CN106248630A - 探头式lspr医用生化传感器 - Google Patents

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彭伟
陈诗蒙
刘云
刘强
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Dalian University of Technology
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Dalian University of Technology
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    • G01N21/17—Systems in which incident light is modified in accordance with the properties of the material investigated
    • G01N21/55—Specular reflectivity
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Abstract

一种探头式LSPR医用生化传感器，属于光纤生化传感技术领域。利用局域表面等离子体共振原理，通过医用注射针头抽取血液样本进行实时快捷的LSPR蛋白质监测。将内壁附着有单层金纳米粒子的微型石英毛细管固定在医用注射针头中，通过进行血液等蛋白质样品抽取，使样品流过金纳米粒子表面，产生LSPR现象。卤钨灯提供宽带光源，利用多模光纤进行光传输，输出信号通过光谱仪传入电脑，再进行后续处理。LSPR效应具有很好的温度稳定性，不受外界环境的干扰，无需附加的补偿通道即可实现高精度检测。LSPR传感元件与医用注射针头结合，使样品采集和信号监测同步进行，实现高精度、高灵敏度、低成本，方便快捷的血液样品蛋白质检测分析。

Description

探头式LSPR医用生化传感器
技术领域
本发明属于光纤生化传感技术领域，将结构简单的局域表面等离子体共振(LSPR)传感元件与注射针头相结合，涉及到LSPR原理。整个系统结构简单，灵敏度高，样品采集和信号处理的同步进行，可用于生化样品的实时快速检测，在医疗检测领域具有广泛前景。
背景技术
表面等离子体共振(Surface Plasmon Resonance，SPR)传感器是一种新型的光电检测技术。是应用了光波传输、电磁波激发、薄膜光学等多种物理机制的光学现象。由于它对吸附在金属表层的介质折射率具有良好的敏感性和动态响应性，因此能够检测液体、气体等与折射率有关的变化(如样品种类、浓度、生物分子结合过程等)。与传统传感器相比，SPR传感器具有高灵敏度、稳定性好、响应速度快等优点，已经在医学、生物、环境等许多重要领域得到广泛应用。目前棱镜式SPR传感器在国外已经有了商品化的成品仪器，但由于其结构复杂、体积较大、制作成本昂贵，难以在工业生产中形成广泛应用。光纤传感器因其微型化、高灵活性以及抗电磁干扰等独特优势，成为便携式传感器的一种发展方向。而基于纳米粒子和纳米孔阵列的局域表面等离子体共振(LSPR)传感器具有很好的温度稳定性，且灵敏度高，可以进行低浓度探测而受到业界广泛关注，在光纤传感领域脱颖而出。目前，多数光纤SPR传感器多应用于科研领域，对实验条件要求较高，因此，设计实用性的高精度、高灵敏度的光纤传感器成为光纤传感领域的迫切需求。
发明内容
本发明旨在提供一种高灵敏度、高精度的探头式LSPR生化传感器。该传感器利用LSPR传感原理，将结构简单的LSPR传感元件与注射针头相结合，可以使样品采集和信号监测同步进行。利用LSPR的温度不灵敏性可以使该发明不受外界环境影响，实现高精度检测。该传感器对工作环境要求低，实现高灵敏度、低成本、方便快捷的生化检测，在医疗检测领域具有广泛应用前景。
本发明的技术方案：
