CN109724952A - 一种光纤探头及其制备方法、光纤传感器及其应用 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种光纤探头及其制备方法、光纤传感器及其应用。一种光纤探头，其特征在于：包括光纤和量子点表面分子印迹聚合物，所述量子点表面分子印迹聚合物包裹于所述光纤的外侧面。本发明的光纤传感器包括激光输出光路和荧光传输光路，以及设置于这两个光路上的激光器、光纤输出准直镜头、二向色镜、消色差透镜、长通滤波片、光电探测器和所述光纤探头。本发明的光纤探头将量子点表面分子印迹聚合物与光纤结合起来，光纤传感器可实现对小分子的检测具有更高的选择性和检测分析更加简单快速的作用。

Description

一种光纤探头及其制备方法、光纤传感器及其应用

技术领域

本发明属于分子检测技术领域，特别是涉及一种光纤探头及其制备方法、光纤传感器及其应用。

背景技术

随着社会、科学、经济、技术的不断发展，人们对生活质量的要求不断增高，对影响自身生活环境如医学、环境、食品、生物、医药等领域的投入的关注也在逐渐增强，比如对于发展对杀虫剂、药物等小分子简单、快速、高灵敏的检测技术是社会亟需解决的问题。目前通用的分子检测技术有酶联免疫吸附法、高效液相色谱法、液相色谱串联质谱和气象色谱-质谱法，这类检测方法的实施需要较长的前处理时间、昂贵大型仪器设备及专业操作人员，无法实现有选择性的识别及快速的现场检测。因此发展各种新型、高效、灵敏、选择性好的检测技术成为了社会迫切的需求。

近年来由于倏逝波光纤传感器具有检测速度快、稳定性好、抗干扰能力强等优点引起了科研人员的关注。倏逝波光纤传感器主要原理是利用光波在光纤中传播产生的倏逝波激发结合于光纤探针表面的荧光物质，之后再利用倏逝场耦合所激发的荧光信号并对其进行检测。但是由于光纤倏逝波的能量较低，在光纤探头表面激发的荧光比较弱，因此需要找到一种量子产率高的荧光材料以提升光纤传感器的检测灵敏度。同时倏逝波光纤传感器没法实现对特定小分子检测的高选择性，严重影响了倏逝波光纤传感器在医学检验，环境监控及食品安全等方面上的应用。

随着量子点高性能制备及表面修饰技术完善使量子点在荧光分析检测上面的能力有了很大的提高，量子点结合分子印迹技术合成的量子点表面分子印迹聚合物(MIP)是模仿抗原抗体结合的方式人工合成具有特异性结合位点的聚合物，分子印迹技术具有优越的预定性、识别性、制备方法简单以及实用性，因此可以应用于诸多领域比如固相萃取，膜分离以及传感器。它的合成主要有功能单体、模板分子和交联剂，MIP的特异性结合位点由功能单体决定，交联剂可以形成出合适的空穴。MIP可以通过不同的目的去合成相应的功能MIP去检测小分子、大分子，比如检测双酚A，莱克多巴胺、牛血清白蛋白。但是目前量子点表面分子印记检测绝大部分是使用荧光分光光度计来测量，这种方法操作繁琐，容易出现测量偏差，也无法实现检测装置的便携性及操作方便。

发明内容

基于此，本发明的目的在于，提供一种光纤探头，光纤探头将量子点表面分子印迹聚合物与光纤结合起来，由于量子点表面分子印迹聚合物的量子产率高，该光纤探头应用于光纤传感器能够提升光纤传感器的检测灵敏度，且使光纤传感器对小分子的检测具有更高的选择性和检测分析更加简单快速的作用。

本发明采取的技术方案如下：

一种光纤探头，其特征在于：包括光纤和量子点表面分子印迹聚合物，所述量子点表面分子印迹聚合物包裹于所述光纤的外侧面。

进一步地，所述光纤为涂覆层去除后并经表面修饰的光纤，所述量子点表面分子印迹聚合物与所述光纤粘接固定。

本发明还提供一种光纤探头的制备方法，其特征在于包括以下步骤：

S1：对光纤表面进行预处理，然后进行表面修饰；

S2：合成量子点表面分子印迹聚合物；

S3：将经S1处理后的光纤和量子点表面分子印迹聚合物的耦合，使量子点表面分子印迹聚合物包裹于光纤的外侧面。

进一步地，S1中对光纤表面的预处理包括：先除去涂覆层，用NaOH溶液处理，再用超纯水和无水乙醇分别清洗，然后用3-氨丙基三乙氧基硅烷进行表面修饰，再用无水乙醇清洗后干燥。

