CN112525861B - 微结构光纤生化传感器及其制作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种微结构光纤生化传感器及其制作方法。微结构光纤生化传感器,包括输入单模光纤、微结构光纤和高反膜层,输入单模光纤、微结构光纤和高反膜层共同构成了光纤麦克逊干涉仪。微结构光纤的左端与输入单模光纤进行熔接,微结构光纤的右端镀有高反膜层,形成高反射端面;微结构光纤包括包层、第一纤芯、第二纤芯和中空通道;中空通道由包层包裹围成;第一纤芯位于所述中空通道内壁上,能够与中空通道内物质相互作用;第二纤芯位于所述包层内部,无法与外界物质相互作用;功能化基团铺设于第一纤芯的外壁上;功能化基团上结合有生化识别物。本发明还提供一种微结构光纤生化传感器的制作方法。本发明能够实现高灵敏的生化物质的检测。
Description
技术领域
本发明属于光纤传感技术领域,特别涉及一种微结构光纤生化传感器及其制作方法。
背景技术
21世纪是生命科学的时代,随着人们对于医疗保健、食品安全和环境污染等问题的重视,生化传感器引起了世界各国的极大关注。迅速扩大的应用范围和迫切的实际需求推动着生物传感器不断发展,同时也对生化传感器提出了更高的要求。
光纤传感器是将测量的变化转化为光纤中传输光参数——光强、波长、相位以及偏振态等的变化,通过测量光纤的输出光来确定被测量的大小。光纤传感器是随着光纤通讯及光纤传感技术等相关技术而飞速发展起来的传感器,而光纤生化传感器则是在光纤传感器的基础上结合生化技术以及生化特性发展起来的新型传感器,在医学和生物学上将会有广泛应用。
光纤生化传感器因其体积小、灵敏度高和可在线测量等特点备受关注,已在生物分子特异性结合检测、环境监控、有害气体检测等领域获得了应用,尤其是无需标记、可实时在线检测、灵敏度高、抗电磁干扰、可远距离传输信号等优势,使光纤生化传感器在其它领域亦具有潜在的应用价值。
光纤生物传感器技术发展了近 30 年的时间,在国外,已经被广泛用于物质测定,比如除草剂、尿蛋白中的刺激性药物、与 VIII 因子相关的抗原、人体 IgG和 IgM、牛血蛋白—包括牛血红蛋白和牛血清蛋白、人体细胞中的红细胞和T淋巴细胞核粒细胞、血清 HIV特异性抗体和血管内皮生长因子等。在国内,检测诸如葡萄球菌肠毒素、胰岛素、甲胎蛋白和日本吸血虫抗体等物质也有采用光纤生物传感器的方案。然而,目前光纤传感器存在几个急需解决的问题:(1)强度解调型传感器的输出信号易受到光源波动、光纤传输损耗变化、探测器老化等因素的影响;(2)传感器的灵敏度不够,在痕量生化物质检测中准确性不高。
发明内容
为了克服现有技术的不足,本发明的目的是提供一种微结构光纤生化传感器及其制作方法。
一种微结构光纤生化传感器,包括输入单模光纤、微结构光纤和高反膜层,输入单模光纤、微结构光纤和高反膜层共同构成了光纤麦克逊干涉仪;所述输入单模光纤包括单模光纤纤芯和单模光纤包层;所述微结构光纤的左端与输入单模光纤进行熔接,微结构光纤的右端镀有所述高反膜层,形成高反射端面;所述微结构光纤包括包层、第一纤芯、第二纤芯和中空通道;所述中空通道由包层包裹围成;所述第一纤芯位于所述中空通道内壁上,能够与中空通道内物质相互作用;所述第二纤芯位于所述包层内部,无法与外界物质相互作用;功能化基团铺设于所述第一纤芯的外壁上;所述功能化基团上结合有生化识别物。
所述第一纤芯和所述第二纤芯采用的材料的折射率高于所述包层采用的材料的折射率。
所述高反膜层为能够对传输光束产生高反射效果的金属或多层介质膜。
所述功能化基团采用化学键结合或静电吸附的方式铺设于所述第一纤芯的外壁。
