CN107219192B - 一种基于光子晶体光纤的生物分子在纤检测系统 - Google Patents
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Abstract
本发明属于光纤传感技术领域，公开了一种基于光子晶体光纤的生物分子在纤检测系统。该系统包括光源单元、传感单元、流体填充单元、光探测单元、光纤链路和填充链路，其中宽谱光源输出的光经过输入光纤和光纤环形器送至锥形光纤，由于光子晶体光纤与锥形光纤的锥区垂直接触，锥区中的光会通过近场耦合方式耦合进光子晶体光纤中，而满足相位匹配条件的光将会被限制在光子晶体光纤中传播，满足相位匹配条件的光所对应的波长称为谐振波长，不满足相位匹配条件的光将会被重新耦合进锥形光纤中并反射回光纤环形器中，再通过输出光纤输送给光谱分析仪作为测量信号。本发明结构简单，设计灵活易于实现，体积小、灵敏度和精度高，且能对生物分子在纤检测。
Description
技术领域
本发明属于光纤传感技术领域，涉及一种基于光子晶体光纤的生物分子在纤检测系统。
背景技术
目前对生物分子的检测，如核酸与蛋白质，在食品安全、环境监测、基因分析和疾病诊断等关乎国计民生的领域起着重要作用。而在实际应用中对生物分子的快速、实时、高灵敏度和低成本检测，是众多科学研究者所追求的目标。传统的生物分子检测技术通常有电化学法、荧光光度法和同位素法。电化学法是发展较成熟的生化检测方法，但蛋白质等生物分子由于吸附作用会对其测定产生干扰，使测量灵敏度偏低，此外，该类传感器易受电磁信号的干扰，影响其测量精度；荧光光度法具有较高的灵敏度，但受某些离子的干扰影响，荧光会湮灭而且对生物分子进行荧光标记需要复杂的操作，从而限制了该方法的应用；同位素法是目前广为使用的方法，但是同位素标记技术较为繁琐，且存在一定的环境污染，可能对人的健康会造成一定的损害。因此发展高灵敏度且有效的生物分子检测方法成为传感技术领域中一个特别重要的课题。光纤生物分子传感器是生物分子识别技术与现代光纤技术相结合的产物，相比于传统的生物分子传感器具有高灵度、高精度、响应速度快和抗电磁干扰的优点，引起国内外研究者的广泛关注。2013年，Candiani A等人(文献1.Candiani A,Bertucci A,Giannetti S,et al.Label-free DNA biosensor based on a peptidenucleic acid-functionalized microstructured optical fiber-Bragg grating[J].Journal of Biomedical Optics,2013,18(5):57004.)提出在刻有布拉格光栅的光子晶体光纤内表面进行功能化，实现了对DNA的高选择性检测；2016年，Aray A等人(文献2.ArayA,Chiavaioli F,Arjmand M,et al.SPR-based plastic optical fibre biosensor forthe detection of C-reactive protein in serum[J].Journal of Biophotonics,2016,9(10):1077.)提出了一种基于表面等离子共振的塑料光纤生物传感器，用于检测血清中C-反应蛋白，最终的检测极限可达0.009mg/L。但是传统光纤生物分子传感器的共振频谱的3dB带宽非常宽，通常大于50nm，导致非常低的品质因子，严重影响检测精度(文献3.Luo B,Yan Z,Sun Z,et al.Biosensor based on excessively tilted fiber grating inthin-cladding optical fiber for sensitive and selective detection of lowglucose concentration[J].Optics Express,2015,23(25):32429.)。此外，传统光纤生物分子传感器存在温度稳定性差，结构不灵活等不足，限制了其检测极限及灵敏度性能的进一步提升。
