CN109030376B - 基于光纤偏振调制的免标记生物传感器及其实现方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种基于光纤偏振调制的免标记生物传感器及其实现方法，属于免标记光纤生物传感器技术领域，包括：自发辐射光源，用于产生非偏振光；管道，管道的内部设有功能化磁性纳米颗粒悬液；目标生物分子，被加入到管道中进行监测；光偏振调制器件，用于利用功能化磁性纳米颗粒对光进行偏振调制；偏振检测系统，用于对光偏振器件中光的偏振态的调制进行检测；电磁铁，用于产生磁场；本发明由磁性纳米颗粒自组装诱导光纤偏振调制，通过对光纤的偏振检测进行生物传感，无需在光纤器件表面进行功能化，无需昂贵光谱分析设备，操作简单，成本低廉，解决了现有技术中出现的问题。
Description
技术领域
本发明涉及一种生物传感器，特别涉及一种基于光纤偏振调制的免标记生物传感器及其实现方法，属于免标记光纤生物传感器领域。
背景技术
与电化学生物传感器或自由空间光学生物传感器相比，光纤生物传感器具有结构灵活、紧凑，可远程监控等优点。在过去几年中，基于光环形谐振器，光纤干涉仪，光纤光栅，光纤耦合器等，很多种免标记光纤生物传感器被研制出来。
然而，目前的免标记生物传感器，在进行生物传感之前，需要对光学器件表面进行功能化，从而达到特异性吸附的目的。但是，由于上述光纤器件尺寸极小，需要非常小心的操作才能完成，使得研究难度极大。此外，绝大多数的免标记光纤生物传感器基于传感器光谱的波长漂移开展生物监测，昂贵的光谱分析设备是必不可少的，系统成本极高。因此，设计一种易于操作，又具有低成本信号分析系统的免标记光纤生物传感器具有重要意义。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于光纤偏振调制的免标记生物传感器及其实现方法，由磁性纳米颗粒自组装诱导光纤偏振调制，通过对光纤的偏振检测进行生物传感，解决了现有技术中出现的问题。
本发明所述的基于光纤偏振调制的免标记生物传感器，包括：
自发辐射光源，用于产生非偏振光；
管道，管道的内部设有功能化磁性纳米颗粒悬液；
目标生物分子，被加入到管道中进行监测；
光偏振调制器件，用于利用功能化磁性纳米颗粒对光进行偏振调制；
偏振检测系统，用于对光偏振器件中光的偏振态的调制进行检测；
电磁铁，用于产生磁场；
其中，自发辐射光源位于管道的一侧，光偏振调制器件位于管道的中心处，光偏振调制器件从管道中穿过后连接位于管道另一侧的偏振检测系统。
所述的功能化磁性纳米颗粒悬液中分散布置有功能化磁性纳米颗粒，功能化磁性纳米颗粒的表面偶联有生物探针分子。
所述的目标生物分子被加入到磁性纳米悬液中，目标生物分子与生物探针分子偶联。
自发辐射光源发出的非偏振光，被偶合进入光偏振调制器件，光偏振调制器件从一个管道中穿过，光偏振调制器件位于管道中心处，管道中设有表面被功能化磁性纳米颗粒，对管道施加或去除特定外部磁场，功能化磁性纳米颗粒会对微纳光纤中光的偏振态进行调制，偏振调制响应与功能化磁性纳米颗粒的体积有关，通过对光纤的偏振检测进行生物传感。
把待测目标生物分子加入管道，目标生物分子将会引发功能化磁性纳米颗粒自组装，从而形成磁性纳米颗粒团簇，不同的目标生物分子浓度，会诱导产生不同体积的磁性纳米颗粒团簇。不同体积的磁性纳米颗粒团簇，在特定磁场驱动下，在悬液中做定向运动的速度不同，对微纳光纤中的光进行起偏的速度就不同；去掉磁场后，不同体积的磁性纳米颗粒团簇，在液体中做布朗运动的速度不同，所以微纳光纤中光的退偏速度也不同。在微纳光纤后面连接有光偏振检测系统，通过检测微纳光纤中光偏振调制响应的变化，即可检测目标生物分子浓度。
