CN104215607B - 一种食品致病菌用光纤悬臂梁传感器及检测方法 - Google Patents
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Abstract
一种食品致病菌用光纤悬臂梁传感器及检测方法，采用超短激光脉冲对单模光纤进行刻蚀，最终在单模光纤的一个端面形成矩形形状的悬臂梁，该悬臂梁与单模光纤端面形成法布里‑泊罗腔；经过表部镀金膜的工艺后，将待测致病菌抗原均匀吸附在悬臂梁表面；将光纤悬臂梁传感器完全浸入含有致病菌抗体的溶液中，其中的悬臂梁会因为抗体‑抗原之间的特异性结合产生形变弯曲，该形变量的大小反应待测溶液中致病菌的浓度信息；信号解调系统采用普通白炽灯作为光源，产生宽带光谱信息，悬臂梁的一个面和单模光纤端面形成标准的法布里‑泊罗腔，包含在相位信息中的两个面的长度可被解调得到。本发明具有灵敏度高检测速度快所需检测样品小的优点。
Description
技术领域
本发明涉及一种食品致病菌用光纤悬臂梁传感器及检测方法。
背景技术
食品安全问题是目前一个重要的社会问题。近些年，由于食品质量问题导致的安全事件层出不穷。其主要原因就是变质食品中的微生物被人体吸收产生一系列不良反应。微生物不仅能使食品腐败变质，部分微生物还是导致食物中毒的主要原因之一，这一部分微生物被称为致病菌。食品致病菌广泛存在于自然界中(水，土壤)，如果不慎摄入含有食品致病菌或者被食品致病菌污染过的食物，很有可能出现食物中毒现象，包括腹痛、腹泻、恶心、呕吐等，严重的还将危及生命。为了确保食品安全，快速、准确的检测出食品中的致病菌尤为重要。目前使用最多的检测方法是常规培养检测方法，这种方法灵敏度、准确度高，成本低廉，但是需要耗费大量的时间和人工。鉴于致病菌检测的实效性，快速有效的检测出食品致病菌成为了人们新的目标，快速检测法开始受到关注与青睐。近几年来，聚合酶链反应(PCR)，酶联免疫法(ELISA)，生物传感器等快速检测方法迅速发展。PCR通过检测特定基因序列找到目标微生物，基于碱基互补配对原则，这一方法的检测准确度很高，而且除了传统的定性检测，用于定量检测的RT-PCR技术也日趋成熟。这种方法能在短时间内非常精准的检测病原菌，但是完成这一检测需要熟练地技术工人和较高的成本，因此很大程度上限制了其在致病菌检测领域中的应用。ELISA通过特定抗原识别致病菌的抗原决定簇来检测目标微生物，这种方法灵敏度高，耗时短，但是对操作的要求很高，为了解决这一问题，一些高科技公司(如罗氏，雅培，贝克曼等)研发了全自动酶标仪。生物传感器能够结合生物学方法，将原本复杂的过程简单化，程序化，同时也减少了操作中人为造成的误差。
上述技术和专利一般需要复杂的检测程序，消耗大量的人力物力成本，即使是快速检测方法，也需要几小时甚至几天的时间得到结果。
发明内容
本发明技术解决问题：克服现有技术的不足，提供一种食品致病菌用光纤悬臂梁传感器及检测方法，检测灵敏度高，耗时短，由于光纤本身尺寸小，采用该方式无需较多的待测溶液，因此大大节省了检测成本。
本发明技术解决方案：本发明是一种利用光纤悬臂梁对食品中治病菌进行检测的传感器。通过在超短激光脉冲刻蚀的微悬臂梁上涂敷生物敏感材料，将悬臂梁放入待测溶液中，由于待测溶液中的治病菌和生物敏感材料结合导致悬臂梁弯曲产生位移；该位移量大小反应治病菌的浓度。光纤作为传输介质，可将该浓度信息传输并解调。食品致病菌用光纤悬臂梁传感器集传输传感与一体，同时具有灵敏度高检测速度快等优点。
具体如下：一种食品致病菌用光纤悬臂梁传感器，包括：悬臂梁和单模光纤；采用超短激光脉冲对单模光纤进行刻蚀，最终在单模光纤的一个端面形成矩形形状的悬臂梁，该悬臂梁与单模光纤端面形成法布里-泊罗腔；该悬臂梁和单模光纤通过支撑部分连接，以方便悬臂梁自由形变。
