一种负折射率光子晶体型生物荧光探测器

摘要

本发明公开了一种负折射率光子晶体型生物荧光探测器，包括主体盒、光学基底和透明胶体，主体盒内的负折射率光子晶体由压电材料层和负折射率材料层相互交替重叠形成，压电材料层与控制电源电连接，改变负折射率光子晶体窄带传输特性，所述负折射率光子晶体附着在光学基底上，负折射率光子晶体的上表面设置第一光电探测器和第二光电探测器，第一光电探测器和第二光电探测器接收经负折射率光子晶体滤波后的激发荧光信号，并将该激发荧光信号转换成电信号，电信号传送给处理器进行处理。本发明用单一器件即可实现激发激光波长的选择和荧光波长的滤波，多种荧光组织可同时检出，解决了不同波长引起的定量计算问题，荧光测量精度达到96.8%。

说明书

技术领域

本发明涉及生物组织自体荧光光谱分析技术领域，具体涉及一种负折射率光子晶体型生物荧光探测器。

背景技术

荧光发射光谱是荧光物质吸收辐射后再发射的结果，当荧光激发光谱是指不同波长的激发引起发射出某一波长荧光的相对效率，荧光强度是用该荧光物质荧光发射光谱的积分面积来表示荧光强弱的量。近年来随着不同荧光标记物的出现，标记细胞内不同细胞器或者探测细胞内不同离子成为可能，根据荧光标记物的荧光发射特性选择合适的激发光源，活体荧光成像技术在刚刚发展起来的几年时间内,已广泛应用于细胞示踪、肿瘤诊断及药物开发等方面,在临床应用上展现出巨大的应用潜力。

目前生物组织中荧光分析法以其灵敏度高、选择性好、操作简便等优点受到分析工作者的青睐，将荧光分析法应用于药物分析，已在药物有效成分分析鉴定、药物代谢动力学研究、临床药物与药效分析等方面取得长足发展，并广泛应用于生化分析、生物医学等领域的痕量分析。

我国已经公开了多项专利，如《一种单光束生物细胞检测及筛选的微流控系统及方法》(CN103439242 A)利用上转换发光纳米材料对待测目标中问题细胞进行标记，采用近红外波段激光诱导上转换发光的方法通过激光扫描光学探测手段进行问题细胞的探测。《一种基于金纳米团簇荧光探棒快速检测葡萄糖浓度的方法》(CN103837516 A)和《用于探测荧光团标记了的生物组分的装置和方法》(CN101410708A)则提供了一种简单的液体样品中的荧光团标记生物组分进行技术分析的方法。上述发明专利为了得到相应的荧光特性，均采用入射波长单一的激发光源，这种激发光源无法调整，功能单一，不能同时识别多个荧光组织。

发明内容

针对上述现有技术，本发明的目的在于提供一种负折射率光子晶体型生物荧光探测器，其旨在利用单一器件即可实现激发激光波长的选择以及调整生物组织荧光激发波长，从而达到多种荧光组织同时检出的目的，并有效避免其他波长的荧光组织的干扰。

为了解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：

一种负折射率光子晶体型生物荧光探测器，包括光学基底12和透明胶体13，光学基底位于透明胶体之上，其特征在于，还包括主体盒11，所述主体盒11置于光学基底12之上，主体盒主要由激光器14、准直透镜15、显示模块16、激光器驱动电路18、处理器、负折射率光子晶体110、第一光电探测器111、第二光电探测器113和控制电源115构成；处理器连接控制激光器驱动电路18，激光器驱动电路18驱动激光器，激光器14的正下方安装所述准直透镜15；所述负折射率光子晶体110由压电材料层和负折射率材料层相互交替重叠形成，压电材料层与控制电源电连接，改变负折射率光子晶体窄带，所述负折射率光子晶体110附着在光学基底上，负折射率光子晶体110的上表面设置所述第一光电探测器111和第二光电探测器113，第一光电探测器111和第二光电探测器113位于准直透镜15下方两侧；第一光电探测器111和第二光电探测器113接收经负折射率光子晶体110滤波后的激发荧光信号，并将该激发荧光信号转换成电信号，电信号传送给处理器进行处理，处理结果显示在显示模块16上。

