CN210322790U

CN210322790U - 一种多通道光纤荧光传感器

Info

Publication number: CN210322790U
Application number: CN201920806184.9U
Authority: CN
Inventors: 刘婷; 王文琪; 丁鹤; 刘志群; 易定容
Original assignee: Huaqiao University
Current assignee: Huaqiao University
Priority date: 2019-05-30
Filing date: 2019-05-30
Publication date: 2020-04-14
Anticipated expiration: 2029-05-30

Abstract

本实用新型提供一种多通道光纤荧光传感器，包括光源、激发光分光装置、与所述激发光分光装置连接的信号光分光装置、分别与所述信号光分光装置连接的探头阵列和滤光装置、与所述滤光装置连接的成像系统以及分别与所述光源和所述成像系统通讯连接的控制和数据显示终端，所述探头阵列包括光纤探头，所述光纤探头具有裸露芯区和量子点。光源发出的激发光经分光装置耦合分别进入不同的光纤探头，在探头表面产生的倏逝波激发探头上的量子点产生荧光信号，该荧光信号的信号光被光纤探头收集并经过分光装置耦合进滤光模块，实现多通道的荧光信号采集，其检测结构可直观显示在成像系统中，成本相对较低、体积相对较小、携带方便且可迅速获取结果。

Description

一种多通道光纤荧光传感器

技术领域

本实用新型涉及一种生化传感设备，尤其是一种多通道光纤荧光传感器。

背景技术

光纤荧光传感器是一种将荧光检测技术和光纤传感技术有机结合的新型传感器，此类传感器以光纤为传光载体，用远端的探头进行样品的检测和荧光信号的采集，与传统的传感器相比，光纤荧光传感器因其体积小、抗电磁干扰能力强、耐腐蚀且具有灵敏度高、特异性好、响应速度快等优点而被广泛应用。

然而，现有的光纤荧光传感器大多数为单一检测通道，存在着检测量单一、检测物质种类有限和检测效率低等缺点。随着生化检测领域对样品检测速度要求的提高，发展多通道光纤荧光检测技术和仪器迫在眉睫。

目前已有的多通道光纤荧光传感器实现方案主要有两种：一种是基于多探测器实现，另一种是基于光纤光谱仪实现传感；前者系统复杂，成本相对较高，且体积大，携带不方便，难以应用到现场检测；后者强度信息不直观，难以迅速获取结果。

有鉴于此，本申请人对多通道光纤荧光传感器进行了深入的研究，遂有本案产生。

实用新型内容

本实用新型的目的在于提供一种成本相对较低、体积相对较小、携带方便且可迅速获取结果的多通道光纤传感器。

为了实现上述目的，本实用新型采用如下技术方案：

一种多通道光纤荧光传感器，包括具有蓝紫光波长的光源、与所述光源连接的激发光分光装置、与所述激发光分光装置连接的信号光分光装置、分别与所述信号光分光装置连接的探头阵列和滤光装置、与所述滤光装置连接的成像系统以及分别与所述光源和所述成像系统通讯连接的控制和数据显示终端，所述探头阵列包括两个以上的光纤探头，所述光纤探头具有经生物活化处理的裸露芯区、与所述裸露芯区连接的量子点和用于识别待检物的生物分子。

作为本实用新型的一种改进，所述滤光装置包括两个以上相互组合布置的带通滤光片。

作为本实用新型的一种改进，所述成像系统包括与设置于所述滤光装置的出口端的镜头和与所述镜头配合的CMOS图像传感器或CCD图像传感器，所述CMOS图像传感器或所述CCD图像传感器与所述控制和数据显示终端无线通讯连接。

作为本实用新型的一种改进，所述光源和所述激发光分光装置以及所述信号光分光装置与各所述光纤探头之间分别通过光纤连接器可拆卸连接。

作为本实用新型的一种改进，所述光源为带有输出尾纤的LED光源、固体激光器或半导体激光器，所述输出尾纤为单模或多模光纤。

作为本实用新型的一种改进，所述激发光分光装置包括1×N光纤耦合器、1×N光纤分束器或1×N光纤波分复用器，所述信号光分光装置包括N个2×1光纤耦合器、2×1光纤环路器或2×1光纤波分复用器，其中N为自然数，且N大于或等于所述光纤探头的数量，所述1×N光纤耦合器、所述1×N光纤分束器或所述1×N光纤波分复用器的输入端与所述光源连接，N个输出端分别与各所述2×1光纤耦合器、各所述2×1光纤环路器或各所述2×1光纤波分复用器的其中一个第一端口一对一连接，各所述2×1光纤耦合器、各所述2×1光纤环路器或各所述2×1光纤波分复用器的另一个第一端口分别与所述滤光装置连接，第二端口分别与各所述光纤探头一对一连接。

