專利名稱：多探頭光纖倏逝波生物傳感器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種多探頭光纖倏逝波生物傳感器，該傳感器在生物醫(yī)學(xué)、食品檢驗(yàn)、環(huán)境監(jiān)測(cè)等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，它可以探測(cè)荷爾蒙、污染物質(zhì)、有毒物質(zhì)、爆炸品、脫氧核糖核酸(DNA)、病毒、各種細(xì)菌(如炭疽熱、大腸桿菌O157等)等多種生物物質(zhì)，還可以監(jiān)測(cè)生物反應(yīng)的動(dòng)態(tài)過(guò)程。
在先技術(shù)中，由美國(guó)猶他大學(xué)(University of Utah)D.E.Yoshida等人發(fā)表在SPIE第904卷第57～62頁(yè)的一個(gè)光纖倏逝波生物傳感器的結(jié)構(gòu)如

圖1所示。該傳感器主要由激光激發(fā)光路和熒光接收光路組成。其中的激光激發(fā)光路由激光光源1、平面反射鏡2、分色鏡3、耦合透鏡4、光纖5組成，耦合透鏡4的焦點(diǎn)位于光纖5的輸入端面501，光纖5置于樣品池6的樣品601中；熒光接收光路主要由耦合透鏡4、分色鏡3、熒光濾光片7、聚焦透鏡8、光電探測(cè)器9和計(jì)算機(jī)10組成，分色鏡3的表面與熒光接收光路的光軸成45°角。
上述在先技術(shù)的缺點(diǎn)是1.熒光激發(fā)效率低。由激光光源1輸出的激光束通過(guò)耦合透鏡4聚焦后進(jìn)入光纖5，進(jìn)入光纖5的激光束數(shù)值孔徑小，光束在光纖5內(nèi)的反射次數(shù)少；而且，進(jìn)入光纖5的激光束的入射角范圍是從0°開始的，因?yàn)楣饩€角度越小，強(qiáng)度越大，而角度越小的光線的激發(fā)效率越低。同時(shí)小角度光線在光纖內(nèi)的反射次數(shù)少，且穿透深度小，激發(fā)范圍小。
2.光能利用率低。激光束從光纖5輸入端面501進(jìn)入，從輸出端面503射出，這部分光沒有被再利用。所以激光束的利用率只有50％。
3.熒光接收效率低。被激光束激發(fā)出的熒光信號(hào)從光纖5的兩端出射，而從圖1的結(jié)構(gòu)中看出，只有從光纖5輸入端面501出射的熒光信號(hào)被接收，從輸出端面503出射的熒光信號(hào)并沒有被收集，因此對(duì)熒光的接收效率也只有總信號(hào)的50％。
上述三個(gè)原因?qū)е略谙燃夹g(shù)的探測(cè)靈敏度較低，只有1.4×10-8摩爾/升。
4.探測(cè)效率低。該傳感器的樣品池6中只有一根光纖，一次只能探測(cè)樣品601中的一種生物物質(zhì)。
本發(fā)明的技術(shù)解決方案如下一種多探頭光纖倏逝波生物傳感器，包含有激光激發(fā)光路和熒光接收光路，其特點(diǎn)是①所述的激光激發(fā)光路，包括激光光源，沿該激光光源發(fā)出的光束前進(jìn)方向上，依次設(shè)置有第一錐形鏡、第二錐形鏡、分色鏡、耦合透鏡和光纖，該耦合透鏡的焦點(diǎn)與光纖輸入端面的中心重合；②所述的熒光接收光路，從光纖出發(fā)，依次為耦合透鏡、分色鏡、熒光濾光片、聚焦透鏡、光闌和光電探測(cè)器；③所述激光激發(fā)光路的光軸OO與熒光接收光路的光軸O1O1相互垂直，且均與分色鏡的表面成45°；④還有樣品流路，由樣品池、樣品入口、樣品出口和液泵組成，所述的樣品池內(nèi)可一維地等間距地排列多根光纖；⑤還有掃描驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，由計(jì)算機(jī)和帶可控驅(qū)動(dòng)的移動(dòng)平臺(tái)組成，樣品池置于該移動(dòng)平臺(tái)上；⑥所述的計(jì)算機(jī)用于采集光電探測(cè)器輸出的電信號(hào)并進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，該計(jì)算機(jī)還控制移動(dòng)平臺(tái)和液泵的工作，以完成多根光纖熒光信號(hào)的掃描檢測(cè)。
