CN110174380A - 基于空芯反谐振光纤的生化传感器 - Google Patents

基于空芯反谐振光纤的生化传感器 Download PDF

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Abstract

基于空芯反谐振光纤的生化传感器，属于生物医学光子学中的生物光纤传感领域。空芯反谐振光纤的优越的光学特征，即极大的光谱带宽、低折射率溶剂匹配性和低损耗，可以使光与物质的相互作用达到最大化。利用这一特点，通过物理吸附、离子吸附或化学吸附的方法将所需材料修饰在光纤内壁，结合某些纳米材料的优异的荧光淬灭性能，以及适体识别单元的高度特异性，可以在光纤内部实现高灵敏，无标记检测。由于整个传感界面是基于光纤内部，提高了抗外界参数干扰的能力，保证了光纤传感平台的稳定性，提高了定量检测灵敏度。

Description

基于空芯反谐振光纤的生化传感器
技术领域
本发明涉及到在光纤中填充液体使光敏物质与相应核酸适体在多孔光纤中反应从而与激光相结合应用到生物化学材料探测，属于生物医学光子学中的生物光纤传感领域。
背景技术
大数据时代的到来对数据传输介质—光纤提出了更高要求，其中典型的基于光纤的生化传感系统，光纤传感器有其特殊的优势：由于光纤利用内部介质进行光传输，具有与电绝缘、抗电磁干扰的特点；光纤非常细，结构简单稳定、体积小、质量轻、响应快，易于封装用于小部件的监测；由于光纤的传输损耗极低，可以用于被测信号的远距离监控，结合无线通信并接入计算机能实现物联网，多传感器组网可以进行自动化监控。然而，问题是这种实心光纤，其结构和导光机制决定了光纤具有因纤芯吸收和散射引起的损耗，且实心光纤的非线性效应影响光传输的最大功率和信道间隔，另外色散效应也会限制信号传输速率的提高。
对于空芯光纤，这种光纤因其优异的特性在生物化学传感探测的应用备受瞩目。光场主要分布在空的纤芯中，在克服光纤损耗、色散和非线性效应等方面具有较大优势，另外空芯光纤的能量传输能力要远远优越于实心光纤。反谐振式空芯光纤是空芯光纤的一种类型，空芯光子晶体光纤不仅可以利用空气(或真空)这一低色散、低非线性媒介实现低延迟、大容量的数据通信和无畸变的高功率超短脉冲激光传输，还可以作为光与物质相互作用的平台(统称为“lab-on-a-fiber”)在非线性、超快、传感、量子、生物等领域发挥独特的优势。空芯光子晶体光纤将激光约束在微米量级的中空纤芯内长距离传输，同时打破激光衍射极限的限制，可以极大地增强光与物质的相互作用效果。因此可以将许多以前在自由空间中进行的光与物质相互作用实验搬到空芯光子晶体光纤中来，在这样一个具有极长纵向距离和极小横截面积的光路中，许多微弱的光学效应的强度可以轻松放大几个数量级，使得原先需要极端设备条件(如高功率激光器、高纯度实验耗材、大规模实验空间等)的光学效应可以轻易的被观测到。
反谐振空芯光纤不仅在传输损耗和单模纯净度方面达到了光子带隙空芯光纤的水平，还拥有后者无法企及的宽传输通带和超高激光损伤阈值的好处。此外，这种类型的光纤还具有极低的光学损耗和更高的激光损伤阈值，允许样品在很长的纵向路径上与被引导的光相互作用，并允许在样品上施加高功率激光，使其成为传感和光化学应用的理想选择。
发明内容
本发明的目的是利用空芯反谐振光纤传输频带宽、低折射率溶剂的匹配性及低损耗的特点，以及某些纳米材料的荧光淬灭性能，用纳米材料修饰光纤内壁，并将荧光标记的特异性识别单元固定在纳米材料上形成传感界面，使其荧光淬灭，当待测物质进入光纤后，特异性识别单元和待测物的结合导致其脱离纳米材料表面，并致使荧光恢复。用光谱仪可以检测光纤内产生的荧光，并且和待测物的量正相关。利用此可以进行生物化学分子探测。
