CN2674441Y

CN2674441Y - 多探头光纤倏逝波生物传感器

Info

Publication number: CN2674441Y
Application number: CN 03229124
Authority: CN
Inventors: 黄惠杰; 翟俊辉; 赵永凯; 杨瑞馥; 任冰强; 程兆谷; 杜龙龙; 路敦武
Original assignee: Institute of Microbiology and Epidemiology of AMMS; Shanghai Institute of Optics and Fine Mechanics of CAS
Current assignee: Institute of Microbiology and Epidemiology of AMMS; Shanghai Institute of Optics and Fine Mechanics of CAS
Priority date: 2003-02-28
Filing date: 2003-02-28
Publication date: 2005-01-26
Anticipated expiration: 2013-02-28

Abstract

本实用新型多探头光纤倏逝波生物传感器包括激光激发光路、荧光接收光路、样品流路和扫描驱动系统，分别用于激发光纤芯线表面的被测生物物质的荧光、接收来自光纤的荧光信号并完成光电转换、样品的吸入及对多根光纤上荧光信号的扫描检测。本实用新型具有荧光激发效率高、光能利用率高、荧光接收效率高和检测效率高的特点。

Description

多探头光纤倏逝波生物传感器

技术领域：

本实用新型涉及一种多探头光纤倏逝波生物传感器，该传感器在生物医学、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，还可以监测生物反应的动态过程。

背景技术：

多探头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以生物亲和反应而附着于光纤芯线表面的标记有荧光染料的生物分子。把表面固定了生物识别分子的光纤置于样品中，样品中标记了荧光染料的生物分子，如果与固定在光纤芯线表面的生物识别分子来自于同一种生物，则两者将发生亲和反应，样品中的被测生物分子连同所标记的荧光染料一起结合到光纤表面。一根光纤只能探测样品中的一种生物物质的属性及其含量，而将多根光纤同时置于一个样品中，则可同时探测该样品中多种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页的一个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，耦合透镜4的焦点位于光纤5的输入端面501，光纤5置于样品池6的样品601中；荧光接收光路主要由耦合透镜4、分色镜3、荧光滤光片7、聚焦透镜8、光电探测器9和计算机10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。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被收集，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1.4×10^-8摩尔/升。

4.探测效率低。该传感器的样品池6中只有一根光纤，一次只能探测样品601中的一种生物物质。

实用新型内容：

本实用新型要解决的技术问题在于克服上述在先技术的缺点，提供一种改进的多探头光纤倏逝波生物传感器，以提高其荧光激发效率、光能利用率、荧光接收效率和检测效率。

本实用新型的技术解决方案如下：

一种多探头光纤倏逝波生物传感器，包含有激光激发光路和荧光接收光路，其特点是：

①所述的激光激发光路，包括激光光源，沿该激光光源发出的光束前进方向上，依次设置有第一锥形镜、第二锥形镜、分色镜、耦合透镜和光纤，该耦合透镜的焦点与光纤输入端面的中心重合；

②所述的荧光接收光路，从光纤出发，依次为耦合透镜、分色镜、荧光滤光片、聚焦透镜、光阑和光电探测器；

③所述激光激发光路的光轴OO与荧光接收光路的光轴O₁O₁相互垂直，且均与分色镜的表面成45°；

④还有样品流路，由样品池、样品入口、样品出口和液泵组成，所述的样品池内可一维地等间距地排列多根光纤；

⑤还有扫描驱动系统，由计算机和带可控驱动的移动平台组成，样品池置于该移动平台上；

⑥所述的计算机用于采集光电探测器输出的电信号并进行数据处理，该计算机还控制移动平台和液泵的工作，以完成多根光纤荧光信号的扫描检测。

所述的第一锥形镜的前表面为平面，后表面为凹面，第二锥形镜的前表面为凸面，后表面为平面，两锥形镜的圆锥面的母线与平面的夹角为θ，该θ的取值范围为5°～45°，两锥形镜顶点之间的距离L的取值范围为5mm～20mm。

