CN115711989A - 基于毛细管的抗体固载检测系统、制备方法及检测方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种基于毛细管的抗体固载检测系统所述检测系统包括：可调谐光源、光谱分析仪，以及回音壁结构，所述回音壁结构包括输入单模光纤、毛细管和输出单模光纤，其中，所述输入单模光纤第一端形成第一倾斜端面，所述输出单模光纤的第二端形成第二倾斜端面，所述第一倾斜端面与所述第二倾斜端面与所述毛细管外壁接触耦合，所述毛细管的微管腔内表面进行抗体固载；所述可调谐光源连接所述输入单模光纤的第三端，所述光谱分析仪连接所述输出单模光纤的第四端。本发明利用面积较小的角度切割光纤端面进行端面耦合激发回音壁谐振，从而提高系统的棒鲁性。
Description
技术领域
本发明涉及光纤检测技术领域，特别是涉及一种基于毛细管的抗体固载检测系统、制备方法及检测方法。
背景技术
微反应器适合样品微量分析处理，在生物医学、生化分析中优势显著。而毛细管微管腔同时可以作为样品通道和传感通道，非常适合作为微反应器应用于生化分析。毛细管内表面进行功能化修饰后，能够对不同种类的病毒、抗体、抗原以及其它有害物质进行检测。因此针对内表面功能化修饰后的毛细管，其修饰状态检测的研究至关重要。检测表面修饰常用的方法有荧光光谱法、荧光探针分子法、红外光谱、光谱、横断面扫描电镜、CCD观察法、膜电阻测定法、透射电镜、X射线衍射等。
然而，传统检测方法有些比较适合于平面或者开口型载体，对于毛细管这种几十微米内径并且是半封闭空间结构载体来说，要想检测其内表面修饰物固载状态，要么需要引入荧光素，要么只能定性表示毛细管上是否成功固化了样本修饰物，无法定量分析固载表面密度、固载周期等关键参数。
在毛细管生物传感技术的研究过程中往往需要综合多种手段对毛细管内表面固载状态进行判断，筛选出较好的，大大浪费了时间和样本，甚至可能出现实验结论的误判。
随着微纳制备工艺和低损耗材料的不断发展，回音壁模式可以很好地应用于生化传感，实现毛细管内表面修饰固载状态的高灵敏、自动化、直接定量原位表征与检测。哈尔滨工程大学李寒阳等人提出一种基于回音壁模式激光的脲酶传感装置及其制作方法，但是在抗体固载状态检测时鲁棒性较差。
发明内容
为了解决现有技术中抗体固载状态检测无法实现定量分析、传感检测灵敏度差、检测光谱的鲁棒性差的技术问题，本发明的一个目的在于提供一种基于毛细管的抗体固载检测系统，所述检测系统包括：
可调谐光源、光谱分析仪，以及回音壁结构，所述回音壁结构包括输入单模光纤、毛细管和输出单模光纤，
其中，所述输入单模光纤第一端形成第一倾斜端面，所述输出单模光纤的第二端形成第二倾斜端面，所述第一倾斜端面与所述第二倾斜端面与所述毛细管外壁接触耦合，所述毛细管的微管腔内表面进行抗体固载；
所述可调谐光源连接所述输入单模光纤的第三端，所述光谱分析仪连接所述输出单模光纤的第四端。
优选的，所述毛细管，与所述输入单模光纤和所述输出单模光纤可拆卸的方式封装。
优选的，所述毛细管的微管腔内表面通过表面修饰的方式进行抗体固载。
优选的，所述检测系统还包括第一光纤适配器和第二光纤适配器，
所述可调谐光源通过所述第一光纤适配器连接所述输入单模光纤的第三端，所述光谱分析仪通过所述第二光纤适配器连接所述输出单模光纤的第四端。
本发明的另一个目的在于提供一种基于毛细管的抗体固载检测系统的制备方法，所述制备方法包括：
利用CO2激光熔融法对毛细管的微管腔进行微加工处理，减小微管腔的壁厚，
利用CO2激光熔融法对输入单模光纤的第一端进行微加工处理，经过微处理后的第一端通过光纤切割，形成第一倾斜端面；
利用CO2激光熔融法对输出单模光纤的第二端进行微加工处理，经过微处理后的第二端通过光纤切割，形成第二倾斜端面；
通过纳米级精密位移台调节所述输入单模光纤和所述输出单模光纤，使所述第一倾斜端面、所述第二倾斜端面与所述毛细管外壁接触，
