一种光纤生物传感器及其检测方法与流程

本发明涉及光纤传感技术领域，尤其涉及一种光纤生物传感器及其检测方法。

背景技术：

近年来，光纤生物传感的研究在疾病诊断、环境监测、药物开发等方面具有越来越重要的研究意义及应用价值。为了拓宽生物传感检测的途径，探索新的传感机制、研制新型的传感器件变得迫在眉睫。随着新信息功能材料－光纤的引入，现代生物传感技术又有了新的途径。光纤具有重量轻、体积小、灵敏度高、响应速度快、抗电磁干扰、安全性好、生物兼容性强等特点，成为近二十年来发展最迅速的传感技术之一。

实现基于光纤传感的高灵敏度、免标记、高特异性的在体生物医学检测，并且发展更多功能化、集成化的光纤生物医学传感器件，己成为生物传感领域的研究热点及发展方向。因此，亟需研究开发一种光纤生物传感器及其检测方法。

技术实现要素：

为解决上述技术问题，本发明第一方面提供了一种光纤生物传感器，所述光纤生物传感器包括输入传输光纤、无芯光纤和输出传输光纤；所述输入传输光纤、所述无芯光纤和所述输出传输光纤依次连接，所述输入传输光纤和宽带光源连接，所述输出传输光纤和光谱分析仪连接；所述输入传输光纤和所述输出传输光纤为单模光纤，所述无芯光纤为拉锥光纤。

其中，所述无芯光纤的长度为5～30mm，所述无芯光纤的腰椎长度为5～15mm，所述无芯光纤的腰椎径为1～10μm。

优选地，

所述无芯光纤的长度为10mm，15mm，20mm，25mm；

所述无芯光纤的腰椎长度为6mm，7mm，8mm，9mm，10mm，11mm，12mm，13mm，14mm；所述无芯光纤的腰椎径为2μm，3μm，4μm，5μm，6μm，7μm，8μm，9μm。

本发明第二方面提供了一种光纤生物传感器，所述光纤生物传感器包括输入传输光纤、无芯光纤和输出传输光纤；所述输入传输光纤、所述无芯光纤和所述输出传输光纤依次连接，所述输入传输光纤和宽带光源连接，所述输出传输光纤和光谱分析仪连接；所述输入传输光纤和所述输出传输光纤为单模光纤，所述无芯光纤为拉锥光纤；所述光纤生物传感器还包括用于增强传感器灵敏度的微球。

其中，所述无芯光纤的长度为5～30mm，所述无芯光纤的腰椎长度为5～15mm，所述无芯光纤的腰椎径为1～10μm。

优选地，

所述无芯光纤的长度为10mm，15mm，20mm，25mm；

所述无芯光纤的腰椎长度为6mm，7mm，8mm，9mm，10mm，11mm，12mm，13mm，14mm；所述无芯光纤的腰椎径为2μm，3μm，4μm，5μm，6μm，7μm，8μm，9μm。

其中，所述微球为磁性聚合物，直径为0.1～2μm。

优选地，所述微球的直径为0.2μm，0.4μm，0.6μm，0.8μm，0.9μm，1.0μm，1.2μm，1.4μm，1.6μm，1.8μm。

本发明第三方面提供了一种光纤生物传感器的检测方法，包括以下步骤：

s1：将所述光纤生物传感器浸泡在硅烷化试剂含量为3～10％的乙醇溶液中进行修饰10～15h，再将修饰后的所述光纤生物传感器置于纯水中8～15h，至所述硅烷化试剂里的酸酐自动水解成羧基，完成所述光纤生物传感器的活化；

s2：再将所述活化后的光纤生物传感器浸泡在抗体ⅰ溶液中进行抗体修饰，最后加入牛血清蛋白溶液，封闭光纤生物传感器上剩余的羧基；

s3：将所述进行抗体修饰后的光纤生物传感器置于需要检测的生物待测样品池中，并分别与宽带光源和光谱分析仪连接，进行检测。

其中，所述光纤生物传感器通过在无芯光纤两端分别连接一段单模光纤作为输入传输光纤和输出传输光纤，将所述输入传输光纤、所述无芯光纤和所述输出传输光纤通过熔接机熔接后用拉锥机对所述无芯光纤进行拉锥，形成基于拉锥单模-无芯-单模的光纤生物传感器。

