CN108037079A - 基于二氧化碳激光刻写的长周期光纤光栅的蛋白质浓度检测方法 - Google Patents
基于二氧化碳激光刻写的长周期光纤光栅的蛋白质浓度检测方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明提供了一种基于二氧化碳激光刻写的长周期光纤光栅的蛋白质浓度检测方法，采用二氧化碳激光器刻写的长周期光纤光栅来对蛋白质浓度进行检测，其中，所述二氧化碳激光器刻写的长周期光纤光栅灵敏度高，测量精确，将刻写的长周期光纤光栅来测量蛋白质溶液，可以克服现有的蛋白质测量方法中存在的检测的时候操作过程复杂(需要先取出一部分溶液进行测量)，不能实时监测，灵敏度不高等缺点，同时测量稳定可靠，一个光栅可以多次重复测量，市场前景良好。
Description
技术领域
本发明涉及生物医学检测技术，尤其是涉及到一种基于二氧化碳激光刻写的长周期光纤光栅的蛋白质浓度检测方法。
背景技术
蛋白质是人体最重要的营养素之一。正常成人体内约16％——9％是蛋白质。蛋白质是一切生命的物质基础，没有蛋白质就没有生命。蛋白质对于生命的重要性主要表现在它的生理功能上，分别为：蛋白质是人体组织的构成成分、它催化人体各种化学反应、承担着重要的生理调节功能、具有抗感染作用、向人体供给能量、帮助营养物质在体内运输和维持血液中性环境。蛋白质浓度的测量对于生物及医药具有重大的意义，尤其是对于人体生命活动，如何精确检测人体的蛋白质浓度水平，对于一些疾病的检测至关重要如胰岛素、促甲状腺激素。
目前传统测量蛋白质的方法有紫外分光光度法、双缩脲法、酚试剂法、染料结合法和折光测定。2007年，焦利敏等人用紫外分光光度直接对蛋白质浓度进行测量，他们利用核酸在230nm附近有最小吸光度值且核酸是蛋白质浓度测量最大的干扰因素这一现象，选择在230nm附近测吸光度值，这样测量与常规在280nm附近测量吸光度值具有更高的灵敏性；2008年，田志梅等人用紫外分光光度法快速检测液体奶、奶粉中蛋白质含量浓度检测范围在0.1～1mg/ml。对于蛋白质溶液的浓度测量方法，现今已有一些方法，但都存在检测的时候操作过程复杂，需要取出一部分溶液进行测量，不能实时监测，灵敏度不高等缺点。
另外，传统的检测方法除折光测定法外，都需要被测对象与反应试剂相反应进行测量，这样使得待测样品存在回收率的情况，如果检测牛奶中蛋白质浓度时还得经过样品的采集和处理等步骤，而使用长周期光纤检测则能够直接测量奶牛挤出的牛奶中蛋白质的浓度，既不存在检测中回收率的计算，也不会由于操作不当污染奶源，还能够方便简单的进行测量，该检测方法应用在商业上将具有很高的价值。采用CO2激光器刻写长周期光纤光栅，与紫外光写入、离子束入射法和准分子写入法相比较，刻写时不需要载氢处理，刻写的环境是在高温环境对光纤造成的是物理损伤，不存在“高温擦除”的现象，并且多次刻写过程中能够保持一致性，能进行大量生产，利于市场化。CO2激光器刻写长周期光纤光栅灵敏度高。
因此，提供一种操作简单、可实时测量以及灵敏度高的基于长周期光纤光栅的蛋白质浓度检测方法。
发明内容
为了解决上述技术问题，本发明的提供一种基于二氧化碳激光刻写的长周期光纤光栅的蛋白质浓度检测方法，通过用高频二氧化碳激光器刻写的长周期光纤光栅，具有高精度、高灵敏度和稳定性；通过调整激光刻写出不同的周期光栅，而控制光栅的周期获得不同灵敏度的光栅，本发明提供的测蛋白质浓度的方法操作简单、可实时测量，并且可以多次可重复的测量、系统稳定可靠。
本发明的具体技术方案为：一种基于二氧化碳激光刻写的长周期光纤光栅的蛋白质浓度检测方法，包括以下步骤：
步骤一：利用计算机控制高频二氧化碳激光器在单模光纤上刻写得到长周期光纤光栅；
步骤二：在长周期光纤光栅上分别滴上不同浓度的蛋白质溶液，ASE宽带光源照射在所述长周期光纤光栅上；
步骤三：通过光谱仪接收并分析所述长周期光纤光栅的透射谱，进而实现对蛋白质溶液浓度的测量。
