CN110160960A - 基于耦合器结构的微纳光纤生物传感器及其制备方法 - Google Patents

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吴强
刘彬
廖云程
刘正达
张平
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何兴道
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Abstract

本发明提供了一种基于耦合器结构的微纳光纤生物传感器，所述传感器包括第一输入传输光纤、第一输出传输光纤、第二输入传输光纤、第二输出传输光纤和耦合区微纳光纤，所述第一输入传输光纤依次连接所述耦合区微纳光纤和所述第一输出传输光纤，所述第二输入传输光纤依次连接所述耦合区微纳光纤和所述第二输出传输光纤。所述耦合区微纳光纤由两根单模光纤分别和无芯光纤熔接后打结平行放置再进行真空吸附、拉锥，使两段无芯光纤熔成一体构成单模‑无芯‑单模耦合器结构，所述无芯光纤的锥区长度L1为0.8~1.5cm，所述无芯光纤的锥径D1为1~10μm。本发明提供的生物传感器可以用来检测待测样品中是否含有某种食源性致病菌。

Description

基于耦合器结构的微纳光纤生物传感器及其制备方法
技术领域
本发明涉及光纤传感技术领域，尤其涉及一种基于耦合器结构的微纳光纤生物传感器及其制备方法。
背景技术
微纳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，该传感器只需将抗原/抗体偶联在光学元件表面，当识别元件与待测物结合后即可产生光学信号的改变。与传统的ELISA（酶联免疫吸附）相比，光纤免疫学传感器具有信号响应速度快、操作简单，可实时检测等优点，因此成为当前国内外在传感领域的研究热点。根据工作原理的不同，当前无标记光纤生物传感器主要可以分为三类：光纤倏逝波生物传感器、光纤表面等离子体共振生物传感器和光纤光栅生物传感器。其中光纤倏逝波生物传感器以灵敏度高、成本低、制作简单等优点受到广泛关注。
微纳光纤是光纤直径为微米或纳米量级光纤的统称，它的显著特点是具有强大的倏逝场，是光纤倏逝波生物传感器的理想载体；另一方面，光纤干涉仪是通过单个光纤或两个不同光纤的不同光路传播的两个光束之间的干涉产生显著的相干峰或者相干谷光谱，具有更高的灵敏度，因此微纳光纤生物传感器是当前光纤生物传感器发展的新方向。
实现一种光纤传感的高灵敏度、免标记、高特异性的在体生物医学检测，并且发展更多功能化、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，本发明第一方面提供了一种基于耦合器结构的微纳光纤生物传感器，所述传感器包括第一输入传输光纤、第一输出传输光纤、第二输入传输光纤、第二输出传输光纤和耦合区微纳光纤，所述第一输入传输光纤依次连接所述耦合区微纳光纤和所述第一输出传输光纤，所述第二输入传输光纤依次连接所述耦合区微纳光纤和所述第二输出传输光纤。
其中，所述第一输入传输光纤与宽带光源连接，所述第一输出传输光纤与光谱分析仪连接。
其中，所述第二输入传输光纤与宽带光源连接，所述第二输出传输光纤与光谱分析仪连接。
其中，所述第一输入传输光纤、所述第一输出传输光纤、所述第二输入传输光纤和所述第二输出传输光纤均为单模光纤。
其中，所述耦合区微纳光纤由两根单模光纤分别和无芯光纤熔接后打结平行放置再进行真空吸附、拉锥，使两段无芯光纤熔成一体构成单模-无芯-单模耦合器结构。
其中，所述无芯光纤的锥区长度L1为0.8~1.5cm。
