CN105784654A - 一种同时检测多种微生物的光纤荧光传感器 - Google Patents

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Abstract

本发明属于生物检测技术领域，特别涉及一种同时检测多种微生物的光纤荧光传感器。该光纤荧光传感器是一种基于波分复用技术的单通道多参数光纤荧光生物传感器；所述同时检测多种微生物的光纤荧光传感器由光源模块、激发光传输模块、样品加载和探测模块、荧光传输/解复用模块和光电探测模块依次连接组成。该传感器采用波分复用器分离不同波段激发光，降低了仪器重复成本，采用单通道进行光信号传输，提高了传感区域荧光激发功率；适用于复杂环境样品检测，可实现多种微生物的同步快速检测，在医学诊断、食品卫生检测、水质监测等领域具有广泛应用。

Description

一种同时检测多种微生物的光纤荧光传感器
技术领域
本发明属于生物检测技术领域，特别涉及一种同时检测多种微生物的光纤荧光传感器。
背景技术
光纤荧光生物传感器是将光纤与荧光免疫检测技术结合衍生出的测量仪器。光纤荧光生物传感器基于标记式方法进行检测，即先用荧光染料标记待测分子，再通过荧光染料的信号强度变化反推出样品的信息，从而实现对样品浓度的检测，具有专一性强、灵敏度高、实用性好等优点。
当光以全反射形式在光纤中进行传播时，在纤芯与包层界面处存在以指数方式衰减的倏逝波，其渗透深度只有几纳米到几百纳米。将普通光纤去掉包层，并对裸露的纤芯部分进行结构设计和生物修饰，使其表面固定生物识别分子，形成光纤探针。将光纤探针置于用荧光染料进行标记的样品中，利用生物分子间的特异性结合，可将识别分子-荧光染料基团固定在纤芯表面。纤芯和溶液界面处的倏逝波可激发标记的荧光染料，通过荧光强度即可反推出样品信息。光纤荧光倏逝波生物传感器以其传感区域大、易小型化、可实现远端探测等优点表现出巨大的市场潜力。
在先技术中，由清华大学本实验室杨昌喜、张仲桓等人在其专利《一种全光纤结构的多探头光纤倏逝波生物传感器》说明书中所报道多探头光纤倏逝波生物传感器。上述在先技术的缺点是：
1.荧光激发功率低。由光源模块A输出的激光束通过光纤耦合器将一条光路分为多条子光路。在有限的光源功率下，光纤探针D越多，分出的子光路越多，到达光纤探针D的激发功率越低，激发的荧光信号越弱。
2.样品利用率低。由于激发功率低，在先技术对样品容量有一定要求。实现多种生物量测量时，不同的光纤探针D需要插入不同生物样品溶液中。这对医学诊断等领域样品(如病人血液)的采集带来了极大困难，限制了该传感器的应用范围。
3.探测区域脆弱。光纤探针D直径为几十微米，且裸露在外，在样品检测过程中容易折断，不适用于复杂的环境监测。
4.仪器重复成本较高。实现多样品同时检测时，每个光纤探针D都需要与相应的光环路器C相连，极大的增加了仪器重复成本。
发明内容
本发明的目的在于提供一种同时检测多种微生物的光纤荧光传感器，其特征在于，该光纤荧光传感器是一种基于波分复用技术的单通道多参数光纤荧光生物传感器；所述同时检测多种微生物的光纤荧光传感器由光源模块1、激发光传输模块2、样品加载和探测模块3、荧光传输/解复用模块4和光电探测模块5依次连接组成，其中光源模1用于提供传感检测输出光；激发光传输模块2用于光纤荧光传感器中光路传输；样品加载和探测模块3对探测光纤3-3裸露一侧的芯区部分进行了生物修饰，组成线性传感阵列结构，实现单通道多样品同时检测；荧光传输/解复用模块用于光纤荧光传感器中不同荧光信号的传输和解复用；光电探测模块5用于把从所述光纤准直器输入的荧光信号转换为电信号。
所述光源模块根据待测分子选用的荧光标记物不同，采用两种不同的组成方案:方案一，当选用不同有机荧光染料(如R6G、Cy5等)作为荧光标记物分别对不同微生物进行标记时，所述光源模块由宽带光源1-1，第一波分复用器1-2，光合束器1-3组成；其中，有机荧光染料为R6G、Cy5等,其中第一波分复用器(1-2)用于从宽带光源中提取出与荧光染料激发波长相同的波段；光合束器(1-3)用于将提取的不同波段耦合到激发光传输模块(2)中；用于提供传感检测输出光；方案二，当选用不同尺寸的同类量子点作为荧光标记物对不同微生物进行标记时，所述光源模块可仅由宽带光源1-1组成；其中，两种方案中的宽带光源1-1均采用白光激光器或涵盖紫外和可见光波段的超宽带光源半导体激光器.