所述的第一錐形鏡的前表面為平面，后表面為凹面，第二錐形鏡的前表面為凸面，后表面為平面，兩錐形鏡的圓錐面的母線與平面的夾角為θ，該θ的取值范圍為5°～45°，兩錐形鏡頂點(diǎn)之間的距離L的取値范圍為5mm～20mm。
所述的光纖為多根多模光纖，且每根光纖的一部分包層被除掉，露出芯線，每根芯線的表面固定有不同的生物識(shí)別分子。
所述的光纖輸出端面鍍有寬帶反射介質(zhì)薄膜。
所述的光闌位于光纖輸入端的共軛面處。本發(fā)明與在先技術(shù)相比具有下列技術(shù)效果1.熒光激發(fā)效率高。一方面，圓形高斯光束通過(guò)第一錐形鏡和第二錐形鏡變成環(huán)形光束后再被耦合透鏡聚焦于光纖的輸入端面，從而增大了激光束在光纖內(nèi)的入射角，使激光束在光纖內(nèi)的反射次數(shù)增多，能夠激發(fā)出更多的熒光能量；另一方面，在光纖內(nèi)光線的入射角越大，它的倏逝波穿透深度越大，對(duì)光纖表面熒光染料的激發(fā)范圍越大，這同樣可以激發(fā)出更多的熒光能量。
2.光能利用率高。光纖的輸出端面鍍有寬帶介質(zhì)全反射膜，將入射到該端面的激發(fā)激光束反射回到光纖內(nèi)，兩次激發(fā)熒光，使光能利用率提高1倍。
3.熒光接收效率高。光纖的鍍有寬帶介質(zhì)全反射膜的輸出端面不僅可以反射激發(fā)激光束，而且可以把傳輸?shù)焦饫w輸出端面的熒光反射回到光纖，經(jīng)光纖傳輸后再進(jìn)入熒光接收光路，使熒光接收效率也提高1倍。所以，本發(fā)明的總熒光信號(hào)強(qiáng)度是在先技術(shù)的4倍。
4.檢測(cè)效率高。本發(fā)明的樣品池內(nèi)同時(shí)放置了多根光纖，不同的光纖芯線表面固定了不同的生物識(shí)別分子，所以一次可探測(cè)一個(gè)樣品中多種生物物質(zhì)。而在先技術(shù)的樣品池6內(nèi)只有一根光纖，一次只能探測(cè)樣品中的一種生物物質(zhì)。如果本發(fā)明的樣品池6內(nèi)放置了多根表面固定了不同生物識(shí)別分子的光纖，則本發(fā)明的檢測(cè)效率是在先技術(shù)的多倍。
圖2是本發(fā)明多探頭光纖倏逝波生物傳感器的結(jié)構(gòu)示意圖。
圖3是本發(fā)明多探頭光纖倏逝波生物傳感器中的第一錐形鏡11與第二錐形鏡12組成的光束變換器光路示意圖。
圖4是本發(fā)明多探頭光纖倏逝波生物傳感器中第一錐形鏡11入射面處圓形高斯光束AA與第二錐形鏡11出射面處環(huán)形光束BB的橫截面示意圖。其中圖4-1是第一錐形鏡11入射面處圓形高斯光束AA的橫截面示意圖，圖4-2是第二錐形鏡12出射面處環(huán)形光束BB的橫截面示意圖。
在激光激發(fā)光路上，沿著激光光源1發(fā)出的圓形高斯光束AA前進(jìn)方向上，依次置有第一錐形鏡11、第二錐形鏡12、分色鏡3、耦合透鏡4、光纖5，耦合透鏡4的焦點(diǎn)與光纖5輸入端面501的中心重合。在熒光接收光路上，從光纖5出發(fā)，依次置有耦合透鏡4、分色鏡3、熒光濾光片7、聚焦透鏡8、光闌13、光電探測(cè)器9。激光激發(fā)光路的光軸OO與熒光接收光路的光軸O1O1相互垂直，且均與分色鏡3的表面成45°角。樣品流路由樣品池6、樣品入口602、液泵14和樣品出口603組成。