其中，所述无芯光纤的长度为5～30mm，所述无芯光纤的腰椎长度为5～15mm，所述无芯光纤的腰椎径为1～10μm。

优选地，

所述无芯光纤的长度为10mm，15mm，20mm，25mm；

所述无芯光纤的腰椎长度为6mm，7mm，8mm，9mm，10mm，11mm，12mm，13mm，14mm；所述无芯光纤的腰椎径为2μm，3μm，4μm，5μm，6μm，7μm，8μm，9μm。

本发明第四方面提供了一种光纤生物传感器的检测方法，包括以下步骤：

s1：将所述光纤生物传感器浸泡在硅烷化试剂含量为3～10％的乙醇溶液中进行修饰10～15h，再将修饰后的所述光纤生物传感器置于纯水中8～15h，至所述硅烷化试剂里的酸酐自动水解成羧基，完成所述光纤生物传感器的活化；

s2：再将所述活化后的光纤生物传感器浸泡在抗体ⅰ溶液中进行抗体修饰，最后加入牛血清蛋白溶液，封闭光纤生物传感器上剩余的羧基；

s3：将所述进行抗体修饰后的光纤生物传感器依次置于需要检测的生物待测样品池中及抗体ⅱ修饰的微球溶液中，并分别与宽带光源和光谱分析仪连接，进行检测。

其中，所述光纤生物传感器通过在无芯光纤两端分别连接一段单模光纤作为输入传输光纤和输出传输光纤，将所述输入传输光纤、所述无芯光纤和所述输出传输光纤通过熔接机熔接后用拉锥机对所述无芯光纤进行拉锥，形成基于拉锥单模-无芯-单模的光纤生物传感器。

其中，修饰所述光纤生物传感器的抗体ⅰ和修饰所述微球的抗体ⅱ可以是同一种或两种不同的抗体。

其中，所述无芯光纤的长度为5～30mm，所述无芯光纤的腰椎长度为5～15mm，所述无芯光纤的腰椎径为1～10μm。

优选地，

所述无芯光纤的长度为10mm，15mm，20mm，25mm；

所述无芯光纤的腰椎长度为6mm，7mm，8mm，9mm，10mm，11mm，12mm，13mm，14mm；所述无芯光纤的腰椎径为2μm，3μm，4μm，5μm，6μm，7μm，8μm，9μm。

其中，所述微球为磁性聚合物，直径为0.1～2μm。

优选地，所述微球的直径为0.2μm，0.4μm，0.6μm，0.8μm，0.9μm，1.0μm，1.2μm，1.4μm，1.6μm，1.8μm。

本发明的原理：

本发明提供的光纤生物传感器，输入传输光纤、无芯光纤和输出传输光纤通过熔接机熔接之后进行拉锥到几微米至十几微米直径，这样能激发出更强的倏逝波，在其光纤外表面修饰待测样品特异性识别分子层，之后依次置于有食源性致病菌溶液的待测样品池和表面修饰特异性识别分子的微球溶液中。但不同浓度的食源性致病菌溶液与光纤传感器上食源性致病菌特异性识别分子层结合时，引起光纤探头外表面的折射率改变，从而产生光谱的峰/谷的漂移。当该光纤探针再次浸入修饰有特异性识别分子的微球溶液中后，附着在光纤探针上的待测生物分子和修饰后的微球会实现特异性结合，因此会再次引起光纤探针外表面折射率的改变，使得光谱的峰/谷进一步漂移，从而增大传感器的灵敏度。通过检测光谱仪峰/谷的变化就可以实现食品样品中食源性致病菌浓度的测定。

本发明的有益效果：

本发明提供的光纤生物传感器，其传感器表面修饰待测生物特异性识别分子，之后将修饰过的传感器依次浸入待测样品池及修饰过的微球溶液中。待测样品与传感器表面特异性识别分子结合引起光纤传感器周围折射率发生变换，修饰后的微球再与传感器捕捉到的待测生物分子结合引起传感器周围折射率的再次改变，从而放大了检测信号。检测干涉光谱变化就可以实现待测样品浓度的测定，该光纤传感器具有结构简单、快速、灵敏度高的优点。

附图说明

为了更清楚地说明本发明的技术方案，下面将对实施方式中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发明的一些实施方式，对应本领域的普通技术人员来讲，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为本发明实施例1提供的传感器的整体结构示意图；

图2为本发明实施例1提供的传感器中光纤传感器探头结构示意图；

图3为本发明实例1提供的传感器捕捉到待测生物后的原理图；

图4为本发明实例2提供的传感器捕捉到待测生物后的原理图；

附图中附图标记所对应的名称为：1-宽带光源，2-输入传输光纤，3-无芯光纤，4-输出传输光纤，5-光谱分析仪，6-待测样品池，7-微球，8-病菌，9-抗体ⅰ，10-抗体ⅱ。

