CN1355424A - 光纤倏逝波生物传感器 - Google Patents
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Abstract
一种光纤倏逝波生物传感器,用于探测荷尔蒙、污染物质、有毒物质、爆炸品、脱氧核糖核酸、病毒、各种细菌等多种生物物质。包括有两条光路,激光激发光路和荧光接收光路。激光激发光路上有从激光光源、第一锥形镜、第二锥形镜、平面反射镜、道威棱镜的入射面、耦合透镜、置于样品池内被测物质中的光纤至凹球面反射镜。荧光接收光路上有从光纤输入端面开始,依次置有耦合透镜、道威棱镜、滤光片、聚焦透镜、光阑至光电探测器。圆形高斯光束经两个锥形镜后变成环形光束,增加了激发荧光能量。凹球面反射镜使得从光纤输出端面出射的激光束和荧光返回光纤再次被利用和输出。道威棱镜使荧光光路的光轴不产生垂轴方向上的位移。总接收荧光能量是在先技术的4倍。
Description
技术领域：
本发明涉及一种光纤倏逝波生物传感器，在生物医学、食品检验、环境监测等领域得到广泛应用。它可以探测荷尔蒙、污染物质、有毒物质、爆炸品、脱氧核糖核酸(DNA)、病毒、各种细菌(如炭疽热、大肠杆菌O157等)等多种生物物质。
背景技术：
光纤倏逝波生物传感器采用光波在光纤内以全反射方式传输时产生的倏逝波激发光纤芯线表面的标记有荧光染料的生物分子，从而检测以某种方式附着于光纤芯线表面倏逝波场范围内的生物物质的属性及其含量。
在先技术中，由美国犹他大学(University of Utah)D.E.Yoshida等人发表在SPIE第904卷第57～62页的一种光纤倏逝波生物传感器的结构如图1所示。该传感器主要由激光激发光路和荧光接收光路组成。其中的激光激发光路由激光光源1、平面反射镜2、分色镜3、耦合透镜4、光纤5组成，耦合镜4的焦点位于光纤5的输入端面501，光纤5置于样品池6中；荧光接收光路主要由耦合透镜4、分色镜3、滤光片7、聚焦透镜8和光电探测器9组成，分色镜3的表面与荧光接收光路的光轴成45°角。
上述在先技术的缺点是：
1.荧光激发效率低。如图1所示，由激光光源1输出的激光束通过耦合透镜4聚焦后进入光纤5，进入光纤5的激光束数值孔径小，光束在光纤5内的反射次数少；而且，进入光纤5的激光束的入射角范围是从0°开始的，因为光线角度越小，强度越大，而角度越小的光线的激发效率越低。同时小角度光线在光纤内的反射次数少，且穿透深度小，激发范围小。
2.光能利用率低。激光束从光纤5输入端面501进入，从输出端面503射出，这部分光没有被再利用。所以激光束的利用率只有50％。
3.荧光接收效率低。被激光束激发出的荧光信号从光纤5的两端出射，而从图1的结构中看出，只有从光纤5输入端面501出射的荧光信号被接收，从输出端面503出射的荧光信号并没有收集，因此对荧光的接收效率也只有总信号的50％。
上述三个原因导致在先技术的探测灵敏度较低，只有1.4-8摩尔/升。
4.从上述图1结构中可以看到，荧光接收光路的光轴在分色镜3左光轴O1O1与右光轴O2O2之间存在一个位移量Δd，使得整个荧光接收光路左光轴O1O1与右光轴O2O2不同轴，给设计和调试带来不便。
发明内容：
本发明含有两条光路：激光激发光路和荧光接收光路，分别用于激发光纤芯线502表面的被测物质的荧光，及接收来自光纤5的荧光信号并完成光电转换。
