CN100567959C

CN100567959C - 微迈氏干涉生物分子作用传感方法及探针

Info

Publication number: CN100567959C
Application number: CNB2006100953597A
Authority: CN
Inventors: 曾祥楷
Original assignee: Chongqing Institute of Technology
Current assignee: Chongqing Institute of Technology
Priority date: 2006-12-26
Filing date: 2006-12-26
Publication date: 2009-12-09
Anticipated expiration: 2026-12-26
Also published as: CN101000305A

Abstract

本发明公开一种微迈氏干涉生物分子作用传感方法及探针。该方法是通过光纤上的微型迈克尔逊干涉器和生物分子敏感膜获取生物分子作用信息，通过该光纤上同一位置的正反向耦合器获取温度信息，实现经温度精确校正后的生物分子作用传感，并可获取后向散射光或荧光的分布信息。该方法有数据容错能力，通用性和选择性兼备，同时间同空间传感温度信息，噪声、干扰和杂散光的影响小，灵敏度高，测量范围大。该探针由光纤及其上的正反向耦合器、反射器、生物分子敏感膜构成，具有集成化、全光纤化、微型化、小温控区、抗振性好、成本低、可遥测等优点。该方法和探针特别适于生物分子作用或其热动力特性的传感。

Description

微迈氏干涉生物分子作用传感方法及探针

技术领域

本发明属于生物技术、分析仪器、传感技术领域，具体涉及一种微迈氏干涉生物分子作用传感方法及探针。

背景技术

生物分子相互作用是生命的基础，很多生物学研究可归结至生物分子相互作用的研究。生物分子的相互作用与温度有密切的关系，受温度的影响很大。为了获得更多的生物分子信息，人们需要获取生物分子作用的热动力特性。在现有生物分子作用传感方法中，生物分子作用产生的信号变化极其微弱，而传感信号本身受温度变化的影响很大，极微小的温度波动导致的信号变化足以淹没生物分子作用信息。在单纯传感生物分子作用的方法中，一般是通过对传感各部分进行高精度恒温的方法来消除温度影响。但在生物分子作用的热动力特性传感时，温度变化是必需的。此时必须精确获取生物分子作用位置的温度并对生物分子作用信息进行温度校正或补偿，以消除温度变化的干扰，否则生物分子作用的信息难以正确获取。因此，能进行温度精确校正的生物分子作用传感方法和探针在生命科学中具有极其重要的作用。

目前能进行温度校正的生物分子作用传感方法主要有：(1)用温度调节控制系统获得温度信息，并用双偏极化干涉法获取经温度校正后的生物分子作用信息；(2)采用快速等温滴定微量热法和固态热电偶来获取经温度校正后的生物分子作用信息；(3)用温度调节控制系统和内置于样品附近棱镜体内的热电偶获取温度信息，并用基于棱镜的表面等离子体共振(SPR)方法获取经温度补偿校正后的生物分子作用信息等。其中与本发明相近的传感方法是用内置于棱镜体内的热电偶和基于棱镜的SPR来获取生物分子作用的方法，参见图1。该方法是：通过棱镜106上的金属膜102和金属膜上的生物分子敏感膜101形成棱镜型SPR衰减器，在靠近样品池附近的棱镜体内置有热电偶110，在热电偶和样品池间有一层保护膜，作为传感器的核心；棱镜、金属膜、生物分子敏感膜、光探测器108等置于温度调控器109中，用热电偶传感温度；光源103光经聚焦准直镜104和P型起偏器105后形成平行P偏振光并传到棱镜的金属膜上并产生全反射；当棱镜、金属膜和生物分子敏感膜的折射率、P偏振光的波长或入射角等满足SPR共振条件时，P偏振光被耦合为表面等离子体波而被衰减并经出射透镜组107到达光探测器108；该光探测器及其数据采集处理系统111获取SPR共振波长(或角)和热电偶的温度数据，用温度数据对SPR共振波长(或角)进行校正补偿得到生物分子作用的大小信息，从而实现经温度校正的生物分子作用的获取；该方法通用性和特异性兼备，对样品无损，无需标记，灵敏度约10^-5～-6RIU，实时动态分析。上述各方法的不足是：(a)生物分子作用及其温度的传感是分离的，在不同空间采用不同的传感方式实现温度和生物分子作用的传感；在生物分子以流动相作用于生物分子敏感膜时，生物分子作用点温度与测量值有差异，该差异的微小量也将严重影响温度的校正，有时甚至使生物分子作用的传感难于实现；(b)实现这些方法的传感器结构复杂，基本是分离元件组合而成，体积大，抗振性差，成本高，难于遥测，温控区间大；(c)实现这些方法的传感系统无数据容错能力，光路和电路干扰大，对工作条件要求高。

