CN105259117A - 一种基于模式干涉的细芯级联光纤生物传感装置 - Google Patents

Abstract

本发明一种简易基于级联光纤的生物传感装置及测量方法。整个传感装置分为传感探测系统和微流控系统两部分。传感探测系统包括：宽带光源1、级联光纤传感结构3和光学光谱分析仪5。其中级联光纤传感结构3是基于单模光纤一细芯光纤一单模光纤的级联结构，如图2所示，两根带有涂覆层16的单模光纤即入射光纤2和出射光纤4中间级联一根无涂覆层的细芯光纤13，涂覆层16可以通过光纤剥线钳剥落，入射光纤2一端连接宽带光源1，出射光纤4一端连接光学光谱分析仪5，级联光纤传感结构3固定于镀有低折射率材料膜7的基底6上。发明中光源选取的要求：宽带光源，比如光源波长范围在1500纳米至1600纳米。

Description

一种基于模式干涉的细芯级联光纤生物传感装置

技术领域

本发明属于光学和生物的交叉检测技术领域，具体涉及一种新型基于模式干涉的细芯级联光纤生物传感装置，具有易于制作，结构紧凑，稳定性强和探测灵敏度高等优点。所谓生物传感，就是利用物理化学生物综合检测技术对被分析物进行检测。本发明所提出的生物传感器是利用光学检测技术来检测分析物的装置。

背景技术

生物传感器是用来探测生物化学物质或生物化学反应的一种装置。与传统的实验室分析方法(比如酶分析法)相比，生物传感器因其专一性强、易操作、设备简单、测量准确和成本低等特点，在环境保护、食品工程和临床医学等领域得到了广泛的应用。研究便携、快速、经济、易操作以及高精度的生物传感器对国计和民生均有重要的意义。

近年来以光纤为载体的生物传感器在研究中受到越来越多的重视。相比于电学生物传感器，光纤生物传感器继承了光纤传感器的特点，具有耐腐蚀，结构简单和小型化，高灵敏度，响应速度快以及抗电磁干扰能力强等优点。目前光纤生物传感器主要有光纤光栅生物传感器，表面等离子体共振光纤生物传感器和单模-多模-单模级联光纤生物传感器。但是这些光纤生物传感器均存在一些缺陷：光纤光栅和表面等离子体共振光纤生物传感器的原理虽然相对简单，但是制作过程相对复杂，不容易操作，存在成本高的问题；单模-多模-单模级联光纤生物传感器虽然制作成本相对低，但是制作过程中需要用化学试剂来腐蚀掉多模光纤的包层。化学腐蚀不仅需要一系列的安全措施，而且腐蚀过程的控制也比较复杂，比如化学腐蚀方法非常难控制光纤表面的光滑度和直径大小。

发明内容

本发明的目的是在于提供一种基于级联光纤的生物传感装置及测量方法，使其可以探测生物化学物质或生物化学反应，与现有技术相比，探测敏感性得到明显的提高，具备结构紧凑，制备简单，测量快速，准确可靠和易操作等优点。

本发明的目的是由以下技术方案来实现的：

根据上述目的，我们设计了一种简易基于级联光纤的生物传感装置及测量方法。整个传感装置分为传感探测系统和微流控系统两部分。传感探测系统包括：宽带光源1、级联光纤传感结构3和光学光谱分析仪5。其中级联光纤传感结构3是基于单模光纤-细芯光纤-单模光纤的级联结构，如图2所示，两根带有涂覆层16的单模光纤即入射光纤2和出射光纤4中间级联一根无涂覆层的细芯光纤13，涂覆层16可以通过光纤剥线钳剥落，入射光纤2一端连接宽带光源1，出射光纤4一端连接光学光谱分析仪5，级联光纤传感结构3固定于镀有低折射率材料膜7的基底6上。微流控系统包括：微流腔8和微流泵12。微流腔8通过两个微流橡胶管9和10连接到微流泵12，待分析液体样品通过微流橡胶管9输送到微流腔8内，待分析液体样品通过微流橡胶管10被抽出微流腔8，微流腔8和微流橡胶管(9和10)的连接处需要加上垫圈11来保持微流腔8的密封性。