具体实施方式

以下是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本发明的保护范围。

实施例1

本发明提供了一种光纤生物传感器，如图1和图2所示，所述光纤生物传感器包括输入传输光纤2、无芯光纤3和输出传输光纤4；所述输入传输光纤2、所述无芯光纤3和所述输出传输光纤4依次连接，所述输入传输光纤2和宽带光源1连接，所述输出传输光纤4和光谱分析仪5连接；所述输入传输光纤2和所述输出传输光纤4为单模光纤；所述输入传输光纤2、所述无芯光纤3和所述输出传输光纤4为拉锥光纤；所述无芯光纤3的长度为20mm，所述无芯光纤3的腰椎长度为5mm，所述无芯光纤3的腰椎径为1μm。

本实施例提供的光纤生物传感器的检测方法，包括以下步骤：

s1：将所述光纤生物传感器浸泡在硅烷化试剂(二氢-3-(3-(三乙氧基硅基)丙基)呋喃-2,5-二酮)含量为5％的乙醇溶液中进行修饰10h，再将修饰后的所述光纤生物传感器置于纯水中12h，至所述硅烷化试剂里的酸酐自动水解成羧基，完成所述光纤生物传感器的活化；

s2：再将所述活化后的光纤生物传感器浸泡在抗体ⅰ9溶液中进行抗体修饰，最后加入牛血清蛋白溶液，封闭光纤生物传感器上剩余的羧基；

s3：将所述进行抗体修饰后的光纤生物传感器置于需要检测的生物待测样品池6中，并分别与宽带光源1和光谱分析仪5连接，进行检测。

图3是将传感器浸入待测样品中捕捉到待测生物后的原理图。

本实施例所述的光纤生物传感器通过在无芯光纤3两端分别连接一段单模光纤作为输入传输光纤2和输出传输光纤4，将所述输入传输光纤2、所述无芯光纤3和所述输出传输光纤4通过熔接机熔接后用拉锥机对所述无芯光纤3进行拉锥，形成基于拉锥单模-无芯-单模光纤生物传感器。

本实施例提供的传感器适用于病菌含量较多时的检测，以大肠杆菌作为待检测病菌8。

实施例2

本发明提供了一种光纤生物传感器，所述光纤生物传感器包括输入传输光纤2、无芯光纤3和输出传输光纤4；所述输入传输光纤2、所述无芯光纤3和所述输出传输光纤4依次连接，所述输入传输光纤2和宽带光源1连接，所述输出传输光纤4和光谱分析仪5连接；所述输入传输光纤2和所述输出传输光纤4为单模光纤；所述输入传输光纤2、所述无芯光纤3和所述输出传输光纤4为拉锥光纤；所述无芯光纤3的长度为20mm，所述无芯光纤3的腰椎长度为5mm，所述无芯光纤3的腰椎径为1μm；所述光纤生物传感器还包括用于提高传感器灵敏度的微球7，所述微球7为磁性聚合物，直径为1μm。

本实施例提供的光纤生物传感器的检测方法，包括以下步骤：

s1：将所述光纤生物传感器浸泡在硅烷化试剂(二氢-3-(3-(三乙氧基硅基)丙基)呋喃-2,5-二酮)含量为5％的乙醇溶液中进行修饰10h，再将修饰后的所述光纤生物传感器置于纯水中12h，至所述硅烷化试剂里的酸酐自动水解成羧基，完成所述光纤生物传感器的活化；

s2：再将所述活化后的光纤生物传感器浸泡在抗体ⅰ9溶液中进行抗体修饰，最后加入牛血清蛋白溶液，封闭光纤生物传感器上剩余的羧基；

s3：将所述进行抗体修饰后的光纤生物传感器依次置于需要检测的生物待测样品池6中及抗体ⅱ10修饰的微球7溶液中，并分别与宽带光源1和光谱分析仪5连接，进行检测。

图4是将传感器浸入含有抗体ⅱ修饰的微球的待测样品中捕捉到待测生物后的原理图。

本实施例所述的光纤生物传感器通过在无芯光纤3两端分别连接一段单模光纤作为输入传输光纤2和输出传输光纤4，将所述输入传输光纤2、所述无芯光纤3和所述输出传输光纤4通过熔接机熔接后用拉锥机对所述无芯光纤3进行拉锥，形成基于拉锥单模-无芯-单模光纤生物传感器。

