一种基于内壁波导型毛细管光纤的在线倏逝场生化传感器

摘要

本发明提供的是一种基于内壁波导型毛细管光纤的在线倏逝场生化传感器。光纤具有微孔道结构，围成孔道的微管结构为环形波导层，环形波导层内壁表面为敏感层，环形波导层的外层为阻挡层，阻挡层的外层为包层，包层外为保护层；光纤侧面带有两段凹槽结构，凹槽结构处分别耦合连接入射光纤和出射光纤；毛细管光纤一端作为样品入口，另一端作为样品出口；样品出口与真空泵连接；样品入口端设置光源，出射光纤中间串联光栅滤波器或长通滤波片并与光谱仪连接；光谱仪连接计算机。本发明可用于环境检测、食品生产线检测、医疗等多种领域。

说明书

技术领域

本发明涉及一种在线光纤传感器，尤其是一种基于内壁波导型毛细管光纤结构的在线倏逝波生化传感器。

背景技术

光纤生化传感器是光纤传感器的家族的一个分支。自从1980年Peterson(J.I.Peterson，S.R.Goldstein，R.V.Fitzgerald，D.K.Buckhold，Fiber optic pH probefor physiological use，Anal.Chem.，1980，52(6)：864-869)等人将光纤技术引入生化传感领域，实现了光纤pH传感器的设计，并将其应用于生理检测以后，光纤生化传感器就受到了广泛的关注。由于光纤传感具有抗电磁干扰能力强、灵敏度高、电绝缘性好、安全可靠、耐腐蚀、微型化等诸多优点，光纤生化传感器在生物医疗、环境检测、安全防护以及科学研究等众多领域的应用前景相当广泛。

传统的光纤生化传感器结构一部分是在“Y”型光纤端部固定敏感膜，这种结构传感面积有限；另一部分倏逝波场光纤传感器一般对吸收或者荧光进行检测，其传感部位的长度与灵敏度呈线性关系，而纤芯的过度裸漏又会增加其脆性。近年来，有关光纤生化传感器的结构改进取得了一些新的进展，例如，通过光纤拉锥改变光纤传感区形状，如制成“D”型(例如：吴一辉等，D形光纤消逝场化学传感器，中国专利，公开号：CN 101520409A)或“U”型(例如：Sunil K.Khijwania，Kirthi L.Srinivasan，Jagdish P.Singh，An evanescent-wave optical fiber relativehumidity sensor with enhanced sensitivity，Sensors and Actuators B：chemical，2005，104：217-222)光纤，或通过制备多孔光纤探头(例如：王建辉等，基于相关检测的多探头光纤倏逝波生物检测，中国专利，公开号：CN 101008649A)等方法，提高了倏逝波场在传感膜内的强度。

尽管近年来人们通过对结构框架的改进实现了光纤生化传感器应用范围的拓展以及灵敏度的显著提高，然而方便快捷的原位、瞬时、高灵敏度的实时在线(On line)分析仍是该领域的一个重要的追求目标。目前光纤生化传感器的结构改进多数都围绕光纤传感部位制备样品池，使气体或液体流经样品池，再与敏感层作用。而且，因为敏感层位于光纤表层，这些结构都无法抛开样品池独立进行传感。另外，光纤生化传感器的传感探头的制备是最主要的技术关键。仍有许多关键性问题亟待解决：(1)基于传统光纤结构的传感器探针的负载量有限，灵敏度较难提高；(2)多数检测处于敞开环境，由于扩散作用，探针容易被洗脱，影响探头的稳定性和使用寿命；(3)传感区容易受环境光干扰。上述问题制约了光纤生化传感系统的集成化、微型化、稳定化的最终发展。

毛细管光纤(Capillary optical fiber，以下简称COF)作为一类特种光纤，与普通毛细管相比，具有更小的直径，柔韧度显著增强。与传统光纤结构相比，毛细管光纤内含微孔道结构，对气、固体物质具有空间约束性。具有高比表面积，这些特性可用于光谱衰减器和高精度传感器。尤为重要的是毛细管光纤可实现微流装置的结构设计，有利于进行原位在线自动化检测。由于毛细管的内径一般在5～100μm范围，其内腔可作为独立的传感区，以最大限度地减小样品采集量，可用于超微量传感。

发明内容

本发明的目的在于提供一种感应面积大、结构高度集成的一种基于内壁波导型毛细管光纤的在线倏逝场生化传感器。

本发明的目的是这样实现的：

包括光纤；所述光纤是具备内壁波导型毛细管光纤，光纤具有作为传感的场所的微孔道结构1，围成孔道的微管结构为作为敏感材料的支持和传导介质的环形波导层3，环形波导层3内壁表面为敏感层2，环形波导层3的外层为阻挡层4，阻挡层4的外层为包层5，包层5外为保护层6；光纤侧面带有两段凹槽结构7，凹槽深度靠近环形波导层，两段凹槽结构7处分别耦合连接入射光纤10和出射光纤11；毛细管光纤一端作为样品入口8，毛细管光纤另一端作为样品出口9；样品出口9与真空泵12连接；样品入口8端设置光源13，出射光纤11中间串联光栅滤波器或长通滤波片14并与光谱仪15连接；光谱仪连接计算机16。