所述的电磁铁包括第一电磁铁和第二电磁铁，第一电磁铁和第二电磁铁分别位于管道的上下两侧。
所述的管道包括玻璃管，但是不局限于玻璃管，所有非磁性管道都适用于本发明。
所述的光偏振调制器件包括拉锥光纤，拉锥光纤的锥区为微纳光纤，通过对微纳光纤中光的偏振态进行调制，设计生物传感器，但是，本发明不局限于微纳光纤，所有能够利用功能化磁性纳米颗粒悬液对光纤中的光进行偏振调制的器件，都适用于本发明。
本发明所述的基于光纤偏振调制的免标记生物传感器的实现方法，包括以下步骤：
S1：自发辐射光源发出非偏振光，非偏振光被偶合导入光偏振调制器件中；
S2：光偏振调制器件置于管道中，且光偏振调制器件从管道中穿过；
S3：在管道中分布设置功能化磁性纳米颗粒悬液；
S4：在管道中加入目标生物分子，目标生物分子与功能性磁性纳米颗粒表面的生物探针分子偶联，诱导产生功能化磁性纳米颗粒自组装，形成磁性纳米颗粒团簇；
S5：利用电磁铁施加一个恒定磁场；
S6：把电磁铁施加的恒定磁场去掉；
S7：实施上述步骤S5和步骤S6时，利用偏振检测系统检测光偏振态的调制随时间的变化；
S8：通过分析光偏振调制随时间变化的趋势，实现对目标生物分子浓度的监测，从而进行生物传感。
所述的步骤S7中光偏振态的调制是由功能化磁性纳米颗粒的自组装诱导的。
所述的步骤S4中，不同的目标生物分子浓度，会诱导产生不同体积的功能性磁性纳米颗粒团簇。
本发明与现有技术相比，具有如下有益效果：
本发明所述的基于光纤偏振调制的免标记生物传感器及其实现方法，由磁性纳米颗粒自组装诱导光纤偏振调制，通过对光纤的偏振检测进行生物传感，无需在光纤器件表面进行功能化，无需昂贵光谱分析设备，操作简单，成本低廉，解决了现有技术中遇到的难题。
附图说明
图1本发明中基于光纤偏振调制的免标记生物传感器的结构示意图；
图2本发明中功能化磁性纳米颗粒未偶联目标生物分子时，即目标生物分子浓度为0时，施加和去掉磁场，光的偏振调制随时间的变化；
图3本发明中功能化磁性纳米颗粒偶联目标生物分子，且目标生物分子浓度为10μg/mL时，施加和去掉磁场，光的偏振调制随时间的变化；
图4本发明中目标生物分子浓度分别为0.05μg/mL、1μg/mL、10μg/mL、50μg/mL时，在施加磁场50秒后得到的最大偏振度pmax随目标生物分子浓度的变化；施加磁场50秒，然后去掉磁场35秒，得到的最大与最小偏振度之差Δp随目标生物分子浓度的变化；
图中：1、第一电磁铁；2、功能化磁性纳米颗粒悬液；3、管道；4、目标生物分子；5、光偏振调制器件；6、第二电磁铁；7、自发辐射光源；8、偏振检测系统。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明：
实施例1：
如图1所示，本发明所述的基于光纤偏振调制的免标记生物传感器，包括：
自发辐射光源7，用于产生非偏振光；
管道3，管道3的内部设有功能化磁性纳米颗粒悬液2；
目标生物分子4，被加入到管道3中进行监测；
光偏振调制器件5，用于利用功能化磁性纳米颗粒对光进行偏振调制；
偏振检测系统8，用于对光偏振器件5中光的偏振态的调制进行检测；
电磁铁，用于产生磁场；
其中，自发辐射光源7位于管道3的一侧，光偏振调制器件5位于管道3的中心处，光偏振调制器件5从管道3中穿过后连接位于管道3另一侧的偏振检测系统8。
为了进一步说明上述实施例，功能化磁性纳米颗粒悬液2中分散布置功能化磁性纳米颗粒，功能化磁性纳米颗粒的表面偶联有生物探针分子。
为了进一步说明上述实施例，目标生物分子4被加入到管道3中后，与磁性纳米颗粒表面的生物探针分子偶联。
为了进一步说明上述实施例，电磁铁包括第一电磁铁1和第二电磁铁6，第一电磁铁1和第二电磁铁6分别位于管道3的上下两侧。
