CN101625323A - 微纳米荧光光纤生物传感检测系统 - Google Patents

微纳米荧光光纤生物传感检测系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种微纳米荧光光纤生物传感检测系统及其技术实现路线，其特点是采用光纤作为信号的传输体，后端检测系统包括光传入，光传出，光电转换，信号调理及计算机软件数据采集和处理等。其中光传入系统采用氘灯结合单色仪，形成单色光传入；光传出系统采用特定单色仪作为生物光信号传出；它们与特定的光电转换和信号调理模块整合组成了该传感检测系统的硬件，以完成数据的自动采集、处理、显示和存储等功能。本发明结合光纤传感和单色光选择及计算机自动控制构成荧光检测系统，和传统的荧光检测相比具有可靠性强、检测波长灵活可变、便携性强等优点，可用于生物医学中具有弱光特性的组织和疾病包括癌症的临床检测。

Description

微纳米荧光光纤生物传感检测系统
技术领域
本发明涉及一种微纳米荧光光纤生物传感检测系统及其实现的技术路线，该系统属于自动化检测仪器，属于环境监测、生物医学和临床检验设备制造领域。
背景技术
生物传感器是一种利用某些生物活性物质所具有的选择识别待测生物化学物质的能力而制成的传感器，是一种在分子水平上认识人体化学信息的新型传感器。本发明所描述的光纤生物传感检测系统是将光学检验系统同生物学检测系统相结合组成的，是最近才发展起来的领域。
目前，国内外都对光纤生物传感器进行了大量的研究和开发，相关的报道也比较多，例如，Kopelman在1992年最早构建并使用了基于荧光法的光纤纳米传感器，用于检测微环境中的pH值。该纳米传感器响应时间为300ms，比传统的光纤传感器响应时间缩短1％以上，pH浓度检测下限低于传统传感器六个数量级。这些特性使之适宜于对单个细胞和亚细胞结构的检测。Kopelman等已将其用于小鼠胚胎细胞pH值的检测，这是最早报道用于检测生物样本的纳米传感器[Tan W H，Shi Z Y，Smith S，et al.Submicrometer intracellular chemical optical fibersensors[J].Science，1992，258：778-781]。Dinh等人成功地研制出一种用于检测BPT(Benzo[a]pyrene tetrol，是一种与暴露于致癌物质苯并a芘相关的DNA损伤的生物标志物)的光纤纳米免疫传感器，传感器头部的生物探针上结合了特异性单克隆抗体，通过抗原抗体特异性结合，能够检测单个细胞内的生物化学物质。该传感器的最低检出限是10-21mol[Dinh T V，Alarie J P，Cullum B M，et al.Antibody-basednanoqrobe for measurement of a fluorescent analyte in a single cell[J].Nat Biotechnol，2000，18：764-767.]。国内在光纤生物传感器的研究上也投入了不少，有很多单位进行了相关的研究并取得了一定的成果。例如，武汉理工大学生物材料与工程研究中心闫玉华等以荧光猝灭原理为基础，以钌II邻菲咯啉为荧光试剂制备荧光薄膜，以醋酸纤维素为胆固醇氧化酶固定化载体，研制了胆固醇光纤生物传感器，利用相移法原理，采用锁相放大技术，实现了对胆固醇溶液中溶解氧和胆固醇含量的检测。该传感器具有较高的灵敏度，快的响应时间和较好的稳定性[闫玉华，徐运华等，基于荧光猝灭原理的胆固醇光纤生物传感器的研制，中国生物医学工程学报，23(1)2004年2月：44-47]。中国科学院上海光学精密机械研究所和军事医学科学院微生物流行病研究所的翟俊辉和黄惠杰等人使用直径1mm的石英光纤和635nm激光二极管，利用倏逝波原理制作了光纤生物传感器，实现了对细菌核酸分子的特异性和相对快速检测，其对特定核酸分子的检测可达到纳克级水平[翟俊辉，黄惠杰等，光纤生物传感器用于核酸的特异性检测，分析化学研究学报，31(1)2003年1月：34-37]。
利用光纤传感和现代光学检测设备对人体和其他复杂微环境进行实时检测和检测是一种具有重大实用价值的创新思路。光学传感在环境和医学中的应用已十分广泛，主要有蔬菜残余农药检测仪器、人体血糖检测仪器以及军事上的化学毒气检测仪器等。
综上所述，现有技术存在以下不足：
1.传感光纤与后端检测处理系统的连接固定，检测内容单一，操作不灵活；
2.整个检测系统采用分离光学元件作为光路，仪器可靠性和便携性受到极大限制。
发明内容
本发明的目的在于针对现有技术的不足而为环境检测和临床检验领域提供一种应用范围更为宽广和灵活、可靠性和便携性更好的光纤生物传感检测系统及其实现的技术路线，其特点是采用光纤作为生物传感信号的传输体，后端的检测系统包括光传入系统、光传出系统、光电转换模块、信号调理模块及计算机软件数据采集和处理模块。