在本发明中，负折射率光子晶体型生物荧光探测器，还包括透明胶体，透明胶体上设置所述光学基底，所述主体盒11位于光学基底的正上方。

在本发明中，所述处理器为DSP处理器、ARM处理器或单片机。

在本发明中，所述主体盒11还包括吸光涂层112，所述吸光涂层附着在光学基底12上，吸收从皮肤透射出来的多余的散射荧光，减小环境干扰信号。

在本发明中，所述主体盒上还设置有荧光波长调整按钮17，所述荧光波长调整按钮与P处理器19连接，控制激光器发射不同的特定的激发波长。

在本发明中，所述激光器14为短脉冲可调波长激光器，波长范围为150nm～460nm，

进一步地，所述短脉冲可调波长激光器是波长为230nm～345nm的紫外线或近紫光脉冲激光器。

在本发明中，所述负折射率光子晶体110是由一维负折射率光子晶体组成，同时具有窄带和宽带滤波特性。

在本发明中，所述透明胶体是由软聚氯乙烯溶胶制成，具有各向同性的特征，厚度小于0.2mm。

在本发明中，所述第一光电探测器111和第二光电探测器113为光电二极管或光电倍增管，检测范围为860～1500nm，最佳检测范围为930～1150nm。

本发明的工作原理为：

激发光入射到准直透镜后，入射到负折射率光子晶体，由于负折射率光子晶体由负折射率材料和压电材料构成的，并且同时具有窄带和宽带滤波特性，其中的压电材料受到控制电源控制，使得负折射率光子晶体的窄带发生移动；如果激发光的波长在负折射率光子晶体窄带的范围内，则激发光通过负折射率光子晶体、光学基底以及透明胶体后进入皮肤，从而与对应的生物组织形成荧光，激发的荧光从皮肤中透射出来，依次通过光学基底和负折射率光子晶体后被光电探测器接收变成电信号，此电信号被送到处理器中进行后处理；当激发光的波长未落在负折射率光子晶体的窄带内，则激发光被负折射率光子晶体全反射，无法进入到皮肤内，从而避免其他激发波长的信号干扰。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

一、激发光源入射波长可控。通过激光驱动电路调整激光的发射波长，同时控制电源调整压电材料的折射率，从而直接影响负折射率光子晶体的传播特性，达到调整调整激发光的窄带滤波特性，来匹配荧光光谱，解决不同波长引起的定量计算问题，提高荧光测量精度达到96.8%。

二、利用单一器件即可实现激发激光波长的选择和荧光波长的滤波，通过荧光波长调整按钮控制激光器发射不同的特定的激发波长以及利用负折射率光子晶体的窄带滤波特性可以实现多种荧光组织的同时检出，使用简单，实现方便。

三、在光学基底上设置有吸光涂层，激发光选择窄带滤波，吸光涂层吸收从皮肤透射出来的多余的散射荧光，可以有效避免其他荧光组织的影响。

附图说明

图1为本发明实施例一结构示意图；

图2为本发明实施例一中负折射率光子晶体的周期结构示意图；

图3为本发明实施例一中负折射率光子晶体的透射特征图；

图4为本发明实施例一中负折射率光子晶体在不同调制下透射特征图。

图5为本发明实施例一中不同波长激光激发出的荧光能量图。

附图标记为：11为主体盒、12为光学基底、13为透明胶体、14为激光器、15为准直透镜、16为显示模块、17为荧光波长调整按钮、18为激光器驱动电路、19为DSP处理器、110为负折射率光子晶体、111为第一光电探测器、112为吸光涂层、113为第二光电探测器、114为内置电源、115为控制电源。