发明内容

本发明的目的就在于针对现有技术存在的不足，提供一种集成化、有数据容错能力、干扰小、温度与生物分子作用同时间同空间传感的微迈氏干涉生物分子作用传感方法；本发明的另一目的是提供一种结构集成化和微型化、全光纤化、抗振性强、温控空间小、成本低、可遥测、干扰小、温度与生物分子作用同时间同空间传感的微迈氏干涉生物分子作用探针。用该方法和探针可构成能获取温度、生物分子作用、浓度、动力学参数及热动力特性等信息的系统。

为实现本发明目的，采用了以下技术方案：

本微迈氏干涉生物分子作用传感方法，其特征在于：(a)光纤芯中的光通过正反向耦合器被同向耦合特定波长带的部分光到光纤包层，并被反向耦合回另外波长带的光到光纤输入端；光纤芯中的其余光传输到光纤端面上的反射器并被反射，反射返回的光被保留部分光在光纤芯中以作为参考光；温度变化改变所述正反向耦合器的反向耦合光参量，即该反向耦合光参量随温度变化而作为温度信号；(b)被正反向耦合器耦合到光纤包层的光传输到光纤端面上的反射器并被反射返回，再被同向耦合部分光到光纤芯；从光纤包层耦合到光纤芯的光和所述参考光中对应波长带的光产生迈氏(也称为Michelson或迈克尔逊)干涉，并返回到光纤输入端；温度变化、生物分子与光纤包层表面上生物分子敏感膜的相互作用都改变所述迈氏干涉的干涉参量(即温度变化改变光纤包层光和参考光的相位差，导致该迈氏干涉及其干涉参量变化；生物分子与光纤包层表面上生物分子敏感膜的作用改变生物分子敏感膜的折射率和厚度，进而改变光纤包层光的相位，也导致该迈氏干涉及其干涉参量变化)，该干涉参量作为生物分子作用和温度信号；(c)返回到光纤输入端的光传输到光解调器并被解调，解调的数据被传输到计算机；计算机从解调数据得到所述干涉参量φ和反向耦合光参量λ_B，再用标定过程得到的温度系数k_B、温度常量a_B、温度校正系数k_m和生物分子作用常量a_m等分析得到温度T和温度校正后的生物分子作用信息F_m；其分析时的计算公式分别为：

T＝k_Bλ_B+a_B，F_m＝φ+k_mλ_B+a_m

本发明所述微迈氏干涉生物分子作用传感方法，其特征在于：计算机从解调数据得到所述迈氏干涉的光谱数据，对该光谱数据按波长的倒数进行坐标变换后再进行付立叶反变换，得到生物分子敏感膜内后向散射光或荧光的分布信息。该分布信息是沿光纤轴向的分布信息。

计算机用同时获取的、来自同一位置的反向耦合光参量和干涉参量得到温度和经温度校正后的生物分子作用信息，在不同温度条件下获取生物分子作用的实时信息，可得到温度、生物分子的浓度、相互作用、动力学参数和热动力特性等信息。

本发明所述微迈氏干涉生物分子作用传感方法，其特征在于：所述光是宽带光或可调谐扫描激光器的光，或按波长分时输出的窄带多波长光；所述光解调器是光谱解调器，或是由光电探测器及其数据采集卡构成；所述反射器的反射率小于90％；所述生物分子敏感膜位于所述正反向耦合器及其与反射器之间的光纤包层的表面，对被传感生物分子具有选择性结合、吸收或敏感的特性。

本发明所述微迈氏干涉生物分子作用传感方法，其特征在于：所述反向耦合光参量是所述正反向耦合器反向耦合光的中心波长或幅值；所述干涉参量是迈氏干涉条纹中波峰或波谷的波长值，或是迈氏干涉条纹所代表的相位差，或是特定波长的干涉光强值。所述相位差等于其迈氏干涉条纹中两波峰(或波谷)之干涉级差值乘以对应两波峰(或波谷)波长值之积，再除以对应两波峰(或波谷)波长值之差。

