CN103245641A

CN103245641A - 多通道平面波导倏逝波生物传感器

Info

Publication number: CN103245641A
Application number: CN201210030284XA
Authority: CN
Inventors: 施汉昌; 宋保栋; 何苗
Original assignee: BEIJING JINDA QINGCHUANG ENVIRONMENTAL SCIENCE AND TECHNOLOGY Co Ltd; Tsinghua University
Current assignee: BEIJING JINDA QINGCHUANG ENVIRONMENTAL SCIENCE AND TECHNOLOGY Co Ltd; Tsinghua University
Priority date: 2012-02-10
Filing date: 2012-02-10
Publication date: 2013-08-14
Anticipated expiration: 2032-02-10
Also published as: CN103245641B

Abstract

多通道平面波导倏逝波生物传感器属于生物检测技术领域，特别涉及到利用激光激发标记有荧光染料的生物物质发光，从而实现生物检测的技术。其特征在于，激光在平面玻璃介质中进行光波导的过程中，在两相介质的界面处形成多个全反射点，全反射点处产生的倏逝波激发此点空间范围内荧光标记的生物分子产生荧光，多模光纤对荧光进行收集，并用锁相放大器对荧光信号进行检测。由于激光在平面波导过程中可形成多个全反射点，对每个全反射点标记不同的生物分子，并单独测定荧光信号，即可实现一个样品中多指标的同时测定。本发明具有波导结构简单、荧光收集效率高、背景噪声干扰小、可实现多指标同时测定等特点。

Description

多通道平面波导倏逝波生物传感器

技术领域

本发明设计一种基于全内反射荧光原理的平面波导倏逝波生物传感器，其应用领域包括生物医学、环境监测、食品检验等。它可以探测生物大分子、有机小分子、病毒及细菌等多种目标物质。

背景技术

光波在玻璃介质中以全内反射方式传输时，在全反射点上光疏介质的一侧能产生倏逝波，该倏逝波是一种能量波，其透射深度通常只有数十至几百纳米。在倏逝波存在的空间内，通过吸附或以生物亲和反应而连接到芯片表面上的标记有荧光分子的生物物质被激发并产生荧光，此荧光强度与生物物质的浓度具有定量的关系，从而可以实现对生物物质的定量测定。依据此原理的平面波导倏逝波生物传感器具有灵敏度高、生物特异性强；操作简单、测定速度快；可对多种物质进行同时测定等特点，因而在生物医学、环境监测、食品检验等领域具有巨大的应用潜力。

依据全内反射荧光原理的生物传感器大多是光纤倏逝波生物传感器，早在1975年，Stanford大学物理系的William A.Little教授就开发了第一个光纤生物传感器【KronickM，Little W.A new immunoassay based on fluorescence excitation by internal reflectionspectroscopy.J.Immunol.Methods.1975，8(3)，235-242.】。光纤生物传感器结构较为简单，易于实现小型化；但难以实现多通道检测(即同时测定一个样品中的多种指标)，且与光纤探头配合的高效反应池(薄层反应池)难以实现。平面波导倏逝波生物传感器可以克服这些缺陷，并引起了研究单位的关注。在先技术中，德国弗劳恩霍弗研究所(Fraunhofer Institute)的A.Brandenburg教授等人研发了一个基于平面波导的多通道倏逝波生物传感器【Schuderer J，et al.Development of a multichannel fluorescenceaffinity sensor system.Analytical Chemistry.2000，72(16)：3942-3948.】，如图1所示。该传感器有激光激发光路、荧光收集光路及多通道样品池组成。其中荧光收集光路包含直径10mm、数值孔径0.63的透镜、遮光罩、带通滤光片组成；系统有4个平行的样品池，每个样品池可测定一种物质。此技术的缺点是：1)采用透镜收集荧光、占据的空间大，因此系统只能容纳一个收集光路，测定4个样品池的荧光强度时，需要步进电机将样品池连同传感元件顺序移动到下一个测定位置，从而不能同时测定4个样品池的生物反应结果，测定周期过长。2)系统含有4个平行样品池，且对每个样品池需要单独进样，进样流路及程序复杂，不能实现对同一样品中多个指标的同时测定。

