CN101082584A

CN101082584A - 一种光纤荧光生物传感器

Info

Publication number: CN101082584A
Application number: CN 200710011932
Authority: CN
Inventors: 曹望和; 付姚; 罗昔贤
Original assignee: Dalian Maritime University
Current assignee: Dalian Maritime University
Priority date: 2007-06-28
Filing date: 2007-06-28
Publication date: 2007-12-05
Anticipated expiration: 2027-06-28
Also published as: CN100573106C

Abstract

本发明涉及一种光纤荧光生物传感器，由激发光路、检测光路和荧光接收光路组成，三个光路分别连接在Y型光纤的三个分支上。在激发光路上，激发光源利用耦合光学耦合到Y型光纤的一个分支上；在检测光路，Y型光纤的另一分支与用于固定生物识别剂并进行样品检测的载体或样品池相连接；在荧光接收光路上，Y型光纤的第三分支与数据采集系统相连接，并进一步连接到信号处理与显示系统。该传感器响应快、灵敏度高、选择性好、重量轻、体积小、对生物友好，适用目前所有的荧光标记物，可克服传统荧光标记所存在发光寿命短、光漂白等突出缺陷，广泛应用于生物分子识别、医学临床诊断、高通量药物筛选、环境监测、生化战剂检测等诸多领域。

Description

一种光纤荧光生物传感器

技术领域

本发明涉及一种光纤荧光生物传感器，可广泛应用于医学诊断、生物分子、药物筛选、环境监测、食品卫生检测、生化战剂检测等诸多领域。

背景技术

传感器是能感受某种被测量信号，并将其转换成声、光、电等信号的元件，包括敏感元件、转换元件以及相应线路等。传感器的种类很多，其中以抗原抗体、酶、核酸、细胞等生物材料作为敏感元件组成的传感器称为生物传感器，而以光纤传导和收集光信号进行生物检测的传感器称为光纤生物传感器(fiberoptic biosensor，FOBS)，这种传感器通过检测生物反应所产生的光，通过检测光的波长、强度、振幅、相位等参数确定被检物质的量。与其他传感器相比，这种传感器具有抗电磁干扰能力强，不用参考电极，可以实现探头微型化以及用于遥测和适时检测等优点。

光纤生物传感器结构主要有光源、光纤、生物敏感元件及信号检测系统等，其中的生物敏感元件是传感器的关键部件，常用的生物敏感元件有抗原抗体、酶及核酸等。被测物与特定的生物敏感元件选择性相作用即抗原抗体或受体配体特异性结合；核酸分子碱基互补配对；酶对底物作用专一性等，产生的生物化学信息调制光纤中传输光的物理特性如光强、光振幅、相位等。因此这种传感器有较强的选择性和很高的灵敏度。同其它生物传感器相比，光纤生物传感器结合了光纤传感的特点，具体体现在：

(1)由于光纤本身良好的绝缘屏蔽作用，其抗干扰能力强，不受周围电磁场的扰动。

(2)不需要参考电极，探头可小型化，操作方便。

(3)可实现遥测，并能进行实时、在线和动态检测。

(4)响应速度快，灵敏度高。

光纤生物传感器的类型较多，目前研究较多的有倏逝波型、光吸收型和荧光型传感器等类型。其中，具有高灵敏度特性的荧光型传感器近年来获得了很快的发展。这种传感器通过测定特征荧光光谱对被测物进行定性和定量检测。其中，荧光的产生包括在激发光作用下物质本身产生的荧光或者通过标记的荧光物质产生荧光。荧光信号通过光纤传递，经过过滤、放大，最后用光电管或者CCD进行检测。

在激发光作用下，由于大多数生物物质本身并不发光，而少数生物物质自身产生的荧光光谱又非常相似，因此，荧光型传感器多采用荧光标记技术对生物样品进行探测。该技术通过运用荧光素、酶、胶体金及其它物理、化学和生物发光剂作为示踪物，并结合荧光显微镜、酶标测量仪、射线测量仪等仪器对结果进行检测。它可以实现细胞、亚细胞、超微结构以及在分子水平上对目标分子目标基因序列，目标蛋白质进行定性、定位的研究。其核心和关键技术手段就是用于生物分析检测的“荧光标记”或称“荧光探针”。传统荧光标记存在发光寿命短、光漂白等缺陷，使其实际应用受到了很大的限制。为此，人们一直努力寻找新的性能好、功能强、成本低、易操作且探测灵敏度高的“荧光标记”。近十年内，先进的“荧光标记”在国际上相继出现，如荧光团Cy-5、纳米金、半导体量子点如CdSc、上转换发光荧光粉等，从而基本解决了荧光漂白问题。同时，荧光标记的发展也进一步推动了相关荧光检测系统的发展。无光漂白的荧光标记在生物传感器方面的应用研究虽然还处于起步阶段，但已在医学诊断、药物筛选、环境监测、食品卫生检测、生化战剂检测等诸多领域显示出巨大的应用潜力。目前，与上述荧光标记相配套的传感设备的研制工作正处于起步阶段，尚无相应专利成果被报导。为此，本发明提供一种基于上述荧光标记的光纤荧光生物传感器。