本实施例提供的传感器适用于病菌含量较少，实施例1提供的传感器无法对病菌进行监测的时候进一步将传感器浸入抗体ⅱ10修饰的微球7溶液中进行检测，以大肠杆菌作为待检测病菌8，本实施例采用的修饰光纤生物传感器的抗体ⅰ9和修饰微球7的抗体ⅱ10为两种不同的抗体。

实施例3

本发明提供了一种光纤生物传感器，所述光纤生物传感器包括输入传输光纤2、无芯光纤3和输出传输光纤4；所述输入传输光纤2、所述无芯光纤3和所述输出传输光纤4依次连接，所述输入传输光纤2和宽带光源1连接，所述输出传输光纤4和光谱分析仪5连接；所述输入传输光纤2和所述输出传输光纤4为单模光纤；所述输入传输光纤2、所述无芯光纤3和所述输出传输光纤4为拉锥光纤；所述无芯光纤3的长度为10mm，所述无芯光纤3的腰椎长度为8mm，所述无芯光纤3的腰椎径为3μm；所述光纤生物传感器还包括用于提高传感器灵敏度的微球7，所述微球7为磁性聚合物，直径为0.5μm。

本实施例提供的光纤生物传感器的检测方法，包括以下步骤：

s1：将所述光纤生物传感器浸泡在硅烷化试剂(二氢-3-(3-(三乙氧基硅基)丙基)呋喃-2,5-二酮)含量为4％的乙醇溶液中进行修饰12h，再将修饰后的所述光纤生物传感器置于纯水中10h，至所述硅烷化试剂里的酸酐自动水解成羧基，完成所述光纤生物传感器的活化；

s2：再将所述活化后的光纤生物传感器浸泡在抗体ⅰ9溶液中进行抗体修饰，最后加入牛血清蛋白溶液，封闭光纤生物传感器上剩余的羧基；

s3：将所述进行抗体修饰后的光纤生物传感器依次置于需要检测的生物待测样品池6中及抗体ⅱ10修饰的微球7溶液中，并分别与宽带光源1和光谱分析仪5连接，进行检测。

本实施例所述的光纤生物传感器通过在无芯光纤3两端分别连接一段单模光纤作为输入传输光纤2和输出传输光纤4，将所述输入传输光纤2、所述无芯光纤3和所述输出传输光纤4通过熔接机熔接后用拉锥机对所述无芯光纤3进行拉锥，形成基于拉锥单模-无芯-单模光纤生物传感器。

本实施例提供的传感器适用于病菌含量较少，实施例1提供的传感器无法对病菌进行监测的时候进一步将传感器浸入抗体ⅱ10修饰的微球7溶液中进行检测，以大肠杆菌作为待检测病菌8，本实施例采用的修饰光纤生物传感器的抗体ⅰ9和修饰微球7的抗体ⅱ10为两种不同的抗体。

实施例4

本发明提供了一种光纤生物传感器，所述光纤生物传感器包括输入传输光纤2、无芯光纤3和输出传输光纤4；所述输入传输光纤2、所述无芯光纤3和所述输出传输光纤4依次连接，所述输入传输光纤2和宽带光源1连接，所述输出传输光纤4和光谱分析仪5连接；所述输入传输光纤2和所述输出传输光纤4为单模光纤；所述输入传输光纤2、所述无芯光纤3和所述输出传输光纤4为拉锥光纤；所述无芯光纤3的长度为20mm，所述无芯光纤3的腰椎长度为15mm，所述无芯光纤3的腰椎径为8μm；所述光纤生物传感器还包括用于提高传感器灵敏度的微球7，所述微球7为磁性聚合物，直径为1.5μm。

本实施例提供的光纤生物传感器的检测方法，包括以下步骤：

s1：将所述光纤生物传感器浸泡在硅烷化试剂(二氢-3-(3-(三乙氧基硅基)丙基)呋喃-2,5-二酮)含量为6％的乙醇溶液中进行修饰13h，再将修饰后的所述光纤生物传感器置于纯水中12h，至所述硅烷化试剂里的酸酐自动水解成羧基，完成所述光纤生物传感器的活化；

s2：再将所述活化后的光纤生物传感器浸泡在抗体ⅰ9溶液中进行抗体修饰，最后加入牛血清蛋白溶液，封闭光纤生物传感器上剩余的羧基；

s3：将所述进行抗体修饰后的光纤生物传感器依次置于需要检测的生物待测样品池6中及抗体ⅱ10修饰的微球7溶液中，并分别与宽带光源1和光谱分析仪5连接，进行检测。

本实施例所述的光纤生物传感器通过在无芯光纤3两端分别连接一段单模光纤作为输入传输光纤2和输出传输光纤4，将所述输入传输光纤2、所述无芯光纤3和所述输出传输光纤4通过熔接机熔接后用拉锥机对所述无芯光纤3进行拉锥，形成基于拉锥单模-无芯-单模光纤生物传感器。