一种微结构光纤生化传感器的制作方法,包括以下步骤:
将所述输入单模光纤与所述微结构光纤的一端利用光纤熔接机进行熔接;
将所述微结构光纤利用光纤切割刀进行切割;
在所述微结构光纤的另一端镀上所述高反膜层,形成高反射端面;
将所述功能化基团铺设到所述第一纤芯的外壁;
将生化识别物结合在所述功能化基团上。
所述的制作方法,所述输入单模光纤与所述微结构光纤的一端进行熔接,熔接时使用较大的放电强度,造成熔接点的折射率失配,使得所述单模光纤纤芯传输的光能够同时耦合到所述微结构光纤的第一纤芯和第二纤芯中去。
所述微结构光纤的切割在显微镜和光学平移调节架的帮助下操作,利用光纤切割刀进行切割。
所述的制作方法,所述将功能化基团铺设在所述第一纤芯的外壁上,包括:采用化学键结合或静电吸附的方式。
所述的制作方法,所述功能化基团为多形态金属纳米材料、多类型金属纳米杂化物、多形态金属纳米杂化物、多孔结构、或二维材料与金属纳米材料的杂化物。
所述的制作方法,所述生化识别物为抗体、抗原、酶或核酸。
本发明的有益效果:
相比于现有技术,本发明提供了一种微结构光纤生化传感器及其制作方法,其中,微结构光纤生化传感器能够实现生化物质浓度的检测,应用该微结构光纤生化传感器,可极大提高检测灵敏度,从而提高检测精度。
附图说明
图1是本发明一实施方式的微结构光纤生化传感器的结构示意图。
图2是本发明一实施方式的微结构光纤的横截面示意图。
图3是本发明一实施方式的微结构光纤生化传感器的制造方法的流程图。
图中,输入单模光纤1、微结构光纤2、功能化基团3、生化识别物4、高反膜层5、单模光纤纤芯11、单模光纤包层12、包层21、第一纤芯22、第二纤芯23、中空通道24。
具体实施方式
以下结合附图和实施例对本发明做进一步的阐述。
请参阅图 1,其是本发明一实施方式的微结构光纤生化传感器的结构示意图。
如图 1 所示,微结构光纤生化传感器包括输入单模光纤1,微结构光纤2,功能化基团3,生化识别物4和高反膜层5。输入单模光纤1包括单模光纤纤芯11和单模光纤包层12。微结构光纤2包括包层21、第一纤芯22、第二纤芯23、中空通道24。第一纤芯22位于中空通道24的内壁上,第二纤芯23位于包层21内部。在所述微结构光纤2中,所述第一纤芯22充当麦克逊干涉仪的传感干涉臂,所述第二纤芯23充当麦克逊干涉仪的参考干涉臂,利用折射失配的熔接方式可以轻松实现将所述输入单模光纤1中的光耦合到所述微结构光纤2的两个纤芯中去。所述的生化识别物4包括生物识别物和化学识别物。
输入单模光纤1和微结构光纤2之间进行熔接,具体地,利用光纤熔接机进行熔接,熔接过程使用较大的放电强度,形成折射率失配结构,使得输入单模光纤1纤芯中传输的光能量能够耦合到第一纤芯22和第二纤芯23中去。
所述第一纤芯22和所述第二纤芯23中传输的两束光经过一定长度的传输后,可以通过所述微结构光纤2另一端面所镀的高反膜层5反射回所述输入单模光纤1,由于两个纤芯具备不同的模式有效折射率,因此可以在输出端产生干涉现象,方便地构建起紧凑的光纤内置麦克逊干涉仪。由于所述第一纤芯22的直径较小,充当一根微纳光纤波导,纤芯中传输的光信号能够与所述中空通道24中的物质产生较大的相互作用,而所述第二纤芯23包裹在实心的包层中,对外界物质几乎没有相互作用,因此所提出的微结构光纤生化传感器具备较高的灵敏度。
在一种可选的实施方式中,所述输入单模光纤1为标准商用单模光纤。
在一种可选的实施方式中,所述包层21的材料熔融石英。
在一种可选的实施方式中,所述第一纤芯22和所述第二纤芯23的材料掺杂熔融石英,折射率高于所述包层21材料。
在一种可选的实施方式中,所述高反膜层5的材料为金膜或多层介质膜等。