作为本实用新型的一种改进，还包括壳体，所述光源、所述激发光分光装置、所述信号光分光装置、所述滤光模块和所述成像系统封装于所述壳体内，所述控制和数据显示终端封装于所述壳体内或者位于所述壳体外。

作为本实用新型的一种改进，所述激发光分光装置和所述信号光分光装置相互连接形成光纤分光装置。

作为本实用新型的一种改进，所述控制和数据显示终端为手机、平板电脑或微型电脑。

采用上述技术方案，本实用新型具有以下有益效果：

1、通过设置分光装置和探头阵列，由光源发出的激发光经分光装置耦合分别进入不同的光纤探头，在探头表面产生的倏逝波激发探头上的量子点产生荧光信号，该荧光信号的信号光被光纤探头收集并经过分光装置耦合进滤光模块，实现多通道的荧光信号采集，其检测结构可直观显示在成像系统中，与现有多通道光纤荧光传感器实现方案相比，成本相对较低、体积相对较小、携带方便且可迅速获取结果。

2、本实用新型提供的多通道光纤荧光传感器能够实现对多种物质(重金属离子、细菌、毒素等)的便捷、快速、准确的测量，是一种可应于多种生化检测领域的小型、高效、便捷的传感器。

3本实用新型提供的多通道光纤荧光传感器光路相对简单，稳定性相对较好，且检测精度相对较高。

4、通过无线通讯连接，可实现实时远程检测。

附图说明

图1为本实用新型多通道光纤荧光传感器的结构示意图。

图中标示对应如下：

10-光源； 20-激发光分光装置；

30-信号光分光装置； 40-探头阵列；

41-光纤探头； 50-滤光装置；

60-成像系统； 70-控制和数据显示终端。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本实用新型做进一步的说明。

如图1所示，本实施例提供的多通道光纤荧光传感器，包括具有蓝紫光波长的光源10、与光源10连接的激发光分光装置20、与激发光分光装置20连接的信号光分光装置30、分别与信号光分光装置30连接的探头阵列40和滤光装置50、与滤光装置50连接的成像系统60以及分别与光源10和成像系统60通讯连接的控制和数据显示终端70，其中，激发光分光装置20和信号光分光装置30相互连接形成光纤分光装置。

光源10主要用于激发下文将会提及的量子点产生荧光，即光源10主要用于提供量子点荧光激发所需的激发光，其可以为带有输出尾纤的LED光源、半导体激光器和固体激光器中任一种光源，优选的，在本实施例中，光源10为带有输出尾纤的LED光源，该输出尾纤为单模或多模光纤，其可以通过光纤连接器与多种光纤器件进行耦合。

探头阵列40包括两个以上相互独立布置的光纤探头41(图1中以四个为例进行示意)，光纤探头41的具体数量可以根据实际需要设置，各光纤探头41都具有经生物活化处理的裸露芯区、与裸露芯区连接的量子点和用于识别待检物的生物分子，其中量子点主要用于修饰待检生化样品，具体的，每个光纤探头41分别按常规的方法修饰有能够对特定待检物特异性识别的生物分子和用于荧光指示的量子点，从而可通过量子点荧光信号的强度判定待检物的含量，当然，每个光纤探头41上的生物分子所能够识别的待检物特异性互不相同，裸露芯区为一段裸露在光纤探头41外部的单模或多模光纤段，该光纤段采用化学腐蚀法、熔融拉锥法或研磨法制备获得，并经生物活化处理，用于连接待检物和量子点，需要说明的是，生物活化处理方法以及化学腐蚀法、熔融拉锥法或研磨法的具体方法都是常规的方法，并非本实施例的重点，此处不再详述。

