CN101701913B - 一种全光纤结构的多探头光纤倏逝波生物传感器 - Google Patents

Abstract

一种全光纤结构的多探头光纤倏逝波生物传感器属于生物传感器技术领域，其特征在于，含有；光源、至少一个光纤耦合器、至少两个光环行器、至少两个探测光纤以及至少两个荧光探测组件，其中，探测光纤芯区的裸露部分外表面修饰有生物识别分子。激光信号经光纤耦合器分路后，分别通过各自对应的光环行器进入相应探测光纤的探测端，该探测光纤再对混有激发光的荧光信号进行收集，然后经光环行器输出到荧光探测组件中准直、滤波后，再把滤波得到的荧光信号转换为电信号输出。本发明能同时对多种样品进行多次探测，荧光信号的利用率高。

Description

一种全光纤结构的多探头光纤倏逝波生物传感器 

技术领域

本发明涉及一种全光纤结构的多探头光纤倏逝波生物传感器，该传感器可以广泛应用于环境监测、生物医学、食品卫生检测、医学诊断等领域。 

背景技术

光纤生物传感器是一种以光纤为载体传导和收集光信号进而实现生物检测的传感器(Fiber Optic Bio-Sensor，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测物质的量。与其他传感器相比，这种传感器具有抗电磁干扰能力强，可以用于遥测并且能进行实时、在线和动态检查等优点。 

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，光纤倏逝波生物传感器采用光波在光纤内以全反射方式进行传输时所产生的倏逝波激发探测光纤芯线表面的标记有荧光染料的生物分子，进而可以检测到倏逝场范围内的附着在光纤芯线表面的生物物质。 

在先技术中，由黄惠杰、翟俊辉等人在其专利《多探头光纤倏逝波生物传感器》中报道了一种多探头光纤倏逝波生物传感器。但是该传感器存在如下缺点： 

1.探测器的体积大、重量大，携带不方便。由于该传感器的两套光路都是采用体光学元件来实现元件之间的光学耦合及光束分路功能的，使得其体积和重量都相对较大。 

2.系统光路调节过程复杂，稳定性差。由于该传感器的内部光 路采用的是自由空间光路，所以在其制作过程中，必须从五个维度来调节各个光学元件，最终搭建出一套同轴光路光学系统。整个光路调节过程所要求的操作精度高，操作难度大，并且固定后的各光学元件的相对位置容易受到外界影响(如热应力、仪器搬运时的震动等)，导致系统稳定性差。 

3.探测光纤与传感器输出的探测激光耦合稳定性差。该传感器采用耦合透镜将激光器的激光束耦合到探测光纤中，所以经过聚焦后的激光束必须垂直入射到探测光纤的光纤(在该专利说明书的具体实施方式中使用的是直径为1mm的光纤)端面的中心处，否者将无法获得理想的探测效果。采用这种自由空间光的耦合方式极易受到外界因素的影响(如重力、空气抖动、仪器受到的外界震动、光路中的灰尘等)，稳定性差。 

4.该传感器并不是真正意义的多探头传感器。首先，它需要借助外部的机械运动来获取不同探测光纤的荧光信息，这就为系统引进了新的复杂度。其次，每次只能获得一个探测光纤上荧光信息，不能同时获得其他探测光纤上的荧光信息。最后，它虽然具备多个探头，但是却无法实现多种探测样品的同时探测，各探头的探测灵活度低。 

此外，由清华大学的施汉昌、龙峰等人在其专利《全光纤倏逝波生物传感器》说明书中所报道一种单一探头的全光纤倏逝波生物传感器。该探测器虽然实现了探测器的全光纤化，但是它也存在着如下缺点： 

1.单一探头、探测效率低。该传感器只有一个探测光纤，无法进行一种样品同时多次探测，以及多种样品同时探测。 

2.荧光信号的光能利用率低。首先，由探测端返回的荧光信号会有一部分耦合到入射端，不能用于探测。其次，荧光信号从多模光纤出射后经过滤光片进入探测器的过程中，由于多模光纤存在较大的发散角，所以也会对荧光信号造成损失，导致其利用率降低。

发明内容

本发明的目的是提供一种体积小、重量轻、便于携带、制作过程简单、性能稳定、可以实现一种样品同时多次探测和多种样品同时探测的多探头光纤倏逝波生物传感器。 

本发明涉及一种全光纤结构的多探头光纤倏逝波生物传感器，其特征在于，含有：光源，至少一个光纤耦合器，至少两个光环行器，至少两个探测光纤以及至少两个荧光探测组件，其中： 