在所述的光传入系统和传出系统所组成的光路单元中：光源(不同波长的激光器)与单色仪和传感光纤连成一体，形成光传入系统。在这个系统中，激光器所发出的光通过单色仪的选择性通过作用后，所需的特定波长的光通过单色仪的输出口导入传感光纤中。光传出系统由传感光纤和单色仪组成，传感光信号由光纤导出后经单色仪滤除杂波长光信号，信号光由单色仪输出口导出至后端的光电转换模块和电路处理模块。
所述的光电转换模块和电路处理模块组成所发明检测系统的电路单元，光电转换模块采用成熟的商用模块，电路处理模块是由AT89S51单片机和高精度的16位A/D转换芯片为核心，下位机AT89S51单片机采用串口通信的方式与上位PC机进行数据通信。
上位PC机主要完成数据的自动采集和处理及显示和存储等功能，这个部分为所发明检测系统的软件单元。该软件单元用美国国家仪器公司的虚拟仪器编程语言LabVIEW编写，主要的功能模块有：与下位机的通信和数据采集模块、数据处理模块、数据显示模块以及数据存储模块。
上述的光路单元、电路单元和软件单元形成一个完整的检测系统，在计算机的控制下完成对传感光纤的光信号进行智能化地检测。
微纳米光纤生物传感器集合了生物传感器和光气传感器的特点，具有较强的选择性和很高的灵敏度，而且在分析过程中可省去对测试物分离提纯等烦琐工作。同其他生物传感器相比，光纤生物传感器结合了光纤传感的特点，具体体现在：
①不需要参考电极，探头可小型化，操作方便；
②可实现遥测，并能进行实时、在线和动态检测，响应速度快，灵敏度高。
本发明实现的微纳米光纤生物传感器应用广泛，主要应用于检测生物样品中的酸碱度，食品和水果中的霉烂变质情况，以及环境检测中的化学成分及酸碱性，在临床和医药上主要用于检测细胞的损伤和癌症组织的酸碱性变化特性。对传感器的敏感部分稍加改进，即可用来对各种癌症和艾滋病等疾病进行早期的诊断，还可以用来检测DNA的损伤。
附图说明
图1本发明实施例1的表征结果，系统的基本组成原理图(A：光学系统；B：传感光纤；C：电路系统；D：上位PC)
图2本发明实施例2的表征结果，系统实施例原理图(A：样品池与荧光光纤传感器；B：光路系统；C：信号检测与处理系统)
具体实施方式
下面通过实施对本发明进行具体的描述，有必要在此指出的是本实施例只用于对本发明进行进一步说明，而不能理解为对本发明保护范围的限制，该领域的技术熟练人员可以根据上述发明的内容做出一些非本质的改进和调整。
下面结合附图对本发明的组成作更详细的描述。
设计一个以单色仪和传感光纤为核心的光路单元，该单元与所述电路处理单元和软件单元有机结合，构成一体化的自动化荧光光纤生物传感检测系统。该检测系统的流程为：光纤探头→光信号采集→光电转换→微弱信号调理→A/D转换→单片机控制电路→PC。从中可看出，该系统将传感光纤所采集的光信号通过光信号采集单元进行处理，得到单波长的传感光信号，这个光信号在强度上与被检测的物质存在确定的量化关系。由光路单元出来的在强度上与被检测的物质存在确定的量化关系的单一波长光信号进入光电转换模块，光电转换模块将所述脉动光信号转换成为脉动的电压信号，该电压信号经过调理模块的处理后，成为符合后端A/D转换芯片所需要的2-3v的电压信号。随后，这个电压信号进入高精度的16位A/D转换芯片，转换成计算机能处理的数字信号，这些数字信号在下位机AT89S51单片机的控制下，按照一定的时序通过串行总线传送至上位PC机。然后通过PC机中的软件程序对这些数据进行处理、显示和存储，从而实现对人体或其他复杂微环境中的感兴趣物质进行实时的检测。
图1中可以看到本系统的主要组成，主要由传感光纤子系统、光路子系统、电路子系统和软件子系统等四个子系统构成，图中：1、传感光纤头部关键传感部位；2、光源(氘灯)；3、1号单色仪；4、2号单色仪；5、光电转换模块；6、电路调理模块；7、通信和控制模块。由光源2和1号单色仪3构成光传入系统，得到传感光纤所需的特定波长的单色光；由2号单色仪4和光电转换模块5构成光传出系统，其完成的功能是把与被检测的物质存在确定的量化关系的光信号传出并将其转换为电信号；在由电路调理模块6和通信控制模块7所组成的下位机子系统的控制下，完成模拟信号到数字信号的高保真转换，并以串口通信的方式将数据实时地送至上位机PC；位于上位机PC上的虚拟仪器软件模块完成对数据的处理、显示和存储等功能。
在图2实施例中，荧光生物传感器是将生物传感器插入到待测的物质当中，启动传感器的光源，使和光纤头部相接触的生物组织产生荧光，然后用接收传感器接触发荧光的生物组织，将所发出的荧光接收到探测器中，进行检测，检测到的信号进入数据采集系统中进行数字处理，以电压、电流的形式从计算机中显示出来，通过输出电压、电流的值与被测物质的特性(如pH值的大小)之间的关系，便可以从所测的电流或电压值得出被测物的特征参数(如pH值)的大小。