微流体通道的发展为生物分子实时在线检测提供了新的发展方向和动力，具有结构紧凑、样品用量少等方面的突出优点。然而，传统微流体通道的制作通常需要复杂的工艺和昂贵的设备，限制了该检测技术的推广和发展。由于光子晶体光纤和空芯石英光纤在横截面上具有空气孔，为微流体通道提供了理想的平台，既简化了工艺，又降低了成本。此外，由于光子晶体光纤横截面周期性排列的空气孔，使其具有在结构设计上的灵活性和光学特性上的可控性，与采用空芯石英光纤作为微流体通道相比，显著地改善了系统的鲁棒性、空间稳定性和传感特性。而且由于光子晶体光纤通常以单一材料为基底，因而具有极好的温度稳定性(文献4.J.N.Dash,R.Jha.Temperature insensitive PCF interferometercoated with graphene oxide tip sensor.IEEE Photonics Technology Letters,2016,28(9):1006-1009.)。通过在光子晶体光纤内构建微流体通道，为实现灵敏度高、温度稳定性好、结构紧凑、具有良好空间稳定性的在纤式生物分子检测提供了可能。
发明内容
本发明的目的在于克服已有生物分子检测技术的不足，提出一种结构简单、设计灵活、易于实现、体积小、灵敏度高、精度高、且能对生物分子在纤检测的系统。
本发明技术方案为，一种基于光子晶体光纤的生物分子在纤检测系统，包括光源单元、传感单元、流体填充单元、光探测单元、光纤链路和填充链路，所述的光源单元为宽谱光源；所述的传感单元包括锥形光纤和光子晶体光纤；所述的流体填充单元包括注射泵和样品池；所述的光探测单元为光谱分析仪；所述的光纤链路包括输入光纤、光纤环形器和输出光纤；所述的填充链路包括聚四氟乙烯管A和聚四氟乙烯管B以及连接套管A和连接套管B；其中，锥形光纤的锥区尖端与光子晶体光纤垂直接触，实现与光子晶体光纤发生强近场耦合的作用，锥形光纤的另一端与光纤环形器一端连接；光纤环形器的另外两端分别与宽谱光源和光谱分析仪连接；注射泵通过聚四氟乙烯管B、连接套管B与光子晶体光纤的一端连接；样品池通过聚四氟乙烯管A、连接套管A与光子晶体光纤的另一端连接，来实现生物分子溶液样品填充；光子晶体光纤的空气孔内壁上固定与生物分子进行特异性结合的敏感分子。
进一步地，所述的锥形光纤是通过将单模光纤均匀的拉细而成，其锥区尖端直径范围为1～4μm，锥区长度范围为5～17mm。
进一步地，所述的光子晶体光纤的总长度为1～2cm，其横截面存在按周期性排列的空气孔，且沿光纤轴向保持结构不变，该空气孔结构作为生物分子溶液样品进出光子晶体光纤的通道。
进一步地，所述的输入光纤和输出光纤皆为单模光纤。
上述方案中，所述的宽谱光源输出的光经过输入光纤和光纤环形器送至锥形光纤，由于光子晶体光纤与锥形光纤的锥区垂直接触，此时的光子晶体光纤相当于一个谐振腔，所以锥区中的光会通过近场耦合方式耦合进光子晶体光纤中，而满足相位匹配条件的光将会被限制在光子晶体光纤中传播，满足相位匹配条件的光所对应的波长称为谐振波长，不满足相位匹配条件的光将会被重新耦合进锥形光纤中并反射回光纤环形器中，再通过输出光纤输送给光谱分析仪作为测量信号，此外，锥形光纤与光子晶体光纤组成的耦合系统属于反射型。
从上述技术方案可以看出，本发明具有以下有益效果：
1)本发明提出的这种基于光子晶体光纤的生物分子在纤检测系统，将空气孔内壁上固定了能与生物分子进行特异性结合的敏感分子的光子晶体光纤作为生物分子溶液样品传输通道，利用其横截面固有的空气孔让生物分子溶液样品进出光子晶体光纤可以实现结构紧凑、样品用量少和空间稳定性好的在纤式生物分子检测，同时也减小了检测系统体积。
2)光子晶体光纤的极好的温度稳定性和光局域能力，提高了检测的稳定性和准确性。
3)通过锥形光纤与光子晶体光纤发生近场耦合，可将部分光限制在光子晶体光纤中传播，有效的将光能量限制在非常小的体积中，从而导致高功率密度和高品质因子，可以实现高灵敏度、高精度检测。
4)反射型耦合系统提高了传感结构的鲁棒性。