光源，是一台带有输出尾纤的激光器，所述激光器是半导体激光器和光纤激光器中的任何一种，所述输出尾纤是单模光纤或多模光纤； 

光纤耦合器，用于组成分光光路模块，用单模光纤或多模光纤实现，输入的是经传导光纤所引导的所述光源输出的激发光信号； 

光环行器，用单模光纤或多模光纤实现，一个输入端与所述光纤耦合器的一个激光信号输出端通过传导光纤连接，用于使收集到的混有激发光的荧光信号全部用于后续的光电探测； 

探测光纤，是一段芯区端部部分裸露在外的单模光纤或多模光纤，在所述芯区裸露部分的外表面修饰有生物识别分子，该探测光纤的既作为激发光信号输入也作为混有激发光的荧光信号输出的一个端口与所述光环行器的既作为激发光信号输出也作为混有激发光的荧光信号输入的一个端口通过传导光纤相连接； 

荧光探测组件，由沿着光轴轴向依次布置的光纤准直器、滤光器 件和光电探测电路组成，其中： 

光纤准直器，输入端通过传导光纤与所述光环行器的一个所述混有激发光的荧光信号的输出端相连接，把收集到的所述混有激发光的荧光信号准直后送入所述滤光器件， 

滤光器件，是二向色镜、滤光片中的任何一种，用于从由所述光纤准直器输入的所述混有激发光的荧光信号中分离出荧光信号， 

光电探测电路，其中的光电探测器是光谱仪、光电倍增管、光电二极管中的任何一种，用于把从所述滤光器件输入的所述荧光信号转换为电信号。 

所述的一种全光纤结构的多探头光纤倏逝波生物传感器，其特征在于所述的荧光探测组件由沿着光轴轴向依次布置的滤光器件、光纤准直器和光电探测电路代替，其中： 

滤光器件，是光纤光栅、光纤滤波器、波分复用器、阵列波导光栅中的任何一种，通过传导光纤与所述光环行器的一个所述混有激发光的荧光信号的输出端连接，用于从所述混有激发光的荧光信号中分离出荧光信号， 

光纤准直器，输入端通过传导光纤与所述滤光器件的一个所述分离出的荧光信号的输出端相连接，把所述分离出的荧光信号准直后送入所述光电探测电路， 

光电探测电路，其中的光电探测器是光谱仪、光电倍增管、光电二极管中的任何一种，用于把从所述滤光器件输入的所述荧光信号转换为电信号。 

本发明与在先技术相比： 

1.能够实现一种样品同时多次探测，以及多种样品同时探测。 由于各探头之间的激发光传导及荧光回收模块彼此独立，使得各探头之间的探测过程不会相互影响，进而能够实现一种样品同时多次探测，以及多种样品同时探测。 

2.荧光利用率高。首先，由于采用了光环路器对荧光信号进行回收，所收集到的荧光信号全部用于后续的光电探测，避免因部分荧光信号重新耦合到输入端而造成的荧光利用率降低。其次，荧光信号在进入光电探测器前经过准直，避免荧光信号进入光电探测器之前由于发散角过大而引起的光能损失，因此进一步提高了荧光利用率。 

附图说明

图1是本发明一种全光纤结构的多探头光纤倏逝波生物传感器(两探头)的结构示意图。其中的荧光探测模块E是由光纤光栅E01、光纤准直器E02以及光电二极管E03组成。 

图2是本发明一种全光纤结构的多探头光纤倏逝波生物传感器(四探头)的结构示意图。其中的荧光探测模块E是由滤光片E01、光纤准直器E02以及光电二极管E03组成。 

图3是本发明一种全光纤结构的多探头光纤倏逝波生物传感器中的探测光纤D01在显微镜下成像的图片。 

具体实施方式

本发明的目的是通过以下技术方案来达到的： 

一种全光纤结构的多探头光纤倏逝波生物传感器，它包括光源模块A、分光光路模块B、激发光传导及荧光回收模块C、探测光纤D， 荧光探测模块E，以及各光学元件之间的光纤连接器件F。 

①所述的光源模块A，是一台带有尾纤输出的激光器。激光器的类型可以是半导体激光器、光纤激光器等体积小重量轻的激光器，其输出尾纤可以是单模光纤、多模光纤，或其他特种光纤。 

②所述的分光光路模块B，是由光纤耦合器所组成，可以实现将一条光路分为多条子光路。光纤耦合器所采用的光纤可以是单模光纤、多模光纤，或其他特种光纤。 

③所述的激发光传导及荧光回收模块C，由光环路器(或称光环行器)实现，其主要的功能是使所收集到的混有激发光的荧光信号全部用于后续的光电探测，避免因部分荧光信号重新耦合到输入端而造成的荧光利用率降低。所采用的光纤可以是单模光纤、多模光纤，或其他特种光纤。 