光纤分光装置主要用于将光源10提供的激发光耦合到光纤探头41中，并将光纤探头41收集的信号光反向耦合传输至滤光装置50。如上文所示，光纤分光装置包括激发光分光装置20和信号光分光装置30，激发光分光装置20包括可从市场上直接购买获得的1×N光纤耦合器、1×N光纤分束器或1×N光纤波分复用器，用于将激发光等比分束，在本实施例中以激发光分光装置20包括1×N光纤耦合器为例进行说明，其中的1×N指的是该光纤耦合器具有一个输入端和N个输出端；信号光分光装置包括N个相互独立布置且可从市场上直接购买获得的2×1光纤耦合器、2×1光纤环路器或2×1光纤波分复用器，在本实施例中以信号光分光装置包括N个2×1光纤耦合器为例进行说明，N个2×1光纤耦合器阵列布置，其能够将激发光耦合进光纤探头41并将光纤探头41收集的信号光反向耦合传输至滤光装置50，2×1光纤耦合器中的2×1指的是该光纤耦合器具有两个第一端口和一个第二端口，需要说明的是，上述N为自然数，且N大于或等于光纤探头41的数量。此外，1×N光纤耦合器、1×N光纤分束器或1×N光纤波分复用器的输入端与光源10连接，N个输出端分别与各2×1光纤耦合器、各2×1光纤环路器或各2×1光纤波分复用器的其中一个第一端口一对一连接，各2×1光纤耦合器、各2×1光纤环路器或各2×1光纤波分复用器的另一个第一端口(该第一端口作为信号光分光装置30的输出端使用)分别与滤光装置50的输入端连接，第二端口分别与各光纤探头41一对一连接，当然，N大于光纤探头41的数量时，各2×1光纤耦合器、各2×1光纤环路器或各2×1光纤波分复用器的的第二端口没有连接光纤探头41。

滤光装置50包括两个以上相互组合布置的带通滤光片，用于多路荧光信号中滤除激发光而让信号光通过，同时可过滤信号光中存在的杂散光，带通滤光片的通带波长为与量子点荧光波长相对应的滤光片。具体的滤光片的数量及其具体布置结构为常规的结构，只要能够实现多路荧光信号中滤除激发光而让信号光通过的功能即可，此处不再详述。当然，也可以采用能够实现同样功能的微滤片、光纤光栅或光纤滤波器代替上述滤光片。此外，在本实施例中，以信号光的从光纤分光装置的出射端为滤光装置50的输入端，相应的另一端为输出端。

成像系统60包括与设置于滤光装置50的出口端的镜头和与镜头配合的CMOS图像传感器或CCD图像传感器，主要用于采集多路荧光信号的光斑图像，其中，CMOS图像传感器或CCD图像传感器与控制和数据显示终端70无线通讯连接，这样可通过无线传输将采集的图片实时传输到控制和数据显示终端70并进行图像信号处理得到待检测物的浓度信息。需要说明的是可以直接采用手机、平板或数码相机等移动智能设备上对应的零部件作为成像系统60。

控制和数据显示终端70用于对整个传感器的控制和对成像系统60传送过来的的图像进行读取、处理和结果显示，其通过分析图像中每个光斑的光强信息得到对应的检测物的浓度信息，最终生成检测报告。控制和数据显示终端70可采用常规的终端，甚至可以直接将手机、平板电脑或微型电脑(包括树莓派)作为控制和数据显示终端70使用。

优选的，在本实施例中，光源10和激发光分光装置20以及信号光分光装置30与各光纤探头41之间分别通过光纤连接器可拆卸连接，以此确保整个光路为全光纤结构，信号传输稳定可靠；具体的光纤连接器可以根据实际需要进行选择，例如FC型光纤连接器、SMA905型光纤连接器、ST型光纤连接器或SC型光纤连接器等。

此外，本实施例提供的多通道光纤荧光传感器还包括壳体(图中未示出)，光源10、激发光分光装置20、信号光分光装置30、滤光模块50、成像系统60和控制和数据显示终端70封装于壳体内，这样便于携带，当然，探头阵列40需位于壳体外并通过光纤与壳体上的光纤连接器连接。必要时，控制和数据显示终端70也可不封装于壳体内，即光源10、激发光分光装置20、信号光分光装置30、滤光模块50和成像系统60封装于壳体内，控制和数据显示终端70封装于壳体内或者壳体外。

本实施例的多通道光纤荧光传感器通过光纤探头阵列40实现多通道传感，具有便携性，是一种可以应用于环境检测、生化检测以及食品安全等领域的多通道光纤荧光传感系统，有着重要的研究价值和良好的商业推广性，使用时，利用光纤分光装置，能够实现对多个光纤探头41进行激发和信号的收集，并利用图像传感的方式获取荧光信号图像，通过控制和数据显示终端70对系统进行控制和信号的采集与处理，能够实现多种待测物的同时检测，最终实现对多种有害物质的实时稳定的监测和即时生成检测报告。