本发明的具体结构如图2所示，包括两条光路：激光激发光路和荧光接收光路。其中激光激发光路上，有激光光源1，有反射面与激光光源1发射激光束的中心光轴OO成45°角置放的平面反射镜2，在激光光源1与平面反射镜2之间的激光激发光路上，置有两圆锥面相对置放的第一锥形镜10和第二锥形镜11，两锥形镜10、11的圆锥面旋转中心轴线在一条直线上并与激光光源1发射的激光束中心光轴OO重合；有中心轴线O1O1与激光光源1发射激光束的中心光轴OO平行置放的置于样品池6内的光纤5，样品池6内置放染有荧光物质的被测物质601，样品池6内与被测物质601接触的光纤5是去掉包层且表面置有生物识别分子的光纤芯线502，在光纤5与平面反射镜2之间的光路上置有耦合透镜4，耦合透镜4的焦点落在光纤5的输入端面501上。有凹反射面朝向光纤5输出端面503置放的凹球面反射镜13，凹球面反射镜13的球心与光纤5输出端面503上的中心点重合。
在荧光接收光路上，在光纤5输入端面501至光电探测器9的接收面之间，首先是焦点在光纤5输入端面501上的耦合透镜4，在耦合透镜4与光电探测器9的接收面之间的光路上有滤光片7，在滤光片7与光电探测器9的接收面之间有聚焦透镜8。
在耦合透镜4与滤光片7之间的荧光接收光路上置有反射面与光纤5中心轴线O1O1相平行的道威棱镜12，道威棱镜12的入射面A1A2与光纤5的中心轴线O1O1、及平面反射镜2反射光束的中心轴线OO1成45°角，而且光纤5中心轴线O1O1与平面反射镜2反射光束中心轴线OO1相交于道威棱镜12的入射面A1A2上的中心点O1上，道威棱镜12的出射面B1B2与荧光接收光路的光轴O2O2成45°角；在聚焦透镜8与光电探测器9接收面之间的荧光接收光路上置有光阑14。
本发明的光纤倏逝波生物传感器如上所述包含两条光路：激光激发光路和荧光接收光路。在激光激发光路上，在激光光源1与平面反射镜2之间置有第一锥形镜10和第二锥形镜11，它们圆锥面的旋转中心轴线与激光光源1输出的圆形高斯光束Gg的中心光轴OO重合。在荧光接收光路上，在耦合透镜4与滤光片7之间置有道威棱镜12，道威棱镜12的入射面A1A2和出射面B1B2均与荧光接收光路的光轴成45°角，而且入射面A1A2和出射面B1B2相互垂直。在光纤5的输出端面503外面置有凹球面反射镜13，其球心与输出端面503的中心重合。
从本发明的结构如图2与在先技术的结构如图1比较，本发明的特点就是在激光激发光路上，在激光光源1与平面反射镜2之间置有由第一锥形镜10和第二锥形镜11组成的光束变换器；在荧光接收光路上，在耦合透镜4与滤光片7之间置有道威棱镜12；在光纤5的输出端面503一边置有凹球面反射镜13。由于采用道威棱镜12，荧光接收光路的光轴无位移。
所说的第一锥形镜10和第二锥形镜11的结构和材料完全相同，一透光面是平面，另一透光面都是旋转对称的圆锥面，其圆锥面与平面之间的夹角为θ，圆锥面旋转中心轴线与圆形高斯光束Gg的中心光轴OO重合，如图3所示。这两个锥形镜10、11组成一个光束变换器，它把集中在中心的入射光线翻转到远离中心的位置出射，而把在边缘入射的光线翻转到靠近旋转中心的位置出射，即把入射于第一锥形镜10上的半径为a的圆形高斯光束Gg由第二锥形镜11出射时，被变换为内半径为r、外半径为R的环形光束Gh，其宽度为R-r＝b环形光束Gh的内半径r、外半径R与两个锥形镜10、11顶点间的距离L有关，但其环宽度b＝R-r保持不变，始终等于b。如图4所示。环形光束Gh中，离开中心距离越远的点的光强度越大，如图5-2所示。R与θ、L及锥形镜折射率n之间的关系由下式决定：R＝sin2θ[ncosθ/(1-n2sin2θ)1/2-1](L/2)。通常情况下，θ为5°≤θ≤45°，L为5mm≤L≤20mm。