优选地，所述无芯光纤的锥区长度L1为0.9cm，1.0cm，1.1cm，1.2cm，1.3cm，1.4cm。
其中，所述无芯光纤的锥径D1为1~10μm。
优选地，所述无芯光纤的锥径D1为2μm，3μm，4μm，5μm，6μm，7μm，8μm，9μm。
本发明第二方面提供了一种基于耦合器结构的微纳光纤生物传感器制备方法，包括以下步骤：
S1、分别在两根端面切割好的单模光纤的中间位置采用熔接机将一段无芯光纤与所述单模光纤进行熔接，形成单模-无芯-单模结构；
S2、将步骤S1制备得到的两根单模-无芯-单模结构的光纤在无芯位置处打结后平行放置并进行真空吸附、拉锥，使两段无芯光纤的包层熔成一体，构成耦合区微纳光纤；
S3、将步骤S2制备得到的耦合区微纳光纤的输入端与宽带光源连接，输出端与光谱分析仪连接，使所述宽带光源发出的光依次通过输入传输光纤、所述耦合区微纳光纤和输出传输光纤，到达所述光谱分析仪。
其中，所述无芯光纤的长度为1-3cm。
优选地，所述无芯光纤的长度为1.2cm，1.5cm，1.8cm，2cm，2.2cm，2.5cm，2.8cm。
其中，所述无芯光纤的锥区长度L1为0.8~1.5cm，锥径D1为1~10μm。
优选地，
所述无芯光纤的锥区长度L1为0.9cm，1.0cm，1.1cm，1.2cm，1.3cm，1.4cm；
所述无芯光纤的锥径D1为2μm，3μm，4μm，5μm，6μm，7μm，8μm，9μm。
本发明的有益效果：
本发明提供的基于耦合器结构的微纳光纤生物传感器，通过在传感器表面修饰待测生物特异性识别分子，之后将修饰过的传感器浸入待测样品池溶液中，待测样品与传感器表面特异性识别分子结合引起光纤传感器周围折射率发生变换；通过检测光谱分析仪接收到的透射光谱变化就可以实现待测样品浓度的测定，该光纤传感器具有结构简单、快速、灵敏度高的优点。
本发明提供的基于耦合器结构的微纳光纤生物传感器，先用熔接机将单模光纤与无芯光纤进行熔接制成单模-无芯-单模光纤（SNS）结构，之后用拉锥机对打结后的平行放置的两根SNS光纤的中部结点进行拉锥到几微米至十几微米直径形成单模-无芯-单模耦合器结构的微纳光纤生物传感器，这样能激发出更强的倏逝波。本发明提供的光纤生物传感器，其传感器表面修饰待测生物的特异性识别分子，之后将修饰过的传感器浸入待测样品池，通过检测光谱仪峰/谷的变化就可以实现食品样品中食源性致病菌浓度的测定。
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提供的传感器的整体结构示意图；
图2为本发明实施例1提供的传感器中耦合区微纳光纤的放大结构示意图；
图3为本发明实施例1提供的传感器不同折射率下的实验拟合图；
附图中附图标记所对应的名称为：1-第一输入传输光纤，2-第一输出传输光纤，3-第二输入传输光纤，4-第二输出传输光纤，5-耦合区微纳光纤，6-宽带光源，7-光谱分析仪，8-待测样品池。
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耦合器结构的微纳光纤生物传感器，所述传感器包括第一输入传输光纤1、第一输出传输光纤2、第二输入传输光纤3、第二输出传输光纤4和耦合区微纳光纤5，所述第一输入传输光纤1依次连接所述耦合区微纳光纤5和所述第一输出传输光纤2，所述第二输入传输光纤3依次连接所述耦合区微纳光纤5和所述第二输出传输光纤4；所述第二输入传输光纤1与宽带光源6连接，所述第二输出传输光纤4与光谱分析仪7连接。所述第一输入传输光纤、所述第一输出传输光纤、所述第二输入传输光纤和所述第二输出传输光纤均为单模光纤；所述耦合区微纳光纤由两根单模光纤分别和无芯光纤熔接后打结平行放置再进行真空吸附、拉锥，使两段无芯光纤熔成一体构成单模-无芯-单模耦合器结构；所述无芯光纤的锥区长度L1为1cm，所述无芯光纤的锥径D1为5μm。