本发明还可以包括：

1、所述入射光纤10和出射光纤11为单模或多模标准光纤。

2、所述入射光纤、出射光纤与环形波导耦合处的凹槽深度靠近环形波导层是指凹槽最深处位于环形波导层表面或者深入波导1μm。

3、所述入射光纤、出射光纤与毛细管光纤耦合时的夹角范围为0-90度。

4、所述毛细管光纤中环形波导层2的直径范围为5～100μm，厚度范围为1-20μm。

5、所述敏感层的厚度为5-100nm。

6、环形波导层3折射率为n1、阻挡层4折射率为n2、包层5折射率为n3，这三层的折射率为n1＞n3＞n2。

7、所述光源13为波长为355nm、488nm、532nm或633nm的激光、半导体光源，或者是卤钨灯、疝灯、氘灯连续光谱，或者是超连续谱光源。

本发明具有如下优点：

(1)毛细管光纤采用侧面耦合技术，毛细管光纤的两端作为样品入口和出口，环形波导内部进行传感，实现了传感器结构的高度集成；

(2)光纤传感区长度可调，实现了高灵敏度检测；

(3)由于样品池位于光纤内部，因此检测过程处于封闭体系进行，体系不受环境光干扰，敏感层免受外界破坏，因此信号稳定性高；

(4)该毛细管光纤传感器具有包层结构，较裸露型结构机械强度显著提高，因此敏感区长度可根据需要调节，所以传感面积大，灵敏度显著提高。该传感器可用于环境检测、食品生产线检测、医疗等多种领域；

(5)样品采集量少，适合微量、实时在线检测。

附图说明

图1内壁波导型毛细管光纤端面结构示意图；

图2基于内壁波导型毛细管光纤倏逝波生化传感器的系统结构示意图；

图3图2的局部放大图。

具体实施方式

下面结合附图举例对本发明做更详细地描述：

结合图1-图3。本发明是一种全新的光纤生化传感器结构框架，基于内壁波导型毛细管光纤在线倏逝场生化传感器。

本发明专利采用的光纤整体上具备内壁波导型毛细管光纤的结构特点，光纤具有微孔道结构1，该结构用来作为传感的场所；围成孔道的微管结构为环形波导层3，该层用来作为敏感材料的支持和传导介质；环形波导层3内壁表面为敏感层2，作用是进行传感；环形波导的外层为阻挡层4；阻挡层4的外层为包层5；最外层为保护层6。其中环形波导层3折射率为n1，阻挡层4折射率为n2，包层5折射率为n3。这三层的折射率为n1＞n3＞n2，其中阻挡层4的作用是阻隔石英包层基管内表面杂质及氢键带来的光损耗。

光纤侧面带有凹槽结构7，凹槽深度以靠近环形波导为准，用于入射光纤10和出射光纤11分别与毛细管光纤进行耦合连接；毛细管光纤一端作为样品入口8；另一端作为样品出口9；出口与真空泵12连接；光源13为各种波长的激光或半导体光源如355nm、488nm、532nm、633nm等，或连续光谱如卤钨灯、疝灯、氘灯以及超连续谱光源等；出射光纤11中间串联光栅滤波器14；并与光谱仪15连接，用于信号检测；光谱仪连接计算机16。

上述入射光纤10和出射光纤11可以为单模或多模标准光纤。

上述出射光纤中串联的光纤滤波器14可以用长通滤波片替换。

上述入射光纤、出射光纤与环形波导耦合处的凹槽最深处可以位于环形波导表面或者深入波导1μm。

上述入射光纤、出射光纤与毛细管光纤耦合时的夹角范围为0-90度。

上述毛细管光纤中环形波导结构的直径范围为5～100μm，厚度范围为1-20μm。

上述敏感层的厚度为5-100nm。

本发明涉及的光纤耦合方式为侧面耦合方式，首先利用紫外显微加工方法铣去部分毛细管光纤包层形成槽状结构，当包层厚度减小到倏逝波场存在的区域或直接深入波导层时再与毛细管光纤进行侧面连接。