樣品池6內(nèi)放置多根光纖，多根光纖一維等間距排列，各光纖輸入端面的中心點(diǎn)位于一條直線上。樣品池6內(nèi)的樣品601中的生物分子標(biāo)記了熒光染料。樣品池6內(nèi)與被測(cè)樣品601接觸的光纖5是去掉包層且表面置有生物識(shí)別分子的光纖芯線502，光纖輸出端面503鍍?nèi)瓷涔鈱W(xué)薄膜。掃描驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)有計(jì)算機(jī)10和移動(dòng)平臺(tái)15組成。樣品池6置于移動(dòng)平臺(tái)15上面，與移動(dòng)平臺(tái)15一起沿多根光纖5的排列方向作一維掃描運(yùn)動(dòng)。計(jì)算機(jī)10用于采集光電探測(cè)器9輸出的電信號(hào)、控制移動(dòng)平臺(tái)15作一維掃描運(yùn)動(dòng)及液泵14吸入樣品。
從本發(fā)明的結(jié)構(gòu)圖2和在先技術(shù)的結(jié)構(gòu)圖1比較，本發(fā)明的特點(diǎn)就是在激光光源1與分色鏡3之間的激光激發(fā)光路上置有第一錐形鏡11和第二錐形鏡12，這兩個(gè)錐形鏡組成光束變換器；樣品池6內(nèi)放置了多根光纖5；光纖輸出端面503鍍有全反射光學(xué)薄膜；樣品池6置于移動(dòng)平臺(tái)15之上，在計(jì)算機(jī)10控制下樣品池6與移動(dòng)平臺(tái)15一起沿多根光纖5的排列方向作一維掃描運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)多根光纖表面熒光信號(hào)的掃描檢測(cè)。
所說(shuō)的第一錐形鏡11和第二錐形鏡12置于激光激發(fā)光路上的激光光源1與分色鏡3之間，兩錐形鏡11、12的圓錐面的旋轉(zhuǎn)中心位于激光激發(fā)光路的光軸OO上。第一錐形鏡11的前表面為平面，后表面為凹面。第二錐形鏡12的前表面為凸面，后表面為平面。兩個(gè)錐形鏡圓錐面的母線與平面之間的夾角均為θ，如圖3所示。這兩個(gè)錐形鏡11、12組成一個(gè)光束變換器，把圓形激光束變換成環(huán)形激光束，即把入射于第一錐形鏡11前表面上的半徑為a的圓形高斯光束AA由第二錐形鏡12出射時(shí)，被變換為內(nèi)半徑為r、外半徑為R的環(huán)形光束BB，其寬度(R-r)＝a；環(huán)形光束BB的內(nèi)半徑r、外半徑R與兩個(gè)錐形鏡11、12頂點(diǎn)間的距離L有關(guān)，但其環(huán)寬度(R-r)保持不變，始終等于a。如圖4所示。R與θ、L及錐形鏡折射率n之間的關(guān)系由下式?jīng)Q定r＝sin2θ[ncosθ/(1-n2sin2θ)1/2-1](L/2)。通常情況下，θ為5°≤θ≤45°，L為5mm≤L≤20mm。改變?chǔ)?、L中的一個(gè)參數(shù)，或同時(shí)改變?chǔ)群蚅兩個(gè)參數(shù)，可改變環(huán)形光束BB的內(nèi)外徑尺寸。
環(huán)形光束BB經(jīng)耦合透鏡4聚焦后進(jìn)入光纖5，離開中心越遠(yuǎn)的光線的入射角越大。這種環(huán)形光束可以大大提高對(duì)熒光的激發(fā)效率，一是因?yàn)槿肷浣窃酱蟮墓饩€在光纖5內(nèi)反射次數(shù)越多，也就增加了對(duì)熒光物質(zhì)的激發(fā)次數(shù)，從而可以激發(fā)出較多的熒光能量；二是因?yàn)楣饩€入射角越大，其倏逝波的穿透深度越大，這也就增大了對(duì)熒光物質(zhì)的激發(fā)范圍，同樣可以激發(fā)較多的熒光能量。