实施例1提供的基于耦合器结构的微纳光纤生物传感器通过以下方法制备得到：
S1、分别在两根端面切割好的单模光纤的中间位置采用熔接机将一段长度为2cm的无芯光纤与所述单模光纤进行熔接，形成单模-无芯-单模结构；
S2、将步骤S1制备得到的两根单模-无芯-单模结构的光纤在无芯位置处打结后平行放置并进行真空吸附、在分光比为50%时高温熔融拉锥，使两段无芯光纤的包层熔成一体，构成耦合区微纳光纤5，所述无芯光纤的锥区长度L1为1cm，锥径D1为5μm；
S3、将步骤S2制备得到的耦合区微纳光纤5的输入端，即第二输入传输光纤1与宽带光源6连接，第二输出传输光纤4与光谱分析仪7连接，使宽带光源6发出的光依次通过第一输入传输光纤1、耦合区微纳光纤5和第二输出传输光纤4，到达所述光谱分析仪7。
本实施例提供的基于耦合器结构的微纳光纤生物传感器，通过在传感器表面修饰待测生物特异性识别分子，之后将修饰过的传感器浸入待测样品池8溶液中，待测样品与传感器表面特异性识别分子结合引起光纤传感器周围折射率发生变换，通过检测干涉光谱变化就可以实现待测样品浓度的测定。
为了验证本发明提供的传感器的实用效果，观察溶液折射率响应特性，图3为不同折射率下的线性拟合图，在1.333-1.337范围内折射率灵敏度为1261.94694nm/RIU，线性拟合系数为0.99157；由此可知，该单模-无芯-单模耦合器结构具有较高的灵敏度，可以用来实现对待测样品中是否含有某种食源性致病菌进行检测。
实施例2
本发明提供了一种基于耦合器结构的微纳光纤生物传感器，所述传感器包括第一输入传输光纤1、第一输出传输光纤2、第二输入传输光纤3、第二输出传输光纤4和耦合区微纳光纤5，所述第一输入传输光纤1依次连接所述耦合区微纳光纤5和所述第一输出传输光纤2，所述第二输入传输光纤3依次连接所述耦合区微纳光纤5和所述第二输出传输光纤4；所述第二输入传输光纤1与宽带光源6连接，所述第二输出传输光纤4与光谱分析仪7连接。所述第一输入传输光纤、所述第一输出传输光纤、所述第二输入传输光纤和所述第二输出传输光纤均为单模光纤；所述耦合区微纳光纤由两根单模光纤分别和无芯光纤熔接后打结平行放置再进行真空吸附、拉锥，使两段无芯光纤熔成一体构成单模-无芯-单模耦合器结构；所述无芯光纤的锥区长度L1为0.8cm，所述无芯光纤的锥径D1为3μm。
实施例1提供的基于耦合器结构的微纳光纤生物传感器通过以下方法制备得到：
S1、分别在两根端面切割好的单模光纤的中间位置采用熔接机将一段长度为1.5cm的无芯光纤与所述单模光纤进行熔接，形成单模-无芯-单模结构；
S2、将步骤S1制备得到的两根单模-无芯-单模结构的光纤在无芯位置处打结后平行放置并进行真空吸附、在分光比为50%时高温熔融拉锥，使两段无芯光纤的包层熔成一体，构成耦合区微纳光纤5，所述无芯光纤的锥区长度L1为0.8cm，锥径D1为3μm；
S3、将步骤S2制备得到的耦合区微纳光纤5的输入端，即第二输入传输光纤1与宽带光源6连接，第二输出传输光纤4与光谱分析仪7连接，使宽带光源6发出的光依次通过第一输入传输光纤1、耦合区微纳光纤5和第二输出传输光纤4，到达所述光谱分析仪7。
实施例3