其中，在步骤一中，所述高频二氧化碳激光器的输出波长为10.6μm和9.4μm，可提供高峰值功率，脉冲上升和下降沿短。
优选地，所述高频二氧化碳激光器为美国Coherent公司DIAMONDJ系列激光器。
其中，所述高频二氧化碳激光器制备的长周期光纤光栅，其光栅参数可通过计算机控制激光光束Y轴的偏移量来进行控制，测量精度高。
优选地，所述单模光纤采用美国康宁SMF28单模光纤；
其中，在步骤二中，所述ASE宽带光源进入长周期光纤光栅，根据长周期光纤光栅对光源的透射特性，得出系统的透射谱图。
其中，在步骤三中，所述光谱仪测量的波长范围为1200～2400nm，分辨率达到0.05nm。
优选地，所述光谱仪采用YOKOGAWA光谱分析仪，型号为AQ6375。
其中，根据步骤二得到的透射谱图，进行具体的分析过程如下：
长周期光纤光栅对于外界环境折射率的变化非常敏感。由长周期光纤光栅的波长耦合公式可知：
长周期光纤光栅的谐振波长λres取决于式中的纤芯有效折射率，包层模有效折射率和光栅的周期；在恒温的条件下，纤芯的有效折射率和光栅的周期基本不变，而包层的有效折射率却会随着外界环境物质的变化而发生显著的改变，所以，长周期光纤光栅的谐振波长便与其所处的环境物质的折射率有某种对应关系，本发明通过检测长周期光纤光栅的谐振波长的漂移便能测算出环境折射率的变化。
谐振波长与折射率的关系可以用折射率灵敏度Kn来表示为：
具体可化为：
随着蛋白质浓度的变化，谐振峰的波长发生变化，通过实验的结果可以得到蛋白质浓度和长周期光纤光栅谐振波长的关系并求得溶液浓度灵敏度。
根据本发明的另一方面，本发明还提供一种采用高频二氧化碳激光器制备长周期光纤光栅的装置，该装置包括二氧化碳激光器、BBS宽带光源、光纤、OSA光谱分析仪；
所述二氧化碳激光器与所述计算机相连构成二氧化碳激光部分，所述计算机控制CO2激光器的输出，进行长周期光纤光栅的刻写，
所述BBS宽带光源、光纤和OSA光谱分析仪构成长周期光纤光栅刻写部分，所述BBS宽带光源导入到光纤中，所述光纤被刻写后得到长周期光纤光栅；
所述光谱分析仪用于在长周期光纤光栅刻写的过程中监测光纤光栅刻写的好坏。
其中，所述光纤通过滑轮和砝码进行移动，在光纤一端挂上砝码用于将光纤拉直刻写出好的光纤光栅。
其中，所述高频二氧化碳激光脉的输出波长选用10.6μm，因为硅材料在10.6μm处波段有着很强的吸收。
其中，通过设置单模光纤的曝光时间和激光束Y轴的移动速度可以得到周期和光栅长度不同的长周期光纤光栅，进而得到不同的折射率灵敏度。
本发明具有以下有益效果：
1、采用CO2激光器刻写长周期光纤光栅灵敏度高，刻写时不需要载氢处理，不存在“高温擦除”的现象，并且多次刻写过程中能够保持一致性，能进行大量生产，利于市场化。
2.与传统的试剂染色的方法测蛋白质浓度的方法相比，本发明的测量方法测量稳定可靠，一个光栅可以多次重复测量。
3.本发明的蛋白质测量方法操作简单，可进行实时测量，也不会引入人为因素进而对实验结果造成误差，商业前景好。
应当理解，前述大体的描述和后续详尽的描述均为示例性说明和解释，并不应当用作对本发明所要求保护内容的限制。
附图说明
参考随附的附图，本发明更多的目的、功能和优点将通过本发明实施方式的如下描述得以阐明，其中：
图1示出了本发明中采用高频二氧化碳激光器制备长周期光纤光栅的装置的结构示意图。
图2示出了本发明测量蛋白质浓度的系统的结构示意图。
图3示出了本发明长周期光纤光栅放在蛋白质溶液中的透射谱。
图4示出了本发明根据图3所述的透射谱图得出的蛋白质浓度和长周期光纤光栅谐振波长的关系图。
图5示出了在不同浓度溶液下测量多组实验数据，以线性拟合的方式得到的拟合曲线。
具体实施方式
通过参考示范性实施例，本发明的目的和功能以及用于实现这些目的和功能的方法将得以阐明。然而，本发明并不受限于以下所公开的示范性实施例；可以通过不同形式来对其加以实现。说明书的实质仅仅是帮助相关领域技术人员综合理解本发明的具体细节。