Claims (3)

1.一种微纳米荧光光纤生物传感检测系统，其特征在于采用光纤作为传感光信号的传输体，光路传入系统和传出系统均采用单色仪，该光路结合光电转换模块和信号调理模块并由计算机软件实现数据的自动采集和处理等，构成一体化的荧光光纤生物传感检测系统。
2.如权利要求1所述之微纳米荧光光纤生物传感检测系统，其特征在于：在所述的光路传输模块中，传输光纤的尺寸为微纳米级(10-6-10-9m)，整个光路中包括两个单色仪模块，其中一个在光传入通路中，实现光源发出的白光中特定波长的光传入到传感光纤中；另一个在光传出通路中，实现特定激发波长信号光的传出。后端的光电转换模块采用成熟的商用模块完成相关功能。
3.如权利要求1所述之微纳米荧光光纤生物传感检测系统，其特征在于：在前面所述的信号调理和模数转换模块中，使用AT89S51单片机和高精度的16位A/D转换芯片，实现信号的高保真数字化。上位机的数据采集和处理软件模块由虚拟仪器编程语言LabVIEW编写完成，其实现的功能包括数据的自动采集、数据的存储和处理结果的显示。上述的下位机AT89S51单片机和上位机PC的通信采用串口通信方式。在上位机对下位机AT89S51单片机的控制下，实现整个荧光光纤生物传感检测系统的自动化。
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