以用于检测水溶液中的Hg²⁺、氧化乐果、微囊藻毒素-LR和大肠杆菌的多通道光纤荧光传感器为例，光源10采用一台中心波长在405nm、出纤功率为10mW的小型带尾纤半导体激光器，输出尾纤是纤芯和包层直径分别为105μm和125μm的多模光纤；光纤分光装置中，激发光分光装置20采用一个1×4单模光纤耦合器实现，用于将激发光等比分束，信号光分光装置30采用四个2×1的单多模光纤耦合器阵列实现，能够将激发光耦合进光纤探头41并将光纤探头41收集的信号光反向耦合传输至滤光模块50；探头阵列40是将四根105μm/125μm的多模光纤通过氢氟酸化学腐蚀法制备成锥柱组合型结构，再进行氨基和醛基生物活化后并分别包被上可捕获Hg²⁺、氧化乐果、微囊藻毒素-LR和大肠杆菌的捕获链核酸适配体，另一段修饰有不同发射波长量子点的报告链核酸适配体，在其对应特征待检物的作用下可与探头上的捕获链核酸适配体结合，从而根据四个通道的量子点的荧光强度信号实现对Hg²⁺、氧化乐果、微囊藻毒素-LR和大肠杆菌四种物质浓度的检测；滤光模块50是由四个带通滤光片组成，它们的通带波长与上述四种量子点的发射波长相一致，放置在信号光分光装置30输出端，用于成像前滤除系统的激发光及信号中存在的杂散光；成像系统60是主要由镜头和无线黑白CMOS图像传感器组成，能对四路荧光信号进行成像，显示为四个光斑，图像传感器拍摄好的图片通过无线传输至远端的控制和数据显示终端70进行图片的分析和处理；控制和数据显示终端70可采用树莓派实现，通过计算四个光斑的灰度值信息得到量子点的荧光强度信息，从而得到四种待测物的浓度信息，能够实现对水环境中以上物质的快速、便捷、准确的检测和远程的实时监测。

上面结合附图对本实用新型做了详细的说明，但是本实用新型的实施方式并不仅限于上述实施方式，本领域技术人员根据现有技术可以对本实用新型做出各种变形，这些都属于本实用新型的保护范围。

Claims

1.一种多通道光纤荧光传感器，其特征在于，包括具有蓝紫光波长的光源、与所述光源连接的激发光分光装置、与所述激发光分光装置连接的信号光分光装置、分别与所述信号光分光装置连接的探头阵列和滤光装置、与所述滤光装置连接的成像系统以及分别与所述光源和所述成像系统通讯连接的控制和数据显示终端，所述探头阵列包括两个以上的光纤探头，所述光纤探头具有经生物活化处理的裸露芯区、与所述裸露芯区连接的量子点和用于识别待检物的生物分子。

2.如权利要求1所述的多通道光纤荧光传感器，其特征在于，所述滤光装置包括两个以上相互组合布置的带通滤光片。

3.如权利要求1所述的多通道光纤荧光传感器，其特征在于，所述成像系统包括与设置于所述滤光装置的出口端的镜头和与所述镜头配合的CMOS图像传感器或CCD图像传感器，所述CMOS图像传感器或所述CCD图像传感器与所述控制和数据显示终端无线通讯连接。

4.如权利要求1所述的多通道光纤荧光传感器，其特征在于，所述光源和所述激发光分光装置以及所述信号光分光装置与各所述光纤探头之间分别通过光纤连接器可拆卸连接。

5.如权利要求1所述的多通道光纤荧光传感器，其特征在于，所述光源为带有输出尾纤的LED光源、半导体激光器或固体激光器，所述输出尾纤为单模或多模光纤。

6.如权利要求1所述的多通道光纤荧光传感器，其特征在于，所述激发光分光装置包括1×N光纤耦合器、1×N光纤分束器或1×N光纤波分复用器，所述信号光分光装置包括N个2×1光纤耦合器、2×1光纤环路器或2×1光纤波分复用器，其中N为自然数，且N大于或等于所述光纤探头的数量，所述1×N光纤耦合器、所述1×N光纤分束器或所述1×N光纤波分复用器的输入端与所述光源连接，N个输出端分别与各所述2×1光纤耦合器、各所述2×1光纤环路器或各所述2×1光纤波分复用器的其中一个第一端口一对一连接，各所述2×1光纤耦合器、各所述2×1光纤环路器或各所述2×1光纤波分复用器的另一个第一端口分别与所述滤光装置连接，第二端口分别与各所述光纤探头一对一连接。

7.如权利要求1-6中任一权利要求所述的多通道光纤荧光传感器，其特征在于，还包括壳体，所述光源、所述激发光分光装置、所述信号光分光装置、所述滤光装置和所述成像系统封装于所述壳体内，所述控制和数据显示终端封装于所述壳体内或者位于所述壳体外。

8.如权利要求1-6中任一权利要求所述的多通道光纤荧光传感器，其特征在于，所述激发光分光装置和所述信号光分光装置相互连接形成光纤分光装置。

9.如权利要求1-6中任一权利要求所述的多通道光纤荧光传感器，其特征在于，所述控制和数据显示终端为手机、平板电脑或微型电脑。