一种基于光纤阵列的微悬臂梁阵列生化传感装置及方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及生化传感技术领域，尤其涉及一种基于光纤阵列的微悬臂梁阵列生化传感装置及方法。该装置和方法可应用于食品安全、环境污染、生物医学、科学研究和生产制造等领域的监控和检测。
【背景技术】
[0002]基于表面应力检测的微悬臂梁生化传感技术的近年来出现的一种新兴传感技术，其原理是:把探针(抗原或抗体)分子用直接或间接的方式固定到微悬臂梁的一侧(镀金层或非镀金层)，当被检测样品液中的靶分子与微悬臂梁表面上修饰的探针分子发生特异性结合反应时，会使微悬臂梁表面应力发生改变，从而导致微悬臂梁弯曲变形，通过光学或电学方法检测这种变形的过程，即可得生化反应的实时信息。与传统的免疫传感方法相比，该方法无需使用酶标、荧光物质和放射物质作为反映示踪剂，消除了标记过程的影响，灵敏度高(比酶联免疫方法高数倍)，还可以通过检测微悬臂梁变形来实时、定量的监测抗原抗体的反应过程，得到更丰富的免疫生化反应信息。由于微悬臂梁的尺寸厚度仅为微米量级，对悬臂梁表面生化反应导致的应力变化极为敏感，其检测极限可达PPb以下。经过这些年的发展，微悬臂梁传感被作为一种新兴技术，已被用于检测有毒有害气体分子、重金属离子、残留药物、DNA以及细菌病毒等微生物，还被用于分子构象转变等方面的研究。
[0003]在单微悬臂梁检测系统基础上，为进一步消除环境温漂、溶液折射率变化等背景噪声影响、实现多种靶标疯子的快速并行检测，微梁传感技术正逐步向阵列检测方向发展。已报道的实现微梁阵列传感研究的方法主要有:(I)利用扩束后的面光源照射微梁阵列，用CCD记录微梁阵列变形前后的图像，通过计算得到微梁变形量实现对微梁的变形检测。然而，由于微梁尖端的弯曲会使图像产生弥散，严重影响光斑位移的检测质量，导致其检测灵敏度不高。(2)利用单个激光器移动扫描微梁阵列，在利用PSD对各微梁的偏转信号进行接收检测。然而，微梁检测是高灵敏度的检测，任意的位移移动都可能带来很大的噪声，甚至导致错误信号，即使要完成这种方法也需要严格控制的精密位移平台，增加了微梁传感平台制作的难度。
[0004]如何利用简单的光路结果设计出方便实用的传感系统，实现微梁阵列高灵敏度、快速、并行的变形检测，研制出微梁阵列传感装置，并将阵列免疫传感器应用于食品安全药物多残留和环境污染多种重金属离子并行实时原位检测，一直是生化检测领域关注的焦点。
【发明内容】
[0005]本发明的目的是提供一种基于光纤阵列的微悬臂梁阵列生化传感装置及方法，其探测光路结构简单，容易实现;并且，扫描过程中没有机械传动，精度较高。
[0006]本发明的目的是通过以下技术方案实现的:
[0007]—种基于光纤阵列的微悬臂梁阵列生化传感装置，包括:半导体激光器、光导纤维、V型槽、透镜组、微梁阵列、生化反应池、光电位置敏感探测器PSD和数据处理设备;其中:
[0008]所述光导纤维与半导体激光器一对一耦合连接，所述光导纤维与半导体激光器的数量相同且数量大于2;
[0009]所述V型槽对其与固定各光导纤维的末端，并对准透镜组，使光导纤维末端发出激光刚好汇聚至设置在生化反应池内的微梁阵列各悬臂梁尖端；
[0010]所述PSD的靶面在微梁阵列的反射光的光路上，PSD的信号输出端连接数据处理设备的信号输入端。
[0011]进一步的，该装置还包括:
[0012]信号发生器，用于控制所述激光器的输入电压，使激光器周期亮灭。
[0013I进一步的，该装置还包括:
[0014]与所述激光器连接温控片A，用于稳定所述激光器输出；
[0015]与所述生化反应池连接的温控片B，用于调节反应池中温度从而适应所述反应池中检测生物分子与靶分子的反应。