在下文中，将参考附图描述本发明的实施例。在附图中，相同的附图标记代表相同或类似的部件，或者相同或类似的步骤。
参见图1、图2，一种基于二氧化碳激光刻写的长周期光纤光栅的蛋白质浓度检测方法，包括以下步骤：
步骤一：利用计算机100控制高频二氧化碳激光器200在单模光纤400上刻写得到长周期光纤光栅410；其中，所述高频二氧化碳激光器200为美国Coherent公司DIAMOND J系列激光器，输出波长为10.6μm和9.4μm，可提供高峰值功率，脉冲上升和下降沿短。所述高频二氧化碳激光器200制备的长周期光纤光栅410，其光栅参数可通过计算机100控制激光光束Y轴的偏移量来进行控制，测量精度高。所述单模光纤400采用美国康宁SMF28单模光纤。
步骤二：在长周期光纤光栅410上分别滴上不同浓度的蛋白质溶液，采用宽带光源300照射在所述长周期光纤光栅410上；
图2所示为蛋白质溶液浓度测量系统，通过BBS宽带光源300将光通入单模光纤400传输到长周期光纤光栅410的传感器，由于长周期光纤光栅410对折射率敏感的特性，可以在光谱仪500上观测到谐振波长的漂移，通过计算机600对数据进行处理。
具体地，所述BBS宽带光源300进入长周期光纤光栅410，根据长周期光纤光栅410对光源的透射特性，得出系统的透射谱图，如图3所示。图3为长周期光纤光栅放在蛋白质溶液中的透射谱，中间的波谷为长周期光纤光栅的谐振峰，对应的波长为长周期光纤光栅的谐振波长。
其中，根据步骤二得到的透射谱图，又由于长周期光纤光栅的谐振波长便与其所处的环境物质的折射率有某种对应关系，本发明通过检测长周期光纤光栅的谐振波长的漂移便能测算出环境折射率的变化。
谐振波长与折射率的关系可以用折射率灵敏度Kn来表示为：
具体可化为：
由图4可知：随着蛋白质浓度的变化，谐振峰的波长发生变化，通过图4中的实验的结果可以得到蛋白质浓度和长周期光纤光栅谐振波长的关系并求得溶液浓度灵敏度。
图5为本发明根据图4所述的透射谱图得出的蛋白质浓度和长周期光纤光栅谐振波长的关系图。通过在不同浓度溶液下测量多组数据，线性拟合的方式得到图5所示的拟合曲线，得到的拟合曲线为：y＝1.1208x+1364.4733，该拟合曲线的斜率即为蛋白质浓度的灵敏度，为1.1208，其中R2＝0.9924，即线性度良好。通过测量未知浓度蛋白质溶液的长周期光纤光栅透射谱的谐振波长，根据拟合曲线可以得到未知蛋白质溶液的浓度。
步骤三：通过光谱仪接收并分析所述长周期光纤光栅的透射谱，进而实现对蛋白质溶液浓度的测量。所述光谱仪采用YOKOGAWA光谱分析仪，型号为AQ6375，波长范围为1200～2400nm，分辨率达到0.05nm。
以上，可知：本发明的测量蛋白质浓度的方法，操作简单、可实时测量以及灵敏度高。
参见图1、图2，根据本发明另一方面，本发明还提供一种采用高频二氧化碳激光器制备长周期光纤光栅的装置，该装置包括二氧化碳激光器200、BBS宽带光源300、单模光纤400、OSA光谱分析仪500；所述二氧化碳激光器200与所述计算机100相连构成二氧化碳激光部分，所述计算机100控制CO2激光器200的输出，进行长周期光纤光栅410的刻写，所述BBS宽带光源300、单模光纤400和OSA光谱分析仪500构成长周期光纤光栅410刻写部分，所述BBS宽带光源300导入到单模光纤400中，所述单模光纤400被刻写后得到长周期光纤光栅410，如图1所示。
所述光谱分析仪500用于在长周期光纤光栅410刻写的过程中监测光纤光栅刻写的好坏。
其中，所述单模光纤400通过滑轮601和砝码602进行移动，在单模光纤400一端挂上砝码602用于将单模光纤400拉直刻写出好的长周期光纤光栅410。
其中，所述高频二氧化碳激光器200的输出波长选用10.6μm，因为硅材料在10.6μm处波段有着很强的吸收。
