CN110274884A - 基于微结构光纤中微流控光热的生物分子传感器 - Google Patents

基于微结构光纤中微流控光热的生物分子传感器 Download PDF

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Abstract

一种基于微结构光纤中微流控光热的生物分子传感器。包括激光光源、空芯光子晶体光纤(HC‑PCF)、待测溶液、光谱仪。所述的激光光源与单模光纤连接，单模光纤另一端同空芯光子晶体光纤熔接，空芯光子晶体光纤的另一端同另一段单模光纤熔接，此单模光纤的另一端连接光谱仪。本发明将微流控技术和光纤技术结合，把微结构光纤的孔道用作微流控平台，本发明检测精度高，适用于精密测量；其抗电磁干扰，适用于大电流、强磁场、强辐射等环境；其使用寿命长。本发明设计稳定、结构简单、可重复使用、操作使用方便。利用这种新型技术，可以广泛应用于生物分子检测领域。

Description

基于微结构光纤中微流控光热的生物分子传感器
技术领域
本发明属于光纤元件及微流控领域，具体涉及一种基于微结构光纤的光流控光热生物分子检测技术。
背景技术
随着当今社会经济的飞速发展，在工业生产和生物医药等领域都需要运用精准的化学，生物检测。但目前的技术都或多或少的存在检测灵敏度过低、检测器件制备繁琐、价格高昂、操作繁杂等问题。因此，设计一种简单快捷的新型生物分子检测传感器迫在眉睫。
微流控技术是一种交叉学科技术，具体指在微尺度管道(5～500μm)内操控微小体系流体的新型科学研究平台。其能极大降低试剂的消耗量：在此平台上，可以针对待测生物分子进行微升、纳升甚至皮升级的生物化学反应。微流控技术还可极大地缩短样品处理时间：通过精密控制液体流动，最大化地利用试剂耗材，为生物检测等领域提供了无限的前景。且对于有危害的生物分子而言，微流控技术稳定而安全：因为其封闭式的结构保证了检测期间样品不受污染，同时也减少了外在环境造成的影响，保证了实验结果不受中间产物的影响。微流控技术为低耗样量且高通量的化学、生物、医药分析检测提供了优异的研究和应用平台。
目前，基于光纤结构的生物分子检测主要有如下几种情况：
(1)光纤外倏逝场作用机制：采用光纤光栅、微纳光纤及微光纤耦合器、光纤表面等离子体共振、光纤干涉仪等不同结构基于光纤倏逝场与流体进行集成。由于是将光纤作为光信号收集单元嵌入外加的微流芯片内，对于一定长度，大部分传输光的能量仍在固体材料中，因此光与流体相互作用效率有待进一步提高。
(2)石英管谐振腔回音壁模式：将石英微管中芯大孔作为流体通道的石英管谐振腔回音壁(WGM)模式，其模式在内侧空气芯内存在强倏逝场，对于这种流体通道内倏逝场与流体相互作用的方式，石英微管可提供内部封闭式微流通道，但是微管壁的WGM需要微纳光纤垂直耦合才能激发，该结构中分离的导光光纤与流体通道降低了器件的集成度，使其在实际检测应用中受到一定限制。
(3)基于微结构光纤(本发明中所介绍的为空芯光子晶体光纤HC-PCF)的光波导模式：其优点为：具有中空结构、很小的色散、很小的非线性系数以及低传输损耗、弯曲损耗低、传光效率高、端面几乎无菲涅尔反射等优点；其一维孔道结构可为微流体与光波导提供长程作用；光纤内部孔道分布、直径、占空比设计灵活，有利于增强倏逝场、构造谐振腔、降低传输损耗；检测过程在光纤内部进行可以避免样本污染，可实现被测物的微量检测即明显减小样品的采集量，提高检测动态范围；可实现纤内干涉仪、光纤光栅、谐振腔、敏感膜等高度集成，确保对样品高精度、高灵敏度的测量，简化检测装置。
利用微结构光纤微流控技术，可以自由地将功能材料集成到微结构光纤的一个、数个或是全部空气孔中。利用功能材料对温度、电场、磁场、光场等物理参量的高灵敏度响应，可以实现对微结构光纤导光特性的调控，从而设计出多功能、高性能的光纤光子器件。同时，若将微结构光纤与生物、化学材料相结合，也可以实现其在生物分子检测或是化学反应监测等交叉学科领域的应用。