[0016]进一步的，该装置还包括:
[0017]安装在生化反应池激光入射口一侧的显微镜，用于观测微梁阵列各悬臂梁上光束照射位置。
[0018]进一步的，所述V型槽由硅刻蚀制作完成，槽制作整齐一致，槽尺寸便于固定光导纤维，各槽中心间距与所述微梁阵列各悬臂梁中心间距一致。
[0019]—种基于光纤阵列的微悬臂梁阵列生化传感方法，包括:
[0020]将2个以上光导纤维分别与相应数量的半导体激光器一对一耦合，光导纤维末端对齐固定在间距与微梁阵列梁间距相同的V型槽内，光导纤维末端发出的激光通过透镜汇聚至悬臂梁尖端位置，通过对激光器提供时序控制的电压信号来实现对微梁阵列的时序扫描；
[0021]利用光电位置敏感探测器PSD接收通过光杠杆原理放大的激光光点位移变化信号，再利用数据处理设备将激光光点位移变化信号转换为对应悬臂梁的弯曲位移信号，从而实现实时监测各微梁上的生化反应过程信息。
[0022]进一步的，该方法还包括:
[0023]利用一信号发生器控制激光器的输入电压，使激光器周期亮灭。
[0024]进一步的，该方法还包括:
[0025]在每一个激光器上均安装一温控片，来稳定所述激光器输出；
[0026]在所述生化反应池上安装温控片，来调节反应池中温度从而适应所述反应池中检测生物分子与靶分子的反应。
[0027]进一步的，该方法还包括:
[0028]在生化反应池激光入射口上方安装一显微镜，来观测微梁阵列各悬臂梁上光束照射位置。
[0029]—种检测待测样品中的靶分子的方法，该方法基于前述的装置实现，其包括如下步骤:
[0030]将能够与待测样品中的靶分子特异性结合的检测生物分子及对照分子分别固定至微梁阵列中的不同微梁上，每个微梁上固定一种分子；
[0031]将微梁阵列固定在反应池中，并在反应池中注入缓冲液，并使缓冲液在反应池中流动；开启与反应池连接的温控器，使反应池内温度适宜所述靶分子与微梁上检测生物分子进行反应；
[0032]启动半导体激光器，并启动与激光器连接的温控器，使各激光器工作温度稳定，保证激光器输出恒定；
[0033]通过信号发生器控制所述激光器的周期亮灭，从而使激光能够周期扫描所述微梁阵列的各悬臂梁，同时利用显微镜观测调节激光光点在悬臂梁上的位置；
[0034]通过光电位置敏感探测器PSD接收由所述微梁阵列反射的激光光点，从而产生每个微悬臂梁的偏转位移信号，并输出；
[0035]数据处理设备接收并处理由所述PSD输出的每个微梁的偏转位移信号，基于固定有对照分子的微梁的位移数据获得固定有检测生物分子的每个微梁弯曲的数据；
[0036]根据预设的弯曲量阈值判断待测样品中是否包含靶分子。
[0037]由上述本发明提供的技术方案可以看出，利用密排的与激光器耦合的光导纤维束作为光源，实现了多光束对微梁阵列周期扫描探测，扫描过程中无任何机械移动，可以实现对微梁阵列上生化反应信息的高灵敏度、快速、实时、并行检测。
【附图说明】
[0038]为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例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发明的一些实施例，对于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附图。
[0039]图1为本发明实施例提供的一种基于光纤阵列的微悬臂梁阵列生化传感装置的结构示意图；
[0040]图2为本发明实施例提供的光导纤维固定排列在V型槽阵列示意图；
[0041]图3为本发明实施例提供的温度激励下五根悬臂梁的位移曲线图；
[0042]图4为本发明实施例提供的利用微梁阵列检测铜离子抗原抗体的特异性结合各悬臂梁响应曲线图；
[0043]图5为本发明实施例提供的