发明内容

本发明的目的是提供一种灵敏度高、选择性好、响应快、操作简便、样品需要量少、价格低廉的一种光纤荧光生物传感器。以抗原抗体、核酸、酶、细胞等生物材料作为敏感元件生物识别剂，通过特异性结合、碱基互补配对、专一性作用等生化反应，对已被高灵敏度、无光漂白、对生物友好的荧光标记物标记过的目标生物样品进行识别。被识别的目标生物样品键连的荧光标记物被激发光激发，产生的高强度荧光信号由数据采集系统接收并通过信号处理与显示系统处理，实现对目标生物样品定性或定量的检测。

本发明的技术解决方案是：一种光纤荧光生物传感器，至少由激发光路、检测光路和荧光接收光路三部分光路组成，上述三个光路通过Y型光纤1连接，Y型光纤1的分支2连接激发光路，分支3连接荧光接收光路，分支4连接检测光路。激发光路上至少包括激发光源5和Y型光纤1的分支2两个元件，激发光源5利用耦合光学耦合到Y型光纤1的分支2上；在检测光路上至少包括Y型光纤1的分支4和固定生物识别剂并进行样品检测的载体或样品池6两个元件，Y型光纤1的分支4与用于固定生物识别剂的载体或样品池6相连接；在荧光接收光路上至少包括Y型光纤1的分支3、数据采集系统7和信号处理与显示系统8三个元件，Y型光纤1的分支3与数据采集系统7相连接，数据采集系统7进一步连接到信号处理测量与显示系统8。所述的检测所需的用于标记目标生物样品的荧光标记至少为表面经过官能化处理的Cy-5、纳米金、半导体量子点、上转换荧光粉中的一种或任意几种组合。

所述的Y型光纤1可以是一根一端具有两条支路的单光纤，可以是一端分成两束的由多根光纤捆扎成的光纤束，可以是一端分成两条支路的同轴光纤，也可以是多根单光纤与单光纤Y型分路器、耦合透镜、准直透镜中的一种或几种元件构成的组合式Y型光纤。其作用是为激发光和待接受荧光提供两条相互独立的路径与传感器的测试端相连接。

所述的激发光源5至少是He-Cd气体激光器、N₂气体激光器、Kr气体激光器、Ar气体激光器、Ar-Kr气体激光器、He-Ne气体激光器、CO₂气体激光器、H₂O气体激光器、红宝石Cr³⁺固体激光器、GaAs半导体激光器、GaAlAs半导体激光器LD、Nd固体激光器、Nd/YAG固体激光器、氙灯、钨灯中的一种或任意几种构成的光源组，或上述光源与透镜、滤光片、光栅组成的元件组合。

所述的激发光路、检测光路和荧光接收光路，可以在光路上安插一个或多个滤光元件、耦合元件、准直元件、聚焦元件、扩束元件或上述各元件组成的元件组。

所述的载体或样品池6所固定的生物识别剂至少为蛋白质、抗原、抗体、酶、核酸、DNA、RNA、细胞组织、肿瘤组织中的一种或任意几种组合。

所述的数据采集系统7，至少是光电倍增管、硅半导体探测器、铟镓砷半导体探测器、CCD器件中的一种或上述元件与信号放大器构成的元件组。

Y型光纤1为本发明的核心部件，其作用是为激发光和待接收荧光提供两条相互独立的路径与传感器的测试端相连接。由于来自光源的激发光和荧光标记发出的荧光分别通过Y型光纤1的两条相互独立的分支传输，可以大幅降低光在传输过程中的衰减，提高激发效率和检测灵敏度。光纤荧光生物传感器的激发光路，光源5与Y型光纤1的分支2之间的光路上可以安插滤光系统以滤除不需要的杂光，从而提高传感器的检测效果。光纤荧光生物传感器的检测光路，Y型光纤1的分支4与固定生物识别剂的载体或样品池6之间的光路上，安插准直元件或聚光元件，保证与待测杆品键连的荧光标记所发出的绝大部分荧光会聚到Y型光纤1的分支4的端口并输入Y型光纤1内，以提高检测效率。光纤荧光生物传感器的荧光接收光路，Y型光纤1的分支3的端口处，安插准直元件，将分支3的端口输出的光转为平行光。光纤荧光生物传感器的荧光接收光路，Y型光纤1的分支3与数据采集系统7之间的光路上，可以安插滤光系统以滤除除待测荧光以外的其它杂光，以提高检测效率。