为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
主要包括：连续激光泵浦源系统、光学准直系统、光纤传感系统和信号采集系统，其中光源系统为一连续激光器，波长可根据荧光物质的激发和发射频率选择，输出功率可调；光路准直系统包括反射镜A、B、C，二向色镜(4)，长通滤光片(5)以及两个耦合透镜(3)、(6)；光纤传感系统为三维调整操作台(1)上放置的无节点反谐振空芯光纤探针(2)；信号采集系统为大芯径的多模光纤(7)和一台光谱仪或单色仪(F)，用于接收从无节点反谐振空芯光纤探针(2)处反射出的荧光波段的光信号。
本发明所用的光纤包括各种类型的空芯反谐振光纤；所使用的纳米材料包括各种类型的具有荧光淬灭性能的纳米材料，比如石墨烯，氧化石墨烯，黑磷，二硫化钼等二维纳米材料，或者具有淬灭性能的金属纳米颗粒等等；所使用的特异性识别元件主要为荧光标记的DNA或RNA或PNA适体，可检测的物质包括小分子的有机物、无机物，或者病原性的细胞、微生物等。
对于传感器性能而言，所需被测物质的体积、检测时间、仪器的灵敏度及仪器的探测极限是几个重要的评估传感器性能的参数。
与现有技术相比，本发明具有如下优势：
1.被测物质体积小。这种特种光纤孔的直径在微米量级，计算得到所需被探测物质的体积在nL-μL量级，这在传感界也是一大优势。
2.荧光反应时间短。荧光效应发生在光纤内部，周围环境干扰极小，这种无节点反谐振空芯光纤增大了涂覆内表面，加快了荧光反应时间，增强了抗外界参数干扰的能力，保证了光纤传感平台的稳定性，提高了定量检测灵敏度；光与物质相互作用的效率更高，提高了生物化学分子的检测精度，测量会更加准确。
3.检测范围广。用于修饰光纤内壁的纳米材料可以是黑磷、氧化石墨烯、石墨烯、MoS2等多种具有荧光淬灭性能的化学物质，也可以是具有淬灭性能的金属纳米颗粒等；同时可以固定各种适体用于更多物质的检测，适用测量范围更广。
4.可以实现多种物质同步检测。环境中可能存在多种污染物，人体血液中可能存在多种疾病的标记物或者微生物，因此可以用多根光纤系统实现多种待测物的同步检测。
此外，这种类型的光纤还具有极低的光学损耗和更高的激光损伤阈值，允许样品在很长的纵向路径上与被引导的光相互作用，并允许在样品上施加高功率激光，使无节点反谐振空芯光纤成为传感和光化学应用的理想选择。
发明内容附图说明：
图1(a)、(b)无节点反谐振空芯光纤的截面结构示意图；
图2实施例1装置结构示意图
图3(a)HARF的传输频带图
(b)两种不同长度的光纤传输谱带图
图4不同浓度的BP对荧光标记的核酸适体的荧光淬灭光谱
图5黑磷纳米片高分辨率透射电镜(HRTEM)图
图6实施例1不同浓度BPA的荧光恢复的荧光光谱
图7实施例4的技术线路图
图8实施例4的实验装置结构示意图
图9本发明系统结构图。
具体实施方式
下面结合图示对本发明作进一步说明，但不仅限于以下几种实施例。
下面结合实施例对本发明做进一步说明，但本发明并不限于以下实施例。
实施案例1
本实验用于检测环境样品或人体血液样本中的双酚A(BPA)。BPA是一种有机小分子，可能会对健康造成严重干扰。当塑料容器被加热时，BPA可以在食品中持续释放，严重威胁人类健康。在全球范围内实施BPA控制后，已经报道了许多BPA的测定分析方法，这些方法通常需要昂贵和复杂的仪器，费力且繁琐的样品制备过程。在本实验中，我们利用无节点反谐振空芯七孔光纤探针进行检测，此光纤最显着的优势之一在于470-730nm的宽传输带宽。