本发明所述微迈氏干涉生物分子作用传感方法，其特征在于：所述正反向耦合器是超结构光纤光栅，或是由长周期光纤光栅和短周期光纤光栅组合而成。所述正反向耦合器的3dB(也称为半波)同向耦合波长带宽大于2nm；所述超结构光纤光栅(也称为采样光纤光栅)是折射率分布为周期性间断的光纤光栅；所述长周期光纤光栅是折射率在光纤芯或光纤包层变化的，或是光纤包层上同光轴分布的多个槽纹环构成的长周期光纤光栅；所述短周期光纤光栅(也称Bragg光纤光栅)的反向耦合中心波长优化位于所述长周期光纤光栅的同向耦合波长带之外。

本发明所述微迈氏干涉生物分子作用传感方法，其特征在于：所述标定过程的具体步骤是：(a)将正反向耦合器和生物分子敏感膜置于温度为T₀且无被测生物分子的溶液中，计算机获取此时的反向耦合光参量λ_B0和干涉参量φ₀；(b)改变该溶液的温度为T₁(T₁≠T₀)，计算机获取此时的反向耦合光参量λ_B1和干涉参量φ₁；(c)计算机计算标定出温度系数k_B、温度常量a_B、温度校正系数k_m和生物分子作用常量a_m；其标定时的计算公式分别为：

k_B＝(T₁-T₀)/(λ_B1-λ_B0)，a_B＝(T₀λ_B1-T₁λ_B0)/(λ_B1-λ_B0)，

k_m＝-(φ₁-φ₀)/(λ_B1-λ_B0)，a_m＝(φ₁λ_B0-φ₀λ_B1)/(λ_B1-λ_B0)。

本发明根据所述传感方法形成的一种微迈氏干涉生物分子作用探针，包括正反向耦合器、有光纤芯和光纤包层的光纤、光纤端面上的反射器和生物分子敏感膜；其特征在于：在包含光纤芯和光纤包层的光纤上有正反向耦合器，在离该正反向耦合器一段距离处有光滑的光纤端面，在该光纤端面上有反射器，在所述正反向耦合器及其与反射器之间的整段或部分段光纤包层的表面上有生物分子敏感膜。

本发明所述微迈氏干涉生物分子作用探针，其特征在于：所述反射器是反射膜或反射镜，其反射率为10％-90％；所述正反向耦合器是超结构光纤光栅，或由长周期光纤光栅和短周期光纤光栅组合而成；所述正反向耦合器在其反向耦合中心波长处的反向耦合效率大于20％，在其同向耦合中心波长处的同向耦合效率优化为2-6dB，其3dB(也称为半波)同向耦合波长带宽优化为4-30nm，其反向耦合中心波长位于其同向耦合波长带之外；所述正反向耦合器、反射器、光纤包层和光纤芯构成为迈氏干涉器。所述超结构光纤光栅(也称为采样光纤光栅)是折射率分布为周期性间断的光纤光栅；所述长周期光纤光栅是折射率在光纤芯或光纤包层变化的长周期光纤光栅，或是光纤包层上同光轴分布的多个槽纹环构成的长周期光纤光栅。

本发明所述微迈氏干涉生物分子作用探针，其特征在于：所述生物分子敏感膜是对被传感生物分子有选择性结合、吸收或敏感性的薄膜，或是由光纤包层上的过渡层和过渡层上的配体分子构成，或是由光纤包层上的网状多孔膜和网状多孔膜上(包括该网状多孔膜表面上或内部包埋)的配体分子构成；所述生物分子敏感膜的折射率大于其所在溶液的折射率且小于所述光纤包层的折射率的1.8倍。所述配体分子是被传感生物分子的配体分子；所述生物分子敏感膜的厚度大于1nm。