将所述毛细管与所述输入单模光纤和所述输出单模光纤以可拆卸的方式封装；
所述可调谐光源连接所述输入单模光纤的第三端，所述光谱分析仪连接所述输出单模光纤的第四端。
优选的，通过光纤熔接机对所述毛细管的微管腔、所述输入单模光纤的第一端、所述输出单模光纤的第二端进行微加工处理。
优选的，通过高精度光纤切割机对所述输入单模光纤的第一端、所述输出单模光纤的第二端进行光纤切割。
本发明的又一个目的在于提供一种基于毛细管的抗体固载检测方法，所述检测方法包括如下方法步骤：
可调谐光源输出光，经输入单模光纤的第三端进入输入单模光纤，由第一倾斜端面耦合进入毛细管的微管腔，并由第二倾斜端面耦合进入输出单模光纤，经输出单模光纤的第四端进入光谱分析仪；
光谱分析仪获取含有谐振信息的第一传输光谱；
毛细管的微管腔内表面抗原固载；
可调谐光源输出光，经输入单模光纤的第三端进入输入单模光纤，由第一倾斜端面耦合进入毛细管的微管腔，并由第二倾斜端面耦合进入输出单模光纤，经输出单模光纤的第四端进入光谱分析仪；
光谱分析仪获取含有谐振信息的第二传输光谱；
光谱仪分析通过所述第一传输光谱与所述第二传输光谱的谐振波长变化检测毛细管的微管腔内表面抗原固载状态。
优选的，所述毛细管的微管腔内表面通过表面修饰的方式进行抗原固载。
优选的，所述毛细管的微管腔内表面通过表面修饰的方式进行抗原固载的过程为：
向所述毛细管的微管腔内添加活化剂，对所述毛细管的微管腔冲洗；
依次向所述毛细管的微管腔内添加捕获抗体、抗体抗原以及酶标抗体，完成毛细管的微管腔内表面抗原固载。
本发明提供的一种基于毛细管的抗体固载检测系统、制备方法及检测方法，采用的回音壁谐振传感技术进行检测，无需引入标记物，并且可以对毛细管抗体固载状态的表面密度等信息进行定量分析。
本发明提供的一种基于毛细管的抗体固载检测系统、制备方法及检测方法，器件易于制备，端面耦合激发回音壁谐振，鲁棒性好，并且更接近实用。
本发明提供的一种基于毛细管的抗体固载检测系统、制备方法及检测方法，回音壁结构光学微管腔制作材料为二氧化硅，保留了回音壁模式光学微管腔的高品质因子特性，具有较高的分辨率。
本发明提供的一种基于毛细管的抗体固载检测系统、制备方法及检测方法，利用回音壁模式光学微管腔的高品质因子特性，通过CO2激光熔融法减小毛细管壁厚，提高传感灵敏度，实现抗体固载状态的高灵敏度传感检测。
本发明提供的一种基于毛细管的抗体固载检测系统、制备方法及检测方法，利用面积较小的角度切割光纤端面进行端面耦合激发回音壁谐振，从而提高系统的棒鲁性。
本发明提供的一种基于毛细管的抗体固载检测系统、制备方法及检测方法，本制备过程简单，易于操控，工艺可控，并且保留了回音壁模式光学微管腔原有的高品质因子特性。
本发明提供的一种基于毛细管的抗体固载检测系统、制备方法及检测方法，具有体积小、灵敏度高、易于实时检测等优点，可应用于生化分析等领域。
附图说明
为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，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示意性示出了本发明一种基于毛细管的抗体固载检测系统的结构示意图。
图2示出了本发明一种基于毛细管的抗体固载检测系统的回音壁结构示意图。
图3示出了本发明毛细管微管腔内表面通过表面修饰抗进行原固载的过程示意图。
图4示出了本发明回音壁结构的毛细管微管腔内谐振峰的谐振波长漂移示意图。
具体实施方式
为了使本发明的上述以及其他特征和优点更加清楚，下面结合附图进一步描述本发明。应当理解，本文给出的具体实施例是出于向本领域技术人员解释的目的，仅是示例性的，而非限制性的。
