CN109342716B - 基于单模-少模-单模结构的d型光纤传感器 - Google Patents

基于单模-少模-单模结构的d型光纤传感器 Download PDF

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    • G01N33/531—Production of immunochemical test materials

Abstract

本发明提供了一种基于单模‑少模‑单模结构的D型光纤传感器，包括宽带光源、生物传感探头、光谱分析仪和待测液体池，所述生物探头包括输入传输光纤、D型光纤和输出传输光纤；所述宽带光源、所述输入传输光纤、所述D型光纤和所述输出传输光纤和所述光谱分析仪依次连接；所述生物传感探头表面涂覆修饰生物分子膜；所述输入传输光纤与所述D型光纤通过熔接机手动单边错位熔接，所述D型光纤与所述输出传输光纤通过熔接机自动对芯熔接；所述输入传输光纤和所述输出传输光纤均为单模光纤，所述D型光纤为少模光纤。本发明提供的光纤生物传感器具有结构简单、快速、灵敏度高的优点。

Description

基于单模-少模-单模结构的D型光纤传感器
技术领域
本发明涉及光纤生物传感技术领域，尤其涉及一种基于单模-少模-单模结构的D型光纤传感器。
背景技术
21世纪以来，人们对于传感器件性能、集成度的要求越来越高，使得器件的微型化成为研究的热点。其中，微纳光纤传感器作为纳米光＋领域的前沿深题，被广泛应用于探测、医疗、通信等领域。光纤生物传感器是近年来发展起来的一种新型无标记光学传感器方法。基于光纤的生物传感器是将抗原/抗体偶联包裹在光纤传感结构表面，当用修饰过的光纤传感器去检测待测样品时，由于抗体强大的特异性识别能力，选择性相作用(即抗原抗体或受体配体特异性结合;核酸分子碱基互补配对；酶对底物作用专一性等)，产生的生物化学信息调制光纤中传输光的物理特性如光强、光振幅、相位等。通过光谱仪或者功率计对信号光的相位、光强进行监测可以对待测样品的种类、浓度等信息进行检测。
实现基于光纤传感的高灵敏度、免标记、高特异性高稳定性的生物医学检测，发展更多功能化、集成化的光纤生物医学传感器件，己成为生物传感领域的研究热点及发展方向。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明提供了一种基于单模-少模-单模结构的D型光纤传感器，所述传感器包括宽带光源、生物传感探头、光谱分析仪和待测液体池，所述生物探头包括输入传输光纤、D型光纤和输出传输光纤；所述宽带光源、所述输入传输光纤、所述D型光纤和所述输出传输光纤和所述光谱分析仪依次连接；所述生物传感探头表面涂覆修饰生物分子膜。
其中，所述生物传感探头表面涂覆修饰生物分子膜通过以下步骤实现：
S1: 先将所述生物传感探头浸泡在浓度为5%的硅烷化乙醇溶液（二氢-3-（3-（三乙氧基硅基）丙基）呋喃-2,5-二酮）中12小时，进行硅烷化；
S2：通过EDC/NHSS活化光纤表面羧基生成活泼酯，随后将光纤浸入抗体溶液获得抗体修饰的光纤探针；
S3：再将光纤浸入牛血清白蛋白溶液，封闭光纤表面剩余的羧基，减少光纤的非特异性吸附；
S4：最后通过所述光谱分析仪可以观察到生物传感探头浸入到不同检测溶液中所对应的透射谱变化。
其中，所述输入传输光纤与所述D型光纤通过熔接机手动单边错位熔接。
其中，所述D型光纤与所述输出传输光纤通过熔接机自动对芯熔接。
其中，所述输入传输光纤为单模光纤。
