CN108398388B - 一种基于一维光纤微流激光器的集成阵列比色分析装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于一维光纤微流激光器的集成阵列比色分析装置，属于传感技术领域，具体涉及一种基于一维光纤微流激光器的集成阵列比色分析装置。该发明包括脉冲激光器、衰减片、分束器、脉冲能量计、短焦透镜、长焦透镜、激光反射镜、柱面透镜、微流芯片和智能手机。当光纤内部充满增益介质并在均匀的线状泵浦光泵浦下，通过外壁存在的WGM提供光反馈实现沿光纤长度方向的均匀激光输出。光纤尺寸的均匀性保证了激光出射具有连续、均匀的空间分布。光微流激光透过方形毛细管中的待测样品时，由于样品对光的吸收作用使得透过激光强度降低。通过手机拍照实现了对激光强度的测量。该方法可以实现多通道、高密度的集成比色分析。
Description
技术领域
本发明属于传感技术领域，具体涉及一种基于一维光纤微流激光器的集成阵列比色分析装置。
背景技术
比色法法通过比较物质颜色变化来确定待测组分的含量，其在生化分析领域例如酶联免疫分析中具有重要作用。在酶联免疫分析中，酶催化无色底物产生有色产物。通过探测产物的颜色变化实现对抗原浓度的精确测量。但是，传统比色反应在96孔板中进行，并采用分光光度计读取信号，很难实现集成化。
发明内容
针对传统比色法中存在的问题，本发明利用微结构光纤实现了一维光纤微流激光器，并将其应用于集成阵列的比色分析。一维光纤微流激光器具有空间上连续、均匀的激光输出，可以实现多通道、高密度的集成比色分析。
本发明具体采用如下技术方案：
一种基于一维光纤微流激光器的集成阵列比色分析装置，该装置包括脉冲激光器(1)、衰减片(2)、分束器(3)、脉冲能量计(4)、短焦透镜(5)、长焦透镜(6)、激光反射镜(7)、柱面透镜(8)、微流芯片(9)和拍图装置(10)；其中，微流芯片(9)包括微结构光纤(11)、方形毛细管(12)和玻璃基片(13)；
两根微结构光纤用紫外胶平行固定于玻璃基片上，其中一根充当光纤微流激光器，另一根起支撑作用；多根方形毛细管并排固定于微结构光纤上，并与微结构光纤垂直；脉冲激光器出射的激光经过衰减片衰减，经分束器分束后，一路入射到脉冲能量计上，一路经短焦透镜和长焦透镜被扩束后再被激光反射镜反射，最后被柱面透镜汇聚成线状光斑；充当光纤微流激光器的微结构光纤位于柱面透镜焦点处并保持线状光斑与微结构光纤位置重合，相机从方形毛细管的正面对透过方形毛细管的光线进行拍摄。
所述的一种基于一维光纤微流激光器的集成阵列比色分析装置，其特征在于，所述微结构光纤采用材质为石英的中空光纤，该光纤的空腔内填充增益介质，在线状光斑泵浦下其激光输出具有连续、均匀的空间分布，且输出波长可通过调节增益介质浓度的方式调节以适应对不同待测物比色分析的需要。
综上所述，本发明的有益效果为：采用一维光纤微流激光作为光源实现了集成比色分析。光纤的尺寸均匀性保证了各传感通道性能的一致性。该比色分析装置具有体积小、多通道的特点，可以应用于对生化样品的高通量测量。
附图说明
图1为本发明提供的基于光纤微流激光器的集成阵列比色分析光路图；
图2为本发明提供的微流芯片结构示意图；
图3为实施例中的微结构光纤横截面示意图；
图4为实施例中不同浓度罗丹明喹啉溶液的激光输出光谱；
图5为实施例中不同HRP酶浓度下各通道透过率随时间的关系曲线，插图为实施例中相机所拍照片；
图6为实施例中HRP酶浓度与T0.95的关系图
附图标记：1-脉冲激光器，2-衰减片，3-分束器，4-脉冲能量计，5-短焦透镜，6-长焦透镜，7-激光反射镜，8-柱面透镜，9-微流芯片，10-相机，11-微结构光纤，12-方形毛细管，13-玻璃基片。
具体实施方式
本实施方式以空心结构光纤制作光微流激光器对HRP酶催化底物TMB反应进行比色分析为例，对发明作进一步描述。
一种基于一维光纤微流激光器的集成阵列比色分析装置如图1所示，包括脉冲激光器1、衰减片2、分束器3、脉冲能量计4、短焦透镜5、长焦透镜6、激光反射镜7、柱面透镜8、微流芯片9和相机10。其中，微流芯片9结构示意图如图2所示，包括微结构光纤11、方形毛细管12和玻璃基片13。
两根微结构光纤11用紫外胶平行固定于玻璃基片13上(如图2所示)，其中一根充当光纤微流激光器，另一根起支撑作用；5根方形毛细管12并排固定于微结构光纤11上，并与微结构光纤11垂直。脉冲激光器1出射的激光经过衰减片衰减，经分束器3分束后，一路入射到脉冲能量计4上，一路经短焦透镜5和长焦透镜6扩束后形成直径大约2cm的圆形光斑。该路光被激光反射镜7反射后被柱面透镜8汇聚成长度为2cm的线状光斑。微结构光纤11位于柱面透镜8焦点处并保持线状光斑与微结构光纤11位置重合。
其使用方法具体包括以下步骤：