为了解决现有技术抗体固载状态检测无法实现定量分析、传感检测灵敏度差、检测光谱的鲁棒性差的技术问题，如图1所示本发明一种基于毛细管的抗体固载检测系统的结构示意图，根据本发明的实施例提供一种基于毛细管的抗体固载检测系统。
检测系统包括可调谐光源1、光谱分析仪5，以及回音壁结构3。如图2所示本发明一种基于毛细管的抗体固载检测系统的回音壁结构示意图，回音壁结构3包括输入单模光纤302、毛细管301和输出单模光纤303。
输入单模光纤302第一端形成第一倾斜端面305，输出单模光纤303的第二端形成第二倾斜端面306，第一倾斜端面305与第二倾斜端面306与毛细管301外壁接触耦合，毛细管301的微管腔304内表面进行抗体固载。
可调谐光源1连接输入单模光纤302的第三端307，光谱分析仪5连接输出单模光纤303的第四端308。
根据本发明在一些优选的实施例中，检测系统还包括第一光纤适配器2和第二光纤适配器4，可调谐光源1通过第一光纤适配器2连接输入单模光纤302的第三端307，光谱分析仪5通过第二光纤适配器4连接输出单模光纤303的第四端308。
在一些优选的实施例中，可调谐光源1的光波段可设置为1550-1680nm。
本发明通过输入单模光纤302的第一倾斜端面305、输出单模光纤303的第二倾斜端面306与毛细管301微管腔304进行谐振耦合激发回音壁模式，毛细管301的微管腔304内表面抗体修饰状态改变导致内壁有效折射率变化，从而使得微管腔304谐振峰的谐振波长漂移变化的光传感路径。
本发明输入单模光纤302采用第一倾斜端面305、输出单模光纤303采用第二倾斜端面306，与毛细管301外壁接触，从而降低损耗，提高与细管301的耦合效率。
根据本发明的实施例，毛细管301与输入单模光纤302和输出单模光纤303可拆卸的方式封装，以便对毛细管301的微管腔304通过表面修饰的方式进行抗体固载。
根据本发明的实施例，提供一种基于毛细管的抗体固载检测系统的制备方法，包括：
步骤1、利用CO2激光熔融法对毛细管301的微管腔304进行微加工处理，减小微管腔的壁厚，以使毛细管301的微管腔304的检测更加灵敏。
在一些优选的实施例中，毛细管301选用微管腔304的内径为75um、外径150um的石英毛细管301进行微加工处理，使毛细管301具有良好的回音壁模式特征，具有高品质因子与小模式体积的优势。
步骤2、利用CO2激光熔融法对输入单模光纤302的第一端进行微加工处理，经过微处理后的第一端通过光纤切割，形成第一倾斜端面305。
步骤3、利用CO2激光熔融法对输出单模光纤303的第二端进行微加工处理，经过微处理后的第二端通过光纤切割，形成第二倾斜端面306。
在步骤1至3中，通过光纤熔接机对毛细管304的微管腔304、输入单模光纤302的第一端、输出单模光纤303的第二端进行微加工加热处理。通过高精度光纤切割机对输入单模光纤302的第一端、输出单模光纤303的第二端进行光纤切割。
在一些优选的实施例中，通过拉锥对毛细管301、输入单模光纤302、输出单模光纤303进行微加工处理。
具体地，利用CO2激光熔融法对输入单模光纤302、输出单模光纤303进行微加工加热处理，同时对输入单模光纤302、输出单模光纤303进行拉锥处理，减小输入单模光纤302、输出单模光纤303中间部分粗细，通过高精度光纤切割机，采用光纤切割工艺对输入单模光纤302、输出单模光纤303中间部分较小粗细的部分进行切割，制备满足回音壁谐振相位匹配的第一倾斜端面305和第二倾斜端面306。
利用CO2激光熔融法对毛细管301进行微加工加热处理，同时对毛细管301进行拉锥处理，减小毛细管301中间部分粗细，减小微管腔304的壁厚。
在一些优选的实施例中，输入单模光纤302、输出单模光纤303选自锥形光纤、D型光纤、棱镜或者直波导中的一个进行微加工处理和光纤切割。
步骤4、通过纳米级精密位移台调节输入单模光纤302和输出单模光纤303，使第一倾斜端面305、第二倾斜端面306与毛细管301外壁接触。