为了进一步说明上述实施例，管道3包括玻璃管。
为了进一步说明上述实施例，光偏振调制器件5包括拉锥光纤，拉锥光纤的锥区为微纳光纤。
工作原理为：把待测目标生物分子4加入含有功能化磁性纳米颗粒的玻璃管后，由于功能化磁性纳米颗粒表面的生物探针分子与目标生物分子4偶联，将引发功能化磁性纳米颗粒自组装，从而形成磁性纳米颗粒团簇。不同的目标生物分子4浓度，会诱导产生不同体积的磁性纳米颗粒团簇。不同体积的磁性纳米颗粒团簇，在特定磁场驱动下，在悬液中做定向运动的速度不同，对微纳光纤中的光进行起偏的速度就不同；去掉磁场后，不同体积的磁性纳米颗粒团簇，在液体中做布朗运动的速度不同，所以微纳光纤中光的退偏速度也不同。在微纳光纤后面连接有光偏振检测系统8，通过检测微纳光纤中光偏振调制的时间响应，即可检测目标生物分子4的浓度，根据目标生物分子4的浓度进行生物传感器的配置。
实施例2：
本发明所述的基于光纤偏振调制的免标记生物传感器的实现方法，包括以下步骤：
S1：自发辐射光源7发出非偏振光，非偏振光被偶合导入光偏振调制器件5中；
S2：光偏振调制器件5置于管道3中，且光偏振调制器件5从管道3中穿过；
S3：在管道3中分布设置功能化磁性纳米颗粒悬液2；
S4：在管道3中加入目标生物分子4，目标生物分子4与功能性磁性纳米颗粒表面的生物探针分子偶联，诱导产生功能化磁性纳米颗粒自组装，形成磁性纳米颗粒团簇；
S5：利用电磁铁施加一个恒定磁场；
S6：把电磁铁施加的恒定磁场去掉；
S7：实施上述步骤S5和步骤S6时，利用偏振检测系统8检测光偏振态的调制随时间的变化；
S8：通过分析光偏振调制随时间变化的趋势，实现对目标生物分子4浓度的监测，从而进行生物传感。
为了进一步说明上述实施例，步骤S7中光偏振态的调制是由功能化磁性纳米颗粒的自组装诱导的。
为了进一步说明上述实施例，步骤S4中，不同的目标生物分子4浓度，会诱导产生不同体积的功能性磁性纳米颗粒团簇。
工作原理为：
如图2所示，当目标生物分子4浓度为0时，通过光偏振检测系统8，监测得到光的偏振调制随时间的变化，可以看出：由于功能化磁性纳米颗粒体积极小，其表现出超顺磁性，施加磁场后，光的偏振度迅速增加，去掉磁场后，光的偏振度快速退化到施加磁场之前的状态。
如图3所示，当目标生物分子4浓度为10μg/mL时，通过光偏振检测系统8，监测得到光的偏振调制随时间的变化。与图2对比可以看出：功能化磁性纳米颗粒偶联目标生物分子4后，施加磁场50秒，得到的光偏振度最大值，小于功能化磁性纳米颗粒未偶联目标生物分子4时，施加磁场50秒，得到的光偏振度最大值，偏振调制弛豫时间变长；接下来去掉磁场，同样可以看出，功能化磁性纳米颗粒偶联目标生物分子4后，偏振退化的弛豫时间也变长。
如图4所示，当目标生物分子4浓度分别为0.05μg/mL、1μg/mL、10μg/mL、50μg/mL时，在施加磁场50秒后，得到的最大偏振度pmax随目标生物分子4浓度的变化在图中用圆点表示；施加磁场50秒，然后去掉磁场35秒，得到的最大与最小偏振度之差Δp随目标生物分子4浓度的变化，在图中用方点表示。从图4可以看出，无论pmax还是Δp，它们都随着目标生物分子4浓度的增加单调减小，所以借助pmax或Δp随目标生物分子4浓度的变化曲线，通过监测pmax或Δp，可实现对目标生物分子4浓度的监测。
为了观察数据的大动态范围，图4的横坐标被对数化，即对以μg/mL为单位的目标生物分子4浓度，取以10为底的对数。
根据图4，利用pmax或Δp随目标生物分子4浓度的变化曲线，都可实现对目标生物分子4浓度的监测；根据监测到的目标生物分子4的浓度进行生物传感器的配置。
