一种高灵敏度光纤SPR生物传感器的制作方法

本发明涉及生物传感器技术领域，具体涉及spr生物传感器，尤其涉及一种高灵敏度光纤spr生物传感器。

背景技术

surfaceplasmonresonance(spr)，中文名称为表面等离子体共振，它是一种常见的光学现象，它是指光波导中某一特定波长的入射光照射到金属(如金或银)薄膜时，光波就会与金属表面产生的等离子体波发生共振，称之为表面等离子体共振(spr)效应。spr效应会使反射光的能量发生锐减，从而形成共振波谷，同时，spr对外界折射率十分敏感，当所测溶液浓度改变，即外界溶液折射率改变时，spr的共振波谷就会随之移动，因此，本发明通过检测spr共振波谷的偏移量而达到检测生物样品浓度的目的。

表面等离子体共振(spr)生物传感器由于其高灵敏度和生物相容性而在生物和化学检测中引起了极大的关注。根据表面等离子体波与周围生物分子之间的相互作用，会导致共振角或共振波长的漂移，由此可实现外部生物分子的检测。与基于棱镜的传统spr生物传感器相比，光纤spr生物传感器具有制作简单，成本低，传感结构小型化和抗电磁干扰的特性。然而，传统的spr生物传感主要依靠金膜来实现检测，缺乏足够高的灵敏度来检测更低相对分子质量的生物分子，因此，仍然需要进一步提高传感器的灵敏度，这样有助于扩大传感器的应用范围。

技术实现要素：

为了解决现有光纤spr生物传感器的灵敏度较低的问题，本发明提出了一种高灵敏度光纤spr生物传感器。本发明主要利用金膜与金纳米粒子之间的耦合效应增强局域电场强度来提高传感器的检测灵敏度，在镀有金膜的光子晶体光纤传感器的表面通过共价键结合方法来固定氧化石墨烯薄膜，利用氧化石墨烯薄膜来提高抗体的固定效率，抗体和被金纳米粒子固定的抗原之间的特异性结合引起共振波长漂移，根据共振波长的移动量来实现抗原高灵敏度和低检测限的测量。

为实现上述目的，本发明采用了以下技术方案：

一种高灵敏度光纤spr生物传感器，包括光子晶体光纤，光子晶体光纤两端分别熔接多模光纤，光子晶体光纤表面镀金膜，金膜表面固定氧化石墨烯薄膜，氧化石墨烯薄膜上固化有对生物分子或化学成分具有选择性吸收的抗体膜层，对应于抗体的抗原被金纳米粒子固定，检测过程中抗体和抗原结合，使得表面固定有抗原的金纳米粒子固定在抗体薄膜上，金膜与金纳米粒子之间产生耦合效应。

进一步地，所述的金膜表面固定氧化石墨烯薄膜，金膜表面通过共价键结合方法来固定氧化石墨烯薄膜，利用氧化石墨烯薄膜来提高抗体的固定效率。

进一步地，所述的光子晶体光纤的长度为0.5～2cm。

进一步地，所述的光子晶体光纤表面镀金膜，金膜的厚度为40～60nm。

进一步地，所述的金膜表面固定氧化石墨烯薄膜，氧化石墨烯薄膜的厚度为0.2～0.6nm。

进一步地，所述的金纳米粒子的直径为10～50nm。

本发明的原理如下：

本发明主要利用金膜与金纳米粒子之间的耦合效应增强局域电场强度来提高传感器的检测灵敏度，在镀有金膜的光子晶体光纤传感器的表面通过共价键结合方法来固定氧化石墨烯薄膜，利用氧化石墨烯薄膜来提高抗体的固定效率，抗体和被金纳米粒子固定的抗原之间的特异性结合引起共振波长漂移，根据共振波长的移动量来实现抗原高灵敏度和低检测限的测量。

上述高灵敏度光纤spr生物传感器的制备方法，步骤如下：

(1)制备光子晶体光纤传感器

将光子晶体光纤两端通过熔接机分别熔接多模光纤，光子晶体光纤的长度为0.5～2cm，熔接时的放电强度为50～100mw，放电电流为3000～5000ma，熔接温度为2000～3000℃；