无节点反谐振空芯光纤由于具有更薄的包层石英壁和不存在Fano共振，使得这类反谐振光纤可以同时拥有很多优良的光学特性，包括非常宽且平滑的传输通带，非常低的传输和弯曲损耗，更高的损伤阈值以及较好的模式质量。由于低衰减，紧凑的尺寸以及远程和分布式测量的可能性，光纤传感已成为检测食品和环境中的化学物质、生物分子和病理标本中的生物标记物的公认方法。
如图1(a)(b)所示，HARF的外径为200μm，其中七个包层孔直径d为13μm，二氧化硅结构厚度t为200nm的无结核心环绕，内接直径D为31μm(d/D＝0.419)。这种原始光纤具有单模导向和非常低的光衰减，测量值为～0.1dB/m。
连续泵浦激光器发出的连续(CW)光被镜子(反射镜A)反射，在镜子之前通过衰减器(10)将激光功率控制在70μW。然后使用长通分光镜(二向色镜4)将光输入平凸透镜(第一耦合透镜(3))并耦合到液体填充的反谐振光纤中。泵浦的激光激发纤维芯上的荧光材料涂层，产生的荧光信号通过长通滤光片(5)，然后通过另一个凸透镜耦合(第二耦合透镜(6))到光谱仪的探针中。
具体结构是：三维调整操作台(1)上固定无节点反谐振空芯光纤探针(2)，无节点反谐振空芯光纤探针(2)的前端设有第一光纤耦合透镜(3)，此透镜的焦距f＝50mm，光纤耦合透镜的前端设有45°倾斜放置的二向色镜(4)，二向色镜(4)的前端设有一对反射镜，为反射镜A和反射镜B，反射镜B的前端设有550nm长通滤波器(/滤光器)(5)，550nm长通滤波器(5)的前端设有第二光纤耦合透镜(6)，此透镜的焦距f＝30mm，第二光纤耦合透镜(6)的前端设有大芯径多模光纤(7)，还设有532nm连续激光器(9)通过一个非连续衰减片(8)和一个反射镜C将激光照射到二向色镜(4)上。
实验时，无节点反谐振空芯光纤探针由于微米级芯孔，将待检测物通过自动液体灌装机缓慢充入光纤中，直到待测液体充满整个光纤关闭液体灌装机；激光器将激光通过非连续衰减片(10)以及反射镜A照射到二向色镜(4)上，二向色镜(4)上反射的激光通过第一光纤耦合透镜(3)耦合到无节点反谐振空芯光纤探针(2)中，与光纤内的待检测物发生荧光效应，产生大于550nm的荧光并沿原路返回到二向色镜(4)处，二向色镜的参数为：直径d＝1英寸，50％T/R，其中：T-Range 505～800nm,R-Range 380～475nm。再依次通过反射镜B、反射镜C、550nm长波通滤光片(5)、第二光纤耦合透镜(6)进入到接收荧光的大芯径的多模光纤(7)中，进而进入到QE65Pro Spectrometer海洋光谱仪(F)或者单色仪中，其探测波长范围是185～1100nm，光学分辨率为0.14～7.7nm，用于接收从无节点反谐振空芯光纤探针(2)处反射出的荧光波段的光信号，通过荧光探测器测定荧光光谱强度，进而量化待测物的浓度。
首先用黑磷纳米片(BPNFs)修饰HARF内壁，使光纤内壁均匀包被一层黑磷。然后再充入特异性识别双酚A的荧光标记的核酸适体Cy3-Apt BPA，在此阶段，Cy3的荧光在通过范德华力与BPNFs相互作用时被淬灭，此荧光淬灭反应发生在光纤内部。其中Cy3-Apt BPA是对双酚A(BPA)高度特异的Cy3标记的ssDNA适体。由于BPNFs具有优异的分子吸附能，混合物很容易吸附在HARF的内表面上，当BPA溶液通过纤维时，BPNFs/Cy3-AptBPA复合物与靶分子BPA杂交，Apt-BPA适体识别并与BPA相互作用，这破坏了先前在Apt-BPA和BPNF之间形成的相互作用。结果，荧光标记的Apt-BPA与BPNF分离，导致荧光恢复。预期在HARF中恢复的荧光提供靶分子BPA的定量读数，并且可以容易地以高灵敏度测量。通过结合HARF和BPNF的优点，所提出的传感平台允许无标签，超灵敏，经济有效和实时检测BPA。
