CN207779880U - 一种基于纳米磁珠的光敏传感器 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开一种基于纳米磁珠的光敏传感器，包括光源、物镜、光纤、光谱仪，还包括样品池，光源通过物镜聚焦后接入光纤，将光纤的一端的一部分封装在样品池中，另一端与光谱仪连接；光纤封装在所述样品池中的部分可通过硅烷化反应连接抗原或者抗体；样品池中有纳米磁珠，纳米磁珠可连接与抗体或抗原特异性结合的待检物。本实用新型的光敏传感器具有特异性高、分离快、重现性好等特点，且制备成本低、尺寸小、便于携带，尤其可用于快速有效地从复杂环境中检测待检物。
Description
技术领域
本实用新型涉及生化分离检测领域，具体地，涉及一种基于纳米磁珠的光敏传感器。
背景技术
非荧光标记生物传感器相比传统手段具有灵敏度高、特异性好的优点，同时又避免了荧光标记带来的淬灭问题。常见的非荧光标记物有金、银、磁性纳米粒子等。纳米磁珠因其磁性分离技术目前已被广泛地应用于生物医学的快速分离纯化和检测等领域中，利用磁性纳米微粒载体结合的抗原或抗体进行免疫分析，具有特异性高、分离快、重现性好等特点。
纳米光纤消逝场传感器以其灵敏度高、结构简单、成本低廉、便于集成、抗电磁干扰能力强等优点，受到日益广泛的关注。纳米光纤生化传感器与其他免疫检测手段相比具有响应快、灵敏度高、体积小等优势，且具备阵列化和多目标同时检测的巨大潜力，是一种功能强大的光学生化检测手段。当光在光纤中传输时，在低折射率的包层中会有在垂直于轴向传播方向迅速衰减的消逝场。纳米磁珠对光纤传输特性的影响是通过其对光纤消逝场的散射和吸收造成的。
纳米小球对光纤消逝场能量吸收和散射的总和称为消光度。Qsca为微纳米小球的散射效率、Qext为消光效率、Qabs为吸收效率，则：
Qext＝Qsca+Qabs
当小球之间间隔足够远时，可以认为小球是相互独立的，即小球之间不会相互影响局域场分布，因此多个小球的共同散射效果就是所有小球散射的线性叠加，即：
Pout＝Pinexp(-ηsQextN)
式中Pin、Pout分别为纳米光纤的输入光功率和输出光功率，Qext为微纳米小球的消光效率，ηs为有效消逝场功率占有率，N为纳米小球的总数目。
纳米小球的消光效率Qext与颗粒的大小、介电常数和磁导率相关，其对光的散射和吸收，Mie早于1908年通过麦克斯韦方程组提出米氏方程，并为Qext给出了精确的数学解。纳米小球对光纤传输能量的损耗除与单个小球本身的消光效率有关，还取决于轴向入射到小球几何横截面上的消逝场功率占有率，即有效消逝场功率占有率ηs。本推导过程认为纳米小球直接吸附在光纤表面，因此，小球的有效功率占有率由光纤直径和入射波长决定。令Ωs为微纳米小球的几何横截面，则
式中为微纳米小球几何横截面内任意一点的消逝场功率密度，则表示轴向入射到微纳米小球几何横截面上的消逝场功率；而P为该光纤横截面内总功率占有率。
Qextηs为纳米磁珠对光纤消逝场的有效消光效率Qeff，则可以表示为:
随着纳米技术的进步，高灵敏度生物传感器逐渐涌现，在复杂检测环境中，如在血清、唾液、尿液、食物、污水等环境中，实现高选择性、高可靠性检测的需要显得尤为迫切。
实用新型内容
本实用新型的目的是提供一种基于纳米磁珠的光敏传感器，以解决上述技术问题中的至少一个。
根据本实用新型的一个方面，提供一种基于纳米磁珠的光敏传感器，包括光源、物镜、光纤、光谱仪，还包括样品池，光源通过物镜聚焦后接入光纤，将光纤的一端的一部分封装在样品池中，另一端与光谱仪连接；光纤封装在所述样品池中的部分可通过硅烷化反应连接抗原或者抗体；样品池中有纳米磁珠，纳米磁珠可连接与抗体或抗原特异性结合的待检物。优选地，纳米磁珠的直径为200～300nm。
优选地，光源的工作波长为500～700nm。
优选地，光源的工作波长为525nm。
优选地，光纤的锥腰直径为300～500nm。
优选地，光纤的锥腰直径为380nm。
