CN102445444B

CN102445444B - 一种光纤荧光探针及基于溶液的光纤荧光传感系统模型

Info

Publication number: CN102445444B
Application number: CN201110318017.8A
Authority: CN
Inventors: 黎敏; 潘忠; 华莉
Original assignee: Wuhan University of Technology WUT
Current assignee: Wuhan University of Technology WUT
Priority date: 2011-10-19
Filing date: 2011-10-19
Publication date: 2013-10-02
Anticipated expiration: 2031-10-19
Also published as: CN102445444A

Abstract

本发明涉及一种适用于微量元素含量检测的光纤荧光探针及基于溶液的光纤荧光传感系统模型,包括有激发光纤、接收光纤、毛细管、选透膜和套筒，激发光纤与两根接收光纤呈品字形排列置于毛细管内，选透膜固定在毛细管末端面，且毛细管内充满生物荧光探针溶液，毛细管固定于套筒内，套筒圆柱段前端与毛细管末端相距2mm。本发明具有相对于现有技术具有以下优点：1）结构简单、成本低廉；2）检测简单方便，可广泛应用于实时检测；3）品字形排列的光纤结构，有效利用套筒的空间位置，能够有效提高荧光采集效率，具有较高的精度；4）使用标准医用注射器针头作为套筒,减少人体微量元素检测时病人的痛苦。

Description

一种光纤荧光探针及基于溶液的光纤荧光传感系统模型

技术领域

本发明属于生物荧光检测技术领域，涉及溶液中微量元素检测的光纤传感器，具体涉及一种适用于微量元素含量检测的光纤荧光探针及基于溶液的光纤荧光传感系统模型。

背景技术

当前微量元素的检测方法主要包括：火焰塞曼原子吸收光谱法(FAAS)、石墨炉原子吸收光谱法(GFAAS)、感应耦合等离子体质谱法(ICP/MS)、原子辐射光谱法以及电化学方法如阳极吸附伏安法(ASV)。其中两种原子吸收光谱法都有高灵敏度的优势，但是它们都要求在分析开始之前对样品进行充分的预处理。这个处理过程非常缓慢、费力且成本高昂。分离的预处理过程是无法适应连续、实时的数据输出要求的，这是生物体微量元素检测无法普及的重要原因之一。此外，ICP/MS法受基体效应影响，如果样品基体复杂则其灵敏度、准确性不高。再者，电化学方法无法应用于存在火灾和爆炸性危险的测量中且由于现有的电化学仪器的厂家太杂，检出限和稳定性太差。因此提出了基于荧光型传感器的利用光纤作为传感单元和传输媒质的光学测量方法，这种测量方法有很强的抗干扰的能力，可实现高精度，低成本和便捷的要求，用以普及微量元素的检测。

荧光探针法是利用荧光传感技术，通过测量微量元素离子的出现或浓度的改变所引起荧光强度、寿命、光谱等参数的变化量实现测量。巧妙设计的荧光探针能够将可测量的荧光参数与被测离子的浓度一一对应，可实现高精度的定量测量。因此荧光探针的优化设计是实现荧光法测量的关键问题之一。

中国专利公开文件CN 100573106尝试利用Y型光纤结构解决生物大分子的定量测量问题，并没有提供微量元素的解决方案；专利US7003184 B2用大体积的电化学敏感单元定量检测人体中的微量元素，却增加了人检测时的痛苦。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是针对上述现有技术而提供一种适用于溶液中微量元素含量检测的光纤荧光探针，采用体积较小的标准医用注射器针头作为检测探针，克服了以往微量元素检测方法中测量浓度低、操作复杂、耗时、以及难以减少病人痛苦等困难。

本发明解决上述技术问题所采用的技术方案是：适用于微量元素含量检测的光纤荧光探针，其特征在于包括有激发光纤、接收光纤、毛细管、选透膜和套筒，激发光纤与两根接收光纤呈品字形排列置于毛细管内，选透膜固定在毛细管末端面，且毛细管内充满生物荧光探针溶液，毛细管固定于套筒内，套筒圆柱段前端与毛细管末端相距2mm。

按上述方案，所述的激发光纤和接收光纤的剖面圆心相连构成的正三角形的中心为毛细管的剖面圆心。

按上述方案，所述的激发光纤为大芯径紫外光纤，数值孔径0.22～0.37、芯径400~600um、包层直径490~660um；接收光纤为普通大芯径光纤，数值孔径0.34～0.5，芯径400~630um，包层直径490~690 um。