本发明的光纤荧光生物传感器的工作过程是：激发光源5发出的平行光或发散光经耦合聚焦到Y型光纤1的分支2的端口，输入到Y型光纤1内。激发光在Y型光纤1内通过全反射传输到Y型光纤1的分支4的端口，输出激发光。分支4的端口输出的激发光照射到固定有生物识别剂的载体或样品池6中。当标记有荧光标记的目标生物样品流经载体或样品池6，并与载体或样品池6内的生物识别剂发生生化反应而被固定后，由分支4端口输出的激发光激发目标生物样品键连的荧光标记使其发出荧光。荧光标记所发荧光经Y型光纤1的分支4的端口，输入Y型光纤1。由分支4的端口输入的荧光在光纤内经全反射传输到Y型光纤1的分支3的端口。分支3的端口输出的荧光输入数据采集系统7，数据采集系统7获得的光信号经转换后输入信号处理与显示系统8内，经电路与软件处理从而实现对目标生物样品定性或定量的检测。

本发明的有益效果是，所提供的光纤荧光生物传感器具有灵敏度高、选择性好、响应快、操作简便、对生物友好、重量轻、体积小与便携等诸多优点，所使用的荧光标记物，如纳米金、半导体量子点、上转换发光荧光粉等，可克服传统荧光标记所存在发光寿命短、光漂白等突出缺陷，可广泛应用于生物分子识别、医学临床诊断特别是肿瘤诊断、高通量药物筛选、环境监测、生化战剂检测等诸多领域。

说明书附图

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的说明。

图1是本发明提供的一种光纤荧光生物传感器的结构示意图

图2是本发明具体实施例所用Y型多膜光纤束6结构示意图

图3是本发明具体实施例所用Y型多膜光纤束分支10截面图

图4是本发明具体实施例所用Y型多膜光纤束分支11截面图

图5是本发明具体实施例所用Y型多膜光纤束分支12截面图

图6是本发明所提供光纤荧光生物传感器具体实施例结构示意图

图中：1、Y型光纤，2、分支，3、分支，4、分支，5、激发光源，6、载体或样品池，7、数据采集系统，8、信号处理与显示系统，9、Y型光纤束，10、分支，11、分支，12、分支，13、中心多膜光纤，14、纤芯，15、包层材料，16、涂覆层，17、外层多膜光纤，18、包覆层，19、980nm半导体激光器，20、950-1000nm带通滤光片，21、耦合透镜，22、准直透镜，23、样品载体，24、准直透镜，25、程控立体光栅，26、光电倍增管，27、计算机。

具体实施方式

光纤荧光生物传感器所用Y型光纤束9由七根多膜光纤捆扎而成，中心一根，周围共计六根。如图2所示，在Y型光纤束9的一端，中心光纤脱离光纤束9而单独形成Y型光纤束9的一个分支，即分支10；其它外围光纤经捆扎，构成Y型光纤束9的另一分支，即分支11；Y型光纤束9的另一端作为Y型光纤束9的第三分支，即分支12。

Y型光纤束9的分支10由Y型光纤束9的中心单根多膜光纤13构成，它的截面示意图如图3所示。中心多膜光纤13的内层为纤芯14，它的材料是高纯氧化硅。纤芯14外层为包层材料15，材料为高纯氧化硅。在包层材料15外层是涂覆层16。

Y型光纤束9的分支11由Y型光纤束9中除中心多膜光纤13外的其它外层多膜光纤17捆扎而成，截面为六边形，其截面图如图4所示。外层多膜光纤17的材料与中心多膜光纤13相同。光纤束的外层为包覆层18。

Y型光纤束9的分支12由中心多膜光纤13和外层多膜光纤17，以及外层包覆层18共同构成，其截面图如图5所示。中心多膜光纤13位于Y型光纤束9的中心位置，外层多膜光纤17以多膜光纤13为中心捆扎而成，其截面为六边形。

光纤荧光生物传感器的具体结构示意图如图6所示。在激发光路上，光源是波长为980nm的半导体激光器19，输出功率为10-2000mW。为了除去激光器的倍频光及其它杂光，在980nm半导体激光器19与Y型光纤束9的分支10之间的光路上安插了950-1000nm带通滤光片20，对980nm激光的透过率≥70％，对950-1000nm以外的其它光的透光率≤10^-5。通过滤光片的激发光经过焦距为5-20mm的耦合透镜21聚焦于Y型光纤束9的分支10的端口处。