所述在单模光纤的一个端面形成矩形形状的悬臂梁的具体过程为：首先经过切割的单模光纤被加持在光纤夹具上，并放置在加工工作台上，一定能量的超短脉冲，所述超短脉冲为6到10皮秒激光脉冲，平均能量为1到2毫瓦，重复频率40KHz,激光束对单模光纤的端面进行加工，成形的单模光纤头在扫描电镜下成螺丝刀形状，随后单模光纤被水平放倒，采用同样能量和超短脉冲激光束按照矩形形成的加工走向完成对悬臂梁的最终成形加工。
所述悬臂梁的厚度小于1.6μm，主要由加工激光的光斑尺寸，脉冲能量大小及脉冲重复频率决定。
一种食品致病菌用光纤悬臂梁传感检测方法，实现为：所述的食品致病菌用光纤悬臂梁传感器，经过表部镀金膜的工艺后，将待测致病菌抗原均匀吸附在悬臂梁表面；将该光纤悬臂梁传感器完全浸入含有致病菌抗体的溶液中，其中的悬臂梁会因为抗体-抗原之间的特异性结合产生形变弯曲，该形变量的大小反应待测溶液中致病菌的浓度信息；信号解调系统采用普通白炽灯作为光源，产生宽带光谱信息，悬臂梁的一个面和单模光纤端面形成标准的法布里-泊罗腔，包含在相位信息中的两个面的长度可被解调得到；如果溶液中的致病菌和悬臂梁表面的致病菌敏感材料结合，将导致悬臂梁发生位移，通过探测系统实时将悬臂梁的位移情况检测出来。
本发明与现有技术相比的优点在于：
(1)本发明不同于以往的食品致病菌检测传感器，便于集成，检测步骤少，检测速度快，方便易行。
(2)本发明提出的传感器测量面积在～1000μm2，因此仅需少量待测样本即可快速测量致病菌的浓度。
(3)不同于以往的检测技术，采用光纤悬臂梁检测致病菌的存在和浓度，可以获得抗原抗体的实时结合变化信息，对于从分子层面研究致病菌有很重要的意义。
(4)针对不同的食品致病菌，在不同悬臂梁传感器的表面可以涂敷不同致病菌抗体，即可实现阵列式检测，提高检测速度和效率。
(5)本发明中提到采用超短脉冲激光加工传感器的工艺速度快，精度高，有利于大规模、低成本生产。
(6)采用低成本普通白炽灯作为探测系统光源，光纤作为传输和传感介质，增加了传感器的工程可行性。
(7)封装后的光纤悬臂梁传感器体积小、重量轻，与物联网兼容，便于以后实现远程诊断。
附图说明
图1中的(a)为激光加工光纤梁(俯视图)；(b)激光加工悬臂梁的侧视图；(c)扫描电镜下加工成形的光纤梁结构；(d)扫描电镜下加工成形的光纤悬臂梁；
图2为光纤悬臂梁解调系统示意图；
图3悬臂梁20分钟内位移变化情况；
图4为用于检测食品致病菌的悬臂梁结构；
图5为致病菌溶液中悬臂梁实时位移变化情况。
具体实施方式
如图1所示，本发明中具体的激光加工工序可参考图1是有(a)(b)所示的方式进行。首先经过切割的光纤被加持在光纤夹具上，并放置在加工工作台上。一定能量的超短脉冲激光束按照软件设定好的模式对光纤端面进行加工，成形的光纤头在扫描电镜下成螺丝刀形状，如图1中的(c)所示。随后光纤被水平放倒，激光按照特定的加工走向，所述特定即是皮秒激光脉冲，平均能量为几毫瓦，重复频率40KHz,完成对悬臂梁的最终成形加工。悬臂梁的厚度和距离加工后光纤的端面可由软件控制。图1中的(d)为扫描电镜下的采用超短脉冲激光器加工制造的光纤悬臂梁传感器。悬臂梁的厚度经测量为1.5μm，足够以产生相应的位移量被探测系统检测。
制造好的光纤悬臂梁传感器，在经过表部镀金膜的工艺后，可将待测致病菌抗原均匀吸附在悬臂梁表面。将该光纤悬臂梁完全浸入含有致病菌抗体的溶液中，悬臂梁会因为抗体-抗原之间的特异性结合产生形变弯曲，该形变量的大小可以反应待测溶液中致病菌的浓度信息。信号解调系统采用普通白炽灯作为光源，产生宽带光谱信息。悬臂梁的一个面和光纤端面形成标准的法布里-泊罗腔，包含在相位信息中的两个面的长度可被解调得到。具体的解调结构图可参考图2。普通白炽灯发出的宽谱光源，经透镜耦合进入标准单模光纤中。3dB光纤耦合器将从1口进入的光分为两路，一路通过2端口到达光纤悬臂梁处，另一路通过3端后进入折射率匹配液，防止端面发射。溶液中的致病菌和涂敷有敏感材料的光纤悬臂梁相互作用，导致悬臂梁发生机械形变弯曲。该形变信号受到干涉信号调制通过2端口，经3端口被光电探测系统接收并送计算机经LabView解调处理。