④所述的探测光纤D，是一段芯区部分裸露在外的光纤，其芯区表面修饰有生物识别分子。这段部分裸露芯区的光纤，可以通过手工剥离、化学腐蚀或熔融加工等方法将光纤的一部分除去包层后制成。所采用的光纤可以是单模光纤、多模光纤，或其他特种光纤。 

⑤所述的荧光探测模块E，由光纤准直器、滤光器件和光电探测器以及后续电路组成。 

光纤准直器的主要功能是将进入光电探测器前的光学信号进行准直，这样可以避免由光纤端面直接出射时发散角过大而引起的光能损失。所采用的光纤可以是单模光纤、多模光纤，或其他特种光纤。 

滤光器件可以采用二向色镜、滤光片、光纤光栅、波分复用器 (WDM)、阵列波导光栅(AWG)等可将混于激发光信号中的荧光信号分离出来的光学元器件。 

光电探测器可以采用光谱仪、光电倍增管、光电二极管等能够测得荧光信号的强度或光谱信息的元件或仪器。 

⑥以上所述各光学元件之间的光纤连接器件F都是采用标准的可拆卸的光纤连接器，如FC、SC、ST型等。 

实施例一：一种全光纤结构的两探头光纤倏逝波生物传感器 

请参阅附图1，附图1是本发明专利一种全光纤结构的多探头光纤倏逝波生物传感器(两探头)的结构示意图。由图可知，这种全光纤结构的两探头光纤倏逝波生物传感器是由光源模块A、分光光路模块B、激发光传导及荧光回收模块C、探测光纤D，荧光探测模块E，以及各模块之间的连接器件F组成。 

由附图1可知，光源模块A采用的是一台中心波长在650nm，出纤功率为20mW的半导体激光器A01，输出尾纤为单模光纤。 

分光光路模块B采用的是一个分光比为50∶50、由单模光纤制成的1×2的光纤耦合器B01，其输入端与半导体激光器A01的输出端连接。 

激发光传导及荧光回收模块C，共两块，采用的是两个由单模光纤制成的光环路器C11、C21，它们的输入端分别与光纤耦合器B01的两个输出端连接。 

探测光纤D，共两段，采用的是两段被部分处理过的多模光纤D11、D21，如附图3所示。处理方法是通过氢氟酸进行腐蚀，使光纤的芯区部分裸露在外，裸露部分的芯区直径为30微米。然后，将这段裸露的芯区部分包被上具有特异性识别能力的生物抗体。它们的 输入端分别与光环路器C11、C21的第一输出端连接。 

荧光探测模块E，共两块，是由两个光纤光栅E11、E21，两个光纤准直器E12、E22和两个光电二极管E13、E23组成。其中光纤光栅E11、E21透射光的中心波长均为670nm(Cy5发射的荧光信号的中心波长)，其输入输出端都采用单模光纤。将它们的输入端分别连接光环路器C11、C21的第二输出端。光纤准直器E12、E22的中心波长均为650nm，工作距离均为50mm，所采用的光纤均为单模光纤，将它们的光纤输入端分别连接光纤光栅E11、E21的输出端。光电二极管E13、E23的波长响应范围均为380～1150nm。将光纤准直器E12、E22发射出来的平行光束分别垂直射入光电二极管E13、E23的光敏面。 

以上各光学元件之间的光纤连接器件F均采用FC/PC型光纤连接器。 

探测时，将表面包被了具有特异性识别能力的生物抗体的光纤探针D11、D21，插入标记了Cy5荧光分子的生物样品溶液中，即可获得相应的荧光信号。若将光纤探针D11、D21插入同一种生物样品溶液同时探测，便可实现一种样品同时两次探测。若将光纤探针D11、D21插入两种不同生物样品溶液中进行探测，便可实现两种样品同时探测。 

实施例二：一种全光纤结构的四探头光纤倏逝波生物传感器 

请参阅附图2，附图2是本发明专利一种全光纤结构的多探头光纤倏逝波生物传感器(四探头)的结构示意图。由图可知，这种全光纤结构的四探头光纤倏逝波生物传感器是由光源模块A、分光光路模块B、激发光传导及荧光回收模块C、探测光纤D，荧光探测模块E， 以及各模块之间的连接器件F组成。 

由附图1可知，光源模块A采用的是一台中心波长在650nm，出纤功率为20mW的半导体激光器A01，输出尾纤为单模光纤。 

分光光路模块B采用的是三个分光比为50∶50、由单模光纤制成的1×2的光纤耦合器B01、B02、B03，其中B01的输入端与半导体激光器A01的输出端连接，B02、B03的输入端分别与B01的两个输出端连接。 