在检测光路上，Y型光纤束9的分支12与样品载体23之间的光路上安插有熔石英准直透镜22，焦距8.7mm，透过率大于90％200-1100nm。由Y型光纤束9的分支12的中心多膜光纤13输出的激发光，经准直透镜22转变为平行光照射到固定有生物敏感元件的载体23上。标记有荧光标记物的目标生物样品与生物敏感元件发生生化反应被固定后，荧光标记被激发，并发出荧光。发出的荧光经准直透镜22汇聚后输入分支12的外层多膜光纤17内，通过多次全反射传至Y形光纤束9的分支11。

在荧光接收光路上，Y型光纤束9的分支11的端口与作为数据采集系统的光电倍增管26之间，顺次安插有熔石英准直透镜24(焦距8.7mm，透过率大于80％200-1100nm)和程控立体光栅25。从Y型光纤束9的分支11的端口输出的荧光经准直透镜24转变为平行光输入程控立体光栅25。程控立体光栅25的透射波长通过计算机软件进行控制。信号处理与显示系统为计算机27。光电倍增管26采集到的数据输入计算机27，并通过软件进行处理。

与光纤荧光生物传感器配套使用的荧光标记物为包有一层或多层二氧化硅，并经过官能化的稀土掺杂硫氧化物纳米上转换荧光探针，平均粒径范围20-500nm，在980nm激光激发下可发出波长分别为440-500nm、510-560nm和620-700nm的蓝、绿、红光。

传感器所用生物识别剂可为蛋白质、抗体/抗原、酶、核酸、DNA、RNA、细胞组织、肿瘤组织等等，具体视目标生物样品而定。

Claims

1、一种光纤荧光生物传感器，其特征在于，至少由激发光路、检测光路和荧光接收光路三部分光路组成，上述三个光路通过Y型光纤(1)连接，Y型光纤(1)的分支(2)连接激发光路，分支(3)连接荧光接收光路，分支(4)连接检测光路。

2、如权利要求1所述的一种光纤荧光生物传感器，其特征在于，所述的激发光路上至少包括激发光源(5)和Y型光纤(1)的分支(2)两个元件，激发光源(5)利用耦合光学耦合到Y型光纤(1)的分支(2)上；在检测光路上至少包括Y型光纤(1)的分支(4)和固定生物识别剂并进行样品检测的载体或样品池(6)两个元件，Y型光纤(1)的分支(4)与用于固定生物识别剂的载体或样品池(6)相连接；在荧光接收光路上至少包括Y型光纤(1)的分支(3)、数据采集系统(7)和信号处理与显示系统(8)三个元件，Y型光纤(1)的分支(3)与数据采集系统(7)相连接，数据采集系统(7)进一步连接到信号处理测量与显示系统(8)。

3、如权利要求1所述的一种光纤荧光生物传感器，其特征在于，所述的检测所需的用于标记目标生物样品的荧光标记至少为表面经过官能化处理的Cy-5、纳米金、半导体量子点、上转换荧光粉中的一种或任意几种组合。

4、如权利要求2所述的光纤荧光生物传感器，其特征在于，所述的Y型光纤(1)可以是一根一端具有两条支路的单光纤，可以是一端分成两束的由多根光纤捆扎成的光纤束，可以是一端分成两条支路的同轴光纤，也可以是多根单光纤与单光纤Y型分路器、耦合透镜、准直透镜中的一种或几种元件构成的组合式Y型光纤。

5、如权利要求3所述的一种光纤荧光生物传感器，其特征在于，所述的激发光源(5)至少是He-Cd气体激光器、N₂气体激光器、Kr气体激光器、Ar气体激光器、Ar-Kr气体激光器、He-Ne气体激光器、CO₂气体激光器、H₂O气体激光器、红宝石Cr³⁺固体激光器、GaAs半导体激光器、GaAlAs半导体激光器、Nd固体激光器、Nd/YAG固体激光器、氙灯、钨灯中的一种或任意几种构成的光源组，或上述光源与透镜、滤光片、光栅组成的元件组合。

6、如权利要求1或3所述的一种光纤荧光生物传感器，其特征在于，所述的激发光路、检测光路和荧光接收光路，可以在光路上安插一个或多个滤光元件、耦合元件、准直元件、聚焦元件、扩束元件或上述各元件组成的元件组。

7、如权利要求3所述的所述的一种光纤荧光生物传感器，其特征在于，所述的载体或样品池(6)所固定的生物识别剂至少为蛋白质、抗原、抗体、酶、核酸、DNA、RNA、细胞组织、肿瘤组织中的一种或任意几种组合。

8、如权利要求3所述的一种光纤荧光生物传感器，其特征在于，所述的数据采集系统(7)，至少是光电倍增管、硅半导体探测器、铟镓砷半导体探测器、CCD器件中的一种或上述元件与信号放大器构成的元件组。