其中，所述输出传输光纤为单模光纤。
其中，所述D型光纤为少模光纤，通过抛磨系统对少模光纤进行抛磨形成D型抛磨区域。
其中，所述D型光纤的长度为3~7cm。
优选地，所述D型光纤的长度为4cm，5cm，6cm。
其中，所述输入传输光纤与所述D型光纤错位熔接的错位量为5~15μm。
优选地，所述输入传输光纤与所述D型光纤错位熔接的错位量为6μm，7μm，8μm，9μm，10μm，11μm，12μm，13μm，14μm。
其中，所述D型抛磨区域的长度为0.5~2cm。
优选地，所述D型抛磨区域的长度为0.6cm，0.7cm，0.8cm，0.9cm，1.0 cm，1.0 cm，1.2 cm，1.4cm，1.6 cm，1.8 cm。
本发明提供的基于单模-少模-单模结构的D型光纤传感器，通过以下方法制备得到：
S1：取一段少模光纤，通过抛磨系统将其抛磨成D型光纤，再分别取两段单模光纤作为输入传输光纤和输出传输光纤，将所述输入传输光纤与所述D型光纤用熔接机手动单边错位熔接，错位熔接的错位量为5~15μm；所述D型光纤7与所述输出传输光纤通过熔接机自动对芯熔接后，形成基于单模-少模-单模结构的D型光纤生物传感器；所述D型光纤的长度为3~7cm cm，所述D型光纤的D型抛磨区域的长度为0.5~2cm；在所述D型光纤的D型抛磨区域表面覆修饰生物分子膜，构成生物传感器；
S2：将所述输入传输光纤与宽带光源连接，所述输出传输光纤与光谱分析仪连接，使所述宽带光源发出的光依次通过所述输入传输光纤、所述D型光纤、所述输出传输光纤，到达光谱分析仪。
本发明提供的基于单模-少模-单模结构的D型光纤传感器，透射光谱中出现的干涉峰可以用少模光纤纤芯中基模和高阶模式干涉来解释，入射光从输入传输光纤进入，在经过第一个熔接点时，由于单模光纤与少模光纤之间的模场差异，输入传输光纤中传输的光将耦合进入少模光纤纤芯，激发纤芯中的基模和某一高阶模式进行稳定传输。随着传输距离的增大，具有不同传播常数的不同模式之间也会产生相位差，这些模式在到达第二个熔接点时，会重新耦合进入输出传输光纤的纤芯中，发生模间干涉构成马赫-曾德尔干涉仪。由于单模光纤与少模光纤对芯熔接时模间干涉效果不好，这是由于基模光强大于高阶模式，因此采用错位熔接模式，使基模和高阶模式光强相近，使干涉效果更明显。再对少模光纤中间部分通过抛磨系统进行抛磨使其成为D型光纤，产生模式泄露，这样可以引出倏逝波，从而对周围环境的折射率进行检测。
本发明的有益效果：
本发明提供的基于单模-少模-单模错位结构的D型光纤生物传感器，输入传输光纤与D型光纤通过熔接机手动单边错位熔接，D型光纤与输出传输光纤通过熔接机自动对芯熔接。D型光纤生物探头部分可以修饰不同生物膜对待测溶液进行特异性识别，根据产生的生物化学信息调制传输光的光强、相位来对待测样品的种类、浓度等信息进行检测。本发明提供的光纤生物传感器具有结构简单、快速、灵敏度高的优点。
附图说明
为了更清楚地说明本发明的技术方案，下面将对实施方式中需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施方式，对应本领域的普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例1提供的生物传感器的整体结构示意图；
图2为本发明实施例1提供的D型光纤生物传感探头结构示意图；
附图中附图标记所对应的名称为：1-宽带光源，2-生物传感探头，3-光谱分析仪，4-待测液体池，5-生物分子膜，6-输入传输光纤，7-D型光纤，8-输出传输光纤，9-D型抛磨区域。