与其它2D材料相比，二维材料BP表现出了独特的优势，诸如可调带隙、高光热转换效率、生物可降解性、低/无毒性、具有更高的表面体积比，与其凹凸不平的晶格结构相比，使BPNFs与DNA分子之间具有较高的承载能力和较强的相互作用，因此在光学、生物医学以及能源等方面均显示出极大地潜力。结果表明，所制备的BPNFs对Cy3-AptBPA具有很强的淬灭能力。
实施案例2
检测水环境中的抗生素卡那霉素，原理同案例1，所用纳米材料为二维氧化石墨烯纳米片。所用适体为专门针对抗生素(比如卡那霉素)的DNA适体。检测物质为卡那霉素。
利用HARF光纤，将氧化石墨烯二维材料通过化学修饰固定在光纤内壁，将荧光标记的卡那霉素适体固定在石墨烯上(因为DNA侧链和石墨烯的非共价结合作用，导致荧光淬灭)，当卡那霉素溶液通过光纤时，由于卡那霉素和适体的特异性结合，致使荧光标记的适体从石墨烯上脱离，从而产生荧光。光纤内的荧光可以在准直优化的光学系统中进行检测。可以绘制标准曲线，对样品中的卡那霉素进行定量分析。
实施案例3
肿瘤细胞(MCF7)检测，原理同案例1，所用纳米材料为二维氧化石墨烯纳米片。所用适体为专门针对乳腺肿瘤细胞MCF7的DNA适体序列。检测物质为乳腺癌MCF7细胞。
利用HARF光纤，将氧化石墨烯二维材料通过化学修饰固定在光纤内壁，将荧光标记的针对MCF7细胞的适体固定在石墨烯上(因为DNA侧链和石墨烯的非共价结合作用，导致荧光淬灭)，当MCF7细胞悬液通过光纤时，由于细胞和适体的特异性结合，致使荧光标记的适体从石墨烯上脱离，从而产生荧光。光纤内的荧光可以在准直优化的光学系统中进行检测。可以绘制标准曲线，对样品中的肿瘤细胞进行定量分析。
实施案例4
本实验是利用多根光纤实现多种物质同时检测。
水体中常常存在多种抗生素的污染，同步检测多种抗生素将大大节省时间，提高工作效率，这是本项专利的一大特点。
根据以往文献报道，在同一个光纤传感界面上同时实现高灵敏度多目标分子的探测是一个复杂又昂贵的工作，因为要对一根光纤进行不同手段修饰，又要保证所用的工艺材料相互之间不干扰，还要确保产生的信号之间无串扰。利用我们的传感界面实现多种抗生素的检测思路是分别将针对不同抗生素的荧光适体固定在不同光纤界面，即AptA-Fluor1固定在第一根光纤界面，AptB-Fluor2固定在第二根光纤界面，AptC-Fluor3固定在第三根光纤界面。然后将三根光纤合成一束，连接在检测光路中，分别记录三根光纤的信号。这一种方案可以避免第一种方案的缺点，理论上来讲可以测定很多种抗生素。
技术路线如附图7，假设待测抗生素为A,B,C，针对三种抗生素的适体为AptA,AptB和AptC。分别用荧光染料Fluor1,Fluor2和Fluor3标记三个适体，得到AptA-Fluor1，AptB-Fluor2和AptC-Fluor3。然后分别将三种荧光标记适体缓慢充入三根不同的石墨烯修饰后的光纤中，使适体吸附于光纤内壁。三根光纤合成一束，连接到光路中(见附图8)，并插入样品池，光束准直和耦合效率优化后，用白激光源，全波段激发，可以检测到三个通道的荧光信号，用同样的方法计算出三种抗生素的浓度。
其他实施案例：