发明中光源选取的要求：宽带光源，比如光源波长范围在1500纳米至1600纳米。

本发明中涉及到光学介质镀膜工艺，比如在基底6上需要镀一层低折射率材料膜7，可相应采取真空蒸镀、真空电子束溅射、离子溅射等成膜工艺。镀膜工艺中关键是注意膜厚度和温度的控制，具体镀膜工艺在此不作详细叙述。

本发明中涉及到光纤结构的设计和制备。光纤结构的设计可相应采取光束传播法来优化结构参数。其制备可相应采取常用的光纤制备工艺，比如光纤切割和光纤电弧熔接。

本发明中涉及到微流腔的制备工艺。其制备材料可以选取透光性好，无毒和廉价的聚二甲基矽氧烷。微流腔的制备可相应采取光刻，显影和刻蚀等常用制备工艺。

本发明的目的是探测生物化学物质或生物化学反应，传感功能主要有两方面：一是生物化学物质的探测，二是生物化学反应的探测。

关于生物化学物质的探测：比如探测化学物质溶液的浓度，浓度的变化会改变其折射率大小。其探测过程如下：第一，在微流泵12内注入已知浓度A的所需探测的化学溶液，通过微流橡胶管9将其输送到微流腔8内，同时通过微流橡胶管10以相同速率将其抽运出微流腔8，待化学溶液稳定流经级联光纤传感结构3同时，记录下光学光谱分析仪5的测量结果；第二，在微流泵12内注入已知浓度B的所需探测的化学溶液，重复第一步操作过程，记录下光学光谱分析仪5的测量结果；第三，以上述两步的测量结果作为基准就可以实现其他未知浓度的检测。

关于生物化学反应的探测：比如纤维蛋白质抗原抗体分子识别的检测。其操作过程如下：第一，传感光纤表面纤维蛋白质抗原分子的固定：将溶有纤维蛋白质抗原的磷酸盐缓冲盐水溶液注入微流泵12内，通过微流橡胶管9将其输送到微流腔8内，同时通过微流橡胶管10以相同速率将其抽运出微流腔8，输运持续20分钟后，即可完成纤维蛋白质抗原分子的表面固定过程；第二，移除固定不牢的纤维蛋白质抗原分子：将磷酸盐缓冲盐水溶液注入微流泵12内，通过微流橡胶管9将其输送到微流腔8内，同时通过微流橡胶管10以相同速率将其抽运出微流腔8，多次重复操作即可完成固定不牢的纤维蛋白质抗原分子的移除过程；第三，将溶有纤维蛋白质抗体的磷酸盐缓冲盐水溶液注入微流泵12内，通过微流橡胶管9将其输送到微流腔8内，同时通过微流橡胶管10以相同速率将其抽运出微流腔8。输运过程中，纤维蛋白质抗原和抗体分子的结合将改变光纤表面周围折射率的变化，从而引起光学光谱分析仪5测量结果的变化。由于纤维蛋白质抗原分子不能与其他类型的生物抗体分子结合，因此，通过观察测量结果就可以判断生物特定分子之间是否会相互识别。

本发明原理如下：

上述生物化学物质和生物化学反应探测的实现都是基于传感结构周围折射率的变化。

对于所提的单模光纤-细芯光纤-单模光纤级联结构，由于单模光纤和细芯光纤纤芯尺寸的不匹配，导致单模光纤和细芯光纤的基模模式大小的不匹配(如图3所示)。因此，当单模光纤的基模传播至细芯光纤端口时，将激发出细芯光纤包层内的多个包层模式。包层模式之间由于发生多模干涉，光将以相干相消的叠加形式在细芯光纤内传播(如图4所示)。包层模式的传播常数随着光纤周围折射率环境的变化而变化。外界折射率的变化将直接影响包层模式之间的干涉作用，从而导致光学光谱分析仪输出结果的变化，比如波长的移动(如图5所示)。因此，只需要通过输出光谱的变化就可以推知外界折射率变化的大小。