进一步地，S2包括以下步骤：

S21：将模板分子和功能单体混合反应，得混合液；

S22：在另一容器中加入表面活性剂和油相，搅拌均匀，依次加入油溶性量子点、氨水和滴加交联剂，再加入S21的混合液，避光均匀搅拌；

S23：破乳，清洗至洗除模板分子，再清洗得到量子点表面分子印迹聚合物。

进一步地，S3的具体步骤是：将经S1处理后的光纤插入量子点表面分子印迹聚合物中，加入3-氨丙基三乙氧基硅烷，使量子点表面分子印迹聚合物结合在光纤表面。

本发明还提供一种光纤传感器，其特征在于：包括激光输出光路和荧光传输光路，以及设置于这两个光路上的激光器、光纤输出准直镜头、二向色镜、消色差透镜、长通滤波片、光电探测器和上述所述的光纤探头，所述激光器、光纤输出准直镜头、二向色镜、消色差透镜和光纤探头依序排列于激光输出光路上，所述光纤准直镜头连接于所述激光器，激光器发射激光的中心光轴与二向色镜的镜面呈θ角，消色差透镜的中心轴线与二向色镜的镜面呈θ角，其中0＜θ＜90°，光纤探头的长度方向与消色差透镜的中心轴线垂直；所述光纤探头、消色差透镜、二向色镜、长通滤波片和光电探测器依序排列于荧光传输光路上，长通滤波片的镜面与消色差透镜的中心轴线平行。

优选地，θ＝45°。

作为一种实施方式，所述激光器是405nm激光器，所述长通滤波片是500nm长通滤波片，二向色镜的反射波段为350-475nm，透射波段为492-950nm。

本发明还提供所述的光纤传感器在分子检测领域的应用。

本发明的有益效果是：

(1)由于量子点表面分子印迹聚合物(MIP)具有量子产率高等优异的光学特性及特异性好的优点，本发明将量子点表面分子印迹技术和光纤结合，发明一种由量子点表面分子印迹聚合物包裹的光纤探头，将该光纤探头用于倏逝波光纤传感器中，将MIP作为光纤传感器中传感层，当光波经过光纤的时候激发量子点表面分子印迹聚合物产生荧光，在光纤上的MIP和模板分子反应后会产生荧光淬灭的效果，使光信号光学特征发生变化，再经过光纤进入光探测器，以实现对被测物质进行定性和定量分析；

(2)本发明的光纤传感器既有MIP高选择性又有普通光纤传感器的稳定性好、操作方便和抗干扰能力强等优点，同时光纤探头制作简单及成本低，也可针对不同的小分子制作不同的光纤探头进行检测，提高了传感器的应用范围，另外检测装置易于集成和便于携带，可以进行现场检测。因此本发明基于量子点表面分子印记的光纤传感器在食品安全、环境监控和临床分析等众多领域具有很好的应用前景。

附图说明

图1是本发明的光纤传感器结构示意图；

图2是本发明的光纤探头的原理图；

图3是本发明的量子点表面分子印迹聚合物(MIP)的扫描电镜图；

图4是本发明的光纤探头在未被激发状态下的显微图；

图5是本发明的光纤探头在激光激发下出荧光的显微图；

图6是本发明不同光纤传感器对莱克多巴胺分子的浓度响应图；

其中：1-激光器，2-光纤输出准直镜头，3-二向色镜，4-消色差透镜，5-长通滤波片，6-光电探测器，7-光纤探头，71-光纤，72-量子点表面分子印迹聚合物。

具体实施方式

实施例1

本实施例提供一种光纤探头7，包括光纤71和量子点表面分子印迹聚合物72，如图1所示，量子点表面分子印迹聚合物72包裹于光纤71的外侧面。一般地，光纤71是将涂覆层去除的光纤，优选去除了涂覆层且进行了表面修饰的光纤，在一个实施例中，表面修饰是指采用3-氨丙基三乙氧基硅烷(APTES)进行表面修饰。一般地，量子点表面分子印迹聚合物72与光纤71可通过粘接固定。在一个实施方式中，量子点表面分子印迹聚合物72通过APTES(3-氨丙基三乙氧基硅烷)粘接于光纤71的外表面。在其他的可替换实施例中，也可选用其他联接或粘接剂。

请参照图4、5，分别是所述光纤探头7在未被激发和被激发状态下发出荧光的显微图。

实施例2

本实施例的光纤探头的制备方法，包括以下步骤：

S1：对光纤表面进行预处理，然后进行表面修饰；

S2：合成量子点表面分子印迹聚合物；

S3：将经S1处理后的光纤和量子点表面分子印迹聚合物的耦合，使量子点表面分子印迹聚合物包裹于光纤的外侧面。

作为一种实施方式，S1中对光纤表面的预处理包括：先用米勒钳处理光纤表面，除去涂覆层，接下来用0.1mol/L的NaOH溶液处理24h，用超纯水和无水乙醇分别洗2～3次，再用3-氨丙基三乙氧基硅烷(APTES)进行表面修饰2h，用无水乙醇清洗干燥。