具体实施方式
以下是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本发明的保护范围。
实施例1
本发明提供了一种基于单模-少模-单模结构的D型光纤传感器，如图1和图2所示，所述传感器包括宽带光源1、生物传感探头2、光谱分析仪3和待测液体池4，所述生物探头2包括输入传输光纤6、D型光纤7和输出传输光纤8；所述宽带光源1、所述输入传输光纤6、所述D型光纤7和所述输出传输光纤8和所述光谱分析仪3依次连接；所述生物传感探头2表面涂覆修饰生物分子膜5；所述输入传输光纤6与所述D型光纤7通过熔接机手动单边错位熔接，错位熔接的错位量为10μm；所述D型光纤7与所述输出传输光纤8通过熔接机自动对芯熔接；所述输入传输光纤6和所述输出传输光纤7为单模光纤，所述D型光纤6为少模光纤，通过抛磨系统对少模光纤进行抛磨形成D型抛磨区域9，所述D型光纤7的长度为5cm，所述D型抛磨区域9的长度为1cm。
本实施例提供的基于单模-少模-单模结构的D型光纤传感器，通过以下方法制备得到：
S1：取一段少模光纤，通过抛磨系统将其抛磨成D型光纤7，再分别取两段单模光纤作为输入传输光纤6和输出传输光纤8，将所述输入传输光纤6与所述D型光纤7用熔接机手动单边错位熔接，错位熔接的错位量为10μm；所述D型光纤7与所述输出传输光纤8通过熔接机自动对芯熔接后，形成基于单模-少模-单模结构的D型光纤生物传感器；所述D型光纤7的长度为5cm，所述D型光纤7的D型抛磨区域9的长度为1cm；在所述D型光纤7的D型抛磨区域9表面覆修饰生物分子膜（5），构成生物传感器；
S2：将所述输入传输光纤6与宽带光源1连接，所述输出传输光纤8与光谱分析仪3连接，使所述宽带光源1发出的光依次通过所述输入传输光纤6、所述D型光纤7、所述输出传输光纤8，到达光谱分析仪3。
实施例2
本发明提供了一种基于单模-少模-单模结构的D型光纤传感器，所述传感器包括宽带光源1、生物传感探头2、光谱分析仪3和待测液体池4，所述生物探头2包括输入传输光纤6、D型光纤7和输出传输光纤8；所述宽带光源1、所述输入传输光纤6、所述D型光纤7和所述输出传输光纤8和所述光谱分析仪3依次连接；所述生物传感探头2表面涂覆修饰生物分子膜5；所述输入传输光纤6与所述D型光纤7通过熔接机手动单边错位熔接，错位熔接的错位量为7μm；所述D型光纤7与所述输出传输光纤8通过熔接机自动对芯熔接；所述输入传输光纤6和所述输出传输光纤8为单模光纤，所述D型光纤7为少模光纤，通过抛磨系统对少模光纤进行抛磨形成D型抛磨区域9，所述D型光纤7的长度为3cm，所述D型抛磨区域9的长度为0.8cm。
本实施例提供的基于单模-少模-单模结构的D型光纤传感器，通过以下方法制备得到：
S1：取一段少模光纤，通过抛磨系统将其抛磨成D型光纤7，再分别取两段单模光纤作为输入传输光纤6和输出传输光纤8，将所述输入传输光纤6与所述D型光纤7用熔接机手动单边错位熔接，错位熔接的错位量为12μm；所述D型光纤7与所述输出传输光纤8通过熔接机自动对芯熔接后，形成基于单模-少模-单模结构的D型光纤生物传感器；所述D型光纤的长度为6cm，所述D型光纤的D型抛磨区域的长度为0.8cm；在所述D型光纤的D型抛磨区域表面覆修饰生物分子膜5，构成生物传感器；