本实用新型一种基于纳米磁珠的光敏传感器基于抗体抗原之间的特异性结合作用以及光纤表面的纳米磁珠对纳米光纤光传输特性的影响，实现了抗体抗原之间特异性结合信号的放大作用，能够快速有效地从复杂环境中检测待检物。而且本发明的光敏传感器具有灵敏度高、特异性好、成本低、尺寸小、抗电磁干扰等优点。
附图说明
图1为纳米磁珠的有效消光效率随波长变化的关系图；
图2为基于纳米磁珠的光敏传感器的示意图；
图3为光纤封装在样品池中的示意图；
图4为纳米光纤输出光强随着表面固定链霉亲和素的纳米磁珠吸附的变化曲线图；
图5为纳米光纤输出光强随着表面固定羊IgG抗原的纳米磁珠吸附的变化曲线图。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，而不是全部的实施例。
本实用新型实施例2和3都采用了如下表面处理方法：
(1)光纤2表面处理
(a)清洗，使用浓硫酸与双氧水体积比为3:1的混合溶液于70℃处理光纤10分钟，再热水清洗表面10分钟，清洗后光纤2表面生成带活性的羟基。
(b)硅烷化，用丙酮清洗光纤2表面，直到彻底清除样品池5内的水。采用丙酮与硅烷体积比为19:1的混合液处理2分钟，用丙酮多次清洗，移除未参与反应的硅烷，再用去离子水清洗，使硅烷水解30分钟，使光纤2表面生成一层活性官能团氨基。
(c)固定目标生物大分子，采用体积比为10％的戊二醛水溶液对纳米光纤2处理60分钟，处理后光纤2表面形成醛基，去离子水清洗光纤表面，再用0.1mol/L的磷酸盐(PBS)缓冲液清洗样品池5，加入质量浓度为200μg/mL的需固定在纳米光纤表面的生物大分子溶液(例如，抗体溶液)，使其与醛基反应60分钟，使用10mg/mL的上述生物大分子溶液处理30分钟，封闭光纤2表面的空白位点，最后用PBS缓冲液清洗3次。
(2)纳米磁珠表面处理
本实用新型采用的纳米磁珠的表面官能团为环氧基(购自天津贝思乐)。取10μL纳米磁珠溶液，超声处理3分钟，减少磁珠聚集的可能性。用0.1mol/L的PBS缓冲溶液反复清洗3次，洗掉悬浮剂等杂质，加入40μL PBS溶液、50μL饱和硫酸铵溶液和10μL质量浓度为1mg/mL的需固定在纳米磁珠表面的生物大分子溶液(例如，含有待检抗原的溶液)，混合均匀，使目标生物大分子与磁珠表面的环氧基在饱和硫酸铵作用下充分反应，制备亲和素包被的免疫纳米磁珠。
实施例1
纳米磁珠直径的确定
目前，500nm的光纤制备和封装工作已经十分成熟，基于上述理论分析，分别计算直径为50、100、200、300、400、500nm的纳米磁珠对直径为500nm的纳米光纤的有效消光效率随工作波长的变化关系，如图1所示，其中Ds为纳米小球直径。50nm和100nm的纳米磁珠对500nm纳米光纤的消光效率分别为1.54×10-4和1.89×10-3，若要用纳米光纤检测到单个50nm和100nm的纳米磁珠，对探测器的要求较高，难以实现。400nm和500nm的磁珠对纳米光纤有很高的消光效率，分别为0.055和0.08，但是考虑到其质量较大，在溶液中易沉淀，不适合用作生化检测标记物。而直径为200～300nm的磁珠，其对500nm纳米光纤的消光效率分别为0.015和0.035，作为光学检测标记物时，500nm的纳米光纤和普通的探测器即能满足单纳米粒子检测的要求，且在溶液中能保持较好悬浮性。综合对纳米磁珠消光效率和溶液中悬浮性的考虑，200～300nm的纳米磁珠最适合与纳米光纤传感器结合实现前处理和信号放大的双重功能，因而选择200～300nm的纳米磁珠作为研究对象从理论和实验两方面验证纳米磁珠作为生化检测标记物的功能。
本实用新型实施例2和3均采用纳米磁珠的直径为200～300nm。
实施例2
实验装置如图2所示，光源1为绿光LED，中心波长为525nm，光纤2的锥腰直径为380nm，光谱仪3的分辨率为0.003，物镜4为40倍放大显微物镜。如图3所示，制备好的光纤2被封装在由聚四氟乙烯制成的样品池5中，样品池5带密封盖。光纤2和纳米磁珠通过表面处理，在光纤表面固定生物素化牛血清蛋白，在纳米磁珠表面固定链霉亲和素。