按上述方案，所述的套筒采用标准医用一次性注射器针头，规格为14G、15G或18G。

基于溶液的光纤荧光传感系统模型，其特征在于包括有上述所述的光纤荧光探针、激发光源、滤光片、光电探测器和数据采集处理模块，所述的光纤荧光探针的激发光纤的一端通过光纤连接器与激发光源的输出端相连接，且二者同轴；光纤荧光探针的接收光纤的一端连接滤光片，滤光片置于光电探测器正前方，且光电探测器的输出端与数据采集处理模块的输入端口相连。

本发明的基本原理是：激发光源发出某一特定波长的激发光（根据被测微量元素而定），耦合进入激发光纤，激发毛细管中生物荧光探针溶液的荧光剂；生物荧光探针溶液中被激发的荧光由两根大芯径光纤接收并传输，经滤光片限波处理后送至光电探测器进行光电转换，最后进入数据采集处理模块完成对微量元素的浓度计算和显示。本发明所述的生物荧光探针溶液含有特征荧光指示剂，当被测目标微量元素，如锌(Zn)、铜(Cu)等出现或浓度变化时，将引起荧光参数－强度、寿命、发射谱与被测量元素浓度的相应变化，通过测量荧光的强度或者寿命变化，即可获得对应的微量元素的浓度。

本发明具有相对于现有技术具有以下优点：1）本发明由三根光纤和毛细管构成，结构简单、成本低廉；2）光纤荧光探针与注射器采用即插即用结构，检测简单方便，可广泛应用于实时检测；3）品字形排列的光纤结构，有效利用套筒的空间位置，能够有效提高荧光采集效率，具有较高的精度；4）使用标准医用注射器针头作为套筒,减少人体微量元素检测时病人的痛苦。

附图说明

图1 是基于溶液的光纤荧光传感系统模型结构示意图；

图2是图1中的光纤荧光探针结构剖面图；

图3是光源方向角的示意图。

具体实施方式

适用于微量元素含量检测的光纤荧光探针，其特征在于包括有激发光纤11、接收光纤（12、13）、毛细管14、选透膜15和套筒16，激发光纤与两根接收光纤呈品字形排列置于毛细管内，选透膜固定在毛细管末端面，且毛细管内充满生物荧光探针溶液，毛细管14固定于套筒16内，套筒圆柱段前端与毛细管末端相距2mm。

按上述方案，所述的激发光纤11和接收光纤（12、13）的剖面圆心相连构成的正三角形的中心为毛细管14的剖面圆心。

按上述方案，所述的套筒16采用标准医用一次性注射器针头，规格为14G、15G或18G；内径分别为1.55mm、1.36mm、0.84mm；外径2.10mm、1.81mm、1.21mm。

基于溶液的光纤荧光传感系统模型，其特征在于包括有上述所述的光纤荧光探针10、激发光源20、滤光片30、光电探测器40和数据采集处理模块50，所述的光纤荧光探针的激发光纤的一端通过光纤连接器与激发光源的输出端相连接，且二者同轴；光纤荧光探针的接收光纤（12、13）的一端连接滤光片，滤光片置于光电探测器正前方，且光电探测器的输出端与数据采集处理模块的输入端口相连。

下面结合附图和实施例详细说明：

一．光纤荧光探针10

如图2所示，适用于微量元素含量检测的光纤荧光探针10包括激发光纤11、接收光纤（12、13）、毛细管14（构成光纤端微腔结构）、选透膜15和套筒16；

（1）激发光纤11

激发光纤11是数值孔径0.22～0.37、芯径400~600um、包层直径490~660um的大芯径紫外光纤，激发光纤11接收激发光源20耦合进的光，并激发毛细管14中的生物荧光探针溶液的荧光剂；

（2）接收光纤

接收光纤（12、13）均为数值孔径0.34～0.5、芯径400~600um、包层直径490~690 um的大芯径光纤，被激发的荧光耦合至接收光纤（12、13）并传输至数据采集处理模块。

（3）毛细管14

毛细管的管壁厚度约为100um，激发光纤11、接收光纤（12、 13）呈品字形排列置于毛细管14内，且三根光纤的外包层内切于毛细管14内壁，毛细管14的外壁内切于套筒16的内壁。

（4）选透膜15

选透膜15为多孔性壁并使适当的化合物沉淀于其孔隙中制成，小分子（如离子分子大小为pm级）能穿过选透膜15而生物大分子（如荧光剂分子大小为170~450nm）则不能穿过选透膜15。溶液中的微量元素离子可以穿过选透膜15进入毛细管14中的生物荧光探针溶液中，而毛细管14中生物荧光探针溶液的荧光剂不能穿过选透膜15进入套筒16中。