本发明所述微迈氏干涉生物分子作用探针，其特征在于：所述光纤包层与所述生物分子敏感膜之间有一层金属膜，该金属膜的厚度为1-200nm。

本发明所述微迈氏干涉生物分子作用探针，其特征在于：包含所述正反向耦合器和生物分子敏感膜的这段光纤固定连接在石英支承架上；该石英支承架的中部和一端部各有一V形槽，其两V形槽之间及另一端部有凹槽；所述这段光纤通过第一固化胶、第二固化胶和第四固化胶固定在所述石英支承架的V形槽和凹槽内，所述石英支承架的外部通过第三固化胶连接有导向套，该导向套的外表面有导向突起；所述导向套的端部上有防漏垫圈，导向套的中部外表面上有限位环和松配合的螺纹帽；在所述两V形槽之外的光纤有光纤保护层，该光纤保护层的外面有光纤过渡缓冲套，该光纤过渡缓冲套连接到所述导向套上。

与现有技术比较，本发明提供的生物分子作用传感方法及探针的优点是：(a)本方法用迈氏干涉光获取生物分子作用信息，具有数据容错能力，灵敏度高，通用性和选择性兼有，杂散光和光路干扰小；(b)温度和生物分子作用是在同一位置传感的，且迈氏干涉光和反向耦合光同时获取，即同时间和同空间获取生物分子作用及其温度信息，温度校正精确，另外还可获取生物分子散射光或荧光的分布信息，信息量大；(c)本探针的各传感部件完全集成在光纤上，体积微型化，恒温和温控区间小，温度自检，抗振性好，成本低；(d)本探针可遥测，电绝缘，安全无毒，环境适应性强，适于实时连续传感与分析；(e)本方法及探针可用于同时空的温度、生物分子浓度、相互作用、动力学参数及其热动力学特性等信息的获取。

附图说明

图1是基于棱镜SPR和内置热电偶的生物分子作用传感方法的原理图；

图2是本专利实施例一涉及的微迈氏干涉生物分子作用探针的结构图；

图3是本专利实施例二涉及的金属膜在探针中的位置关系图；

图4是本专利实施例三涉及的超结构光纤光栅在探针中的位置关系图；

图5是本专利实施例四涉及的超结构光纤光栅和金属膜在探针中的位置关系图。

具体实施方式

下面结合附图，用本发明所述微迈氏干涉生物分子作用传感方法及探针，以获取人免疫球蛋白G(IgG)与其配体分子(即抗体)相互作用的实施例来进一步说明本发明。其它生物分子的传感方法及探针的实施与之相似，只是其生物分子敏感膜不同而已。

实施例一：参见图2，本微迈氏干涉生物分子作用探针的结构包括：光纤包层1、光纤芯2、长周期光纤光栅3、短周期光纤光栅4、生物分子敏感膜6、石英支承架7、反射器8、第一固化胶9、第二固化胶10、第三固化胶11、防漏垫圈12、导向套13、螺纹帽14、限位环15、光纤过渡缓冲套16、第四固化胶17、光纤保护层18。其构成方法是：(a)在一段有光纤芯2、光纤包层1、光纤保护层18的光纤上，去除部分光纤保护层，用激光器和长周期光纤光栅掩模板写入长20mm、3dB带宽10nm、同向耦合中心波长处同向耦合效率为4dB的长周期光纤光栅3；长周期光纤光栅3也可通过化学腐蚀或刻蚀的方法，在光纤包层表面制作出与光纤同光轴分布的多个槽纹环来形成；在光纤包层1表面固化生物分子敏感膜6后再置入生物分子溶液中时，该长周期光纤光栅3的一个同向耦合中心波长为1540nm；在距离该长周期光纤光栅7mm处用激光器和短周期光纤光栅模板写入长为5mm、反向耦合中心波长为1550nm、3dB反向耦合波长带宽为0.5nm、反向耦合效率为80％的短周期光纤光栅4；用长周期光纤光栅3和短周期光纤光栅4组合而构成为正反向耦合器；光纤芯2和光纤包层1的材料为石英，其折射率为1.48-1.52；(b)在距离该长周期光纤光栅30mm处切断光纤并清洁切断面，在光纤切断面上镀上1550nm波长处反射率为70％的金属银膜以作为反射器8，短周期光纤光栅4位于长周期光纤光栅3和反射器8之间的光纤上；在长周期光纤光栅3及其与反射器8之间的光纤包层1表面固定化一层厚约120nm的硅化膜作为过渡层，在该硅化膜上再固化厚约5-20nm的羊抗人IgG抗体(即配体分子)层，该硅化膜层与羊抗人IgG抗体层共同作为生物分子敏感膜6，硅化膜和羊抗人IgG抗体层的折射率约为1.509；人免疫球蛋白G(IgG)生物分子溶液的折射率约1.34；(c)制作长6cm外径3mm的石英支承架7，其凹槽深度2mm，两V形槽深1.8mm，V形槽间的距离28mm；将有长周期光纤光栅3和短周期光纤光栅4、反射器8和生物分子敏感膜6的这段光纤用第一固化胶9、第二固化胶10和第四固化胶17粘贴到石英支承架的两V形槽和一端凹槽内，石英支承架7通过第三固化胶11连接到导向套13上；该导向套外径7mm内径4mm，其上的导向凸起高0.8mm宽1mm，其一端上粘贴有防漏垫圈12，该防漏垫圈长2mm外径8mm内径6mm；导向套13上套有螺纹帽14和限位环15，该螺纹帽外径11mm壁厚1mm长17mm，该限位环长2mm内径6mm外径8mm，导向套13与螺纹帽14和限位环15分别是松配合和紧配合；在光纤和导向套13的一端连接上光纤过渡缓冲套16，该光纤过渡缓冲套长22mm小端内径1mm大端内径6mm，其材料为塑料，与导向套13的一端是紧配合。这就构成了本微迈氏干涉生物分子作用探针，可直接同时空传感出人免疫球蛋白G(IgG)与其抗体的相互作用、作用位置的温度信息等。

