤；8、第三光纤适配器；9、输出光纤；10、光谱仪；11、计算机；12、包层；13、石墨烯层；14、金属银膜。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

实施例1，参见图1-图4，一种用于检测胚胎代谢产物的光纤传感器，包括宽带光源1、输入光纤2、Y型传导光纤7、光纤探头6、输出光纤9、光谱仪10、计算机11；宽带光源1向输入光纤2提供光信号；输入光纤2通过第一光纤适配器3与Y型传导光纤7的第一分叉端口连接；Y型传导光纤7的公共端口通过第二光纤适配器4与光纤探头6连接；Y型传导光纤7的第二分叉端口通过第三光纤适配器8与输出光纤9连接，输出光纤9、光谱仪10、计算机11依次连接。输入光纤2将接收到的光信号通过第一光纤适配器3传递给Y型传导光纤7；Y型传导光纤7将该光信号通过第二光纤适配器4传递给光纤探头6；光纤探头6置于容器5中的胚胎培养液中，其纤芯下端面镀有金属银膜14，其纤芯侧面沉积有石墨烯层13；光信号激发石墨烯层13产生偏振选择吸收现象，纤芯内部的光场能量被部分耦合进入石墨烯层13表面，经金属银膜14反射形成反射光信号，光纤探头6将该反射信号传递给Y形传导光纤7，Y形传导光纤7通过第三光纤适配器8将该反射光信号传递给输出光纤9；输出光纤9将该反射光信号传递给光谱仪10，光谱仪10收到的光谱会在特定波长处产生凹陷峰；光谱仪10将该信号传递给计算机11，计算机11计算出胚胎培养液的折射率，进而计算出胚胎培养液中代谢产物的浓度。

上述传感器的制作方法，主要包括以下步骤：

制作光纤探头6，在光纤探头6的光纤下端面镀金属银膜14，在光纤探头纤芯侧面沉积石墨烯层13；光纤探头6的纤芯为玻璃材质，光纤探头6的包层为高分子聚合物材质；

取纤芯直径为600微米的高分子包层光纤，将高分子包层光纤置于丙酮中浸泡，使其包层软化，削去两端一定长度的涂覆层和包层，再依次用丙酮、酒精将纤芯表面清洗干净，将纤芯两端切割形成平整光滑的端面；

取0.1M的AgNO₃溶液逐滴加入25％的氨水，制得银氨溶液；将预处理好的高分子包层光纤竖直夹持于提拉机上，调控提拉参数，使其下端面恰好浸没于银氨溶液中，随即加入0.05ML的葡萄糖溶液，银镜反应发生；依次用去离子水、丙酮和乙醇将高分子包层光纤清洗干净；

以石墨为原料，采用Hummer法制作氧化石墨烯，将氧化石墨烯旋涂分散后，在950°C下进行高温还原制作高温还原氧化石墨烯；使用二甲基甲酰胺为溶剂，加入高温还原氧化石墨烯；经超声分散10分钟后，制成浓度为3mg/mL的石墨烯分散液；采用光沉积方法在裸露的纤芯侧面沉积石墨烯层，在沉积过程中，通常采用980nm波长的连续激光光源，将其激光耦合进入端面镀银的光纤探头，功率为110mW，沉积时间不少于10分钟，使纤芯侧面均匀沉积一层石墨烯，石墨烯层厚度可通过改变光沉积时间来控制；随后取出光纤探头，依次使用丙酮、乙醇冲洗，去除残留的DMF溶剂；

将光纤探头的上端通过第二光纤适配器与Y型传导光纤的公共端口连接；Y型传导光纤的的第一分叉端口通过第一光纤适配器与输入光纤连接，输入光纤接收光源发出的光信号；Y型传导光纤的的第二分叉端口通过第三光纤适配器与输出光纤连接，输出光纤、光谱仪、计算机依次连接，完成光纤传感器的制作。

宽带光源的波长范围为350-2000nm，从宽带光源发出的光经过输入光纤耦合进入Y型传导光纤，接着进入光纤探头，光纤探头浸没于盛装胚胎培养液的容器中，光信号在探头末端的银镜处发生反射折回Y型传导光纤，再经过输出光纤进入光谱仪，最终通过计算机进行光信号解调与分析。

检测过程为：将探头浸没于胚胎培养液中，随着胚胎培养过程的进行，胚胎培养液中会逐渐积累胚胎细胞的代谢产物，致使胚胎培养液的折射率发生改变。根据如前所述的传感原理，当光纤探头处于某一外界折射率下，接收到的光谱会在特定波长处产生凹陷峰，随着外界折射率的改变，凹陷峰峰位也会随之改变，二者呈正相关，通过检测凹陷峰峰位即可确定胚胎培养液的折射率，进而得知胚胎培养液相关代谢产物的浓度。

在胚胎培养液折射率处于1.33-1.4的范围内，石墨烯层厚度为20-30nm时，凹陷峰峰位λ_R与胚胎培养液折射率n符合以下关系式：

λ_R＝Intercept+B1*n+B2*n²(nm)；

20 Intercept＝32488.35407,B1＝-49142.94118 B2＝18810.60116；

21 Intercept＝33965.41493,B1＝-51401.97479 B2＝19686.48998；

22 Intercept＝36621.75814,B1＝-55385.16807 B2＝21192.6309；

23 Intercept＝37983.2491,B1＝-57479.66387 B2＝22010.3426；

24 Intercept＝40634.61674,B1＝-61467.64706 B2＝23522.94764；

25 Intercept＝42063.84208,B1＝-63659.91597 B2＝24376.21202；

26 Intercept＝44390.5,B1＝-67171.42857 B2＝25714.28571；

27 Intercept＝46410.94706,B1＝-70237.47899 B2＝26890.7563；

28 Intercept＝48499.26629,B1＝-73397.47899 B2＝28099.54751；

29 Intercept＝50826.72421,B1＝-76908.9916 B2＝29437.6212；

30 Intercept＝52086.01968,B1＝-78856.59664 B2＝30203.61991。

实际检测中，通过光谱仪接收到的光谱确定凹陷峰峰位λ_R，然后由计算机使用所述关系式计算得到胚胎培养液折射率n。

图5是由光谱仪接收到的光纤探头处于不同胚胎培养液折射率下的接受光谱。

图6是石墨烯层厚度为20nm的凹陷峰峰位-胚胎培养液折射率图。

实施例2，与实施例1所不同的是：光纤探头的纤芯直径为650微米；AgNO₃溶液的摩尔浓度为0.15M；葡萄糖溶液的摩尔浓度为0.07M；高温还原制作高温还原氧化石墨烯的温度为900℃；在光沉积方法中，激光功率为140mW，石墨烯分散液浓度为4mg/mL。

实施例3，与实施例1所不同的是：光纤探头的纤芯直径为680微米；AgNO₃溶液的摩尔浓度为0.18M；葡萄糖溶液的摩尔浓度为0.09M；高温还原制作高温还原氧化石墨烯的温度为880℃；在光沉积方法中，激光功率为130mW，石墨烯分散液浓度为3.5mg/mL。

应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。