具体实施方式

下面将结合附图及具体实施方式对本发明作进一步的描述。

一种负折射率光子晶体型生物荧光探测器，包括光学基底12和透明胶体13，光学基底位于透明胶体之上，其特征在于，还包括主体盒11，所述主体盒11置于光学基底12之上，主体盒主要由激光器14、准直透镜15、显示模块16、激光器驱动电路18、DSP处理器19、负折射率光子晶体110、第一光电探测器111、第二光电探测器113和控制电源115构成；DSP处理器19连接控制激光器驱动电路18，激光器驱动电路18驱动激光器14，激光器14的正下方安装所述准直透镜15；所述负折射率光子晶体由压电材料层和负折射率材料层相互交替重叠形成，压电材料层与控制电源电连接，改变负折射率光子晶体窄带，所述负折射率光子晶体110附着在光学基底上，负折射率光子晶体110的上表面设置所述第一光电探测器111和第二光电探测器113，第一光电探测器111和第二光电探测器113位于准直透镜15下方两侧；第一光电探测器111和第二光电探测器113接收经负折射率光子晶体110滤波后的激发荧光信号，并将该激发荧光信号转换成电信号，电信号传送给DSP处理器19进行处理，处理结果显示在显示模块16上。本发明采用内置电源114，具有良好的便携性。

本发明的形成机理：负折射率光子晶体110由负折射率材料和压电材料构成的，并且同时具有窄带和宽带滤波特性，其中的压电材料受到控制电源115控制，使得负折射率光子晶体110的窄带发生移动；如果激发光的波长在负折射率光子晶体110窄带的范围内，则激发光通过负折射率光子晶体110、光学基底12以及透明胶体13后进入皮肤，从而与对应的生物组织形成荧光，激发的荧光从皮肤中透射出来，依次通过光学基底12和负折射率光子晶体110后被第一光电探测器和第二光电探测器113接收，接收的信号送到DSP处理器19中，多余的散射荧光被吸光涂层材料112吸收，减小环境干扰信号。

实施例一：

本例中一种负折射率光子晶体型生物荧光探测器结构如图1所示。其中负折射率光子晶体是由折射率分别为-0.65的负折射率材料和折射率为2.297压电材料交替出现组成的，其中第j层压电材料受到控制电源115控制，如图2所示。

该负折射率光子晶体的透射特征图如图3所示，其同时具有窄带和宽带滤波特性，其中在短波长区域（波长范围为324nm~326nm）有很尖锐的滤波带宽和长波长区域（波长范围为864~1088nm）有较宽的滤波带宽，光只能在这两段波长才能通过负折射率光子晶体110。

通过控制电源115外加电压可以使由介电弹性材料构成的压电材料厚度发生变化，经验公式可表示为：

                                                (1)

                                              (2)

其中弹性应变幅值与外加电压有关，为压电材料的厚度，为压电材料的弹光系数，为调制深度。当调制深度分别为、、三种情况下负折射率光子晶体窄带和宽带滤波特性的变化，如图4所示。

同时采用不同短波长激光激发出的荧光与激发波长有关，这样激励光只要大于某个值都可以激励，但是存在定量问题，不同的激励波长所得到的光致发光的能量不同，如图5所示。

当测量时，可通过荧光波长调整按钮17选择不同的特定的激发波长，DSP处理器19接收到所选择的波长后，通过激光驱动电路18控制激光器14的发射波长，同时处理器19发送预设电压信号给控制电源115，控制电源115通过电压控制压电材料，使得负折射率光子晶体110的窄带发生移动，从而窄带滤波特性能够正好满足激光器14的波长，实现窄带滤波，则激发光通过负折射率光子晶体110、光学基底12以及透明胶体13后进入皮肤，从而与对应的生物组织形成荧光，激发的荧光从皮肤中透射出来，依次通过光学基底12和负折射率光子晶体110后被第一光电探测器和第二光电探测器接收，接收的信号送到DSP处理器19中进行后处理，由于采用两个探测器可以采用相关运算，有效提高处理效率和准确度，最后将处理的结果发送给显示模块16。这样既可以免去了调换激光光源的麻烦，又可以定量检测，同时避免来自其他荧光的干扰，提高荧光测量精度达到96.8%。

由于当前光子晶体能带结构计算方法成熟，足以保证通过材料合理搭配形成结构中需要的禁带范围，同时通过在结构中引入准周期形式或其他结构，也可以使得光子晶体禁带范围中产生需要的禁带特征。

应当理解上述的实施例仅用于说明本发明的技术方案而非对其限制。所属领域的技术人员通过设计不同的光子晶体禁带特征可以轻易地构造出不同于上述实施例一的一种负折射率光子晶体型生物荧光探测器。因此，本发明应该包括所有那些在所附权利要求书范围内的改变、修改和变化。