本发明提供了一种基于耦合器结构的微纳光纤生物传感器，所述传感器包括第一输入传输光纤1、第一输出传输光纤2、第二输入传输光纤3、第二输出传输光纤4和耦合区微纳光纤5，所述第一输入传输光纤1依次连接所述耦合区微纳光纤5和所述第一输出传输光纤2，所述第二输入传输光纤3依次连接所述耦合区微纳光纤5和所述第二输出传输光纤4；所述第一输入传输光纤1与宽带光源6连接，所述第一输出传输光纤4与光谱分析仪7连接。所述第一输入传输光纤、所述第一输出传输光纤、所述第二输入传输光纤和所述第二输出传输光纤均为单模光纤；所述耦合区微纳光纤由两根单模光纤分别和无芯光纤熔接后打结平行放置再进行真空吸附、拉锥，使两段无芯光纤熔成一体构成单模-无芯-单模耦合器结构；所述无芯光纤的锥区长度L1为1.1cm，所述无芯光纤的锥径D1为1μm。
实施例1提供的基于耦合器结构的微纳光纤生物传感器通过以下方法制备得到：
S1、分别在两根端面切割好的单模光纤的中间位置采用熔接机将一段长度为1cm的无芯光纤与所述单模光纤进行熔接，形成单模-无芯-单模结构；
S2、将步骤S1制备得到的两根单模-无芯-单模结构的光纤在无芯位置处打结后平行放置并进行真空吸附、在分光比为50%时高温熔融拉锥，使两段无芯光纤的包层熔成一体，构成耦合区微纳光纤5，所述无芯光纤的锥区长度L1为1.1cm，锥径D1为1μm；
S3、将步骤S2制备得到的耦合区微纳光纤5的输入端，即第一输入传输光纤1与宽带光源6连接，第一输出传输光纤4与光谱分析仪7连接，使宽带光源6发出的光依次通过第一输入传输光纤1、耦合区微纳光纤5和第二输出传输光纤4，到达所述光谱分析仪7。
实施例4
本发明提供了一种基于耦合器结构的微纳光纤生物传感器，所述传感器包括第一输入传输光纤1、第一输出传输光纤2、第二输入传输光纤3、第二输出传输光纤4和耦合区微纳光纤5，所述第一输入传输光纤1依次连接所述耦合区微纳光纤5和所述第一输出传输光纤2，所述第二输入传输光纤3依次连接所述耦合区微纳光纤5和所述第二输出传输光纤4；所述第一输入传输光纤3与宽带光源6连接，所述第一输出传输光纤2与光谱分析仪7连接。所述第一输入传输光纤、所述第一输出传输光纤、所述第二输入传输光纤和所述第二输出传输光纤均为单模光纤；所述耦合区微纳光纤由两根单模光纤分别和无芯光纤熔接后打结平行放置再进行真空吸附、拉锥，使两段无芯光纤熔成一体构成单模-无芯-单模耦合器结构；所述无芯光纤的锥区长度L1为1.2cm，所述无芯光纤的锥径D1为8μm。
实施例1提供的基于耦合器结构的微纳光纤生物传感器通过以下方法制备得到：
S1、分别在两根端面切割好的单模光纤的中间位置采用熔接机将一段长度为2.5cm的无芯光纤与所述单模光纤进行熔接，形成单模-无芯-单模结构；
S2、将步骤S1制备得到的两根单模-无芯-单模结构的光纤在无芯位置处打结后平行放置并进行真空吸附、在分光比为50%时高温熔融拉锥，使两段无芯光纤的包层熔成一体，构成耦合区微纳光纤5，所述无芯光纤的锥区长度L1为1.2cm，锥径D1为8μm；
S3、将步骤S2制备得到的耦合区微纳光纤5的输入端，即所述第一输入传输光纤3与宽带光源6连接，所述第一输出传输光纤2与光谱分析仪7连接，使宽带光源6发出的光依次通过第一输入传输光纤1、耦合区微纳光纤5和第二输出传输光纤4，到达所述光谱分析仪7。
实施例5
本发明提供了一种基于耦合器结构的微纳光纤生物传感器，所述传感器包括第一输入传输光纤1、第一输出传输光纤2、第二输入传输光纤3、第二输出传输光纤4和耦合区微纳光纤5，所述第一输入传输光纤1依次连接所述耦合区微纳光纤5和所述第一输出传输光纤2，所述第二输入传输光纤3依次连接所述耦合区微纳光纤5和所述第二输出传输光纤4；所述第二输入传输光纤3与宽带光源6连接，所述第二输出传输光纤2与光谱分析仪7连接。所述第一输入传输光纤、所述第一输出传输光纤、所述第二输入传输光纤和所述第二输出传输光纤均为单模光纤；所述耦合区微纳光纤由两根单模光纤分别和无芯光纤熔接后打结平行放置再进行真空吸附、拉锥，使两段无芯光纤熔成一体构成单模-无芯-单模耦合器结构；所述无芯光纤的锥区长度L1为1.5cm，所述无芯光纤的锥径D1为10μm。