采用本实施例的探针，其传感方法的对应实施例是：含有1540nm和1550nm附近波长的光源光通过光纤和宽带耦合器传输到微迈氏干涉生物分子作用探针的光纤芯2中，光纤芯2中1550nm波长附近的光传输到短周期光纤光栅4时被反向耦合回到本探针的光纤输入端，该反向耦合的光随温度变化并作为温度传感信号；光纤芯2中1540nm波长附近的部分光传输到长周期光纤光栅3时被同向耦合到光纤包层1，其余光在光纤芯2中传输到反射器8并被反射返回而作为迈氏干涉的参考光；对同向耦合到光纤包层1的光而言，如果生物分子敏感膜6的折射率小于光纤包层1的折射率，则光纤包层的光在光纤包层1和生物分子敏感膜6的界面处发生反射，以倏逝波形式受生物分子敏感膜6的影响后，返回光纤包层1并在反射器8处被反射，反射回的光再次在光纤包层1和生物分子敏感膜6的界面处发生反射，再次以倏逝波形式受生物分子敏感膜6的影响后返回光纤包层1，在再次到达长周期光纤光栅3时被同向耦合部分光到光纤芯2；如果生物分子敏感膜6的折射率大于或等于光纤包层1的折射率，则耦合到光纤包层1的光或其部分光将透过生物分子敏感膜6，在生物分子敏感膜6和生物分子溶液的界面处发生反射或全反射，受生物分子敏感膜6的影响后返回光纤包层1并在反射器8处被反射，反射回的光将再透过生物分子敏感膜6，并在生物分子敏感膜6和生物分子溶液的界面处发生反射或全反射，再受生物分子敏感膜6的影响后返回光纤包层1，在再次到达长周期光纤光栅3时被同向耦合部分光到光纤芯2；在这两种情况下，从光纤包层1被同向耦合到光纤芯2的光与迈氏干涉的参考光产生迈氏干涉；构成正反向耦合器的短周期光纤光栅反向耦合的光及迈氏干涉的光返回到本探针的光纤输入端，并通过宽带耦合器和光纤传输到光调解器；该光解调器解调输入的光信号并通过标准数据总线(如GPIB、RS232、485、USB等)将解调数据传输到计算机，计算机从解调数据中获取所述迈氏干涉的干涉参量和反向耦合光参量；计算机用在传感人免疫球蛋白G作用时获取的干涉参量和反向耦合光参量，以及标定过程得到的温度系数、温度常量、温度校正系数及生物分子作用常量等，根据计算公式计算出温度、经温度校正后的人免疫球蛋白G与羊抗人IgG抗体相互作用的信息。如果光解调器获取的是光谱数据，则计算机从解调数据可获得所述迈氏干涉的光谱数据，对该光谱数据按波长的倒数进行坐标变换后再进行付立叶反变换，可得到生物分子敏感膜内后向散射光或荧光沿光纤轴向的分布信息。