将毛细管301与输入单模光纤302和输出单模光纤303以可拆卸的方式封装，以便以对毛细管301的微管腔304通过表面修饰的方式进行抗体固载。
步骤5、可调谐光源1连接输入单模光纤302的第三端307，光谱分析仪5连接输出单模光纤303的第四端308。
在一些优选的实施例中，可调谐光源1通过第一光纤适配器2连接输入单模光纤302的第三端307，光谱分析仪5通过第二光纤适配器4连接输出单模光纤303的第四端308。
本发明制备的一种基于毛细管的抗体固载检测系统，毛细管301的微管腔304具有高品质因子特性，传感系统具有较高灵敏度，可以实现基于毛细管的抗体固载状态无标记灵活检测。
根据本发明的实施例，提供一种基于毛细管的抗体固载检测方法，通过本发明上文中所制备的一种基于毛细管的抗体固载检测系统，进行抗原固载状态检测，具体包括如下方法步骤：
步骤S1、通过纳米级精密位移台调节输入单模光纤302和输出单模光纤303，使第一倾斜端面305、第二倾斜端面306与毛细管301外壁接触，将单模光纤302和输出单模光纤303毛细管301固定在夹具上。
可调谐光源1输出光，经输入单模光纤的第三端307进入输入单模光纤302，由第一倾斜端面305耦合进入毛细管301的微管腔304，并由第二倾斜端面306耦合进入输出单模光纤303，经输出单模光纤303的第四端308进入光谱分析仪5。
步骤S2、光谱分析仪5获取含有谐振信息的第一传输光谱。具体的实施了中，第一传输光谱包含的谐振信息为凹陷的谐振峰。
步骤S3、毛细管301的微管腔304内表面抗原固载。
将回音壁结构的毛细管301拆卸，进行毛细管301的微管腔304内表面抗原固载。如图3所示本发明毛细管微管腔内表面通过表面修饰抗进行原固载的过程示意图，毛细管301的微管腔304内表面通过表面修饰的方式进行抗原固载，过程为：
步骤S31、向毛细管301的微管腔304内添加活化剂，对毛细管301的微管腔304冲洗。
步骤S32、依次向毛细管301的微管腔304内添加捕获抗体、抗体抗原以及酶标抗体，完成毛细管301的微管腔304内表面抗原固载。
步骤S4、通过纳米级精密位移台调节输入单模光纤302和输出单模光纤303，使第一倾斜端面305、第二倾斜端面306与毛细管301外壁接触，将单模光纤302和输出单模光纤303毛细管301固定在夹具上。
可调谐光源1输出光，经输入单模光纤302的第三端307进入输入单模光纤302，由第一倾斜端面305耦合进入毛细管301的微管腔304，并由第二倾斜端面306耦合进入输出单模光纤303，经输出单模光纤303的第四端308进入光谱分析仪5。
步骤S5、光谱分析仪5获取含有谐振信息的第二传输光谱。具体的实施了中，第二传输光谱包含的谐振信息为凹陷的谐振峰。
由于毛细管301的微管腔304内表面进行抗原固载，抗原固载状态变化引起毛细管301的微管腔304内表面有效折射率变化，折射率变化导致光在回音壁结构内的谐振峰的谐振波长的发生漂移。
步骤S6、光谱仪分析5通过第一传输光谱与第二传输光谱的谐振峰的谐振波长变化检测毛细管的微管腔内表面抗原固载状态。
如图4所示本发明回音壁结构的毛细管微管腔内谐振峰的谐振波长漂移示意图，图4中横坐标为波长，纵坐标为WGM((whispering gallery mode,WGM，回音壁谐振))的谐振强度，a为第一传输光谱的谐振峰，b谐振峰的谐振波长发生漂移后的第二传输光谱的谐振峰。通过测量谐振峰谐振波长的漂移变化确定抗体固载状态。
本发明当毛细管301的微管腔304内表面进行修饰后，管壁中传播的光波通过倏逝场与表面修饰物作用，将改变内表面有效折射率，WGM谐振峰的谐振波长将发生漂移，进而可检测表面修饰的抗体固载状态。
本发明可针对不同种类的病毒、抗体、抗原以及其生化物质进行抗体固载检测。