所述的光纤为多根多模光纤，且每根光纤的一部分包层被除掉，露出芯线，每根芯线的表面固定有不同的生物识别分子。

所述的光纤输出端面镀有宽带反射介质薄膜。

所述的光阑位于光纤输入端的共轭面处。

本实用新型与在先技术相比具有下列技术效果：

1.荧光激发效率高。一方面，圆形高斯光束通过第一锥形镜和第二锥形镜变成环形光束后再被耦合透镜聚焦于光纤的输入端面，从而增大了激光束在光纤内的入射角，使激光束在光纤内的反射次数增多，能够激发出更多的荧光能量；另一方面，在光纤内光线的入射角越大，它的倏逝波穿透深度越大，对光纤表面荧光染料的激发范围越大，这同样可以激发出更多的荧光能量。

2.光能利用率高。光纤的输出端面镀有宽带介质全反射膜，将入射到该端面的激发激光束反射回到光纤内，两次激发荧光，使光能利用率提高1倍。

3.荧光接收效率高。光纤的镀有宽带介质全反射膜的输出端面不仅可以反射激发激光束，而且可以把传输到光纤输出端面的荧光反射回到光纤，经光纤传输后再进入荧光接收光路，使荧光接收效率也提高1倍。所以，本实用新型的总荧光信号强度是在先技术的4倍。

4.检测效率高。本实用新型的样品池内同时放置了多根光纤，不同的光纤芯线表面固定了不同的生物识别分子，所以一次可探测一个样品中多种生物物质。而在先技术的样品池6内只有一根光纤，一次只能探测样品中的一种生物物质。如果本实用新型的样品池6内放置了多根表面固定了不同生物识别分子的光纤，则本实用新型的检测效率是在先技术的多倍。

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是本实用新型多探头光纤倏逝波生物传感器的结构示意图。

图3是本实用新型多探头光纤倏逝波生物传感器中的第一锥形镜11与第二锥形镜12组成的光束变换器光路示意图。

图4是本实用新型多探头光纤倏逝波生物传感器中第一锥形镜11入射面处圆形高斯光束AA与第二锥形镜11出射面处环形光束BB的横截面示意图。其中图4-1是第一锥形镜11入射面处圆形高斯光束AA的横截面示意图，图4-2是第二锥形镜12出射面处环形光束BB的横截面示意图。

具体实施方式：

先请参阅图2，图2是本实用新型多探头光纤倏逝波生物传感器的结构示意图，由图可见，本实用新型多探头光纤倏逝波生物传感器包括激光激发光路、荧光接收光路、样品流路和扫描驱动系统，分别用于激发光纤芯线502表面的被测生物物质的荧光、接收来自光纤5的荧光信号并完成光电转换、样品的吸入及对多根光纤上荧光信号的扫描检测。

在激光激发光路上，沿着激光光源1发出的圆形高斯光束AA前进方向上，依次置有第一锥形镜11、第二锥形镜12、分色镜3、耦合透镜4、光纤5，耦合透镜4的焦点与光纤5输入端面501的中心重合。在荧光接收光路上，从光纤5出发，依次置有耦合透镜4、分色镜3、荧光滤光片7、聚焦透镜8、光阑13、光电探测器9。激光激发光路的光轴OO与荧光接收光路的光轴O₁O₁相互垂直，且均与分色镜3的表面成45°角。样品流路由样品池6、样品入口602、液泵14和样品出口603组成。样品池6内放置多根光纤，多根光纤一维等间距排列，各光纤输入端面的中心点位于一条直线上。样品池6内的样品601中的生物分子标记了荧光染料。样品池6内与被测样品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，光纤输出端面503镀全反射光学薄膜。扫描驱动系统有计算机10和移动平台15组成。样品池6置于移动平台15上面，与移动平台15一起沿多根光纤5的排列方向作一维扫描运动。计算机10用于采集光电探测器9输出的电信号、控制移动平台15作一维扫描运动及液泵14吸入样品。

从本实用新型的结构图2和在先技术的结构图1比较，本实用新型的特点就是：在激光光源1与分色镜3之间的激光激发光路上置有第一锥形镜11和第二锥形镜12，这两个锥形镜组成光束变换器；样品池6内放置了多根光纤5；光纤输出端面503镀有全反射光学薄膜；样品池6置于移动平台15之上，在计算机10控制下样品池6与移动平台15一起沿多根光纤5的排列方向作一维扫描运动，实现对多根光纤表面荧光信号的扫描检测。