采用以上结合附图描述的本发明的实施例的基于光纤偏振调制的免标记生物传感器及其实现方法，由磁性纳米颗粒自组装诱导光纤偏振调制，通过对光纤的偏振检测进行生物传感，解决了现有技术中遇到的难题。但本发明不局限于所描述的实施方式，在不脱离本发明的原理和精神的情况下这些对实施方式进行的变化、修改、替换和变形仍落入本发明的保护范围内。
Claims (9)
1.一种基于光纤偏振调制的免标记生物传感器，其特征在于：包括：
自发辐射光源(7)，用于产生非偏振光；
管道(3)，管道(3)的内部设有功能化磁性纳米颗粒悬液(2)；
目标生物分子(4)，被加入到管道(3)中进行监测；
光偏振调制器件(5)，用于利用功能化磁性纳米颗粒对光进行偏振调制；
偏振检测系统(8)，用于对光偏振器件(5)中光的偏振态的调制进行检测；
电磁铁，用于产生磁场；
其中，自发辐射光源(7)位于管道(3)的一侧，光偏振调制器件(5)位于管道(3)的中心处，光偏振调制器件(5)从管道(3)中穿过后连接位于管道(3)另一侧的偏振检测系统(8)；自发辐射光源发出的非偏振光，被偶合进入光偏振调制器件(5)，光偏振调制器件(5) 从一个管道(3)中穿过，管道(3)中设有表面被功能化的 磁性纳米颗粒，对管道(3)施加或去除特定外部磁场，功能化磁性纳米颗粒会对微纳光纤中光的偏振态进行调制，偏振调制响应与功能化磁性纳米颗粒的体积有关，通过对光纤的偏振检测进行生物传感。
2.根据权利要求1所述的基于光纤偏振调制的免标记生物传感器，其特征在于：所述的功能化磁性纳米颗粒悬液(2)中分散布置有功能化磁性纳米颗粒，功能化磁性纳米颗粒的表面设有生物探针分子。
3.根据权利要求2所述的基于光纤偏振调制的免标记生物传感器，其特征在于：所述的目标生物分子(4)与生物探针分子偶联。
4.根据权利要求1所述的基于光纤偏振调制的免标记生物传感器，其特征在于：所述的电磁铁包括第一电磁铁(1)和第二电磁铁(6)，第一电磁铁(1)和第二电磁铁(6)分别位于管道(3)的上下两侧。
5.根据权利要求1所述的基于光纤偏振调制的免标记生物传感器，其特征在于：所述的管道(3)包括玻璃管。
6.根据权利要求1所述的基于光纤偏振调制的免标记生物传感器，其特征在于：所述的光偏振调制器件(5)包括拉锥光纤，拉锥光纤的锥区为微纳光纤。
7.一种基于光纤偏振调制的免标记生物传感器的实现方法，其特征在于，所述的方法包括以下步骤：
S1：自发辐射光源(7)发出非偏振光，非偏振光被导入光偏振调制器件(5)中；
S2：光偏振调制器件(5)置于管道(3)中，且光偏振调制器件(5)从管道(3)中穿过；
S3：在管道(3)中分布设置功能化磁性纳米颗粒悬液(2)；
S4：在管道(3)中加入目标生物分子(4)，目标生物分子(4)与功能性磁性纳米颗粒表面的生物探针分子偶联，诱导产生功能化磁性纳米颗粒自组装，形成磁性纳米颗粒团簇；
S5：利用电磁铁施加一个恒定磁场；
S6：把电磁铁施加的恒定磁场去掉；
S7：实施上述步骤S5和步骤S6时，利用偏振检测系统(8)检测光偏振态的调制随时间的变化；
S8：通过分析光偏振调制随时间变化的趋势，实现对目标生物分子(4)浓度的监测，从而进行生物传感。
8.根据权利要求7所述的基于光纤偏振调制的免标记生物传感器的实现方法，其特征在于，所述的步骤S7中光偏振态的调制是由功能化磁性纳米颗粒的自组装诱导的。
9.根据权利要求7所述的基于光纤偏振调制的免标记生物传感器的实现方法，其特征在于，所述的步骤S4中，不同的目标生物分子(4)浓度，会诱导产生不同体积的功能性磁性纳米颗粒团簇。
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