本实施例提供的传感器适用于病菌含量较少，实施例1提供的传感器无法对病菌进行监测的时候进一步将传感器浸入抗体ⅱ10修饰的微球7溶液中进行检测，以大肠杆菌作为待检测病菌8，本实施例采用的修饰光纤生物传感器的抗体ⅰ9和修饰微球7的抗体ⅱ10为两种不同的抗体。

实施例5

本发明提供了一种光纤生物传感器，所述光纤生物传感器包括输入传输光纤2、无芯光纤3和输出传输光纤4；所述输入传输光纤2、所述无芯光纤3和所述输出传输光纤4依次连接，所述输入传输光纤2和宽带光源1连接，所述输出传输光纤4和光谱分析仪5连接；所述输入传输光纤2和所述输出传输光纤4为单模光纤；所述输入传输光纤2、所述无芯光纤3和所述输出传输光纤4为拉锥光纤；所述无芯光纤3的长度为15mm，所述无芯光纤3的腰椎长度为12mm，所述无芯光纤3的腰椎径为5μm；所述光纤生物传感器还包括用于提高传感器灵敏度的微球7，所述微球7为磁性聚合物，直径为1μm。

本实施例提供的光纤生物传感器的检测方法，包括以下步骤：

s1：将所述光纤生物传感器浸泡在硅烷化试剂(二氢-3-(3-(三乙氧基硅基)丙基)呋喃-2,5-二酮)含量为8％的乙醇溶液中进行修饰14h，再将修饰后的所述光纤生物传感器置于纯水中14h，至所述硅烷化试剂里的酸酐自动水解成羧基，完成所述光纤生物传感器的活化；

s2：再将所述活化后的光纤生物传感器浸泡在抗体ⅰ9溶液中进行抗体修饰，最后加入牛血清蛋白溶液，封闭光纤生物传感器上剩余的羧基；

s3：将所述进行抗体修饰后的光纤生物传感器依次置于需要检测的生物待测样品池6中及抗体ⅱ10修饰的微球7溶液中，并分别与宽带光源1和光谱分析仪5连接，进行检测。

本实施例所述的光纤生物传感器通过在无芯光纤3两端分别连接一段单模光纤作为输入传输光纤2和输出传输光纤4，将所述输入传输光纤2、所述无芯光纤3和所述输出传输光纤4通过熔接机熔接后用拉锥机对所述无芯光纤3进行拉锥，形成基于拉锥单模-无芯-单模光纤生物传感器。

本实施例提供的传感器适用于病菌含量较少，实施例1提供的传感器无法对病菌进行监测的时候进一步将传感器浸入抗体ⅱ10修饰的微球7溶液中进行检测，以大肠杆菌作为待检测病菌8，本实施例采用的修饰光纤生物传感器的抗体ⅰ9和修饰微球7的抗体ⅱ10为两种不同的抗体。

本发明提供的光纤生物传感器光纤探头修饰的过程如下：

光纤材质为二氧化硅，表面含有大量羧基，将抗体修饰至光纤表面分两步进行：

第一步是通过将光纤浸泡在硅烷化乙醇溶液(二氢-3-(3-(三乙氧基硅基)丙基)呋喃-2,5-二酮)中进行修饰，然后将修饰后的光纤置于纯水中至硅烷化试剂里的酸酐自动水解成羧基。

第二步是通过光纤表面的羧基和抗体蛋白的氨基之间的酰胺键反应将抗体固定在光纤上，具体是先通过(1-(3-二甲氨基丙基)-3-乙基碳二亚胺盐酸盐)/n-羟基硫代琥珀酰亚胺活化光纤表面羧基(生成活泼酯)，随后将光纤浸入抗体溶液获得抗体修饰的光纤探针，进一步将光纤浸入牛血清蛋白溶液，封闭光纤表面剩余的羧基，减少光纤的非特异性吸附。

本发明中涉及到的抗体ⅱ10修饰微球7的方法为现有技术，在此不再赘述。

以上实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都是属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。