S2包括以下步骤：

S21：将200μL莱克多巴胺(10mg/ml)的乙醇溶液和80μL3-氨丙基三乙氧基硅烷(APTES)混合加入到烧瓶中均匀搅拌2h，得混合液；

S22：在另一烧瓶中加入360μL曲拉通和1.5mL环己烷，搅拌10min后超声5min，加入200μL的油溶性量子点，超声5min后，搅拌10min，往烧瓶中加入入200μL氨水和缓慢滴加160μL正硅酸四乙酯，接下来加入S21的混合液，避光均匀搅拌6h；

S23：加入1ml丙酮破乳。用甲醇和超纯水比例为1：1的溶液超声清洗5～6次，直至溶液中没有莱克多巴胺分子，之后用乙醇清洗三次，得到量子点表面分子印迹聚合物，分散于乙醇溶液中。图3为本实施方式得到的MIP的扫描电镜图，MIP的粒径约为50nm。

S3的具体步骤是：将经S1处理后的光纤插入量子点表面分子印迹聚合物中，加入APTES，使量子点表面分子印迹聚合物结合在光纤表面，之后用无水乙醇清洗干燥。

当然，在其他实施例中，S1也可采用其他的预处理方法进行，清洗剂及清洗次数也可根据需要而定。S2也可采用其他不同的具体实施步骤来制备量子点表面分子印迹聚合物。或者在其他可替换的实施例中，模板分子、功能单体、表面活性剂、油相及交联剂的选择及用量可以有所不同。S3也可采用其他具体的结合方式使量子点表面分子印迹包裹于光纤的外侧面。

实施例3

如图1所示，本实施例提供一种光纤传感器，包括激光输出光路和荧光传输光路、以及设置于这两个光路上的激光器1、光纤输出准直镜头2、二向色镜3、消色差透镜4、长通滤波片5、光电探测器6和本发明的光纤探头7。激光器1、光纤输出准直镜头2、二向色镜3、消色差透镜4和光纤探头7依序排列于激光输出光路上，光纤准直镜头2连接于所述激光器，激光器1发射激光的中心光轴与二向色镜3的镜面呈θ角，消色差透镜4的中心轴线与二向色镜3的镜面呈θ角，其中0＜θ＜90°，光纤探头7的长度方向与消色差透镜4的中心轴线垂直；光纤探头7、消色差透镜4、二向色镜3、长通滤波片5和光电探测器6依序排列于荧光传输光路上，长通滤波片5的镜面与消色差透镜4的中心轴线平行。

请参照图1～2，所述光纤传感器的工作原理是：激光器1产生的激光通过光纤输出准直镜头2，经过二向色镜，反射到消色差透镜4，并聚焦进入光纤探头7，此为激光输出光路；光纤探头7的量子点表面分子印迹聚合物72被激发出荧光，荧光耦合进入光纤71后，传输到消色差透镜4进行收集，再通过二向色镜3，然后进入长通滤波片5用于消除杂散光和发射的激光，最后荧光信号进入到光电探测器6上，得到倏逝波所激发量子点的荧光信号强度。

优选地，θ＝45°。

在一个具体实施例中，激光器是405nm激光器，所述长通滤波片是500nm长通滤波片，二向色镜的反射波段为350-475nm，透射波段为492-950nm。

实施例4

本实施例提供本发明光纤传感器在分子检测领域的应用。

其具体的应用方法是：将光纤探头固定好之后打开光源，并置于样品池中。记录最初始的光强F₀，之后分别每隔一段时间往样品池加入待检测分子的标准溶液，标准溶液的液相体系浓度按梯度改变。记录不同标准浓度下光电探测器(CCD)的光强F，作出光强F/F₀与待检测分子浓度C的标准曲线。

然后在相同的初始条件下，加入待检测溶液，然后记录加入待检测溶液时的光电探测器的光强，通过标准曲线得到待检测溶液的浓度。

本实施例的应用原理是：由于光纤探头和不同浓度的待检测分子溶液分别反应一段时间，量子点表面分子印迹聚合物会和待检测分子反应后发生电荷转移导致荧光淬灭，其淬灭公式为：F/F₀＝1-k C，F₀为初始光强，F为后测量在不同浓度下探测器的光强，k为淬灭常数，C为待检测分子的浓度。