(2)镀金膜

将制备的光子晶体光纤传感器放进真空离子束溅射仪中，对传感器表面镀金膜，真空离子束溅射仪的电流为5～7ma，时间为2～4分钟，金膜的厚度为40～60nm；

(3)固定氧化石墨烯薄膜

将镀金膜后的光子晶体光纤传感器浸入0.5～2mmol/l的4-氨基苯硫酚乙醇溶液中6～24小时，以进行金膜表面胺化，4-氨基苯硫酚分子可以通过au-s共价键与金膜连接，并且将胺基(-nh2)留在外面，以进一步与氧化石墨烯的环氧基结合；用蒸馏水冲洗后，光子晶体光纤传感器浸入0.05～1mg/ml的氧化石墨烯水溶液中，将所述氧化石墨烯水溶液放进温度为30～60℃的恒温箱中，在20～60分钟后，氧化石墨烯分散液蒸发，通过物理蒸发方法实现在金膜表面固定氧化石墨烯薄膜，氧化石墨烯薄膜的厚度为0.2～0.6nm；

(4)固定抗体

将光子晶体光纤传感器浸泡在0.5～1ml浓度为0.1～0.4mol/l的1-乙基-(3-二甲基氨基丙基)碳酰二亚胺盐酸盐和0.5～1ml浓度为0.1～0.4mol/l的n-羟基琥珀酰亚胺的混合溶液中，15～60分钟后，蒸馏水冲洗干净；然后将其进入到待固定的抗体溶液中进行抗体固定；

(5)金纳米粒子固定抗原

将待检测抗原加入到浓度为500～1000ppm、直径为10～50nm的金纳米粒子分散液中，通过静电自组装将抗原固定在金纳米粒子的表面；

(6)检测抗原

在温度25～37℃下，向光子晶体光纤传感器表面依次加入被金纳米粒子固定的人免疫球蛋白溶液，根据抗体和被金纳米粒子固定的抗原之间的特异性结合引起共振波长漂移，实现抗原的检测。

由上述高灵敏度光纤spr生物传感器形成的传感系统，其特征在于，包括以多模光纤为光路的高灵敏度光纤spr生物传感器，其输入端连接光谱为可见光波段的宽带光源，其输出端连接宽带光谱仪，宽带光谱仪通过数据接口连接到计算机，高灵敏度光纤spr生物传感器置于待检测的生物分子溶液中。

进一步地，所述的高灵敏度光纤spr生物传感器置于密闭的管状待检测容器中，待检测容器两端设置有进样口和出样口。

进一步的地，所述的管状待检测容器带有固定支架，固定支架支撑管状待检测容器并置于固定位置。

本发明与现有技术相比的有益效果是：

1、利用金膜和金纳米粒子之间的耦合效应来增强局域电场强度，使得该光子晶体光纤生物传感器具有高灵敏度和低检测限的优点；

2、氧化石墨烯具有优异的生物传感特性，具有生物相容性和大比表面积，可以更好地实现抗体的固定；

3、通过共价键结合方式在金膜表面固定氧化石墨烯膜，利用静电自组装方法把抗原固定在金纳米粒子表面，氧化石墨烯促进金膜和金纳米粒子之间电子的转移，有利于增强电场强度，提高检测灵敏度；

4、光子晶体光纤本身具有对温度不敏感特性，可以减少外界环境温度的波动对检测造成影响，传感器具有良好的稳定性和重复性；

综上所述，本发明解决了现有光纤spr生物传感器灵敏度较低的问题，在免疫分析和低浓度或小生物分子检测中有着广阔的应用前景。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明提出实施例1中的一种高灵敏度光纤spr生物传感器的传感器的结构示意图；

图2是本发明提出实施例1中的高灵敏度光纤spr生物传感器的检测系统示意图；

图3是现有技术中光纤spr生物传感器结构示意图；

图4为本发明实施例1中高灵敏度光纤spr生物传感器在外界氯化钠溶液折射率从1.3320到1.3361变化时的共振光谱；

图5为本发明实施例1中高灵敏度光子晶体光纤spr生物传感器的折射率和波长的拟合曲线；

图6为本发明实施例1中高灵敏度光子晶体光纤spr生物传感器应用于检测不同浓度的人免疫球蛋白时对应的波长移动量；

图中：1、光子晶体光纤，2、多模光纤，3、金膜，4、氧化石墨烯薄膜，5、抗体-羊抗人免疫球蛋白，6、抗原-人免疫球蛋白，7、金纳米粒子；a、高灵敏度光纤spr生物传感器，b、宽带光源，c、光谱仪，d、多模光纤光路，e、进样口，f、出样口，g、计算机，h、玻璃管，i、支架；1’、单模光纤，2’、多模光纤，3’、金膜，4’、抗体-羊抗人免疫球蛋白，5’、抗原-人免疫球蛋白。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本发明及其应用或使用的任何限制。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本发明的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置、数字表达式和数值不限制本发明的范围。同时，应当清楚，为了便于描述，附图中所示出的各个部分的尺寸并不是按照实际的比例关系绘制的。对于相关领域普通技术人员己知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术、方法和设备应当被视为授权说明书的一部分。在这里示出和讨论的所有示例中，任向具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制。因此，示例性实施例的其它示例可以具有不同的值。应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步讨论。