利用光纤内的表面增强拉曼效应检测。光纤内壁用具有拉曼增强效应的纳米金或银修饰，通过测定物质的拉曼光谱来检测。相当于将拉曼光谱测试在光纤内壁界面上完成。

Claims (10)

1.基于空芯反谐振光纤的生化传感器，其特征在于：以无节点反谐振空芯光纤为探针，包括连续激光泵浦源、光学准直系统、光纤传感系统和信号采集系统四部分，所述的连续激光泵浦系统用于泵浦连续激光，为后续系统提供激光光源，所述的光学准直系统用于对泵浦激光进行光路准直，所述的光纤传感系统包括三维调整操作台(1)，以及放置其上的无节点反谐振空芯光纤探针(2)，所述的信号采集系统用于在荧光恢复后即可进行荧光光谱强度的检测，从而得到待检测物信息；所述的无节点反谐振空芯光纤探针(2)用荧光淬灭性能纳米材料修饰光纤内壁，并将荧光标记的特异性识别单元固定在纳米材料上形成传感界面使其荧光淬灭，当待测物质进入光纤后，特异性识别单元和待测物的结合导致特异性识别单元脱离纳米材料表面，并致使荧光恢复；连续激光泵浦源(9)产生的激光经过光学准直系统准直后进入无节点反谐振空芯光纤探针(2)，当没有待检测物时，特异性识别单元无荧光恢复，不能发出荧光，在信号采集系统中不能检测到荧光信号；当有待检测物时，信号采集系统能够检测到荧光恢复信号，所使用的特异性识别单元为荧光标记的DNA或RNA或PNA适体。
2.根据权利要求1所述的基于空芯反谐振光纤的生化传感器，其特征在于：所述的连续激光泵浦源为一连续激光器(9)，输出功率可调。
3.根据权利要求2所述的基于空芯反谐振光纤的生化传感器，其特征在于：还可以在连续激光器(9)之后设置衰减片(10)，防止激光器功率过大破坏后续系统。
4.根据权利要求1所述的基于空芯反谐振光纤的生化传感器，其特征在于：所述的光学准直系统包括反射镜A、B、C，二向色镜(4)，以及第一耦合透镜(3)、第二耦合透镜(6)，所述的信号采集系统包括大芯径的多模光纤(7)和一台光谱仪F，连续激光泵浦源发出的激光依次经反射镜A、二向色镜(4)、第一耦合透镜(3)进入无节点反谐振空芯光纤探针(2)，当有待检测物时，产生的荧光依次经过第一耦合透镜(3)、二向色镜(4)、反射镜B、反射镜C、第二耦合透镜(6)、多模光纤(7)，最终进入光谱仪F。
5.根据权利要求4所述的基于空芯反谐振光纤的生化传感器，其特征在于：所述的光学准直系统还可以在第二耦合透镜(6)之前设置长波通滤光片(5)，用于只让光纤内待检测物产生的荧光通过。
6.根据权利要求4所述的基于空芯反谐振光纤的生化传感器，其特征在于：所述的光谱仪F，其探测波长范围是185～1100nm，光学分辨率为0.14～7.7nm。
7.根据权利要求4所述的基于空芯反谐振光纤的生化传感器，其特征在于：所述的二向色镜(4)对于波长范围在505～800nm的光透过，380～475nm的光反射；在二向色镜(4)处还可以添加蓝宝石玻璃片，提高荧光透过率。
8.根据权利要求1所述的基于空芯反谐振光纤的生化传感器，其特征在于：所述的纳米材料通过物理吸附、离子吸附或化学吸附修饰在光纤内壁上。
9.根据权利要求1所述的基于空芯反谐振光纤的生化传感器，其特征在于：所述的纳米材料是具有优异荧光淬灭性能的材料，包括石墨烯，氧化石墨烯，黑磷，二硫化钼二维材料，以及纳米金非二维材料。
10.根据权利要求1所述的基于空芯反谐振光纤的生化传感器，其特征在于：所述的荧光标记的适体识别单元可以通过非共价作用和纳米材料结合，导致其荧光淬灭。
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