本发明所述的基于内壁波导型毛细管光纤在线倏逝波生化传感器的工作过程及原理为：激发光13经入射光纤10在毛细管光纤凹槽处耦合进入环形波导层3，光波在环形波导内传输时产生倏逝波，倏逝波场与敏感层2作用，产生荧光信号，信号经倏逝波场并延环形波导传输，经与出射光纤耦合进光谱仪，其中激发光被光栅滤波器滤除，从而避免信号干扰。利用真空泵使毛细管光纤两端产生压力差，测试样品经毛细管光纤以一定流速被吸入毛细管光纤内部。样品与敏感层进行接触，通过基质与敏感分子发生化学反应，导致敏感探针分子结构以及光学性质发生可逆转变。该过程使信号光的强度、发射峰位等行为发生改变，从而收集待测组分的特征信号，获得该组分的分子结构、浓度等特征参量，以此进行传感。

内置敏感层2是该在线生化传感器得以实现的核心部分之一，该层可以选择不同的敏感指示剂以及相应的固定方式，以适应不同的传感需要。本发明涉及两个具体案例，一个是基于内壁波导型毛细管光纤氰化物倏逝波传感器，另一个是基于内壁波导型毛细管光纤DNA倏逝波传感器。下面对本发明做以更详细的描述：

实施例一：基于CdSe量子点修饰的内壁波导型毛细管光纤氰化物传感器

将一定量的正硅酸乙酯、无水乙醇、KH-560按照一定比例充分混合于25ml圆底烧杯中，将混合溶液置于水浴中加热，温度为60℃。升温过程中逐滴加入0.1mol/L的稀盐酸溶液调节pH至3，然后安装冷凝管，在磁力搅拌器上开始搅拌。约经过40min混合溶液开始形成均匀相，此时加入TOPO-CdSe量子点，继续搅拌，随着反应时间的延长，状态由原稀溶液变成粘稠状液体。反应1h后将溶胶从毛细管光纤，使之形成敏感层2。

氰化物的检测将基于反淬灭原理进行。将毛细管光纤吸入1∶1的2，2’-bipy和CuCl₂的混合溶液，2，2’-bipy与Cu²⁺形成[(bipy)CuCl₂]配合物，该配合物又会进入凝胶敏感膜网络内部，并与TOPO包裹的CdSe形成超分子。下一步是氰化物检测，在通过对量子点光谱数据进行分析并确定光源后，按图2连接光路并进行检测，激发光经倏逝波场与量子点作用。[(bipy)CuCl₂]中Cu^II/I、激发态CdSe量子点、以及bipy对标准氢电极的还原电位分别为0.5V、-1.0V和-2.0V，因此，[(bipy)CuCl₂]与量子点形成超分子本身不显荧光。在线检测CN^-时，将氰化物水溶液利用真空泵[12]形成的负压吸入光纤内部，CN^-会与[(bipy)CuCl₂]中的Cu²⁺形成强烈络合，形成[Cu(CN)n](n-1)^-，夺取与bipy络合的Cu²⁺，由于bipy的还原电位低于量子点，因此使量子点显荧光，荧光信号沿毛细管光纤经侧面耦合进入标准光纤传给光谱仪，进而建立CN^-浓度与CdSe量子点荧光强度的关系。

实施例二：基于生物分子修饰的内壁波导型毛细管光纤DNA传感器

首先用HNO₃活化环形波导3表面，然后用3-氨基丙基三乙氧基硅烷(APTMS)对光纤内表面进行硅烷化，使表面带有氨基。加入能够连接两种带正电荷的分子如戊二醛，加入链霉抗生素蛋白(Streptavidin)。最后加入生物素(Biotin)的寡链DNA分子如5′-biotin-CAGCGAGGTGAAAACGACAAAAGGGG溶液。最后进行DNA杂交实验，使荧光团Cy3标记的单链基因片段通过固定有敏感膜的传感光纤，如果DNA片段结构为：5′-Cy3-CCCCTTTTGTCGTTTTCACCTCGCTG，则该结构通过碱基配对反应被俘获，激发光通过倏逝波场激发Cy3产生荧光，信号同样通过倏逝场耦合进光谱仪，该基因被检出。如果DNA片段不能与探针DNA片段俘获，则证明不是目标对象。因此，如果敏感层2内部固定了某致病基因片段，则用此方法可快速诊断病人是否含有该致病基因。两寡链DNA片段杂交反应一般在60s内可以完成，检测完毕采用尿素溶液进行DNA双链的化学解离，因此可针对大量不同样品实现在线传感的连续反复进行。

另外，也可以在波导层3内壁固定其他敏感物质，使这种光纤传感器应用范围扩展至尿检，食品检验等生物检测功能。例如：

(1)可以在光纤内部固定兔抗SEB，监测Cy5标记的羊抗SEB

(2)固定多抗O157:H7，检测Cy3标记的二抗来实现葡萄球菌肠酶素和大肠杆菌的同时检测。

(3)同理也可以固定其他探针实现对环境或农药等不同成分的检测。

上述拟构建的传感器可直接利用[8]、[9]两端压力差对各种场合的样品，如皮肤、血液、尿液、食品生产线、工业受污染环境等随时采样并进行动态监测。