一种探头式LSPR生化传感器，包括微型石英毛细管、反射镜面、金纳米粒子、传输光纤和注射针头；微型石英毛细管内壁附着有金纳米粒子单分子层，其一端端面溅射厚度在200nm以上的金属膜作为反射镜面；微型石英毛细管置于注射针头的前端内，传输光纤从注射针头的末端插入，并将注射针头的末端封闭，传输光纤通过固定器固定；固定器一侧设有出液口，待测样品经注射针头从出液口导出；传输光纤用于传输宽带光源，光在微型石英毛细管内壁传输，发生LSPR效应。
本发明的效果和益处：本发明将传感元件与注射针头相结合，可以使样品采集和信号处理同时进行。采用的LSPR技术具有良好的温度不灵敏性，无需附加补偿通道，对外界环境要求较低。此外，基于LSPR效应的光纤传感技术具有较高的精度和灵敏度，可以进行低浓度样品探测。该传感系统制作工艺简单，成本较低，方便快捷，可以实现生化检测，在医疗检测领域具有很好的前景。
附图说明
图1为实验系统示意图。
图2为探头式LSPR生化传感器的结构图。
图3位折射率检测示意图。
图4为转铁蛋白特异性结合响应示意图。
图中：1光纤光谱仪；2电脑；3宽带光源；4待测样品；5传感元件；
6 Y型光纤跳线；7传输光纤；8 USB数据线；9微型石英毛细管内壁；
10金纳米粒子；11反射镜面；12固定器；13出液口；14注射针头。
具体实施方式
以下结合技术方案和附图详细叙述本发明的具体实施方式。
1.制备工艺
1)对Y型跳线的多模传输光纤和微型石英毛细管的端面利用研磨技术进行微结构处理，将端面研磨成平面；
2)利用化学处理将金纳米粒子附着于微型石英毛细管内壁；
3)利用磁控溅射技术在微型石英毛细管一侧端面沉积厚度大于200nm的银膜；
4)将处理后的微型石英毛细管固定在注射针头中；
5)将Y型跳线连接在传感元件上，传输光纤的一端连接光源，另一端连接光纤光谱仪，并利用USB数据线将光纤光谱仪和电脑连接。
2.操作
测试装置如图1所示。
1)由光源发出的光经过传输光纤到达Y型光纤跳线，进行光信号耦合，进而传入传感元件发生LSPR效应，发生LSPR效应的光信号在反射镜面发生镜面反射后通过Y型跳线经传输光纤导入光纤光谱仪进行数据采集，最终将数据传输到电脑进行数据处理；
2)本发明通过采用终端反射式的探针结构，可以省去流通池设计，直接对待测样品进行采取和检测。当没有采集样品时，分别点亮/熄灭光源，通过光谱仪采集背景光谱/暗光谱；
3)将传感元件固定在注射针头内可以同时实现样品的快速采集和传感。利用注射针头采集不同折射率的校准液，利用光纤光谱仪对相应的光谱图进行采集，随着样品折射率增大，LSPR的吸光率会相应增大；如图3所示，该系统具有良好的折射率线性响应，由于LSPR效应对温度不灵敏，因此在外界环境温度波动时，仍能得到稳定的测试结果，在折射率范围为1.328-1.361的区间上得到的折射率灵敏度为9.37RIU-1(单位折射率)；
4)该传感器可以通过对传感区进行化学修饰使其拥有特异性识别功能，图4是该系统在对传感表面进行化学修饰后实时监测的转铁蛋白及其抗体的结合情况示意图。对于不同浓度的转铁蛋白样品，该测试系统都能较好的反映出整个蛋白质特异性结合过程。

Claims (1)

1.一种探头式LSPR生化传感器，其特征在于，该探头式LSPR生化传感器包括微型石英毛细管、反射镜面、金纳米粒子、传输光纤和注射针头；微型石英毛细管内壁附着有金纳米粒子单分子层，其一端端面溅射厚度在200nm以上的金属膜作为反射镜面；微型石英毛细管置于注射针头的前端内，传输光纤从注射针头的末端插入，并将注射针头的末端封闭，传输光纤通过固定器固定；固定器一侧设有出液口，待测样品经注射针头从出液口导出；传输光纤用于传输宽带光源，光在微型石英毛细管内壁传输，发生LSPR效应。
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YUN LIU, XIUXIN LIU, SHIMENG CHEN, QIANG LIU, AND WEI PENG: "Investigation of a Capillary-Based Surface Plasmon Resonance Sensor for Biosensing", 《JOURNAL OF LIGHTWAVE TECHNOLOGY》 *

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