所說(shuō)的光纖5是多模粗光纖，其中一部分包層被去除，露出芯線502，芯線502表面置有生物識(shí)別分子，表面帶有生物識(shí)別分子的光纖芯線502置于樣品池6內(nèi)。樣品池6內(nèi)置有標(biāo)記了熒光染料的被測(cè)樣品601。當(dāng)光纖芯線502表面的生物識(shí)別分子與樣品池6內(nèi)的被測(cè)樣品601之間發(fā)生特異性結(jié)合時(shí)，熒光染料也一起附著于光纖芯線502表面，在激光束激發(fā)下，熒光染料發(fā)出熒光。
光纖輸出端面503鍍有寬帶全反射介質(zhì)薄膜，用于將激發(fā)激光和熒光反射回去，以提高激光激發(fā)效率和熒光的接收效率。激光束被反射回到光纖5后，又一次激發(fā)光纖芯線502表面的熒光染料，使激發(fā)激光束的利用率提高1倍；熒光也被反射回光纖5并通過(guò)光纖5傳輸后，進(jìn)入熒光接收光路，使熒光接收效率提高1倍。所以在光纖輸出斷面503鍍寬帶全反射介質(zhì)薄膜后，本發(fā)明的光電探測(cè)器9接收到的總的熒光信號(hào)強(qiáng)度是在先技術(shù)的4倍。
所說(shuō)的樣品池6內(nèi)放置了多根光纖5，多根光纖一維等間距排列，各光纖輸入端面的中心點(diǎn)位于一條直線上，即X軸上。不同的光纖芯線表面固定了不同的生物識(shí)別分子，通過(guò)移動(dòng)平臺(tái)15的一維掃描運(yùn)動(dòng)，可測(cè)得各光纖芯線表面的熒光染料的濃度，也就是樣品池6內(nèi)對(duì)應(yīng)的某種被測(cè)生物物質(zhì)的濃度。所以一次可探測(cè)一個(gè)樣品中多種生物物質(zhì)的濃度。
本發(fā)明的樣品流路中有液泵14，樣品池6具有樣品入口602、樣品出口603，在液泵14的作用下，可以將被測(cè)樣品吸入樣品池6，或?qū)y(cè)試完畢的樣品排出樣品池6，以便更換樣品、漂洗樣品池6。
本發(fā)明的多探頭光纖倏逝波生物傳感器的工作過(guò)程分三步進(jìn)行第一、光纖和樣品的準(zhǔn)備將芯線表面帶有生物識(shí)別分子的多根光纖插入樣品池6，液泵14在計(jì)算機(jī)10的控制下將樣品吸入樣品池6內(nèi)。第二、單根光纖熒光信號(hào)的檢測(cè)由激光光源1發(fā)出的圓形高斯光束AA經(jīng)第一錐形鏡11和第二錐形鏡12變換成環(huán)形光束BB，經(jīng)分色鏡3反射并使光束前進(jìn)方向偏轉(zhuǎn)90°后，射向耦合透鏡4。耦合透鏡4將環(huán)形光束BB聚焦于光纖5的輸入端面501，激光束進(jìn)入光纖5后在光纖5內(nèi)經(jīng)多次反射后到達(dá)輸出端面503，又被輸出端面503按原路反射返回到光纖5。激光束在光纖5內(nèi)多次反射傳播時(shí)產(chǎn)生的倏逝波激發(fā)光纖芯線502表面的熒光染料，熒光染料發(fā)出熒光，并有部分進(jìn)入光纖5，經(jīng)光纖5傳輸后，一部分從光纖5輸入端面501射出；另一部分傳輸?shù)捷敵龆嗣?03，又被輸出端面503反射回到光纖5，再經(jīng)光纖5傳輸后，也從輸入端面501射出。由光纖5輸入端面501射出的熒光信號(hào)經(jīng)耦合透鏡4準(zhǔn)直后，以平行光射向分色鏡3，透過(guò)分色鏡3射向熒光濾波片7，經(jīng)熒光濾光片7進(jìn)一步濾除激發(fā)激光后，被聚焦透鏡8聚焦于光闌13處。光闌13位于光纖5輸入端面501的共軛面處，它可以濾除光纖5輸入端面501以外的雜光。熒光信號(hào)穿過(guò)光闌13后進(jìn)入光電探測(cè)器9，被轉(zhuǎn)換成與熒光信號(hào)強(qiáng)度成正比的電信號(hào)，再被計(jì)算機(jī)10采集。