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。
Claims (10)
1.一种基于毛细管的抗体固载检测系统，其特征在于，所述检测系统包括：
可调谐光源、光谱分析仪，以及回音壁结构，所述回音壁结构包括输入单模光纤、毛细管和输出单模光纤，
其中，所述输入单模光纤第一端形成第一倾斜端面，所述输出单模光纤的第二端形成第二倾斜端面，所述第一倾斜端面与所述第二倾斜端面与所述毛细管外壁接触耦合，所述毛细管的微管腔内表面进行抗体固载；
所述可调谐光源连接所述输入单模光纤的第三端，所述光谱分析仪连接所述输出单模光纤的第四端。
2.根据权利要求1所述的检测系统，其特征在于，所述毛细管，与所述输入单模光纤和所述输出单模光纤可拆卸的方式封装。
3.根据权利要求1所述的检测系统，其特征在于，所述毛细管的微管腔内表面通过表面修饰的方式进行抗体固载。
4.根据权利要求1所述的检测系统，其特征在于，所述检测系统还包括第一光纤适配器和第二光纤适配器，
所述可调谐光源通过所述第一光纤适配器连接所述输入单模光纤的第三端，所述光谱分析仪通过所述第二光纤适配器连接所述输出单模光纤的第四端。
5.一种基于毛细管的抗体固载检测系统的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括：
利用CO2激光熔融法对毛细管的微管腔进行微加工处理，减小微管腔的壁厚，
利用CO2激光熔融法对输入单模光纤的第一端进行微加工处理，经过微处理后的第一端通过光纤切割，形成第一倾斜端面；
利用CO2激光熔融法对输出单模光纤的第二端进行微加工处理，经过微处理后的第二端通过光纤切割，形成第二倾斜端面；
通过纳米级精密位移台调节所述输入单模光纤和所述输出单模光纤，使所述第一倾斜端面、所述第二倾斜端面与所述毛细管外壁接触，
将所述毛细管与所述输入单模光纤和所述输出单模光纤以可拆卸的方式封装；
所述可调谐光源连接所述输入单模光纤的第三端，所述光谱分析仪连接所述输出单模光纤的第四端。
6.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，通过光纤熔接机对所述毛细管的微管腔、所述输入单模光纤的第一端、所述输出单模光纤的第二端进行微加工处理。
7.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，通过高精度光纤切割机对所述输入单模光纤的第一端、所述输出单模光纤的第二端进行光纤切割。
8.一种基于毛细管的抗体固载检测方法，其特征在于，所述检测方法包括如下方法步骤：
可调谐光源输出光，经输入单模光纤的第三端进入输入单模光纤，由第一倾斜端面耦合进入毛细管的微管腔，并由第二倾斜端面耦合进入输出单模光纤，经输出单模光纤的第四端进入光谱分析仪；
光谱分析仪获取含有谐振信息的第一传输光谱；
毛细管的微管腔内表面抗原固载；
可调谐光源输出光，经输入单模光纤的第三端进入输入单模光纤，由第一倾斜端面耦合进入毛细管的微管腔，并由第二倾斜端面耦合进入输出单模光纤，经输出单模光纤的第四端进入光谱分析仪；
光谱分析仪获取含有谐振信息的第二传输光谱；
光谱仪分析通过所述第一传输光谱与所述第二传输光谱的谐振波长变化检测毛细管的微管腔内表面抗原固载状态。
9.根据权利要求8所述的检测方法，其特征在于，所述毛细管的微管腔内表面通过表面修饰的方式进行抗原固载。
10.根据权利要求9所述的检测方法，其特征在于，所述毛细管的微管腔内表面通过表面修饰的方式进行抗原固载的过程为：
向所述毛细管的微管腔内添加活化剂，对所述毛细管的微管腔冲洗；
依次向所述毛细管的微管腔内添加捕获抗体、抗体抗原以及酶标抗体，完成毛细管的微管腔内表面抗原固载。
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