所说的第一锥形镜11和第二锥形镜12置于激光激发光路上的激光光源1与分色镜3之间，两锥形镜11、12的圆锥面的旋转中心位于激光激发光路的光轴OO上。第一锥形镜11的前表面为平面，后表面为凹面。第二锥形镜12的前表面为凸面，后表面为平面。两个锥形镜圆锥面的母线与平面之间的夹角均为θ，如图3所示。这两个锥形镜11、12组成一个光束变换器，把圆形激光束变换成环形激光束，即把入射于第一锥形镜11前表面上的半径为a的圆形高斯光束AA由第二锥形镜12出射时，被变换为内半径为r、外半径为R的环形光束BB，其宽度(R-r)＝a；环形光束BB的内半径r、外半径R与两个锥形镜11、12顶点间的距离L有关，但其环宽度(R-r)保持不变，始终等于a。如图4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-n² sin²θ)^1/2-1](L/2)。通常情况下，θ为5°≤θ≤45°，L为5mm≤L≤20mm。改变θ、L中的一个参数，或同时改变θ和L两个参数，可改变环形光束BB的内外径尺寸。

环形光束BB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，从而可以激发出较多的荧光能量；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是多模粗光纤，其中一部分包层被去除，露出芯线502，芯线502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内置有标记了荧光染料的被测样品601。当光纤芯线502表面的生物识别分子与样品池6内的被测样品601之间发生特异性结合时，荧光染料也一起附着于光纤芯线502表面，在激光束激发下，荧光染料发出荧光。

光纤输出端面503镀有宽带全反射介质薄膜，用于将激发激光和荧光反射回去，以提高激光激发效率和荧光的接收效率。激光束被反射回到光纤5后，又一次激发光纤芯线502表面的荧光染料，使激发激光束的利用率提高1倍；荧光也被反射回光纤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。所以在光纤输出断面503镀宽带全反射介质薄膜后，本实用新型的光电探测器9接收到的总的荧光信号强度是在先技术的4倍。

所说的样品池6内放置了多根光纤5，多根光纤一维等间距排列，各光纤输入端面的中心点位于一条直线上，即X轴上。不同的光纤芯线表面固定了不同的生物识别分子，通过移动平台15的一维扫描运动，可测得各光纤芯线表面的荧光染料的浓度，也就是样品池6内对应的某种被测生物物质的浓度。所以一次可探测一个样品中多种生物物质的浓度。

本实用新型的样品流路中有液泵14，样品池6具有样品入口602、样品出口603，在液泵14的作用下，可以将被测样品吸入样品池6，或将测试完毕的样品排出样品池6，以便更换样品、漂洗样品池6。

本实用新型的多探头光纤倏逝波生物传感器的工作过程分三步进行：第一、光纤和样品的准备：将芯线表面带有生物识别分子的多根光纤插入样品池6，液泵14在计算机10的控制下将样品吸入样品池6内。第二、单根光纤荧光信号的检测：由激光光源1发出的圆形高斯光束AA经第一锥形镜11和第二锥形镜12变换成环形光束BB，经分色镜3反射并使光束前进方向偏转90°后，射向耦合透镜4。耦合透镜4将环形光束BB聚焦于光纤5的输入端面501，激光束进入光纤5后在光纤5内经多次反射后到达输出端面503，又被输出端面503按原路反射返回到光纤5。激光束在光纤5内多次反射传播时产生的倏逝波激发光纤芯线502表面的荧光染料，荧光染料发出荧光，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；另一部分传输到输出端面503，又被输出端面503反射回到光纤5，再经光纤5传输后，也从输入端面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，以平行光射向分色镜3，透过分色镜3射向荧光滤波片7，经荧光滤光片7进一步滤除激发激光后，被聚焦透镜8聚焦于光阑13处。光阑13位于光纤5输入端面501的共轭面处，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13后进入光电探测器9，被转换成与荧光信号强度成正比的电信号，再被计算机10采集。计算机10采集到的电信号与光纤5表面被测物质的浓度成正比，通过分析电信号的幅度可以获得光纤5表面被测物质的浓度。第三、多根光纤荧光信号的扫描检测：在计算机10的控制下，移动平台15带着多根光纤沿X轴方向作一维扫描运动，当其中一根光纤的输入端面中心点与耦合透镜4的焦点重合时，移动平台15即停止移动，采用第二步完成对该光纤荧光信号的检测。重复第二步、第三步，则可完成多根光纤荧光信号的扫描检测。