其中，通过设置单模光纤400的曝光时间和激光束Y轴的移动速度可以得到周期和光栅长度不同的长周期光纤光栅，进而得到不同的折射率灵敏度。
本发明采用二氧化碳激光器刻写的长周期光纤光栅来对蛋白质浓度进行检测，其中，所述二氧化碳激光器刻写的长周期光纤光栅灵敏度高，测量精确，将刻写的长周期光纤光栅来测量蛋白质溶液，可以克服现有的蛋白质测量方法中存在的检测的时候操作过程复杂，需要先取出一部分溶液进行测量，不能实时监测，灵敏度也不高等缺点，同时测量稳定可靠，一个光栅可以多次重复测量，市场前景良好。
结合这里披露的本发明的说明和实践，本发明的其他实施例对于本领域技术人员都是易于想到和理解的。说明和实施例仅被认为是示例性的，本发明的真正范围和主旨均由权利要求所限定。
Claims (9)
1.一种基于二氧化碳激光刻写的长周期光纤光栅的蛋白质浓度检测方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1：利用计算机控制高频二氧化碳激光器在单模光纤上刻写得到长周期光纤光栅；
S2：在长周期光纤光栅上分别滴上不同浓度的蛋白质溶液，采用宽带光源照射在所述长周期光纤光栅上；
S3：通过光谱仪接收并分析所述长周期光纤光栅的透射谱，进而实现对蛋白质溶液浓度的测量。
2.根据权利要求1所述的蛋白质浓度检测方法，其特征在于，在S1中，所述高频二氧化碳激光器的输出波长为10.6μm和9.4μm，用于提供高峰值功率，脉冲上升和下降沿短。
3.根据权利要求1或2所述的蛋白质浓度检测方法，其特征在于，所述高频二氧化碳激光器为美国Coherent公司DIAMOND J系列激光器。
4.根据权利要求1所述的蛋白质浓度检测方法，其特征在于，所述高频二氧化碳激光器制备的长周期光纤光栅，其光栅参数通过计算机控制激光光束Y轴的偏移量来进行控制。
5.根据权利要求1所述的蛋白质浓度检测方法，其特征在于，在S1中，所述单模光纤采用美国康宁SMF28单模光纤。
6.根据权利要求1所述的蛋白质浓度检测方法，其特征在于，在S3中，所述光谱仪测量的波长范围为1200～2400nm，分辨率达到0.05nm。
7.根据权利要求1所述的蛋白质浓度检测方法，其特征在于，在S3中，随着蛋白质浓度的变化，谐振峰的波长发生变化，通过所述长周期光纤光栅的透射谱可以得到蛋白质浓度和折射率的关系并求得折射率灵敏度；过程如下：
由长周期光纤光栅的波长耦合公式可知：
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长周期光纤光栅的谐振波长λres取决于式中的纤芯有效折射率，包层模有效折射率和光栅的周期；在恒温的条件下，纤芯的有效折射率和光栅的周期基本不变，而包层的有效折射率却会随着外界环境物质的变化而发生显著的改变；即长周期光纤光栅的谐振波长与其所处的环境物质的折射率有对应关系，通过检测长周期光纤光栅的谐振波长的漂移便能测算出环境折射率的变化；
谐振波长与折射率的关系可以用折射率灵敏度Kn来表示为：
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8.一种采用高频二氧化碳激光器制备长周期光纤光栅的装置，该装置包括二氧化碳激光器、BBS宽带光源、单模光纤、OSA光谱分析仪；
所述二氧化碳激光器与所述计算机相连构成二氧化碳激光部分，所述计算机控制CO2激光器的输出，进行长周期光纤光栅的刻写；
所述BBS宽带光源、光纤和OSA光谱分析仪构成长周期光纤光栅刻写部分，所述BBS宽带光源导入到单模光纤中，所述单模光纤被刻写后得到长周期光纤光栅。
9.根据权利要求8所述的制备长周期光纤光栅的装置，其特征在于，所述单模光纤通过滑轮和砝码进行移动，在单模光纤一端挂上砝码用于将光纤拉直刻写出好的光纤光栅。
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