发明内容

本发明的目的在于，提出一种多通道的平面波导倏逝波生物传感器，其特点是采用特殊结构的玻璃片作为传感元件，半导体激光器作为激发光源，通过玻璃片一端的斜面耦合进波导元件，每一个全反射点都可测定一种物质，荧光激发光路简单；采用大芯径、大数值孔径的多模光纤进行荧光收集，可同时对多个激发点进行荧光的收集及测定，荧光收集光路简单；采用一个样品池完成多组分的进样及分析，进样管路及程序简单。

本发明的具体结构如图2所示，包含激发光路、荧光收集光路、样品流路及样品池、信号采集及数据处理元件。其特征在于：

特殊结构的玻璃片4、半导体激光器1、准直透镜2构成了激发光路。所述的特殊结构玻璃片4靠近样品池的一侧镀了一层高折射率透明材料或SiO₂，以用于基片的修饰及生物分子的固定化；所述的半导体激光器1被脉冲信号发生器7进行了调制，调制后的激光是具有方波性质的、一定频率的非连续光。

多模光纤3、荧光滤光片8构成了荧光收集光路。所述的光纤3是一组大芯径、大数值孔径的多模光纤，光纤的一端尽量靠近传感元件的全反射点，以尽可能多的收集荧光；所述的高通滤光片由平行的多个滤光片组成，每个滤光片都置于光纤的尾端，以对激发光进行滤除。

光电探测器9、多通道前置放大器10、多通道锁相放大器11、主控电路12及计算机13构成了信号处理及分析电路。所述的光电探测器9由一组光电二极管组成，每个二极管靠近滤光片的一面，以将荧光转换成电信号；所述的多通道前置放大器10是一个运算放大电路，将由光电探测器输入电流信号正比例的转换成电压信号；所述的多通道锁相放大器11的参考信号来源自脉冲信号发生器7，由多通道前置放大器输入的荧光信号与参考信号进行乘法运算后，可以在高噪声信号背景下提取需要的信号值；所述的主控电路12用来控制系统中的可控元件，如锁相放大器的放大倍数、脉冲信号发生器的调制频率、进样流路中的泵等，并实现与上位计算机的数据通讯。

传感元件4、样品池5、蠕动泵6构成了样品流路。样品池5包含样品入口501和废液出口502。在蠕动泵6的作用下，被测样品通过样品入口501输入样品池5，并将反应后的废液排出样品池5，以便检测不同的样品或清洗样品池5。

如图3所示，本发明所涉及的传感元件特点是：基底材料是在可见及红外光(350nm～800nm)范围内光传效率较高的玻璃，玻璃材料折射率在1.40～2.50范围内，具体包括石英玻璃、国产K9、K11型号玻璃及德国Schott(肖特)BK7型号玻璃。结构上主要分为斜端面401、上底面402、下底面403及尾端面404，斜端面401用于激发光的耦合，401与上底面402或下底面403之间的夹角在30°～60°之间；上底面402与下底面403严格平行，平行度误差小于2秒，以保证激发光在传感元件内部传输时各个全反射点条件相同；斜端面401、上底面402及下底面403需要抛光，局部表面粗糙度达到Rz1.6μm；尾端面404漆上一层吸光材料，以吸收传输到传感元件尾端的激发光，避免激发光返回传感元件并对测定结果构成干扰。