在一种可选的实施方式中,所述功能化基团3位于第一纤芯22的外壁上,具体地,功能化基团为采用化学键结合或静电吸附的方式铺设于第一纤芯22的外壁上。
生化识别物4采用化学键结合或静电吸附的方式与功能化基团3相结合。
功能化基团3可增强外部环境介质对光纤倏逝场的影响,另一方面,功能化基团3还能为生化识别物或化学识别物4提供更大的附着面积,从而增加生化识别物或化学识别物4与待测物质进行结合的概率,从上述两个方面同时提高传感器的灵敏度。
生化识别物或化学识别物4为采用化学键结合或静电吸附的方式与功能化基团3结合。
高反膜层5镀在微结构光纤2的一端面上,形成高反射界面,将第一纤芯22和第二纤芯23中传输的光束反射回输入单模光纤1端,形成麦克逊干涉。具体地,可以利用磁控溅射等工艺进行镀膜。
请参阅图2,其是本发明一实施方式的微结构光纤的横截面结构示意图。
如图2所示,微结构光纤的横截面结构包含包层21、第一纤芯22、第二纤芯23和中空通道24。第一纤芯22位于中空通道24的内壁上,第二纤芯23位于包层21的内部。
第一纤芯22的直径为几个微米,因此第一纤芯22中传输的光场的倏逝场能够较大地渗透到中空通道24中的介质中,对介质地折射率变化比较敏感。第二纤芯23被实心地包层21所包裹,因此第二纤芯23中传输的光场的倏逝场主要渗透在包层23中,对中空通道24中的介质不敏感。
工作时,可将微结构光纤生化传感器连接至光谱分析仪。当所述中空通道24中的待检测生化物质接触到修饰在所述第一纤芯22外壁时,待检测生化物质会与功能化基团3上的生化识别物4相结合,导致所述第一纤芯22的外界折射率的变化,从而使得所述第一纤芯22内部传输的光束的模式有效折射率发生变化,引起所述第一纤芯22和所述第二纤芯23中传输的光束之间的相位差发生变化,最终可以通过所述输入单模光纤1接收到的反射干涉光谱信号的波长漂移量的变化,来计算待检测生化物质的浓度信息。
另一方面,本发明实施例可优化微结构光纤的长度,长度越长则传感器的灵敏度越大,干涉光谱的自由光谱范围就越小。对于本领域技术人员来说,可以根据实际需要进行优化调整。
高反膜层的材料可以为具备高反射率的各种金属材料或者二维材料。例如金膜、银膜等。
高反膜层的厚度可以为任意能够产生高反射效果的大小。例如大于50 nm的金膜。
请参阅图 3,其是本发明一实施方式的微结构光纤生化传感器的制造方法的流程图。如图3所示,该制造方法包括:
步骤 S301、将输入单模光纤与微结构光纤的一端进行熔接。
具体地,步骤 S301 包括:利用光纤熔接机进行熔接,熔接过程使用较大的放电强度,形成折射率失配结构,使得输入单模光纤纤芯中传输的光能量能够耦合到第一纤芯和第二纤芯中去。
步骤 S302、将微结构光纤进行切割。
具体地,操作者在显微镜的帮助下,对光纤切割刀刀口附近进行放大观察。在高精度光学平移调节架的辅助下,可以较高精度地确定想要切割的光纤长度。
步骤 S303、在微结构光纤的另一端镀上高反膜层,形成高反射端面。
其中,高反膜层的材料可以为具备高反射率的各种金属材料或多层介质膜。例如金膜、银膜等。
镀膜的工艺可以选择磁控溅射等。
步骤 S304、将功能化基团铺设到第一纤芯的外壁。
其中,其中,功能化基团可以是多形态金属纳米材料、多类型金属纳米杂化物、多形态金属纳米杂化物、多孔结构、或二维材料与金属纳米材料的杂化物。
具体地,步骤S304包括:
采用化学键结合或静电吸附的方式将功能化基团镀在所述第一纤芯的外壁上。
步骤 S305、将生化识别物或化学识别物结合在功能化基团上。
生化识别物可以是抗体、抗原、酶或核酸。
化学识别物是指与待检测物发生化学反应的识别物。
