CN113049496A - 一种可调谐中红外光纤spr生物传感器 - Google Patents
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Abstract
本发明属于光纤传感技术领域，一种可调谐中红外光纤SPR生物传感器，主要由红外光源、传输光纤、传感元件、探测器、光纤固定及微位移平台、以及计算机组成。本发明的可调谐中红外光纤SPR生物传感器对于不同的生物分子，可以通过光纤固定及微位移平台调节传感元件受到应力的大小，进而改变传感器的工作波长，实现对不同生物分子的检测。与现有光纤SPR传感技术相比，本发明通过与中红外吸收光谱技术相结合，可以在检测生物分子结合与反应信息的同时，检测生物分子结构信息，在生物、化学、医学领域具有广泛的前景。
Description
技术领域
本发明属于光纤传感技术领域，具体涉及光纤SPR传感器，尤其涉及一种工作于中红外波段的可调谐光纤SPR传感器。
背景技术
生物传感器是获取生物信息的一种重要手段，也是生物学和信息学的一个重要连接点，其在临床诊断、环境监测、生命科学研究、食品与国防安全等诸多领域有着十分广泛的应用，对生物传感器的研究与开发已得到了世界各国科学家的广泛关注。在众多类型的生物传感器中，基于表面等离子体共振(SPR)效应的传感器因具有无需标记、响应快、灵敏度高及可远程监测等诸多优势，成为过去30年中发展最为迅速的一种生物信息探测技术，已被广泛的应用于各种生物分子相互反应过程的实时动态监测中。
过去几十年中，各种类型的SPR生物传感器都取得了长足的进步，但随着现代生物信息技术的飞速发展，对生物传感器也提出了更高的要求。传统的基于金属材料的SPR生物传感器，受限于其自身的一些特性，已渐渐不能满足生物探测技术未来发展的需要，其主要表现在：(1)无法检测生物分子内部结构；(2)工作波段窄，工作波长不易调节；(3)检测灵敏度还有待进一步提高。这些困难，使得基于金属材料的SPR传感器已不能满足未来生物探测技术集成化、便携化、多通道、多参数和更高灵敏度的发展需求。因此，发明一种灵敏度高、工作波长可调且能同时测量生物样品含量及内部结构的传感器及测试装置有着非常重要的意义。
发明内容
本发明提出一种基于二维黑磷材料的可调谐中红外光纤SPR生物传感器及测试装置。本发明利用二维黑磷材料工作波段宽(可覆盖中红外波段)、工作波长易调、生物兼容性好以及双曲色散特性等优点，结合传统的光纤SPR技术以及中红外吸收光谱技术，提供一种易调谐、宽范围、高灵敏且能同时检测生物分子反应过程和内部结构的光纤SPR传感器。
本发明的技术方案为：
一种可调谐中红外光纤SPR生物传感器，主要由红外光源8、传输光纤6、传感元件4、探测器9、光纤固定及微位移平台7、以及计算机11组成；
所述红外光源8为中红外波段的宽谱光源，采用热辐射光源或超连续谱光源，其输出端与传输光纤6输入端相连接；所述传输光纤6为红外光纤，采用硫系光纤、氟化物光纤或ZBLAN光纤；所述传感元件4为制作在传输光纤6上的被测物敏感区域，位于流通池5中，其包括三层结构，从里而外依次为中红外光纤3、二维黑磷层2及惰性保护层1，其中二维黑磷层2因其面内褶皱结构，其光学性质会受压力影响，通过调节施加在其上的压力大小，来调节传输光纤6的工作波段；惰性保护层1用于提高黑磷的抗降解能力；所述探测器9为红外探测器，用于接收传感光谱，其输入端与传输光纤6的输出端相连接；所述光纤固定及微位移平台7用于调节传输光纤6所受的应力大小，进而调节传感器的工作波段；探测器9通过数据线10与计算机11相连。工作时，红外光源8发出的光波经传输光纤6传输至传感元件4，光波在传感元件4经被测生物分子调制，携带了被测生物分子信息的光波经传输光纤6继续传播，最终被探测器9接收，探测器9将传感光谱信息经数据线10传送至计算机11进行数据信息处理。由于采用中红外光源，光波在传感元件4除受到传统的SPR调制外，还会受到中红外吸收光谱的调制，其吸收峰叠加在SPR共振峰上，形成SPR共振峰与中红外吸收峰的叠加光谱，其中SPR共振峰用于感知生物分子的结合与反应信息，中红外吸收峰用于测量被测生物分子的结构信息。对于不同的生物分子，可以通过光纤固定及微位移平台调节传感元件受到应力的大小，进而改变传感器的工作波长，实现对不同生物分子的检测。