附图说明

图1是本发明结构示意图。

图2(a)是级联光纤传感结构示意图，(b)是实验制备的级联光纤传感结构显微镜照片，取单模光纤-细芯光纤部分。

图3是单模光纤和细芯光纤基模模场图。

图4是光在细芯光纤内的能量传播示意图。

图5是理论计算输出光谱与外界折射率关系示意图。

图6是理论和实验敏感度对比示意图。

具体实施方式：

下面将结合附图对本发明的实施举例进行描述。

如图1，本发明包括：宽带光源1，级联光纤传感结构3，光学光谱分析仪5，微流腔8和微流泵12。级联光纤传感结构3两边固定于镀有低折射率材料膜6的基底7上。在基底7上镀低折射率材料膜6主要是限制光在细芯光纤中传播。宽带光源1发出的光经单模光纤2传输至级联光纤传感结构3，级联光纤传感结构3输出的光信号经单模光纤4输送到光学光谱分析仪5。在测量操作的同时，待分析生物化学溶液通过微流泵12经微流橡胶管9和10输送至微流腔8内。生物化学溶液的流速和输送时间可以通过微流泵12设定。

如图2，级联光纤传感结构3，包括一根细芯光纤13，两根单模光纤2和4。制备过程如下：首先，用光纤切割刀对单模光纤2和4的一端进行切割，切割完之后再用光纤清洗液对切割后的单模光纤2和4进行清洗，以保证切割端口的清洁。其次，用光纤切割刀切割一段细芯光纤13，细芯光纤13的长度根据理论设计而定。最后，利用光纤电弧熔接技术将细芯光纤13，单模光纤2和4按图2所示的级联结构进行熔接。实验制备后的级联光纤传感结构显微镜照片如图2(b)所示。

如图3和图4，是理论模拟设计结果。图3是单模光纤和细芯光纤基模模场图，由图3可以明显看出单模光纤的基模模式面积远小于细芯光纤的基模模式面积，模式面积的不匹配造成细芯光纤导光的多模干涉效应。图4是光在细芯光纤结构内的能量传播示意图，由图4可以明显看出光在细芯光纤内的传播分布呈现出相干相消现象，即多模干涉效应；同时，由图4可以看出当光在细芯光纤内传播15毫米距离后，发生了自成像现象，即此处的光能量分布和细芯光纤入射端口的光能量分布基本相同。根据自成像原理，可以优化设计得到不同情况下所需细芯光纤的长度。

如图5，是理论计算输出光谱与外界折射率关系示意图，比如，当外界折射率由1.32增加为1.36后，出射光谱的谐振波长发生红移，由1536.2纳米移至1541.8纳米，由此可初步判断所发明的光纤传感结构具备较高的探测敏感度。

如图6，是结合实验和理论进一步验证所发明结构的传感性能。众所周知，生物传感过程中所探测的折射率大多在1.32至1.36范围内。因此，在本次实验中，传感结构外界折射率依次取值1.32，1.325，1.33，1.335，1.34，1.345，1.35，1.355和1.36。由图6可以看出，首先，实验结果和理论结果非常吻合，论证了本发明所采取计算设计方法的正确性；其次，在外界折射率1.32-1.36范围内，所发明的光纤传感结构具备非常好的线性响应，其探测敏感度约为120(纳米/单位折射率)。对生物传感器而言，拥有好的线性响应至关重要，因为在探测外界未知折射率(或折射率变化)的情况下，响应线性度的好坏直接决定了由探测敏感度推测外界折射率(或外界折射率变化)的准确性。