S2：将所述输入传输光纤6与宽带光源1连接，所述输出传输光纤8与光谱分析仪3连接，使所述宽带光源1发出的光依次通过所述输入传输光纤6、所述D型光纤7、所述输出传输光纤8，到达光谱分析仪3。
实施例3
本发明提供了一种基于单模-少模-单模结构的D型光纤传感器，所述传感器包括宽带光源1、生物传感探头2、光谱分析仪3和待测液体池4，所述生物探头2包括输入传输光纤6、D型光纤7和输出传输光纤8；所述宽带光源1、所述输入传输光纤6、所述D型光纤7和所述输出传输光纤8和所述光谱分析仪3依次连接；所述生物传感探头2表面涂覆修饰生物分子膜5；所述输入传输光纤6与所述D型光纤7通过熔接机手动单边错位熔接，错位熔接的错位量为12μm；所述D型光纤7与所述输出传输光纤8通过熔接机自动对芯熔接；所述输入传输光纤6和所述输出传输光纤8为单模光纤，所述D型光纤7为少模光纤，通过抛磨系统对少模光纤进行抛磨形成D型抛磨区域9，所述D型光纤7的长度为6cm，所述D型抛磨区域9的长度为1.5cm。
本实施例提供的基于单模-少模-单模结构的D型光纤传感器，通过以下方法制备得到：
S1：取一段少模光纤，通过抛磨系统将其抛磨成D型光纤7，再分别取两段单模光纤作为输入传输光纤6和输出传输光纤8，将所述输入传输光纤6与所述D型光纤7用熔接机手动单边错位熔接，错位熔接的错位量为12μm；所述D型光纤7与所述输出传输光纤8通过熔接机自动对芯熔接后，形成基于单模-少模-单模结构的D型光纤生物传感器；所述D型光纤7的长度为6cm，所述D型光纤7的D型抛磨区域9的长度为1.5cm；在所述D型光纤7的D型抛磨区域9表面覆修饰生物分子膜5，构成生物传感器；
S2：将所述输入传输光纤6与宽带光源1连接，所述输出传输光纤8与光谱分析仪3连接，使所述宽带光源1发出的光依次通过所述输入传输光纤6、所述D型光纤7、所述输出传输光纤8，到达光谱分析仪3。
实施例4
本发明提供了一种基于单模-少模-单模结构的D型光纤传感器，所述传感器包括宽带光源1、生物传感探头2、光谱分析仪3和待测液体池4，所述生物探头2包括输入传输光纤6、D型光纤7和输出传输光纤8；所述宽带光源1、所述输入传输光纤6、所述D型光纤7和所述输出传输光纤8和所述光谱分析仪3依次连接；所述生物传感探头2表面涂覆修饰生物分子膜5；所述输入传输光纤6与所述D型光纤7通过熔接机手动单边错位熔接，错位熔接的错位量为15μm；所述D型光纤7与所述输出传输光纤8通过熔接机自动对芯熔接；所述输入传输光纤6和所述输出传输光纤8为单模光纤，所述D型光纤7为少模光纤，通过抛磨系统对少模光纤进行抛磨形成D型抛磨区域9，所述D型光纤7的长度为7cm，所述D型抛磨区域9的长度为2cm。
本实施例提供的基于单模-少模-单模结构的D型光纤传感器，通过以下方法制备得到：
S1：取一段少模光纤，通过抛磨系统将其抛磨成D型光纤7，再分别取两段单模光纤作为输入传输光纤6和输出传输光纤8，将所述输入传输光纤6与所述D型光纤7用熔接机手动单边错位熔接，错位熔接的错位量为15μm；所述D型光纤7与所述输出传输光纤8通过熔接机自动对芯熔接后，形成基于单模-少模-单模结构的D型光纤生物传感器；所述D型光纤7的长度为7cm，所述D型光纤7的D型抛磨区域9的长度为2cm；在所述D型光纤7的D型抛磨区域9表面覆修饰生物分子膜5，构成生物传感器；
S2：将所述输入传输光纤6与宽带光源1连接，所述输出传输光纤8与光谱分析仪3连接，使所述宽带光源1发出的光依次通过所述输入传输光纤6、所述D型光纤7、所述输出传输光纤8，到达光谱分析仪3。