所述激发光传输模块由第一光学连接器件2-1、第一传输光纤2-2和第二光学连接器件2-3组成，用于光路传输；
所述样品加载和探测模块由样品池3-1、蠕动泵3-2、探测光纤3-3组成；其中探测光纤3-3采用管腐蚀法或抛磨法制成的D型光纤组成，在其中裸露一侧的芯区部分进行了生物修饰，组成线性传感阵列结构，实现单通道多样品同时检测。
所述荧光传输/解复用模块由左光学连接器件4-1、第二传输光纤4-2、右光学连接器件4-3和第二波分复用器4-4组成，用于系统中不同荧光信号的传输和解复用；其中，荧光通过左光学连接器件4-1耦合进第二传输光纤4-2；第二波分复用器4-4起滤波作用，对不同荧光信号进行解复用，将不同的荧光发射波段进行分离，再通过右光学连接器件4-3将不同的荧光发射波段耦合进光电探测模块5。
所述光电探测模块由光纤准直器5-1和光电探测器及外围电路5-2组成；其中，光纤准直器5-1用于把荧光传输/解复用模块4传送过来的荧光信号准直后送入光电探测器5-2进行检测。光电探测器5-2可以是光电二极管或光电倍增管，用于把从所述光纤准直器输入的荧光信号转换为电信号。
所述各光学连接器件均采用标准可拆卸的FC、SC或ST型光纤连接器。
所述各传输光纤均为单模或者多模光纤。
所述各波分复用器均为光栅型或干涉膜滤波器型解复用器件。
本发明的有益效果是与在先技术相比，该传感器可实现多种微生物的同步快速检测，在医学诊断、食品卫生检测、水质监测等领域具有广泛应用，具有如下特点：
1.光源利用率高。采用波分复用器分离不同波段激发光，避免了使用光纤耦合器带来的各条子光路功率降低的缺点，提高了光源利用率。
2.荧光激发功率高。采用单通道进行光信号传输，提高了传感区域荧光激发功率。
3.适用于复杂环境。采用D型光纤阵列结构做探针，与在先技术的裸光纤相比，保留了探针部位的包层和保护层，提高了探针坚硬程度，适用于复杂环境样品检测。
4.实现了多样品同时探测。通过在同一光纤上分段进行生物活性化，本发明实现了对多种生物样品同步快速检测的目的。
5.结构得到了简化。采用波分复用器进行荧光信号分离，简化了在先技术中使用多个光环路器的仪器结构，降低了仪器重复成本。
附图说明
图1为基于波分复用技术的单通道多参数光纤荧光生物传感器结构示意图。
图2为光源模块结构示意图。
图3为激发光传输模块结构示意图。
图4为样品加载和探测模块结构示意图。
图5为样品加载和探测模块中探测光纤传感阵列结构示意图，其中D为传感阵列。
图6为荧光传输/解复用模块结构示意图。
图7为光电探测模块结构示意图
具体实施方式
本发明提出一种同时检测多种微生物的光纤荧光传感器，下面结合附图予以说明。
图1所示为同时检测多种微生物的光纤荧光传感器结构示意图。图中所示的同时检测多种微生物的光纤荧光传感器由光源模块1、激发光传输模块2、样品加载和探测模块3、荧光传输/解复用模块4和光电探测模块5依次连接组成。其中，光源模块1根据待测分子选用的荧光标记物不同，采用两种不同的组成方案。方案一，当选用不同有机荧光染料(如R6G、Cy5等)作为荧光标记物分别对不同微生物进行标记时，所述光源模块由宽带光源1-1，第一波分复用器1-2，光合束器1-3组成；方案二，当选用不同尺寸的同类量子点作为荧光标记物对不同微生物进行标记时，所述光源模块可仅由宽带光源1-1组成。其中，两种方案中的宽带光源1-1均采用白光激光器或涵盖紫外和可见光波段的超宽带光源半导体激光器；其中第一波分复用器1-2用于从宽带光源中提取出与荧光染料激发波长相同的波段；光合束器1-3用于将提取的不同波段耦合到激发光传输模块2中；用于提供传感检测输出光。