步骤一：清洗方形毛细管、微结构光纤、玻璃基片。
先用浓硫酸分别浸泡方形毛细管、微结构光纤、玻璃基片过夜，用去离子水超声5分钟，循环3次；然后在烤箱中110度烘烤半小时。
步骤二：组装微流芯片。
先将两根微结构光纤平行放置在玻璃基片上，并用紫外胶固定；然后将方形毛细管并排置于微结构光纤上，并与微结构光纤方向保持垂直。然后用紫外胶将方形毛细管固定。
步骤三：利用毛细效应将罗丹明喹啉溶液吸入如图3所示的微结构光纤空腔中。
步骤四：配置HRP酶和底物工作液，并将其混合后吸入方形毛细管。
首先将HRP酶逐级稀释至所需浓度。将双氧水和TMB各取100μl混合均匀配制成底物工作液。然后将HRP酶和底物工作液混合后开始计时。最后将HRP酶和底物工作液的混合液体吸入方形毛细管。
步骤五：打开脉冲激光器，调节衰减片大小，使得脉冲能量计上能量读数保持在5μJ左右。
步骤六：每隔5-10分钟对微结构光纤拍照一次，得到如图5插图所示的照片。
步骤七：从照片上提取微结构光纤的强度分布信息，并对每个通道的强度积分，得到各通道的积分强度值。
定义t时刻所记录照片中第i个像素点位置的强度为It(i),第N个通道对应的像素区间为[AN，BN]，则第N个通道的积分强度值IN为
步骤八：在不同时刻重复步骤六和步骤七，得到不同时刻各通道的积分强度值。
步骤九：针对不同HRP浓度重复步骤六到步骤八，利用公式TN(t)＝IN(t)IN(0)计算t时刻第N个通道的透过率。其中IN(0)为t＝0时刻，第N个通道的积分强度值。
步骤十：通过步骤九绘制的透过率-时间曲线，计算不同HRP浓度透过率降为0.9所需时间，记为T0.9,绘制T0.9-HRP浓度曲线(如图6所示)。
Claims (3)
1.一种基于一维光纤微流激光器的集成阵列比色分析装置，该装置包括脉冲激光器(1)、衰减片(2)、分束器(3)、脉冲能量计(4)、短焦透镜(5)、长焦透镜(6)、激光反射镜(7)、柱面透镜(8)、微流芯片(9)和相机(10)；其中，微流芯片(9)包括两根微结构光纤(11)、方形毛细管(12)和玻璃基片(13)；
两根微结构光纤平行固定于玻璃基片上，其中一根充当光纤微流激光器，另一根起支撑作用；多根方形毛细管并排固定于微结构光纤上，并与微结构光纤垂直；脉冲激光器出射的激光经过衰减片衰减，经分束器分束后，一路入射到脉冲能量计上，一路经短焦透镜和长焦透镜被扩束后再被激光反射镜反射，最后被柱面透镜汇聚成线状光斑；充当光纤微流激光器的微结构光纤位于柱面透镜焦点处并保持线状光斑与微结构光纤位置重合，相机从方形毛细管的正面对透过方形毛细管的光线进行拍摄。
2.如权利要求1所述的一种基于一维光纤微流激光器的集成阵列比色分析装置，其特征在于，所述微结构光纤采用材质为石英的中空光纤，该光纤的空腔内填充增益介质，且输出波长可通过调节增益介质浓度的方式调节以适应对不同待测物比色分析的需要。
3.一种采用基于权利要求1所述的光纤微流激光器的集成阵列比色分析装置的比色分析方法，该方法包括：
步骤一：清洗方形毛细管、微结构光纤、玻璃基片；
先用浓硫酸分别浸泡方形毛细管、微结构光纤、玻璃基片过夜，用去离子水超声5分钟，循环3次；然后在烤箱中110度烘烤半小时；
步骤二：组装微流芯片；
先将两根微结构光纤平行放置在玻璃基片上，并用紫外胶固定；然后将方形毛细管并排置于微结构光纤上，并与微结构光纤方向保持垂直；然后用紫外胶将方形毛细管固定；
步骤三：利用毛细效应将罗丹明喹啉溶液吸入微结构光纤空腔中；
步骤四：配置HRP酶和底物工作液，并将其混合后吸入方形毛细管；
首先将HRP酶逐级稀释至所需浓度；将双氧水和TMB各取100μl混合均匀配制成底物工作液；然后将HRP酶和底物工作液混合后开始计时；最后将HRP酶和底物工作液的混合液体吸入方形毛细管；
步骤五：打开脉冲激光器，调节衰减片大小，使得脉冲能量计上能量读数保持在5μJ左右；
步骤六：每隔5-10分钟对微结构光纤拍照一次；
步骤七：从照片上提取微结构光纤的强度分布信息，并对每个方形毛细管对应通道的强度积分，得到各通道的积分强度值；
定义t时刻所记录照片中第i个像素点位置的强度为It(i),第N个通道对应的像素区间为[AN，BN]，则第N个通道的积分强度值IN为
步骤八：在不同时刻重复步骤六和步骤七，得到不同时刻各通道的积分强度值；
步骤九：针对不同HRP浓度重复步骤六到步骤八，利用公式TN(t)＝IN(t)/IN(0)计算t时刻第N个通道的透过率；其中IN(0)为t＝0时刻，第N个通道的积分强度值；
步骤十：通过步骤九绘制的透过率-时间曲线，计算不同HRP浓度透过率降为0.9所需时间，记为T0.9,绘制T0.9-HRP浓度曲线。
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