在本发明的描述中，需要理解的是，方位词如“前、后、上、下、左、右”、“横向、竖向、垂直、水平”和“顶、底”等所指示的方位或位置关系通常是基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，在未作相反说明的情况下，这些方位词并不指示和暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位或者以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明保护范围的限制：方位词“内、外”是指相对于各部件本身的轮廓的内外。

为了便于描述，在这里可以使用空间相对术语，如“在……之上”、“在……上方”、“在……上表面”、“上面的”等，用来描述如在图中所示的一个器件或特征与其他器件或特征的空间位置关系。应当理解的是，空间相对术语旨在包含除了器件在图中所描述的方位之外的在使用或操作中的不同方位。例如，如果附图中的器件被倒置，则描述为“在其他器件或构造上方”或“在其他器件或构造之上”的器件之后将被定位为“在其他器件或构造下方”或“在其位器件或构造之下”。因而，示例性术语“在……上方”可以包括“在……上方”和“在……下方”两种方位。该器件也可以其他不同方式定位(旋转90度或处于其他方位)，并且对这里所使用的空间相对描述作出相应解释。

此外，需要说明的是，使用“第一”、“第二”等词语来限定零部件，仅仅是为了便于对相应零部件进行区别，如没有另行声明，上述词语并没有特殊含义，因此不能理解为对本发明保护范围的限制。

实施例1

本实施例中，制备一种用于检测人免疫球蛋白的高灵敏度光纤spr生物传感器，即待检测抗原为人免疫球蛋白，检测的抗体为羊抗人免疫球蛋白。

如图1所示，一种高灵敏度光纤spr生物传感器，包括光子晶体光纤1，光子晶体光纤1的长度为0.5～2cm，光子晶体光纤1两端分别熔接多模光纤2，光子晶体光纤1表面镀金膜3，金膜3的厚度为40～60nm；金膜3表面通过共价键结合方法来固定氧化石墨烯薄膜4，氧化石墨烯薄膜的厚度为0.2～0.6nm，利用氧化石墨烯薄膜4来提高抗体-羊抗人免疫球蛋白5的固定效率；氧化石墨烯薄膜4上固化有抗体-羊抗人免疫球蛋白5薄膜，待检测抗原-为人免疫球蛋白6被金纳米粒子7固定，金纳米粒子的直径为10～50nm，检测过程中抗体-羊抗人免疫球蛋白5和抗原-为人免疫球蛋白6结合，使得表面固定有抗原-为人免疫球蛋白6的金纳米粒子7固定在抗体-羊抗人免疫球蛋白5薄膜上，金膜3与金纳米粒子7之间产生耦合效应。

如图2所示，由上述高灵敏度光纤spr生物传感器形成的传感系统，包括高灵敏度光纤spr生物传感器a，系统以多模光纤为光路，即多模光纤为光路d，高灵敏度光纤spr生物传感器a的输入端连接光谱为可见光波段的宽带光源b，高灵敏度光纤spr生物传感器a输出端连接宽带光谱仪c，宽带光谱仪c通过数据接口连接到计算机g，高灵敏度光纤spr生物传感器a置于密闭的管状待检测容器中，本实施例中待检测容器为玻璃管h，玻璃管h两端设置有进样口e和出样口f，待检测的溶液通过玻璃管h的进样口e进入，从出样口f流出，从而使高灵敏度光纤spr生物传感器a置于待检测溶液中。玻璃管h带有固定支架i，固定支架i支撑玻璃管h并置于固定位置。

制备上述高灵敏度光纤spr生物传感器的方法，步骤如下：

(1)制备光纤传感器

光子晶体光纤1的外径为125μm，包含5层正六边形排列的空气孔，空气孔直径为4.8μm，空气孔间距为7.7μm，光子晶体光纤1的长度为1cm，光子晶体光纤1的两端通过熔接机分别熔接多模光纤2，多模光纤2的外径为125μm，纤芯直径为62.5μm，光子晶体光纤1和多模光纤2均为石英玻璃材料，熔接机的放电强度为130mw，放电时间3000ms，熔接温度为2000℃；