本实施例中，标定过程的具体步骤是：(a)将短周期光纤光栅4和生物分子敏感膜6置于温度为T₀＝15℃且无人免疫球蛋白G(IgG)的溶液中，计算机获取1550nm波长附近的反向耦合光参量λ_B0、1540nm波长附近的干涉参量φ₀；(b)改变该溶液的温度为T₁＝37℃，计算机获取此时1550nm波长附近的反向耦合光参量λ_B1、1540nm波长附近的干涉参量φ₁；(c)计算机将这些数据代入标定过程的计算公式，得到温度系数k_B、温度常量a_B、温度校正系数k_m、生物分子作用常量a_m。本实施例中，计算机计算人免疫球蛋白G(IgG)与羊抗人IgG抗体的相互作用及其温度的过程以及其传感原理是：(a)在标定出温度系数、温度常量、温度校正系数和生物分子作用常量后，将短周期光纤光栅4和生物分子敏感膜6置于有人免疫球蛋白G(IgG)的溶液中；(b)该溶液中的人免疫球蛋白G(IgG)与生物分子敏感膜6上的羊抗人IgG抗体相互作用并影响生物分子敏感膜6的折射率和光纤包层的波导参数，从而影响光纤包层1中光的相位和幅值等，导致迈氏干涉的干涉参量变化；该迈氏干涉光和反向耦合光通过宽带耦合器和光纤传输到光解调器，解调后得到的解调数据被传输到计算机；(c)计算机获取1550nm波长附近的反向耦合光参量λ_B、1540nm波长附近的干涉参量φ，然后用λ_B、φ、温度系数、温度常量、温度校正系数和生物分子作用常量等代入计算公式，计算得到温度T、经温度校正后的人免疫球蛋白G(IgG)与羊抗人IgG抗体的相互作用信息F_m。本实施例中，所述反向耦合光参量是正反向耦合器中的短周期光纤光栅反向耦合光的中心波长或幅值；所述干涉参量是所述迈氏干涉条纹中的波峰或波谷的波长值，或是所述迈氏干涉条纹所代表的相位差，或是特定波长的干涉光强度值，都可表征出生物分子作用的大小；所述相位差等于其迈氏干涉条纹中两波峰(或波谷)之干涉级差值乘以对应两波峰(或波谷)波长值之积，再除以对应两波峰(或波谷)波长值之差。本实施例中，所述光源光是中心波长为1545nm、带宽为40nm的连续宽带光，所述光解调器是范围为1510-1590nm的光纤光谱解调器或光纤光谱仪，计算机获取的解调数据是光谱数据；所述光源光也可以是中心波长为1550nm、带宽为100nm的可调谐扫描激光器输出的光，则此时所述光解调器是由光电探测器及其数据采集卡组合而构成，计算机获取的解调数据是光谱数据；所述光源光还可以是由固定在1540nm和1550nm波长附近的双光源和光开关组合而构成，则此时所述光解调器是由光电探测器及其数据采集卡组合构成，计算机获取的解调数据是光强度值。计算机从这些光谱数据或光强度数据中均可获得所述迈氏干涉的干涉参量和反向耦合光参量。这样，计算机根据传感过程中同时空获取的反向耦合光参量、干涉参量及标定出的各数据等，就计算得到温度、经温度精确校正后的人免疫球蛋白G(IgG)与羊抗人IgG抗体作用的生物分子作用信息。