为了更进一步提高检测效率，提升检测灵敏度和检测范围。我们在方案中结合了光热光谱技术，来更好的完成待测生物分子的检测。光热光谱是指以光-热转换为特征的一类光谱现象。当物质分子吸收一定的电磁辐射以后，被吸收的电磁能量，将会以不同的形式重新释放出来，其中的一部分(或全部)将转化为物质分子运动的动能，从而引起物质本身温度的升高。通过探测这一温度的变化，或者探测由于温度变化面引起的其他物理量的改变，来研究物质的光谱特性。
光热光谱法(Photothermal Spectroscopy，PTS)是一种高灵敏度、高精度的红外分子吸收测量方法。物质吸收光而被激发到激发态，接着通过无辐射过程把部分或全部激发能转变为热能。近年来，以这一去激发机构为物理基础的几种高灵敏度的光热光谱技术发展了起来。光热光谱技术，一般不受样品形态的限制；无论是气体、液体，还是透明或不透明的固体，粉末及表面物质等都可应用。
结合以上技术及现有成果，提出了本发明，具体发明内容如下。
发明内容
本发明目的是解决在实际生产中遇到的超小浓度的生物分子溶液的浓度检测问题，现有的生物分子检测需要对传感器表面进行功能化，既对所讨论的分析物或抗原进行特异性标记，且操作繁琐、对实验设备精度要求高、操作过程难度大、所制备的器件不能反复使用。且目前对光热光谱技术检测没有相关的报道。相比之下本方案中的设计具有一定的优越性。基于空芯光子晶体光纤(HC-PCF)和待测生物分子的光热效应，提出了一种基于微结构光纤的微流控光热技术的生物分子传感器。
本发明技术方案：
基于微结构光纤中微流控光热的生物分子传感器，包括激光光源、空芯光子晶体光纤(HC-PCF)、待测溶液、光谱仪。所述的激光光源与单模光纤连接，单模光纤另一端同空芯光子晶体光纤熔接，空芯光子晶体光纤的另一端同另一段单模光纤熔接，此单模光纤的另一端连接光谱仪。
所述的空芯光子晶体光纤与单模光纤之间的连接需要手动熔接。
所述的空芯光子晶体光纤的两侧使用飞秒激光器打两个孔，此孔将外界和纤芯贯通。两孔分别为进流孔和出流孔。
由于不同的生物分子对光谱的吸收不同，将携带待测生物分子的流体由进流孔进入空芯光子晶体光纤的纤芯。空芯光子晶体光纤另一端与单模光纤相连继而连接光谱仪，输出相对应的光谱。
携带有待测生物分子的溶液经进流孔进入纤芯，待测生物分子溶液中的生物分子由于光热作用吸收光谱，相同浓度的不同的生物分子或相同生物分子的不同浓度下的溶液其对应的光谱吸收峰不同，不同浓度或不同生物分子会通过光谱反应出来。从而完成对待测生物分子溶液的检测。
本设计中，将携带有待测生物分子的溶液注入HC-PCF的空芯中，并将泵浦光注入HC-PCF中。待测生物分子被泵浦光加热，温度的升高会引起周围环境折射率的变化从而导致光谱的吸收峰的漂移，从而实现对待测生物分子的检测。
本发明的优点和有益效果：
本发明提出基于微结构光纤中微流控光热的生物分子传感器，将微流控技术和光纤技术结合，把微结构光纤的孔道用作微流控平台，本发明检测精度高，适用于精密测量；其抗电磁干扰，适用于大电流、强磁场、强辐射等环境；其使用寿命长。相对于金属传感器具有更大的耐久性；测量对象广泛，可以测量各种物理量、化学量、生物量等。而且与现有的生物分子传感器对比，传统的传感器需要对传感器表面进行功能化，操作繁琐，对实验设备精度要求高。且不能反复使用。本发明基于微流控技术，其节省待测样品，快速且精准。而且其设计稳定、结构简单、可重复使用、操作使用方便。利用这种新型技术，可以广泛应用于生物分子检测领域。达到适应现场、精准检测、快速研判的目的。在生物，医药等相关方面有广泛的前景和应用价值。
附图说明
图1是光谱变化过程原理方框图。
图2是基于微结构光纤的微流控光热技术的生物分子传感器结构示意图。
图中，1两端为标准单模光纤，2中间为空芯光子晶体光纤，3为进流孔，4为出流孔，激光光源5，光谱仪6。