附图说明
图1为本发明提供的基于光子晶体光纤的生物分子在纤检测系统示意图；
图2为本发明提供的光子晶体光纤横截面结构图；
图中：1宽谱光源；2输入光纤；3光纤环形器；4锥形光纤；5样品池；6聚四氟乙烯管A；7连接套管A；8光子晶体光纤；9连接套管B；10聚四氟乙烯管B；11注射泵；12输出光纤；13光谱分析仪。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明的具体结构、原理以及实验过程作进一步的详细说明。
本发明提出一种基于光子晶体光纤的生物分子在纤检测系统，如图1所示为本发明提供的基于光子晶体光纤的生物分子在纤检测系统示意图。宽谱光源1输出的光经过输入光纤2和光纤环形器3送至锥形光纤4，锥形光纤的锥区长度为15mm，其尖端直径为3.61μm，由于锥形光纤的锥区直径足够细，所以锥区会产生强烈的倏逝场，而长度为1.3cm的光子晶体光纤8与锥形光纤的锥区垂直接触，此时的光子晶体光纤相当于一个谐振腔，所以锥区中的光会通过近场耦合方式耦合进光子晶体光纤中，且倏逝场越强，耦合效率越高，若耦合进光子晶体光纤中的光满足相位匹配条件则会被限制在光子晶体光纤中传播，传播方向为沿着光子晶体光纤的包层内壁，满足相位匹配条件的光所对应的波长称为谐振波长，不满足相位匹配条件的光将会被重新耦合进锥形光纤中并反射回光纤环形器中，再通过输出光纤12输送给光谱分析仪作为测量信号，并在光谱分析仪13上显示输出光谱，由于部分光被限制在光子晶体光纤的包层内壁中，所以输出光谱图中的谐振波长处会产生波谷。
如图2所示为光子晶体光纤横截面结构图，光子晶体光纤横截面中的空气孔用1标记。在空气孔内壁上固定了能与目标生物分子进行特异性结合的敏感分子，其作用是捕获生物分子溶液样品中需检测出的目标生物分子。在进行生物分子检测实验时，通过流体填充单元将生物分子溶液样品连续注入到光子晶体光纤的空气孔中，当生物分子溶液样品中含有目标生物分子时，目标生物分子将会被固定在空气孔内壁上的敏感分子所捕获，大量的目标分子被固定在空气孔内壁上，空气孔内壁表面的有效折射率将会发生改变，就会导致相位匹配条件发生改变，从而使谐振波长发生漂移，通过观察谐振波长漂移量的大小可以实现对生物分子的识别探测，以确定生物分子溶液样品中是否含有目标生物分子。
Claims (5)
1.一种基于光子晶体光纤的生物分子在纤检测系统，其特征在于，包括光源单元、传感单元、流体填充单元、光探测单元、光纤链路和填充链路，所述的光源单元为宽谱光源；所述的传感单元包括锥形光纤和光子晶体光纤；所述的流体填充单元包括注射泵和样品池；所述的光探测单元为光谱分析仪；所述的光纤链路包括输入光纤、光纤环形器和输出光纤；所述的填充链路包括聚四氟乙烯管A和聚四氟乙烯管B以及连接套管A和连接套管B；其中，锥形光纤的锥区尖端与光子晶体光纤垂直接触，锥形光纤的另一端与光纤环形器一端连接；光纤环形器的另外两端分别通过输入光纤、输出光纤与宽谱光源和光谱分析仪连接；注射泵通过聚四氟乙烯管B、连接套管B与光子晶体光纤的一端连接；样品池通过聚四氟乙烯管A、连接套管A与光子晶体光纤的另一端连接；光子晶体光纤的空气孔内壁上固定与生物分子进行特异性结合的敏感分子。
2.根据权利要求1所述的一种基于光子晶体光纤的生物分子在纤检测系统，其特征在于，所述的锥形光纤是通过将单模光纤均匀的拉细而成，其锥区尖端直径范围为1～4μm，锥区长度范围为5～17mm。
3.根据权利要求1或2所述的一种基于光子晶体光纤的生物分子在纤检测系统，其特征在于，所述的光子晶体光纤的总长度为1～2cm，其横截面存在按周期性排列的空气孔，且沿光纤轴向保持结构不变。
4.根据权利要求1或2所述的一种基于光子晶体光纤的生物分子在纤检测系统，其特征在于，所述的输入光纤和输出光纤皆为单模光纤。
5.根据权利要求3所述的一种基于光子晶体光纤的生物分子在纤检测系统，其特征在于，所述的输入光纤和输出光纤皆为单模光纤。
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