附图说明

图1是在先技术平面波导倏逝波生物传感器结构示意图

图2是本发明多通道平面波导倏逝波生物传感器结构示意图

图3是本发明传感元件的结构示意图

具体实施方式

本发明的多通道平面波导倏逝波生物传感器的工作过程是：首先在传感元件4的表面修饰上多种生物识别分子，然后将传感元件与样品池5结合。开启蠕动泵6，将待测物的混合样品传输入样品池5，反应一定时间后，传感元件上不同的部位固定了荧光标记的待测物；开启激光器1，激发光耦合进传感元件4，并在各个全反射点上产生倏逝波，对固定于传感元件4表面的荧光分子进行激发产生荧光；荧光由多模光纤组3进行收集，经滤光片组8过滤后进入光电探测器组9，传感元件4表面不同部位的荧光信号转换成电流信号；多路电流信号经多通道前置放大器10处理后转换成电压信号，信号幅值进行了初级放大；电压信号经过多通道锁相放大器11处理后经由主控板12被计算机13采集、记录及分析。计算机13记录的多路信号特征值与传感元件表面不同部位的荧光分子总量成正比，从而与混合样品中待测物的浓度成正比，因此此系统可以实现对混合样品中多指标的同时定量分析。

本发明给出了一个实施例，其具体结构参数如下：

如图2的结构示意图所示，通道数为6个，激光光源1是波长为635nm的半导体激光器，经脉冲信号发生器7调制成频率为1kHz的非连续光后输出功率为15mW，准直透镜将激光整形为直径约1mm的平行圆光斑。传感元件4由K9光学玻璃制成，折射率为1.51459，其上、下底面及斜端面抛光，其中与样品池5结合的底面镀一层厚度为100nm的SiO₂，斜端面角度为45°。样品池5为高效薄层样品池，厚度仅0.03mm。荧光收集光纤3采用芯经为1mm的塑料光纤，数值孔径为0.5。荧光滤光片8对激发光的投射率≤10^-7，对荧光的透过率≥80％。光电探测器9采用光电二极管。

测量时，在样品池6中注入标记了Cy5.5荧光染料的生物样品溶液，实施例中传感元件对Cy5.5荧光分子溶液的探测灵敏度可达10^-10mol/L，各通道间信号幅值及探测灵敏度差异均小于5％，完成一次荧光信号的检测所需时间小于15min。

Claims

1.多通道平面波导倏逝波生物传感器，包含激光激发光路、荧光收集光路、样品流路、信号采集及数据处理电路等。其特征在于：

①所述的激光激发光路，包括激光光源(1)、准直透镜(2)、平面波导元件(4)及脉冲信号发生器(7)。激光光源受脉冲信号发生器的调制，调制后的光波是具有一定频率的非连续波；激光光源经准直透镜处理后，光程截面处光斑变为直径约1mm的圆形。

②所述的荧光收集光路，包括多模光纤组(3)及滤光片组(8)。多模光纤的一端与荧光激发点接近但不接触，以尽可能多的收集荧光；滤光片置于多模光纤(3)的另一端，以过滤激发光。

③所述的样品流路，包括样品池(5)、进样入口(501)、废液出口(502)及蠕动泵(6)。样品池(5)是高效薄层反应池，其厚度小于0.1mm；蠕动泵的工作状态由计算机(13)控制。

④所述的信号采集及处理电路，包括主控电路(12)、荧光探测器阵列(9)、多通道前置放大器(10)、多通道锁相放大器(11)及计算机(13)。主控电路(12)用于控制传感器系统中的可控元件及与上位计算机(13)的通讯等；荧光探测器(9)、前置放大器(10)及锁相放大器(11)构成荧光探测单元，将荧光强度正比例的转换成可被计算机(13)接收的数字信号。

2.根据权利要求1所述的平面波导元件(4)是一个长条形玻璃片，基底材料折射率在1.40～2.50范围内；其斜端面(401)被抛光成一定的角度，与上底面402或下底面403之间的夹角在30°～60°之间；上、下底面(402、403)相互平行，平行度误差小于2秒；另一个端面(404)漆上吸光材料；斜端面401、上底面402及下底面403需要抛光，局部表面粗糙度达到Rz1.6μm。

3.根据权利1、2所述的平面波导元件(4)，其与反应池结合的一个底面镀有一层高折射率材料或SiO₂。