(2)镀金膜

将步骤(1)制备的光子晶体光纤传感器放进真空离子束溅射仪中，对传感器表面镀金膜3，真空离子束溅射仪的电流为7ma，时间为2分钟，金膜3厚度为50nm；

(3)固定氧化石墨烯薄膜

将光子晶体光纤传感器浸入盛有20ml浓度为0.5mmol/l的4-氨基苯硫酚的乙醇溶液的培养皿中，24小时后用蒸馏水冲洗，4-氨基苯硫酚分子可以通过au-s共价键与金膜连接，并且在金膜外表面形成胺基(-nh2)；将光子晶体光纤传感器固定在载玻片上，取浓度为0.5mg/ml的氧化石墨烯分散液0.5ml，浸没光子晶体光纤传感器，并放入40℃的恒温箱中，40分钟后，氧化石墨烯分散液蒸发，通过物理蒸发方法实现在金膜表面固定氧化石墨烯薄膜，氧化石墨烯薄膜厚度为0.5nm；

(4)固定抗体-羊抗人免疫球蛋白

将光子晶体光纤传感器浸泡在1ml浓度为0.4mol/l的1-乙基-(3-二甲基氨基丙基)碳酰二亚胺盐酸盐和1ml浓度为0.1mol/l的n-羟基琥珀酰亚胺的混合溶液中(1：1混合)，20分钟后蒸馏水冲洗干净；然后将光子晶体光纤传感器浸入从生物公司购买的500μl浓度为200μg/ml的抗体-羊抗人免疫球蛋白溶液中，浸泡1小时，这样就实现了抗体-羊抗人免疫球蛋白5在氧化石墨烯薄膜4表面的固定；

(5)金纳米粒子固定抗原-人免疫球蛋白

从生物公司购买抗原-人免疫球蛋白溶液，将不同浓度的抗原-人免疫球蛋白溶液加入到体积为10ml、浓度为1000ppm、直径为10nm的金纳米粒子分散液中，通过静电自组装将人免疫球蛋白固定在金纳米粒子的表面。

(6)检测抗原

在温度25℃下，向光子晶体光纤传感器表面依次加入被金纳米粒子固定的人免疫球蛋白溶液，羊抗人免疫球蛋白就会和金纳米粒子固定的人免疫球蛋白特异性结合，引起光谱仪上共振波长的移动，根据波长的移动量来实现不同浓度的人免疫球球蛋白的检测，不同浓度的人免疫球蛋白对应的波长移动量如图6所示。

上述制备的本发明高灵敏度光纤spr生物传感器与现有光纤spr生物传感器的折射率传感特性测试：

为了研究本发明所提出的在光子晶体光纤表面从内向外依次镀金膜和固定氧化石墨烯薄膜后传感器的折射率传感性能，将该传感器接入以多模光纤为光路的传感系统，输入端使用波长范围为215nm至2500nm的氘-卤灯作为光源，使用海洋光学光谱仪来检测共振光谱，然后将该传感器分别浸入折射率变化范围在1.3320-1.3361的氯化钠盐溶液中，共振光谱如图4所示，随着折射率的增加，共振波长向右漂移。传感器的灵敏度可以表示为共振波峰的偏移δλp与待测样品折射率的改变δna的比值，即

在该折射率变化范围下，共振波长从682nm向右漂移到734nm。图5是本发明所提出的光子晶体光纤传感器的折射率灵敏度拟合曲线，根据图5所示的拟合曲线的斜率，可得到本发明的高灵敏度光纤spr生物传感器的折射率灵敏度为12357nm/riu。

如图3所示，现有技术中光纤spr生物传感器采用单模光纤1’两端分别熔接多模光纤2’，单模光纤1’外径为125μm，纤芯直径为8.2μm，多模光纤2’的外径为125μm，纤芯直径为62.5μm，单模光纤1’表面镀一层厚度为50nm的金膜3’，该传感器的折射率灵敏度为2500nm/riu。

由此可以看出，本发明的微结构光纤传感器比一般的传感器的灵敏度和分辨率更高。

本发明主要利用金膜与金纳米粒子之间的耦合效应增强局域电场强度来提高传感器的检测灵敏度，在镀有金膜的光子晶体光纤传感器的表面通过共价键结合方法来固定氧化石墨烯薄膜，利用氧化石墨烯薄膜来提高抗体(羊抗人免疫球蛋白)的固定效率，抗体(羊抗人免疫球蛋白)和被金纳米粒子固定的抗原(人免疫球蛋白)之间的特异性结合引起共振波长漂移，根据共振波长的移动量来实现抗原(人免疫球蛋白)高灵敏度和低检测限的测量。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。