本发明的效果和益效是：与现有光纤SPR传感技术相比，本发明通过与中红外吸收光谱技术相结合，可以在检测生物分子结合与反应信息的同时，检测生物分子结构信息，在生物、化学、医学领域具有广泛的前景。
附图说明
图1为传感元件示意图。
图2为传感系统示意图。
图中：1惰性保护层；2二维黑磷层；3中红外光纤；4传感元件；5流通池；6传输光纤；7光纤固定及微位移平台；8红外光源；9探测器；10数据线；11计算机。
具体实施方式
以下结合技术方案和附图详细叙述本发明的具体实施方式。
实施例
1.传感元件4(图1)制作
(1)将块状黑磷晶体切割、研碎，放入乙醇溶液；
(2)在低温(<4℃)下对其进行超声处理(25kHz，1200W)3小时以上；
(3)用离心机对前述获得的二维黑磷溶液进行离心处理(5000rpm，15分钟)，使二维黑磷浮于溶液表面，随后将二维黑磷悬浮液轻轻的倒入其他容器中备用；
(4)对中红外光纤3表面进行处理，最后将处理后的光纤表面浸没于少量二维黑磷悬浮液中，使二维黑磷结合在光纤表面，待乙醇溶液蒸发后，便会在光纤表面形成二维黑磷层2；
(5)在二维黑磷层2外面沉积石墨烯，作为保护层1，防止黑磷降解，完成传感元件4的制作。
2.传感系统(图2)及操作
(1)将传感元件4封装在流通池5中，保持密封，减少实验样品的挥发；
(2)将传感元件4的两侧各5cm处的中红外传输光纤6夹持在光纤固定及微位移平台7上；
(3)将中红外传输光纤6的一端连接在红外光源8上，另一端连接在探测器9上；
(4)用数据线10将探测器9与计算机11相连；
(5)打开红外光源8，探测器9及计算机11；
(6)用蠕动泵将待测样品溶液缓慢通入流通池5，探测器9将探测信号经数据线10传递给计算机11，利用LabVIEW软件进行数据采集与处理，通过调节光纤固定及微位移平台7的位置，使传感系统的工作波长移动至改样品的吸收峰处，得到样品的SPR与吸收光谱的叠加信号；
(7)通过数据分析得到样品的浓度及成分信息；
(8)改变样品的种类和浓度，重复(6)—(7)的操作，完成对不同种类和不同浓度的的样品的测试。
Claims (3)
1.一种可调谐中红外光纤SPR生物传感器，其特征在于，该可调谐中红外光纤SPR生物传感器主要由红外光源(8)、传输光纤(6)、传感元件(4)、探测器(9)、光纤固定及微位移平台(7)、以及计算机(11)组成；
所述红外光源(8)为中红外波段的宽谱光源，其输出端与传输光纤(6)输入端相连接；所述传输光纤(6)为红外光纤；所述传感元件(4)为制作在传输光纤(6)上的被测物敏感区域，位于流通池(5)中，其包括三层结构，从里而外依次为中红外光纤(3)、二维黑磷层(2)及惰性保护层(1)，其中二维黑磷层(2)因其面内褶皱结构，其光学性质会受压力影响，通过调节施加在其上的压力大小，来调节传输光纤(6)的工作波段；惰性保护层(1)用于提高黑磷的抗降解能力；所述探测器(9)为红外探测器，用于接收传感光谱，其输入端与传输光纤(6)的输出端相连接；所述光纤固定及微位移平台(7)用于调节传输光纤(6)所受的应力大小，进而调节传感器的工作波段；探测器(9)通过数据线(10)与计算机(11)相连；工作时，红外光源(8)发出的光波经传输光纤(6)传输至传感元件(4)，光波在传感元件(4)经被测生物分子调制，携带了被测生物分子信息的光波经传输光纤(6)继续传播，最终被探测器(9)接收，探测器(9)将传感光谱信息经数据线(10)传送至计算机(11)进行数据信息处理。
2.根据权利要求1所述的可调谐中红外光纤SPR生物传感器，其特征在于，所述的红外光源(8)为采用热辐射光源或超连续谱光源。
3.根据权利要求1或2所述的可调谐中红外光纤SPR生物传感器，其特征在于，所述的传输光纤(6)采用硫系光纤、氟化物光纤或ZBLAN光纤。
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