光源1经物镜4聚焦后，耦合进纳米光纤2，在光纤2的输出端连接光谱仪3，采用光谱仪3,采集光强信号，数据由笔记本电脑存储处理。开始测试时，向样品池5中加入一滴该纳米磁珠溶液。纳米磁珠通过生物素-亲和素反应吸附在光纤(2)的表面。由于光谱仪3的实时采集速率为每秒20次，实验中使用的纳米磁珠溶液浓度很低，向去离子水浸泡的样品池中滴入一滴磁珠溶液后，纳米磁珠会在溶液中扩散开，从而在一个采样区间内观察到两个以上磁珠吸附到光纤上的可能性大大减小，单个的纳米磁珠依次结合到光纤2表面。图4是纳米光纤的输出光强随时间变化，即输出光强随着纳米磁珠吸附到纳米光纤表面的变化关系，纵坐标为纳米光纤实时输出光强，横坐标为时间。当没有磁珠吸附到光纤上时，输出光强稳定不变；当有纳米磁珠吸附到光纤表面时会带来散射和吸收损耗使输出光强下降。
实施例3
光纤2和纳米磁珠通过表面处理，在光纤表面固定兔抗羊IgG抗体，在纳米磁珠表面固定羊IgG抗原。实验装置的其余部件跟连接方式与实施例2相同。开始测试时，向样品池5中加入一滴该纳米磁珠溶液。纳米磁珠通过抗体-抗原反应吸附在光纤(2)的表面。实时监测输出光强，得到的传输曲线如图5所示，纳米磁珠和纳米光纤生化传感器结合进行生化检测时有很明显的响应，说明纳米磁珠能依次通过抗原抗体反应吸附在纳米光纤表面，引起光纤传输特性改变。
以上实施例仅用以说明本实用新型的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本实用新型进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解，技术人员阅读本申请说明书后依然可以对本实用新型的具体实施方式进行修改或者等同替换，但这些修改或变更均未脱离本实用新型申请待批权利要求保护范围之内。
Claims (6)
1.一种基于纳米磁珠的光敏传感器，包括光源(1)、物镜(4)、光纤(2)、光谱仪(3)，其特征在于：还包括样品池(5)，所述光源(1)通过所述物镜(4)聚焦后接入所述光纤(2)，将光纤(2)的一端的一部分封装在样品池(5)中，另一端与光谱仪(3)连接；所述光纤(2)封装在所述样品池(5)中的所述部分可通过硅烷化反应连接抗原或者抗体；所述样品池(5)中有纳米磁珠，所述纳米磁珠可连接与所述抗体或抗原特异性结合的待检物。
2.如权利要求1所述基于纳米磁珠的光敏传感器，其特征在于：所述纳米磁珠的直径为200～300nm。
3.如权利要求1所述基于纳米磁珠的光敏传感器，其特征在于：所述光源(1)的工作波长为500～700nm。
4.如权利要求3所述基于纳米磁珠的光敏传感器，其特征在于：所述光源(1)的工作波长为525nm。
5.如权利要求1所述基于纳米磁珠的光敏传感器，其特征在于：所述光纤(2)的锥腰直径为300～500nm。
6.如权利要求5所述基于纳米磁珠的光敏传感器，其特征在于：所述光纤(2)的锥腰直径为380nm。
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| CN201820212282.5U CN207779880U (zh) | 2018-02-07 | 2018-02-07 | 一种基于纳米磁珠的光敏传感器 |
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Cited By (1)
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|---|---|---|---|---|
| CN109342330A (zh) * | 2018-10-26 | 2019-02-15 | 南昌航空大学 | 一种光纤生物传感器及其检测方法 |
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2018
- 2018-02-07 CN CN201820212282.5U patent/CN207779880U/zh active Active
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