本实施例1~4中，所述生物传感探头表面涂覆修饰生物分子膜通过以下步骤实现：
S1: 先将所述生物传感探头2浸泡在浓度为5%的硅烷化乙醇溶液（二氢-3-（3-（三乙氧基硅基）丙基）呋喃-2,5-二酮）中12小时，进行硅烷化；
S2：通过EDC/NHSS活化光纤表面羧基生成活泼酯，随后将光纤浸入抗体溶液获得抗体修饰的光纤探针；
S3：再将光纤浸入牛血清白蛋白溶液，封闭光纤表面剩余的羧基，减少光纤的非特异性吸附；
S4：最后通过所述光谱分析仪可以观察到生物传感探头浸入到不同检测溶液中所对应的透射谱变化。
由于D型抛磨区域9会产生模式泄露，引出倏逝波，因此可以通过待测样品池4对D型光纤7传感区域周围环境折射率进行改变，实现对周围环境折射率的测量。把所述D型光纤7生物传感器放置在所述待测液体池4中，将光纤浸泡在不同浓度的溶液中，由于溶液浓度与折射率成线性关系，所以可以通过光谱分析仪3检测光谱移动从而实现对溶液浓度的测定。
将该生物传感器浸入到含有不同浓度特异性分子的待测溶液中，特异识别结合引起光纤探针外表面的折射率改变，从而产生光谱的峰/谷的漂移，通过检测光谱仪峰/谷的变化就可以实现待测样品中特异性分子浓度的测定。
需要说明的是，本发明中提到的EDC/NHSS是（1-(3-二甲氨基丙基)-3-乙基碳二亚胺盐酸盐）/（N-羟基硫代琥珀酰亚胺）。
以上实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都是属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (5)

1.基于单模-少模-单模结构的D型光纤传感器，其特征在于：所述传感器包括宽带光源、生物传感探头、光谱分析仪和待测液体池，所述生物探头包括输入传输光纤、D型光纤和输出传输光纤；所述宽带光源、所述输入传输光纤、所述D型光纤和所述输出传输光纤和所述光谱分析仪依次连接；所述生物传感探头表面涂覆修饰生物分子膜；所述输入传输光纤与所述D型光纤通过熔接机手动单边错位熔接，所述D型光纤与所述输出传输光纤通过熔接机自动对芯熔接；所述输入传输光纤为单模光纤，所述输出传输光纤为单模光纤；所述D型光纤为少模光纤，通过抛磨系统对少模光纤进行抛磨形成D型抛磨区域，所述抛磨区域暴露出纤芯。
2.根据权利要求1所述的基于单模-少模-单模结构的D型光纤传感器，其特征在于，所述生物传感探头表面涂覆修饰生物分子膜通过以下步骤实现：
S1:先将所述生物传感探头浸泡在浓度为5％的硅烷化乙醇溶液(二氢-3-(3-(三乙氧基硅基)丙基)呋喃-2,5-二酮)中12小时，进行硅烷化；
S2：通过EDC/NHSS活化光纤表面羧基生成活泼酯，随后将光纤浸入抗体溶液获得抗体修饰的光纤探针；
S3：再将光纤浸入牛血清白蛋白溶液，封闭光纤表面剩余的羧基，减少光纤的非特异性吸附；
S4：最后通过所述光谱分析仪可以观察到生物传感探头浸入到不同检测溶液中所对应的透射谱变化。
3.根据权利要求1或2所述的基于单模-少模-单模结构的D型光纤传感器，其特征在于：所述D型光纤的长度为3～7cm。
4.根据权利要求1或2所述的基于单模-少模-单模结构的D型光纤传感器，其特征在于：所述输入传输光纤与所述D型光纤错位熔接的错位量为5～15μm。
5.根据权利要求1或2所述的基于单模-少模-单模结构的D型光纤传感器，其特征在于：所述D型抛磨区域的长度为0.5～2cm。
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