（5）套筒16

所述的套筒16采用标准医用一次性注射器针头，规格包括14G、15G、18G等；内径分别为1.55mm、1.36mm、0.84mm；外径2.10mm、1.81mm、1.21mm。套筒16内壁进行抛光处理，以增强反射率。

各部分的位置关系是：

激发光纤11、接收光纤（12、13）三者呈品字形排列，且三根光纤的剖面圆心相连构成的正三角形的中心即为毛细管14的剖面圆心。

其结构构成及精度分析：向毛细管14内注满生物荧光探针溶液，由激发光纤11、接收光纤（12、13）胶合而成的品字形光纤、毛细管14以及生物荧光探针溶液构成检测传感头，整体固定于套筒16中构成光纤荧光探针10。本发明的光纤荧光探针10的激发光纤11、接收光纤（12、13）均为大芯径光纤，增大了接收角，能大幅提高系统的荧光采集效率，套筒16采用标准医用注射器针头，其内能放置的光纤数最多为3，数量越多精度越高，所以品字形排列的激发光纤11、接收光纤（12、13）进一步提高测量精度，光纤荧光探针的优化设计是整个传感检测系统中核心部分。

二．检测系统功能块及其工作原理

基于溶液的光纤荧光传感系统模型（如图1所示装置）包括有光纤荧光探针10、激发光源20、滤光片30、光电探测器40和数据采集处理模块50，其位置关系和连接情况为：所述的光纤荧光探针的激发光纤11的一端通过光纤连接器与激发光源20的输出端相连，且二者同轴；光纤荧光探针10的两根接收光纤（12、13）的一端连接滤光片30，滤光片30置于光电探测器40的前方，且光电探测器40的输出端与数据采集处理模块50的输入端口相连。

(1) 激发光源20

根据所测的特定微量元素，激发光源20发出特定波长的激发光，一般为紫外光源（如UV-LED），耦合进入大芯径激发光纤11，传输至光纤荧光探针10，激发生物荧光探针溶液中的荧光剂发光。耦合至激发光纤11中的光功率由光源20的输出光功率、方向角和激发光纤11的数值孔径决定。光源方向角如附图3所示ɑ，其中ɑ=0-120°。

数值孔径NA表示光纤接收光的能力。通常NA的数值在0.14～0.5之内。光纤的数值孔径NA越大，更多的光将被耦合到光纤中。当确定激发光源20后，则前两个条件确定，此时采用大数值孔径的激发光纤11可提高系统弱信号检测的精度。

(2) 滤光片30

滤光片30为窄带干涉带通滤光片，只透过指定波长的光，而对其他波段不透明，从而减少杂散光干扰，提高系统精度；

(3)光电探测器40

光电探测器40为高灵敏度的Si–PIN器件，在荧光波段（400-1000nm）有高的灵敏度，将所接收荧光转换为电信号，输入后续处理电路；

(4)数据采集处理模块50

数据采集处理模块50为通用弱信号处理电路，包括前放、滤波、A/D采集和计算机数据处理等。由光电探测器40所获得的光电转换信号，经处理后，得到对应的被测元素浓度值，送后续输出和显示。

Claims

1.适用于微量元素含量检测的光纤荧光探针，其特征在于包括有激发光纤（11）、接收光纤（12、13）、毛细管（14）、选透膜（15）和套筒（16），选透膜固定在毛细管末端面，且毛细管内充满生物荧光探针溶液，激发光纤与两根接收光纤呈品字形排列置于毛细管内溶液的同侧，毛细管（14）固定于套筒（16）内，套筒圆柱段前端与毛细管末端相距2mm，所述的激发光纤（11）和接收光纤（12、13）的剖面圆心相连构成的正三角形的中心为毛细管（14）的剖面圆心，所述的套筒（16）采用标准医用一次性注射器针头，规格为14G、15G或18G，且套筒16内壁经过抛光处理。

2.按权利要求1所述的适用于微量元素含量检测的光纤荧光探针，其特征在于所述的激发光纤为大芯径紫外光纤，数值孔径0.22～0.37、芯径400~600um、包层直径490~660um；接收光纤为普通大芯径光纤，数值孔径0.34～0.5，芯径400~630um，包层直径490~690 um。

3.基于溶液的光纤荧光传感系统模型，其特征在于包括有权利要求1-2任一项所述的光纤荧光探针（10）、激发光源（20）、滤光片（30）、光电探测器（40）和数据采集处理模块（50），所述的光纤荧光探针的激发光纤的一端通过光纤连接器与激发光源的输出端相连接，且二者同轴；光纤荧光探针的接收光纤（12、13）的一端连接滤光片，滤光片置于光电探测器正前方，且光电探测器的输出端与数据采集处理模块的输入端口相连。