具体实施方式：
一种基于微结构光纤中微流控光热的生物分子传感器，如图2所示，包括激光光源、空芯光子晶体光纤、待测溶液、光谱仪；所述的激光光源5与单模光纤1连接，单模光纤另一端同空芯光子晶体光纤2熔接，空芯光子晶体光纤的另一端同另一段单模光纤1熔接，此单模光纤的另一端连接光谱仪6；所述空芯光子晶体光纤的两侧使用飞秒激光器打两个孔，此孔将外界和纤芯贯通，两孔分别为进流孔3和出流孔4。
所述的传感器结构制备过程如下：首先用剥线钳剥去单模光纤(SMF-28)的外表面的涂覆层，拨开空芯光子晶体光纤(NKT Photonics.LTD)的涂覆层，并使用光纤切割刀将其端面切平整。光子晶体光纤和单模光纤的外径都为125um，然后使用熔接机手动熔接，在熔接时要对齐X轴向和Y轴向的光纤切口。两光纤中间留14um的空隙对其放电，完成溶解。此方案中我们使用了20mm长的空心管子晶体光纤。完成熔接后，使用飞秒激光器，在光子晶体光纤表面打孔，贯穿外界和纤芯形成液体通道，如图2中的3，4。
激光光源发出的光通过单模光纤1传输到空芯光子晶体光纤纤芯2，光通过光子晶体光纤从另一端的单模光纤1传输出去和光谱仪相连接(图中略)。以便实时分析结果。与此同时纤芯中已经注入待测生物分子溶液，纤芯溶液中的生物分子在和光的相互作用之下产生光热效应。光热效应带来的变化会导致相应的光谱的变化。
先对此结构进行了折射率传感测试，实验装使用不同折射率的溶液进行测试。将溶液导入HC-PCF的空芯纤芯中。每一次测试完以后都要对纤芯进行清洗，并等其完全干燥。对光谱仪的输出结果进行分析，数据如表1。
紧接着使用不同浓度的生物分子溶液进行检测，在光谱仪上，观察分析其光谱漂移量。数据整理见表2.
表1
实验次数 折射率(RIU) 对照峰波长值(nm) 波长偏移量(nm)
1 1.3323 1551.0032nm -
2 1.3331 1552.4412nm 1.438nm
3 1.3342 1554.4172nm 1.976nm
4 1.3349 1555.4952nm 1.078nm
5 1.3358 1557.1122nm 1.617nm
6 1.3369 1559.0952nm 1.983nm
表2
试验次数 生物分子浓度 波长偏移量
1 5ng/ml 0.214nm
2 10ng/ml 0.522nm
3 15ng/ml 0.731nm
4 20ng/ml 1.106nm
5 25ng/ml 1.307nm
实验结果证明折射率灵敏度在1800nm/RIU,可探测浓度低至5ng/ml。
本发明制作的工作原理：
本发明是基于空芯光子晶体光纤的光流控光热生物分子检测传感器。在流体填充的空芯光子晶体光纤中，光热效应产生光谱变化的过程如图1所示。沿光纤传输的泵浦光(λpump)被流体中的待测生物分子吸收后，该物质生物分子将被激发到高能态，并由于碰撞而降至初始能态，这个吸收过程伴随着热释放，对流体局部温度、密度和压强产生影响。密度和温度的变化将改变流体中折射率的分布，而温度和压强的变化也将导致波导横向结构及长度的变化。因此，当光线另一端接光谱仪分析，就能很明显的看到光谱的具体变化。因而通过探测生物分子吸收泵浦光之后产生的光热效应光谱随之变化的信息，就可以解读出与泵浦光相互作用物质的浓度以及生物分子信息，实现待测生物分子检测。

Claims (1)

1.一种基于微结构光纤中微流控光热的生物分子传感器，其特征在于，包括激光光源、空芯光子晶体光纤、光谱仪；所述的激光光源与单模光纤连接，单模光纤另一端同空芯光子晶体光纤熔接，空芯光子晶体光纤的另一端同另一段单模光纤熔接，此单模光纤的另一端连接光谱仪；所述空芯光子晶体光纤的两侧使用飞秒激光器打两个孔，此孔将外界和纤芯贯通，两孔分别为进流孔和出流孔。
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