样品加载和探测模块3含有样品池3-1、蠕动泵3-2、探测光纤3-3，如图4所示。荧光传输/解复用模块4含有左光学连接器件4-1、传输光纤4-2、右光学连接器件4-3和波分复用器4-4，如图6所示。光电探测模块5含有光纤准直器5-1和光电探测器及外围电路5-2，如图7所示。
由图1可知，光源模块1输出的激发光通过左光学连接器件4-1耦合进传输光纤4-2中，再通过右光学连接器件4-3耦合进探测光纤3-3中，在探测光纤3-3的传感区域表面附近产生倏逝波。
传感区域由在D型光纤侧表面上固定的传感阵列构成，不同阵列处分别固定与待测生物分子对应的识别分子。传感过程中，在图4所示蠕动泵3-2的作用下，含有标记有不同荧光染料的生物分子样品溶液被吸入样品池3-1，并以生物亲和反应链接在传感阵列表面。传感区域表面附近产生的倏逝波激发不同区域的荧光染料向外发射荧光。携带生物信息的荧光从探测光纤3-3另一端输出，耦合进图6所示荧光传输/解复用模块4，通过波分复用器4-4分解出不同波长荧光信息，而后送入图7所示光电探测模块5进行荧光强度信息提取，从而实现同步检测不同待测生物分子浓度的目的。
其中，采用方案一作为光源模块1时，其结构设计如图2所示。宽带光源1-1输出的光通过第一波分复用器1-2提取出特定波段(对应不同有机荧光染料的激发波长)的激发光，经过光纤合束器1-3耦合进激光传输模块2的左侧第二光学连接器件2-3中。
实施实例：一种同时检测两种微生物的光纤荧光传感器
图4是本发明一种同时检测多种微生物的光纤荧光传感器样品加载和探测模块3示意图。图中①、②、③、④分别代表四路样品加载和探测通道，构成四路传感阵列机构，用于加载样品溶液和检测微生物。每路通道可分别检测一种微生物，当选通其中两路样品加载和探测通道时，可实现两种微生物同步快速检测。本实施实例中，选通样品加载和探测通道①、②进行加样，通道③、④未选通。分别选用罗丹明B(激发波长/发射波长分别为540nm/625nm)和Cy5(激发波长/发射波长分别为633nm/670nm)作为有机荧光染料对待测分子进行标记。
采用波段在380-780nm的白光激光器作为宽带光源，波分复用器采用镀膜技术，从白光激光器中提取出波长为532nm的绿光和波长为633nm的红光两个波段。两个波段分别对应通道①、②中所加样品溶液选用的有机荧光染料罗丹明B和Cy5的激发波长。
由图1可知，为实现溶液中两种微生物同步快速检测，系统包括光源模块1、激发光传输模块2、样品加载和探测模块3、荧光传输/解复用模块4、光电探测模块5。
第二光学连接器件4-1采用标准可拆卸的FC/PC型光纤连接器，波分复用器4-4起滤波作用，对两路荧光信号进行解复用，从荧光信号中将两路荧光(发射波段为625nm和670nm)进行分离，通过最右光学连接器件4-3耦合进光电探测模块的光纤准直器中。传输光纤4-2采用多模光纤。
光信号转换包含图7所示光纤准直器5-1、和光电二极管及外围电路5-2。光纤准直器5-1的中心波长均为650nm，工作距离均为50mm，所采用的光纤均为多模光纤,将它们的光纤输入端分别连接荧光传输/解复用模块4的输出端。光电二极管及外围电路5-2中光电二极管的波长响应范围均为380-1150nm。将光纤准直器5-1发射出来的平行光束分别垂直射入光电二极管5-2的光敏面。
探测时，使用图4所示蠕动泵3-2将含有标记有不同荧光染料的生物分子样品吸入样品池3-1中，待测分子与探测光纤3-3上的识别分子以生物亲和反应链接在传感阵列表面。传感区域表面附近产生的倏逝波激发荧光染料向外发射波长分别在625nm和670nm附近荧光。携带生物信息的两路荧光从探测光纤3-3另一端输出，耦合进图6所示荧光传输/解复用模块4，通过波分复用器4-4解复用出两路波段荧光信息，而后送入图7所示光电探测模块5分别进行两路荧光强度信息提取，从而实现同步检测不同待测生物分子浓度的目的。