实施例1提供的基于耦合器结构的微纳光纤生物传感器通过以下方法制备得到：
S1、分别在两根端面切割好的单模光纤的中间位置采用熔接机将一段长度为3cm的无芯光纤与所述单模光纤进行熔接，形成单模-无芯-单模结构；
S2、将步骤S1制备得到的两根单模-无芯-单模结构的光纤在无芯位置处打结后平行放置并进行真空吸附、在分光比为50%时高温熔融拉锥，使两段无芯光纤的包层熔成一体，构成耦合区微纳光纤5，所述无芯光纤的锥区长度L1为1.5cm，锥径D1为10μm；
S3、将步骤S2制备得到的耦合区微纳光纤5的输入端，即所述第二输入传输光纤3与宽带光源6连接，所述第二输出传输光纤2与光谱分析仪7连接，使宽带光源6发出的光依次通过第一输入传输光纤1、耦合区微纳光纤5和第二输出传输光纤4，到达所述光谱分析仪7。
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 (10)

1.基于耦合器结构的微纳光纤生物传感器，其特征在于：所述传感器包括第一输入传输光纤、第一输出传输光纤、第二输入传输光纤、第二输出传输光纤和耦合区微纳光纤，所述第一输入传输光纤依次连接所述耦合区微纳光纤和所述第一输出传输光纤，所述第二输入传输光纤依次连接所述耦合区微纳光纤和所述第二输出传输光纤。
2.根据权利要求1所述的基于耦合器结构的微纳光纤生物传感器，其特征在于：所述第一输入传输光纤与宽带光源连接，所述第一输出传输光纤与光谱分析仪连接。
3.根据权利要求1所述的基于耦合器结构的微纳光纤生物传感器，其特征在于：所述第二输入传输光纤与宽带光源连接，所述第二输出传输光纤与光谱分析仪连接。
4.根据权利要求1所述的基于耦合器结构的微纳光纤生物传感器，其特征在于：所述第一输入传输光纤、所述第一输出传输光纤、所述第二输入传输光纤和所述第二输出传输光纤均为单模光纤。
5.根据权利要求4所述的基于耦合器结构的微纳光纤生物传感器，其特征在于：所述耦合区微纳光纤由两根单模光纤分别和无芯光纤熔接后打结平行放置再进行真空吸附、拉锥，使两段无芯光纤熔成一体构成单模-无芯-单模耦合器结构。
6.根据权利要求5所述的基于耦合器结构的微纳光纤生物传感器，其特征在于：所述无芯光纤的锥区长度L1为0.8~1.5cm。
7.根据权利要求5所述的基于耦合器结构的微纳光纤生物传感器，其特征在于：所述无芯光纤的锥径D1为1~10μm。
8.基于耦合器结构的微纳光纤生物传感器制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、分别在两根端面切割好的单模光纤的中间位置采用熔接机将一段无芯光纤与所述单模光纤进行熔接，形成单模-无芯-单模耦合器结构；
S2、将步骤S1制备得到的两根单模-无芯-单模耦合器结构的光纤在无芯位置处打结后平行放置并进行真空吸附、拉锥，使两段无芯光纤的包层熔成一体，构成耦合区微纳光纤；
S3、将步骤S2制备得到的耦合区微纳光纤的输入端与宽带光源连接，输出端与光谱分析仪连接，使所述宽带光源发出的光依次通过输入传输光纤、所述耦合区微纳光纤和输出传输光纤，到达所述光谱分析仪。
9.根据权利要求8所述的基于耦合器结构的微纳光纤生物传感器制备方法，其特征在于：所述无芯光纤的长度为1-3cm。
10.根据权利要求8所述的基于耦合器结构的微纳光纤生物传感器制备方法，其特征在于：所述无芯光纤的锥区长度L1为0.8~1.5cm，锥径D1为1~10μm。
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