环形光束Gh经耦合透镜4聚焦后进入光纤5，离开中心越远的光线的入射角越大。这种环形光束可以大大提高对荧光的激发效率，一是因为入射角越大的光线在光纤5内反射次数越多，也就增加了对荧光物质的激发次数，从而可以激发较多的荧光能量；二是因为光线入射角越大，其倏逝波的穿透深度越大，这也就增大了对荧光物质的激发范围，同样可以激发较多的荧光能量。
所说的光纤5是一根多模粗光纤，其中间部分的包层被去除，露出芯线，芯线表面置有生物识别分子，表面带有生物识别分子的光纤芯线502置于样品池6内。样品池6内置有染上了荧光物质的被测物质601。当光纤芯线502表面的生物识别分子与样品池6内的被测物质601之间发生特异性结合时，荧光物质也一起附着于光纤芯线502表面，在激光束激发下，荧光物质发出荧光。
所说的凹球面反射镜13的反射球面镀有高反射膜，这是一种宽波段全反射膜，它既可以反射激光束，又可以反射由激光束激发出的荧光。激光束被反射返回到光纤5后，又一次激发光纤芯线502表面的荧光物质，使激光束的利用率提高1倍；荧光也被反射返回光纤5并通过光纤5传输后，进入荧光接收光路，使荧光接收效率提高1倍。综合本发明的总接收到的荧光能量的提高是在先技术的4倍。
所说的道威棱镜12的入射面A1A2与出射面B1B2相交的内角为90°直角。入射面A1A2镀有分色膜，它使激光束全反射，而使荧光全透射，从而实现激发的激光束和荧光信号的分离。道威棱镜12的反射面A2B2与荧光接收光路的光轴平行。道威棱镜12的出射面B1B2镀有荧光增透膜。道威棱镜12的作用：一是利用其入射面A1A2的分色膜实现激发的激光束与荧光信号的分离，阻止激发的激光束进入荧光接收光路，从而降低背景噪声；二是利用道威棱镜12不改变光轴出射方向又不产生垂轴位移的特点，使荧光接收光路在道威棱镜12前后的入射光轴O1O1与出射光轴O2O2重合。
本发明的光纤倏逝波生物传感器的工作过程是：由激光光源1发出的圆形高斯激光束Gg经第一锥形镜10和第二锥形镜11变换成环形光束Gh，经平面反射镜2反射并使光束前进方向偏转90°后，射向道威棱镜12的入射面A1A2，经入射面A1A2反射并使光束方向再偏转90°后进入耦合透镜4。耦合透镜4将环形光束Gh聚焦于光纤5的输入端面501进入光纤5，激光束在光纤芯线502内经多次反射后从光纤输出端面503射出的这部分光又被凹球面反射镜13按原路反射返回到光纤5。激光束在光纤芯线502内多次反射传播时产生的倏逝波激发光纤芯线502表面的荧光物质，荧光物质发出荧光，并有部分进入光纤5，经光纤5传输后，一部分从光纤5输入端面501射出；另一部分从输出端面503射出，又被凹球面反射镜13反射回到光纤5，再经光纤5传输后，也从光纤5输入端面501射出。由光纤5输入端面501射出的荧光信号经耦合透镜4准直后，以平行光射向道威棱镜12的入射面A1A2，由于入射面A1A2镀有分色膜，荧光透过入射面A1A2，经折射后射向道威棱镜12的反射面A2B2。由于荧光在反射面A2B2的入射角大于临界角，所以荧光经全反射后射向道威棱镜12的出射面B1B2，经折射后以平行于原光轴方向出射，而且光轴无垂轴方向位移。荧光经滤光片7进一步滤除激发的激光束后，被聚焦透镜8聚焦于光阑14处。光阑14位于与光纤5输入端面501共轭面处，它可以滤除光纤5输入端面501以外的杂光。荧光信号穿过光阑14后进入光电探测器9，被转换成与荧光通量成正比的电信号。这个电信号与光纤5表面被测物质的浓度成正比，通过分析电信号从而可以获得光纤5表面被测物质的浓度。