計(jì)算機(jī)10采集到的電信號(hào)與光纖5表面被測(cè)物質(zhì)的濃度成正比，通過(guò)分析電信號(hào)的幅度可以獲得光纖5表面被測(cè)物質(zhì)的濃度。第三、多根光纖熒光信號(hào)的掃描檢測(cè)在計(jì)算機(jī)10的控制下，移動(dòng)平臺(tái)15帶著多根光纖沿X軸方向作一維掃描運(yùn)動(dòng)，當(dāng)其中一根光纖的輸入端面中心點(diǎn)與耦合透鏡4的焦點(diǎn)重合時(shí)，移動(dòng)平臺(tái)15即停止移動(dòng)，采用第二步完成對(duì)該光纖熒光信號(hào)的檢測(cè)。重復(fù)第二步、第三步，則可完成多根光纖熒光信號(hào)的掃描檢測(cè)。
圖2是本發(fā)明的最佳實(shí)施例，其具體結(jié)構(gòu)和參數(shù)敘述如下激光光源1是中心波長(zhǎng)為635nm的半導(dǎo)體激光器，輸出功率為10mW，圓形高斯光束AA的半徑a＝2mm。第一、第二錐形鏡11和12均由K9光學(xué)玻璃制成，折射率n＝1.51459，其圓錐面母線與平面夾角θ＝30°，兩個(gè)圓錐面頂點(diǎn)距離L＝14.9mm，出射環(huán)形光束BB的內(nèi)半徑r＝4.5mm，外半徑R＝6.5mm。耦合透鏡4由一個(gè)雙膠合鏡和一個(gè)凸凹單透鏡組成，焦距為17.4mm。環(huán)形光束BB被耦合透鏡4聚焦后內(nèi)外孔徑半角分別為14.5°和20.5°。光纖5總長(zhǎng)為61mm，其中光纖芯線502長(zhǎng)42mm，光纖芯線502的材料為石英，直徑為φ1mm，包層材料為有機(jī)硅，它們?cè)谒貌ㄩL(zhǎng)下的折射率分別為1.51459和1.41，所以光纖5的數(shù)值孔徑為0.367，允許最大入射角為21.5°。光纖5的輸出端面503鍍寬帶增強(qiáng)型鋁全反射膜，既反射激發(fā)激光束，又反射熒光。分色鏡3對(duì)激發(fā)激光全反射，而對(duì)熒光全透射。熒光濾光片7對(duì)激發(fā)激光束的透過(guò)率≤10-6，而對(duì)熒光的透過(guò)率≥75％。聚焦透鏡8是雙膠合鏡，焦距為25mm。光闌13位于聚焦透鏡8的焦面處，其通光口徑為φ1.5mm。光電探測(cè)器9為光電倍增管，位于光闌13之后約3mm處。
樣品池6內(nèi)放置了5根光纖，一維等間距排列，相鄰光纖的中心距為2.5mm，第一根和第五根光纖輸入端面的中心距為10mm。移動(dòng)平臺(tái)15由步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)，其行程為15mm，足以實(shí)現(xiàn)對(duì)5根光纖的掃描檢測(cè)。移動(dòng)平臺(tái)15的步進(jìn)速度為1mm/s。
測(cè)量時(shí)，在樣品池6內(nèi)注入標(biāo)記了Cy5熒光染料的生物樣品溶液，然后驅(qū)動(dòng)移動(dòng)平臺(tái)15，依此采集各光纖的熒光信號(hào)。實(shí)施例中每根光纖對(duì)Cy5熒光染料溶液的探測(cè)靈敏度均達(dá)到10-10摩爾/升，是在先技術(shù)的140倍；同時(shí)各光纖的探測(cè)靈敏度差異小于10％。實(shí)施例完成5根光纖熒光信號(hào)的檢測(cè)所需時(shí)間為10s，檢測(cè)效率為在先技術(shù)的5倍。
權(quán)利要求