Claims (9)

1.一种同时检测多种微生物的光纤荧光传感器，其特征在于，该光纤荧光传感器是一种基于波分复用技术的单通道多参数光纤荧光生物传感器；所述同时检测多种微生物的光纤荧光传感器由光源模块(1)、激发光传输模块(2)、样品加载和探测模块(3)、荧光传输/解复用模块(4)和光电探测模块(5)依次连接组成，其中光源模(1)用于提供传感检测输出光；激发光传输模块(2)用于光纤荧光传感器中光路传输；样品加载和探测模块(3)对探测光纤(3-3)裸露一侧的芯区部分进行了生物修饰，组成线性传感阵列结构，实现单通道多样品同时检测；荧光传输/解复用模块用于光纤荧光传感器中不同荧光信号的传输和解复用；光电探测模块(5)用于把从所述光纤准直器输入的荧光信号转换为电信号。
2.根据权利要求1所述同时检测多种微生物的光纤荧光传感器，其特征在于，所述光源模块根据待测分子选用的荧光标记物不同，采用两种不同的组成方案：方案一，当选用不同有机荧光染料作为荧光标记物分别对不同微生物进行标记时，所述光源模块由宽带光源(1-1)，第一波分复用器(1-2)，光合束器(1-3)组成，其有机荧光染料为R6G或Cy5；其中第一波分复用器(1-2)用于从宽带光源中提取出与荧光染料激发波长相同的波段；光合束器(1-3)用于将提取的不同波段耦合到激发光传输模块(2)中；用于提供传感检测输出光；方案二，当选用不同尺寸的同类量子点作为荧光标记物对不同微生物进行标记时，所述光源模块仅由宽带光源(1-1)组成；其中，两种方案中的宽带光源(1-1)采用白光激光器或涵盖紫外和可见光波段的超宽带光源半导体激光器。
3.根据权利要求1所述同时检测多种微生物的光纤荧光传感器，其特征在于，所述激发光传输模块由第一光学连接器件(2-1)、第一传输光纤(2-2)和第二光学连接器件(2-3)组成，用于光路传输。
4.根据权利要求1所述同时检测多种微生物的光纤荧光传感器，其特征在于，所述样品加载和探测模块由样品池(3-1)、蠕动泵(3-2)、探测光纤(3-3)组成；其中探测光纤(3-3)采用管腐蚀法或抛磨法制成的D型光纤组成，在其中裸露一侧的芯区部分进行了生物修饰，组成线性传感阵列结构，实现单通道多样品同时检测。
5.根据权利要求1所述同时检测多种微生物的光纤荧光传感器，其特征在于，所述荧光传输/解复用模块由左光学连接器件(4-1)、第二传输光纤(4-2)、右光学连接器件(4-3)和第二波分复用器(4-4)组成，用于系统中不同荧光信号的传输和解复用；其中，荧光通过左光学连接器件(4-1)耦合进第二传输光纤(4-2)；第二波分复用器(4-4)起滤波作用，对不同荧光信号进行解复用，将不同的荧光发射波段进行分离，再通过右光学连接器件(4-3)将不同的荧光发射波段耦合进光电探测模块(5)。
6.根据权利要求1所述同时检测多种微生物的光纤荧光传感器，其特征在于，所述光电探测模块由光纤准直器(5-1)和光电探测器及外围电路(5-2)组成；其中，光纤准直器(5-1)用于把荧光传输/解复用模块(4)传送过来的荧光信号准直后送入光电探测器(5-2)进行检测，光电探测器(5-2)可以是光电二极管或光电倍增管，用于把从所述光纤准直器输入的荧光信号转换为电信号。
7.根据权利要求1所述同时检测多种微生物的光纤荧光传感器，其特征在于，所述各光学连接器件均采用标准可拆卸的FC、SC或ST型光纤连接器。
8.根据权利要求1所述同时检测多种微生物的光纤荧光传感器，其特征在于，所述各传输光纤均为单模或者多模光纤。
9.根据权利要求1所述同时检测多种微生物的光纤荧光传感器，其特征在于，所述各波分复用器均为光栅型或干涉膜滤波器型解复用器件。
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