结合本发明的内容提供实施举例，如何根据输出光谱和标定探测敏感度来推知外界折射率的大小或外界折射率变化的大小。

比如，在已知探测敏感度A，标定液体折射率假B及其谐振波长C的情况下，如何推测待测液体折射率的大小，具体操作过程如下：

第一步：向微流腔8内注入未知折射率D的待测液体，记录下出射光谱对应的谐振波长E。

第二步：数据处理。根据图6，A，B，C，D和E其具体数学关系式可以表达为：

D＝B+[(E-C)/A](1)

因此，只需要将谐振波长E代入公式(1)，就可以求得待测液体折射率D的大小。

Claims (11)

1.本发明一种简易基于级联光纤的生物传感装置及测量方法。整个传感装置分为传感探测系统和微流控系统两部分。传感探测系统包括：宽带光源1、级联光纤传感结构3和光学光谱分析仪5。其中级联光纤传感结构3是基于单模光纤-细芯光纤-单模光纤的级联结构，如图2所示，两根带有涂覆层16的单模光纤即入射光纤2和出射光纤4中间级联一根无涂覆层的细芯光纤13，涂覆层16可以通过光纤剥线钳剥落，入射光纤2一端连接宽带光源1，出射光纤4一端连接光学光谱分析仪5，级联光纤传感结构3固定于镀有低折射率材料膜7的基底6上。微流控系统包括：微流腔8和微流泵12。微流腔8通过两个微流橡胶管9和10连接到微流泵12，待分析液体样品通过微流橡胶管9输送到微流腔8内，待分析液体样品通过微流橡胶管10被抽出微流腔8，微流腔8和微流橡胶管(9和10)的连接处需要加上垫圈11来保持微流腔8的密封性。发明中光源选取的要求：宽带光源，比如光源波长范围在1500纳米至1600纳米。

2.根据权利要求1所述的光学介质镀膜工艺，其特征在于：应采取真空蒸镀、真空电子束溅射、离子溅射等成膜工艺，镀膜工艺中关键是注意膜厚度和温度的控制。

3.根据权利要求1所述的光纤结构的设计和制备，其特征在于光纤结构的设计可相应采取光束传播法来优化结构参数，其制备可相应采取常用的光纤制备工艺，比如光纤切割和光纤电弧熔接。

4.根据权利要求1所述的微流腔的制备工艺，其特征在于制备材料可以选取透光性好，无毒和廉价的聚二甲基矽氧烷。微流腔的制备可相应采取光刻，显影和刻蚀等常用制备工艺。

5.根据权利要求1所述的探测生物化学物质或生物化学反应，传感功能主要有两方面：一是生物化学物质的探测，二是生物化学反应的探测。

6.根据权利5所述的生物化学物质探测浓度的变化会改变其折射率大小。

7.根据权利要求5所述的关于生物化学反应的探测，所述生物纤维蛋白质抗原和抗体分子的结合将改变光纤表面周围折射率的变化，从而引起光学光谱分析仪5测量结果的变化。由于纤维蛋白质抗原分子不能与其他类型的生物抗体分子结合，因此，通过观察测量结果就可以判断生物特定分子之间是否会相互识别。

8.根据权利1所述的级联光纤传感结构，其特征在于：光纤切割刀对单模光纤2和4的一端进行切割，切割完之后再用光纤清洗液对切割后的单模光纤2和4进行清洗，以保证切割端口的清洁。

9.根据权利要求1，所述的级联光纤传感结构，用光纤切割刀切割一段细芯光纤13，细芯光纤13的长度根据理论设计而定。最后，利用光纤电弧熔接技术将细芯光纤13，单模光纤2和4按图2所示的级联结构进行熔接。实验制备后的级联光纤传感结构显微镜照片如图2(b)所示。

10.根据权利要求1，所述的细芯光纤内传播15毫米距离后，可根据成像原理，可以优化设计得到不同情况下所需细芯光纤的长度。

11.根据权利要求1，所述的级联光纤的生物传感装置及测量方是根据输出光谱和标定探测敏感度来推知外界折射率的大小或外界折射率变化的大小。