图2是本实用新型的最佳实施例，其具体结构和参数叙述如下：

激光光源1是中心波长为635nm的半导体激光器，输出功率为10mW，圆形高斯光束AA的半径a＝2mm。第一、第二锥形镜11和12均由K9光学玻璃制成，折射率n＝1.51459，其圆锥面母线与平面夹角θ＝30°，两个圆锥面顶点距离L＝14.9mm，出射环形光束BB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BB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61mm，其中光纤芯线502长42mm，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°。光纤5的输出端面503镀宽带增强型铝全反射膜，既反射激发激光束，又反射荧光。分色镜3对激发激光全反射，而对荧光全透射。荧光滤光片7对激发激光束的透过率≤10^-6，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13位于聚焦透镜8的焦面处，其通光口径为φ1.5mm。光电探测器9为光电倍增管，位于光阑13之后约3mm处。

样品池6内放置了5根光纤，一维等间距排列，相邻光纤的中心距为2.5mm，第一根和第五根光纤输入端面的中心距为10mm。移动平台15由步进电机驱动，其行程为15mm，足以实现对5根光纤的扫描检测。移动平台15的步进速度为1mm/s。

测量时，在样品池6内注入标记了Cy5荧光染料的生物样品溶液，然后驱动移动平台15，依此采集各光纤的荧光信号。实施例中每根光纤对Cy5荧光染料溶液的探测灵敏度均达到10^-10摩尔/升，是在先技术的140倍；同时各光纤的探测灵敏度差异小于10％。实施例完成5根光纤荧光信号的检测所需时间为10s，检测效率为在先技术的5倍。

Claims

1、一种多探头光纤倏逝波生物传感器，包含有激光激发光路和荧光接收光路，其特征在于：

①所述的激光激发光路，包括激光光源(1)，沿该激光光源(1)发出的光束前进方向上，依次设置有第一锥形镜(11)、第二锥形镜(12)、分色镜(3)、耦合透镜(4)和光纤(5)，该耦合透镜(4)的焦点与光纤(5)的输入端面(501)的中心重合；

②所述的荧光接收光路，从光纤(5)出发，依次为耦合透镜(4)、分色镜(3)、荧光滤光片(7)、聚焦透镜(8)、光阑(13)、光电探测器(9)；

③所述激光激发光路的光轴OO与荧光接收光路的光轴O1O1相互垂直，且均与分色镜(3)的表面成45°；

④还有样品流路，由样品池(6)、样品入口(602)、样品出口(603)和液泵(14)组成，所述的样品池(6)内可一维地等间距地排列多根光纤(5)；

⑤还有扫描驱动系统，由计算机(10)和带可控驱动的移动平台(15)组成，样品池(6)置于该移动平台(15)上；

⑥所述的计算机(10)用于采集光电探测器(9)输出的电信号并进行数据处理，该计算机(10)还控制移动平台(15)和液泵(14)的工作，以完成多根光纤荧光信号的扫描检测。

2、根据权利要求1所述的多探头光纤倏逝波生物传感器，其特征在于所述的第一锥形镜(11)的前表面为平面，后表面为凹面，第二锥形镜(12)的前表面为凸面，后表面为平面，两锥形镜(11、12)的圆锥面的母线与平面的夹角为θ，该θ的取値范围为5°～45°，两锥形镜(11、12)顶点之间的距离L的取値范围为5mm～20mm。

3、根据权利要求1所述的多探头光纤倏逝波生物传感器，其特征在于所述的光纤(5)为多根多模光纤，且每根光纤的一部分包层被除掉，露出芯线(502)，每根芯线(502)的表面固定有不同的生物识别分子。

4、根据权利要求1所述的多探头光纤倏逝波生物传感器，其特征在于所述的光纤(5)输出端面(503)镀有宽带反射介质薄膜。

5、根据权利要求1所述的多探头光纤倏逝波生物传感器，其特征在于所述的光阑(13)位于光纤(5)输入端(501)的共轭面处。