具体地,步骤S305包括:
采用化学键结合或静电吸附的方式,将生化识别物或化学识别物结合在功能化基团上。
通过本实施例提供的制造方法所得到的微结构光纤生化传感器具备前述实施例中的微结构光纤生化传感器的技术特征,此处不再赘述。应用该微结构光纤生化传感器传感器,可极大极高检测灵敏度,从而提高检测精度。
以上所述实施例的各技术特征可以进行组合,为使描述简洁,未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述,然而,只要这些技术特征的组合不存在矛盾,都应当认为是本说明书记载的范围。
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。本发明的保护范围应以所附权利要求为准。
Claims (8)
1.一种微结构光纤生化传感器,其特征在于,包括输入单模光纤(1)、微结构光纤(2)和高反膜层(5),输入单模光纤(1)、微结构光纤(2)和高反膜层共同构成了光纤麦克逊干涉仪;所述输入单模光纤(1)包括单模光纤纤芯(11)和单模光纤包层(12);所述微结构光纤(2)的左端与输入单模光纤(1)进行熔接,微结构光纤的右端镀有所述高反膜层(5),形成高反射端面;所述微结构光纤(2)包括包层(21)、第一纤芯(22)、第二纤芯(23)和中空通道(24);所述中空通道(24)由包层(21)包裹围成;所述第一纤芯(22)位于所述中空通道(24)内壁上,能够与中空通道内物质相互作用;所述第二纤芯(23)位于所述包层(21)内部,无法与外界物质相互作用;功能化基团(3)铺设于所述第一纤芯(22)的外壁上;所述功能化基团上结合有生化识别物(4);
所述第一纤芯(22)和所述第二纤芯(23)采用的材料的折射率高于所述包层采用的材料的折射率;
所述高反膜层(5)为能够对传输光束产生高反射效果的金属或多层介质膜。
2. 根据权利要求 1所述的一种微结构光纤生化传感器,其特征在于,所述功能化基团(3)采用化学键结合或静电吸附的方式铺设于所述第一纤芯(22)的外壁。
3. 一种根据权利要求 1 所述的微结构光纤生化传感器的制作方法,其特征在于,包括以下步骤:
将所述输入单模光纤(1)与所述微结构光纤(2)的一端利用光纤熔接机进行熔接;
将所述微结构光纤(2)利用光纤切割刀进行切割;
在所述微结构光纤(2)的另一端镀上所述高反膜层(5),形成高反射端面;
将所述功能化基团(3)铺设到所述第一纤芯(22)的外壁;
将生化识别物(4)结合在所述功能化基团上。
4.根据权利要求3所述的制作方法,其特征在于,所述输入单模光纤(1)与所述微结构光纤(2)的一端进行熔接,熔接时使用较大的放电强度,造成熔接点的折射率失配,使得所述单模光纤纤芯(11)传输的光能够同时耦合到所述微结构光纤(2)的第一纤芯(22)和第二纤芯(23)中去。
5.根据权利要求4所述的制作方法,其特征在于,所述微结构光纤(2)的切割在显微镜和光学平移调节架的帮助下操作,利用光纤切割刀进行切割。
6. 根据权利要求 4 所述的制作方法,其特征在于,所述将功能化基团(3)铺设在所述第一纤芯(22)的外壁上,包括:采用化学键结合或静电吸附的方式。
7.根据权利要求4-6任一项所述的制作方法,其特征在于,所述功能化基团(3)为多形态金属纳米材料、多类型金属纳米杂化物、多形态金属纳米杂化物、多孔结构、或二维材料与金属纳米材料的杂化物。
8. 根据权利要求 4-6任一项所述的制作方法,其特征在于,所述生化识别物(4)为抗体、抗原、酶或核酸。
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