实施例5

本实施例对具有不同光纤探头的光纤传感器的特异性识别能力进行比较。其中光纤探头1号即本发明的光纤探头，在光纤的外侧面包裹有基于量子点表面分子印迹聚合物(MIP)，具体是采用实施例2中的具体实施方式得到的光纤探头；另一个光纤探头2号作为对比例，是在光纤的外侧面包裹有基于量点表面的非印迹聚合物(NIP)，光纤探头2号的制备方法与光纤探头1的制备方法，其区别在于：S21不加入莱克多巴胺模板分子，S23不需洗脱莱克多巴胺模板分子，其余与实施例2中的具体实施方式相同。

分别将光纤探头1号和光纤探头2号置于液相体系中，往该体系加入莱克多巴胺分子使浓度分别为0、200μg/L、400μg/L、600μg/L、800μg/L、1000μg/L，每个不同浓度的莱克多巴胺溶液和光纤探头反应15min，记录不同浓度下CCD的光强。根据淬灭公式F/F₀＝1-k C，F₀为加莱克多巴胺的光强，F为后测量在不同浓度下光电探测器的光强，k为淬灭常数，C为莱克多巴胺浓度。由于当待检测分子浓度越大，待检测分子和量子点的淬灭程度越严重，光探测器收集的光就越弱，测定各标定溶液的光强，得到标准样品的光强数据，做出标准浓度与F/F₀的标准曲线，可以通过比较K_MIP和K_NIP的大小可以判断出传感器特异性识别的能力。

如图6，为上述不同光纤传感器对莱克多巴胺分子的浓度响应图，通过比较淬灭常数我们可以看出，具有光纤探头1号的纤传感器特异性识别能力更强。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。

以上所述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，这些都属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种光纤探头，其特征在于：包括光纤和量子点表面分子印迹聚合物，所述量子点表面分子印迹聚合物包裹于所述光纤的外侧面。

2.根据权利要求1所述的光纤探头，其特征在于：所述光纤为涂覆层去除后并经表面修饰的光纤，所述量子点表面分子印迹聚合物与所述光纤粘接固定。

3.一种光纤探头的制备方法，其特征在于包括以下步骤：

S1：对光纤表面进行预处理，然后进行表面修饰；

S2：合成量子点表面分子印迹聚合物；

S3：将经S1处理后的光纤和量子点表面分子印迹聚合物的耦合，使量子点表面分子印迹聚合物包裹于光纤的外侧面。

4.根据权利要求3所述的光纤探头的制备方法，其特征在于：S1中对光纤表面的预处理包括：先除去涂覆层，用NaOH溶液处理，再用超纯水和无水乙醇分别清洗，然后用3-氨丙基三乙氧基硅烷进行表面修饰，再用无水乙醇清洗后干燥。

5.根据权利要求3所述的光纤探头的制备方法，其特征在于S2包括以下步骤：

S21：将模板分子和功能单体混合反应，得混合液；

S22：在另一容器中加入表面活性剂和油相，搅拌均匀，依次加入油溶性量子点、氨水和滴加交联剂，再加入S21的混合液，避光均匀搅拌；

S23：破乳，清洗至洗除模板分子，再清洗得到量子点表面分子印迹聚合物。

6.根据权利要求3所述的光纤探头的制备方法，其特征在于S3的具体步骤是：将经S1处理后的光纤插入量子点表面分子印迹聚合物中，加入3-氨丙基三乙氧基硅烷，使量子点表面分子印迹聚合物结合在光纤表面。

7.一种光纤传感器，其特征在于：包括激光输出光路和荧光传输光路，以及设置于这两个光路上的激光器、光纤输出准直镜头、二向色镜、消色差透镜、长通滤波片、光电探测器和权利要求1～2任一所述的光纤探头，

所述激光器、光纤输出准直镜头、二向色镜、消色差透镜和光纤探头依序排列于激光输出光路上，所述光纤准直镜头连接于所述激光器，激光器发射激光的中心光轴与二向色镜的镜面呈θ角，消色差透镜的中心轴线与二向色镜的镜面呈θ角，其中0＜θ＜90°，光纤探头的长度方向与消色差透镜的中心轴线垂直；

所述光纤探头、消色差透镜、二向色镜、长通滤波片和光电探测器依序排列于荧光传输光路上，长通滤波片的镜面与消色差透镜的中心轴线平行。

8.根据权利要求7所述的光纤传感器，其特征在于：θ＝45°。

9.根据权利要求7所述的光纤传感器，其特征在于：所述激光器是405nm激光器，所述长通滤波片是500nm长通滤波片，二向色镜的反射波段为350-475nm，透射波段为492-950nm。

10.根据权利要求7～9任一所述的光纤传感器在分子检测领域的应用。