激发光传导及荧光回收模块C，共四块，采用的是四个由单模光纤制成的光环路器C11、C21、C31、C41，其中C11、C21的输入端分别与光纤耦合器B02的两个输出端连接，C31、C41的输入端分别与光纤耦合器B03的两个输出端连接。 

探测光纤D，共四段，采用的是四段被部分处理过的多模光纤D11、D21、D31、D41，如附图3所示。处理方法是通过氢氟酸进行腐蚀，使光纤的芯区部分裸露在外，裸露部分的芯区直径为30微米。然后，将这段裸露的芯区部分包被上具有特异性识别能力的生物抗体。它们的输入端分别与光环路器C11、C21、C31、C41的第一输出端连接。 

荧光探测模块E，共四块，是由四个高通滤光片E11、E21、E31、E41，四个光纤准直器E12、E22、E32、E42和四个光电二极管E13、E23、E33、E43组成。其中高通滤光片E11、E21、E31、E41的阈值波长均为665nm，高于665nm的光可以透过滤光片，反之则不能透过滤光片到达光电探测器。光纤准直器E12、E22、E32、E42的中心波长均为650nm，工作距离均为50mm，所采用的光纤均为单模光纤，将它们的输入端分别连接光环路器C11、C21、C31、C41的第二输出 端。光电二极管E13、E23、E33、E43的波长响应范围均为380～1150nm。将光纤准直器E12、E22、E32、E42发射出来的平行光束分别透过高通滤光片E11、E21、E31、E41后，再垂直射入相应的光电二极管E13、E23、E33、E43的光敏面。 

以上各光学元件之间的光纤连接器件F均采用FC/PC型光纤连接器。 

探测时，将表面包被了具有特异性识别能力的生物抗体的光纤探针D11、D21、D31、D41，插入标记了Cy5荧光分子的生物样品溶液中，即可获得相应的荧光信号。若将光纤探针D11、D21、D31、D41插入同一种生物样品溶液同时探测，便可实现一种样品同时四次探测。若将光纤探针D11、D21、D31、D41插入四种不同生物样品溶液中进行探测，便可实现四种样品同时探测。 

Claims (2)

1.一种全光纤结构的多探头光纤倏逝波生物传感器，其特征在于，含有：光源，至少一个光纤耦合器，至少两个光环行器，至少两个探测光纤以及至少两个荧光探测组件，其中：

光源，是一台带有输出尾纤的激光器，所述激光器是半导体激光器和光纤激光器中的任何一种，所述输出尾纤是单模光纤或多模光纤；

光纤耦合器，用于组成分光光路模块，用单模光纤或多模光纤实现，输入的是经传导光纤所引导的所述光源输出的激发光信号；

光环行器，用单模光纤或多模光纤实现，一个输入端与所述光纤耦合器的一个激光信号输出端通过传导光纤连接，用于使收集到的混有激发光的荧光信号全部用于后续的光电探测；

探测光纤，是一段芯区端部部分裸露在外的单模光纤或多模光纤，在所述芯区裸露部分的外表面修饰有生物识别分子，该探测光纤的既作为激发光信号输入也作为混有激发光的荧光信号输出的一个端口与所述光环行器的既作为激发光信号输出也作为混有激发光的荧光信号输入的一个端口通过传导光纤相连接；

荧光探测组件，由沿着光轴轴向依次布置的光纤准直器、滤光器件和光电探测电路组成，其中：

光纤准直器，输入端通过传导光纤与所述光环行器的一个所述混有激发光的荧光信号的输出端相连接，把收集到的所述混有激发光的荧光信号准直后送入所述滤光器件，

滤光器件，是二向色镜、滤光片中的任何一种，用于从由所述光纤准直器输入的所述混有激发光的荧光信号中分离出荧光信号，

光电探测电路，其中的光电探测器是光谱仪、光电倍增管、光电二极管中的任何一种，用于把从所述滤光器件输入的所述荧光信号转换为电信号。

2.根据权利要求1所述的一种全光纤结构的多探头光纤倏逝波生物传感器，其特征在于，所述的荧光探测组件由沿着光轴轴向依次布置的滤光器件、光纤准直器和光电探测电路代替，其中：

滤光器件，是光纤光栅、光纤滤波器、波分复用器、阵列波导光栅中的任何一种，通过传导光纤与所述光环行器的一个所述混有激发光的荧光信号的输出端连接，用于从所述混有激发光的荧光信号中分离出荧光信号，

光纤准直器，输入端通过传导光纤与所述滤光器件的一个所述分离出的荧光信号的输出端相连接，把所述分离出的荧光信号准直后送入所述光电探测电路，

光电探测电路，其中的光电探测器是光谱仪、光电倍增管、光电二极管中的任何一种，用于把从所述滤光器件输入的所述荧光信号转换为电信号。

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