本发明与在先技术相比：
1.荧光激发效率高。一方面，激发的激光束Gg通过第一锥形镜10和第二锥形镜11变成环形光束Gh后再被耦合透镜4聚焦于光纤5，在光纤5内强度越大的光线的入射角大，其在光纤5内的反射次数越多，能够激发更多的荧光能量；另一方面，在光纤5内强度越大的光线的入射角越大，它的倏逝波穿透深度越大，对光纤5表面荧光物质的激发范围越大，同样可以激发更多的荧光能量。
2.光能利用率高。由凹球面反射镜13将从光纤5输出端面503出射的激发的激光束反射返回到光纤5内，两次激发荧光，使光能利用率提高1倍。
3.荧光接收效率高。凹球面反射镜13不仅可以反射激发的激光束，而且可以把从光纤5输出端面503出射的荧光反射返回到光纤5后，再进入荧光接收光路，使荧光接收效率也提高1倍。总接收荧光能量是在先技术的4倍。
4.荧光接收光路的光轴无垂轴方向位移。采用道威棱镜12的镀有分色膜的入射面A1A2将激发的激光束与荧光分离，对荧光接收光路的光轴不产生任何角度与垂轴方向上的位移，光轴O1O1与O2O2是同轴的。大大方便了设计、加工与调试。
附图说明：
图1是在先技术光纤倏逝波生物传感器的结构示意图。
图2是本发明光纤倏逝波生物传感器的结构示意图。
图3是本发明光纤倏逝波生物传感器中的第一锥形镜10与第二锥形镜11光路示意图。
图4是本发明光纤倏逝波生物传感器中输入第一锥形镜10前与由第二锥形镜11输出的光束横截面示意图。其中图4-1是输入第一锥形镜10前的圆形高斯光束Gg横截面示意图，图4-2是由第二锥形镜11输出的环形光束Gh横截面示意图。
图5是本发明光纤倏逝波生物传感器中光束变换前后光束横截面内直径方向上的光强分布示意图。其中图5-1是变换前光束Gg光强分布示意图，图5-2是圆形高斯光束Gg变换后环形光束Gh的光强分布示意图。
具体实施方式：
如图2的结构所示。激光光源1是波长为635nm的半导体激光器，输出功率为10mW，圆形高斯光束Gg的半径a＝2mm。第一、第二锥形镜10和11的结构完全相同，且均由K9光学玻璃制成，折射率n＝1.51459，其圆锥面与平面夹角θ＝30°，两个锥形镜顶点距离L＝14.9mm，出射环形光束Gh的内半径r＝4.5mm，外半径R＝6.5mm。耦合透镜4由一个双胶合镜和一个凸凹单透镜组成，焦距为17.4mm。环形光束Gh被耦合透镜4聚焦后内外孔径半角分别为14.5°和20.5°。光纤5总长为60mm，其中光纤芯线502长40mm，光纤芯线502的材料为石英，直径为φ1mm，包层材料为有机硅，它们在所用波长下的折射率分别为1.51459和1.41，所以光纤5的数值孔径为0.367，允许最大入射角为21.5°。凹球面反射镜13的曲率半径为15mm，其反射面镀宽带增强型铝全反射膜，既反射激发的激光束，又反射荧光。道威棱镜12的通光口径为15mm×15mm，其入射面A1A2镀有氧化铝、氧化锆、氧化钛和氧化硅交替层叠的介质分色膜，它对激发激光束全反射，而对荧光全透射；道威棱镜12的出射面B1B2镀荧光增透膜。滤光片7对激发的激光束的透过率≤10-5，而对荧光的透过率≥75％。聚焦透镜8是双胶合镜，焦距为25mm。光阑14的通光口径为φ1.5mm。光电探测器9为光电倍增管，位于光阑14之后约3mm处。