实施例二：参见图3，本微迈氏干涉生物分子作用探针的结构与实施例一探针结构的不同是：在光纤包层1和生物分子敏感膜6之间有一层金属膜5，该金属膜5的材料为金，该金属膜5的厚度为30nm；其它与实施例一的探针相同。

采用本实施例二的探针，其传感方法的对应实施例与实施例一的传感方法的不同是：光纤包层1中的光在光纤包层1和金属膜5的界面发生全反射时将产生表面等离子体共振(SPR)而被衰减及导致相位变化，SPR衰减的中心波长、特定波长处的衰减幅值及其相位变化受人免疫球蛋白G(IgG)与生物分子敏感膜6的作用及温度的影响，这导致迈氏干涉的条纹分布、幅值及其幅值包络线发生变化；本实施例中迈氏干涉光的相位和幅值的变化都存在；其它与实施例一的传感方法相同。

实施例三：参见图4，本微迈氏干涉生物分子作用探针的结构与实施例一探针结构的不同是：用超结构光纤光栅19作为正反向耦合器，以代替长周期光纤光栅3和短周期光纤光栅4。该超结构光纤光栅19的形成方法是：用长周期光纤光栅掩模板和短周期光纤光栅模板重叠移动的方法以及激光器在光纤上制作出超结构光纤光栅19，使超结构光纤光栅19的同向耦合中心波长在1540nm附近，其同向耦合中心波长处的耦合效率为3dB，其3dB同向耦合波长带宽为10nm，其反向耦合中心波长在1550nm附近，其反向耦合中心波长处的反向耦合效率为90％，其3dB反向耦合波长带宽为0.5nm；其它与实施例一的探针相同。

采用本实施例三的探针，其传感方法的对应实施例与实施例一的传感方法的不同是：超结构光纤光栅19作为正反向耦合器，以代替长周期光纤光栅3和短周期光纤光栅4；超结构光纤光栅19在光纤芯和光纤包层之间实现1540nm波长附近光的同向耦合，同时在光纤芯中实现1550nm波长附近光的反向耦合；其它与实施例一的传感方法相同。

实施例四：参见图5，本微迈氏干涉生物分子作用探针的结构与实施例三探针结构的不同是：在光纤包层1和生物分子敏感膜6之间有一层金属膜5，该金属膜5的材料为金，该金属膜5的厚度为30nm；其它与实施例三的探针相同。

采用本实施例四的探针，其传感方法的对应实施例与实施例三的传感方法的不同是：光纤包层1中的光在光纤包层1和金属膜5的界面发生全反射时将产生表面等离子体共振(SPR)而被衰减及导致相位变化，SPR衰减的中心波长、特定波长处的衰减幅值及其相位变化受人免疫球蛋白G(IgG)生物分子与生物分子敏感膜6的作用及温度的影响，这导致迈氏干涉条纹的分布、幅值及其幅值包络线发生变化；本实施例中迈氏干涉光的相位和幅值的变化都存在；其它与实施例三的传感方法相同。

Claims

1、微迈氏干涉生物分子作用传感方法，其特征在于：

(a)光纤芯中的光通过正反向耦合器被同向耦合特定波长带的部分光到光纤包层，并被反向耦合回另外波长带的光到光纤输入端；光纤芯中的其余光传输到光纤端面上的反射器并被反射，反射返回的光被保留部分光在光纤芯中以作为参考光；温度变化改变所述正反向耦合器的反向耦合光参量λ_B；

(b)被正反向耦合器耦合到光纤包层的光传输到光纤端面上的反射器并被反射返回，再被同向耦合部分光到光纤芯；从光纤包层耦合到光纤芯的光和所述参考光中对应波长带的光产生迈氏干涉，并返回到光纤输入端；温度变化、生物分子与光纤包层表面上生物分子敏感膜的相互作用都改变所述迈氏干涉的干涉参量φ；所述生物分子敏感膜位于所述正反向耦合器及其与反射器之间光纤包层的表面；

(c)返回到光纤输入端的光传输到光解调器并被解调，解调的数据被传输到计算机；计算机从解调数据得到所述干涉参量φ和反向耦合光参量λ_B，再用标定过程得到的温度系数k_B、温度常量a_B、温度校正系数k_m和生物分子作用常量a_m等分析得到温度T和温度校正后的生物分子作用信息F_m；其分析时的计算公式分别为：

T＝k_Bλ_B+a_B，F_m＝φ+k_mλ_B+a_m

所述标定过程的具体步骤是：(a)将正反向耦合器和生物分子敏感膜置于温度为T₀且无被测生物分子的溶液中，计算机获取此时的反向耦合光参量λ_B0和干涉参量φ₀；(b)改变该溶液的温度为T₁，且T₁≠T₀，计算机获取此时的反向耦合光参量λ_B1和干涉参量φ₁；(c)计算机计算标定出温度系数k_B、温度常量a_B、温度校正系数k_m和生物分子作用常量a_m；其标定时的计算公式分别为：

k_B＝(T₁-T₀)/(λ_B1-λ_B0)，a_B＝(T₀λ_B1-T₁λ_B0)/(λ_B1-λ_B0)，

k_m＝-(φ₁-φ₀)/(λ_B1-λ_B0)，a_m＝(φ₁λ_B0-φ₀λ_B1)/(λ_B1-λ_B0)；

所述反向耦合光参量是所述正反向耦合器反向耦合光的中心波长或幅值；所述干涉参量是迈氏干涉条纹中波峰或波谷的波长值，或是迈氏干涉条纹所代表的相位差，或是特定波长的干涉光强值。