1.一種多探頭光纖倏逝波生物傳感器，包含有激光激發(fā)光路和熒光接收光路，其特征在于①所述的激光激發(fā)光路，包括激光光源(1)，沿該激光光源(1)發(fā)出的光束前進(jìn)方向上，依次設(shè)置有第一錐形鏡(i1)、第二錐形鏡(12)、分色鏡(3)、耦合透鏡(4)和光纖(5)，該耦合透鏡(4)的焦點(diǎn)與光纖(5)的輸入端面(501)的中心重合；②所述的熒光接收光路，從光纖(5)出發(fā)，依次為耦合透鏡(4)、分色鏡(3)、熒光濾光片(7)、聚焦透鏡(8)、光闌(13)、光電探測(cè)器(9)；③所述激光激發(fā)光路的光軸OO與熒光接收光路的光軸O1O1相互垂直，且均與分色鏡(3)的表面成45°；④還有樣品流路，由樣品池(6)、樣品入口(602)、樣品出口(603)和液泵(14)組成，所述的樣品池(6)內(nèi)可一維地等間距地排列多根光纖(5)；⑤還有掃描驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，由計(jì)算機(jī)(10)和帶可控驅(qū)動(dòng)的移動(dòng)平臺(tái)(15)組成，樣品池(6)置于該移動(dòng)平臺(tái)(15)上；⑥所述的計(jì)算機(jī)(10)用于采集光電探測(cè)器(9)輸出的電信號(hào)并進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，該計(jì)算機(jī)(10)還控制移動(dòng)平臺(tái)(15)和液泵(14)的工作，以完成多根光纖熒光信號(hào)的掃描檢測(cè)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的多探頭光纖倏逝波生物傳感器，其特征在于所述的第一錐形鏡(11)的前表面為平面，后表面為凹面，第二錐形鏡(12)的前表面為凸面，后表面為平面，兩錐形鏡(11、12)的圓錐面的母線與平面的夾角為θ，該θ的取值范圍為5°～45°，兩錐形鏡(11、12)頂點(diǎn)之間的距離L的取值范圍為5mm～20mm。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的多探頭光纖倏逝波生物傳感器，其特征在于所述的光纖(5)為多根多模光纖，且每根光纖的一部分包層被除掉，露出芯線(502)，每根芯線(502)的表面固定有不同的生物識(shí)別分子。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的多探頭光纖倏逝波生物傳感器，其特征在于所述的光纖(5)輸出端面(503)鍍有寬帶反射介質(zhì)薄膜。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的多探頭光纖倏逝波生物傳感器，其特征在于所述的光闌(13)位于光纖(5)輸入端(501)的共軛面處。
全文摘要
本發(fā)明多探頭光纖倐逝波生物傳感器包括激光激發(fā)光路、熒光接收光路、樣品流路和掃描驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，分別用于激發(fā)光纖芯線表面的被測(cè)生物物質(zhì)的熒光、接收來(lái)自光纖的熒光信號(hào)并完成光電轉(zhuǎn)換、樣品的吸入及對(duì)多根光纖上熒光信號(hào)的掃描檢測(cè)。本發(fā)明具有熒光激發(fā)效率高、光能利用率高、熒光接收效率高和檢測(cè)效率高的特點(diǎn)。
文檔編號(hào)G01N33/50GK1434287SQ0311558
公開日2003年8月6日 申請(qǐng)日期2003年2月28日 優(yōu)先權(quán)日2003年2月28日
發(fā)明者黃惠杰, 翟俊輝, 趙永凱, 楊瑞馥, 任冰強(qiáng), 程兆谷, 杜龍龍, 路敦武 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院上海光學(xué)精密機(jī)械研究所, 中國(guó)人民解放軍軍事醫(yī)學(xué)科學(xué)院微生物流行病研究所