测量时，在样品池6内注入Cy5荧光染料溶液，然后采集荧光信号。本发明的光纤倏逝波生物传感器对Cy5荧光染料溶液的探测灵敏度为10-10摩尔/升，是在先技术的140倍。
Claims (4)
1.一种光纤倏逝波生物传感器，包括
<1>有两条光路：激光激发光路和荧光接受光路，其中激光激发光路上，有激光光源(1)，有反射面与激光光源(1)发射激光束的中心光轴(OO)成45°角置放的平面反射镜(2)，有中心轴线(O1O1)与激光光源(1)发射激光束的中心光轴(OO)平行置放的置于样品池(6)内的光纤(5)，样品池(6)内置放染有荧光物质的被测物质(601)，样品池(6)内与被测物质(601)接触的光纤(5)是去掉包层且表面置有生物识别分子的光纤芯线(502)，在光纤(5)与平面反射镜(2)之间的光路上置有耦合透镜(4)，耦合透镜(4)的焦点落在光纤(5)的输入端面(501)上；
<2>在荧光接收光路上，从光纤(5)输入端面(501)至光电探测器(9)的接收面之间，首先是焦点在光纤(5)输入端面(501)上的耦合透镜(4)，在耦合透镜(4)与光电探测器(9)的接收面之间的光路上有滤光片(7)，在滤光片(7)与光电探测器(9)的接收面之间有聚焦透镜(8)；
其特征在于：
<3>在激光光源(1)与平面反射镜(2)之间的激光激发光路上，置有两圆锥面相对置放的第一锥形镜(10)和第二锥形镜(11)，两锥形镜(10、11)的圆锥面旋转中心轴线在一条直线上并与激光光源(1)发射的激光束中心光轴(OO)重合；
<4>有凹反射面朝向光纤(5)输出端面(503)置的凹球面反射镜(13)，凹球面反射镜(13)的球心与光纤(5)输出端面(503)上的中心点重合；
<5>在耦合透镜(4)与滤光片(7)之间的荧光接收光路上置有反射面与光纤(5)中心轴线(O1O1)相平行的道威棱镜(12)，道威棱镜(12)的入射面(A1A2)与光纤(5)的中心轴线(O1O1)、及平面反射镜(2)反射光束的中心轴线(OO1)成45°角，而且光纤(5)中心轴线(O1O1)与平面反射镜(2)反射光束中心轴线(OO1)相交于道威棱镜(12)的入射面(A1A2)上的中心点(O1)，道威棱镜(12)的出射面(B1B2)与荧光接收光路的光轴(O2O2)成45°角；
<6>在聚焦透镜(8)与光电探测器(9)接收面之间的荧光接收光路上置有光阑(14)。
2.根据权利要求1所述的光纤倏逝波生物传感器，其特征在于所说的第一锥形镜(10)和第二锥形镜(11)的结构形状与构成材料完全相同，一透光面为平面，另一透光面是旋转对称的圆锥面，圆锥面与平面之间的夹角θ为5°≤θ≤45°，两锥形镜(10、11)的两圆锥面中心顶点之间的距离L为5mm≤L≤20mm。
3.根据权利要求1所述的光纤倏逝波生物传感器，其特征在于所说的凹球面反射镜(13)的凹反射面上镀有宽波段全反射膜。
4.根据权利要求1所述的光纤倏逝波生物传感器，其特征在于所说的道威棱镜(12)的入射面(A1A2)与出射面(B1B2)相交的内角为90°直角，入射面(A1A2)上镀有分色膜，出射面(B1B2)上镀有荧光增透膜。
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