2、根据权利要求1所述的传感方法，其特征在于：计算机从解调数据得到所述迈氏干涉的光谱数据，对该光谱数据按波长的倒数进行坐标变换后再进行付立叶反变换，得到生物分子敏感膜内后向散射光或荧光的分布信息。

3、根据权利要求1所述的传感方法，其特征在于：所述光是宽带光或可调谐扫描激光器的光，或按波长分时输出的窄带多波长光；所述光解调器是光谱解调器，或是由光电探测器及其数据采集卡构成；所述反射器的反射率小于90％。

4、根据权利要求1所述的传感方法，其特征在于：所述正反向耦合器是超结构光纤光栅，或是由长周期光纤光栅和短周期光纤光栅组合而成。调器，或是由光电探测器及其数据采集卡构成；所述反射器的反射率小于90％。

4、根据权利要求1所述的传感方法，其特征在于：所述正反向耦合器是超结构光纤光栅，或是由长周期光纤光栅和短周期光纤光栅组合而成。

5、根据权利要求1至4所述的传感方法形成的一种微迈氏干涉生物分子作用探针，包括正反向耦合器、有光纤芯(2)和光纤包层(1)的光纤、光纤端面上的反射器(8)和生物分子敏感膜(6)；其特征在于：在包含光纤芯(2)和光纤包层(1)的光纤上有正反向耦合器，在该离正反向耦合器一段距离处有光滑的光纤端面，在该光纤端面上有反射器(8)，在所述正反向耦合器及其与反射器(8)之间的整段或部分段光纤包层(1)的表面上有生物分子敏感膜(6)。

6根据权利要求5所述的探针，其特征在于：所述反射器(8)是反射膜或反射镜，其反射率为10-90％；所述正反向耦合器是超结构光纤光栅(19)，或由长周期光纤光栅(3)和短周期光纤光栅(4)组合而成；所述正反向耦合器在其反向耦合中心波长处的反向耦合效率大于20％，在其同向耦合中心波长处的同向耦合效率为2-6dB，其3dB同向耦合波长带宽为4-30nm，其反向耦合中心波长位于其同向耦合波长带之外；所述正反向耦合器、反射器(8)、光纤包层(1)和光纤芯(2)构成为迈氏干涉器。

7、根据权利要求5所述的探针，其特征在于：所述生物分子敏感膜(6)是对被传感生物分子有选择性结合、吸收或敏感性的薄膜，或是由光纤包层(1)上的过渡层和过渡层上的配体分子构成，或是由光纤包层(1)上的网状多孔膜和网状多孔膜上的配体分子构成；所述生物分子敏感膜(6)的折射率大于其所在溶液的折射率且小于所述光纤包层的折射率的1.8倍。

8、根据权利要求5所述的探针，其特征在于：所述光纤包层(1)与所述生物分子敏感膜(6)之间有金属膜(5)，该金属膜的厚度为1-200nm。

9、根据权利要求5或8所述的探针，其特征在于：包含所述正反向耦合器和生物分子敏感膜(6)的这段光纤固定连接在石英支承架(7)上；该石英支承架(7)的中部和一端部各有一V形槽，其两V形槽之间及石英支承架(7)的另一端部有凹槽；所述这段光纤通过第一固化胶(9)、第二固化胶(10)和第四固化胶(17)固定在所述石英支承架(7)的V形槽和凹槽内，所述石英支承架(7)的外部通过第三固化胶(11)连接有导向套(13)，该导向套(13)的外表面有导向突起；所述导向套(13)的端部上有防漏垫圈(12)，导向套(13)的中部外表面上有限位环(15)和松配合的螺纹帽(14)；在所述两V形槽之外的光纤有光纤保护层(18)，该光纤保护层(18)的外面有光纤过渡缓冲套(16)，该光纤过渡缓冲套(16)连接到所述导向套(13)上。