如果溶液中的致病菌和悬臂梁表面的致病菌敏感材料结合，将导致悬臂梁发生位移，探测系统可实时将悬臂梁的位移情况检测出来。
根据本发明的思想，光纤悬臂梁采用超短脉冲激光进行加工制造。所加工的微悬臂梁和光纤端面平行，以形成法布里-泊罗干涉腔。腔长一般在40～100μm左右。所采用的悬臂梁厚度小于1.6μm，该厚度足以使涂敷在悬臂梁表面的致病菌抗体和溶液中致病菌反应并产生足够大的能量使悬臂梁弯曲。
发射光源可以采用普通白炽灯产生一个宽带光谱。该光源发出的光经过微透镜被聚焦耦合到光纤中。部分光经过光纤悬臂梁传感器到待测溶液中并返回至光电探测器，部分通过折射率匹配液将杂散光吸收。当吸附在悬臂梁上的致病菌抗体和待测溶液中致病菌结合时，悬臂梁产生<μm的位移。由光谱探测其探测此信号并解调成位移信息。利用Stoney’s方程将该位移信息转化成为表面应力的变化即可知道有关致病菌浓度的信息。图3显示了经过相位解调算法处理过的悬臂梁和光纤端面(如图2中的a、b两个面)构成的腔长变化情况。由于光纤端面是固定的，因此腔长的变化即可由悬臂梁面的弯曲来反应。可以看出，在没有涂敷敏感材料时，悬臂梁的弯曲量很小，计算得到的最小均方误差只有十几个nm。在用于致病菌检测时，加工好的悬臂梁需要在表面涂敷各种生物敏感性材料，以便于对溶液中不同致病菌的检测。如图4所示给出了自补偿工作方式下的悬臂梁结构。悬臂梁的上表面镀一层致病菌抗原，在下表面镀一层屏蔽材料，一般是不和待测溶液其反应的生物物质。在这种工作模式下，悬臂梁的上表面抗原和待测致病菌抗体结合而产生应变，下表面作为参考面不受反应影响，因此，悬臂梁上下表面的应变差将导致悬臂梁朝一个方向弯曲。通过光电解调系统可以准确探测出该弯曲量的大小。针对不同的待测致病菌，可以在悬臂梁表面涂敷不同的敏感材料已达到准确检测致病菌浓度的目的。
这里，待测致病菌溶液可以是5ml大肠肝菌溶液，浓度1mM。以图5为例，显示了传感器监测到在致病菌溶液中悬臂梁实时位移变化情况。可以看到，从加入待测致病菌溶液后，悬臂梁开始发生位移，并在反应15分钟后大致达到平衡，悬臂梁的最大位移值此时大致为90nm。在相同的条件下增加待测溶液的浓度，发现悬臂梁的位移会相应的增大。
Claims (2)
1.一种食品致病菌用光纤悬臂梁传感器，其特征在于包括：悬臂梁和单模光纤；采用超短激光脉冲对单模光纤进行刻蚀，最终在单模光纤的一个端面形成矩形形状的悬臂梁，该悬臂梁与单模光纤端面形成法布里-泊罗腔；该悬臂梁和单模光纤通过支撑部分连接，以方便悬臂梁自由形变；
所述在单模光纤的一个端面形成矩形形状的悬臂梁的具体过程为：首先经过切割的单模光纤被加持在光纤夹具上，并放置在加工工作台上，一定能量的超短脉冲，所述超短脉冲为6到10皮秒激光脉冲，平均能量为1到2毫瓦，重复频率40KHz,激光束对单模光纤的端面进行加工，成形的单模光纤头在扫描电镜下成一字螺丝刀形状，随后单模光纤被水平放倒，采用同样能量和超短脉冲激光束按照矩形形成的加工走向完成对悬臂梁的最终成形加工；
所述悬臂梁的厚度小于1.6μm。
2.一种食品致病菌用光纤悬臂梁传感检测方法，其特征在于实现为：权利要求1所述的食品致病菌用光纤悬臂梁传感器，经过表部镀金膜的工艺后，将待测致病菌抗原均匀吸附在悬臂梁表面；将该光纤悬臂梁传感器完全浸入含有致病菌抗体的溶液中，其中的悬臂梁会因为抗体-抗原之间的特异性结合产生形变弯曲，该形变量的大小反应待测溶液中致病菌的浓度信息；信号解调系统采用普通白炽灯作为光源，产生宽带光谱信息，悬臂梁的一个面和单模光纤端面形成标准的法布里-泊罗腔，包含在相位信息中的两个面的长度可被解调得到；如果溶液中的致病菌和悬臂梁表面的致病菌敏感材料结合，将导致悬臂梁发生位移，通过探测系统实时将悬臂梁的位移情况检测出来。
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