專利名稱：光纖生物傳感器的應(yīng)用方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種光纖生物傳感器的應(yīng)用方法，特別是一種基于光纖中高階模干涉的光纖生物傳感器的應(yīng)用方法，屬光纖生物傳感領(lǐng)域。

背景技術(shù)：
生物傳感器是用于檢測和識別生物活性材料的重要手段，這些活性材料可以是酶、蛋白質(zhì)、DNA、抗體、抗原、生物膜等。生物傳感器在微生物檢測、藥物篩選、血液分析、DNA分析、抗原/抗體分析、各類疾病的診斷與檢測、新藥的開發(fā)、食品檢驗(yàn)以及有毒氣體檢測等方面發(fā)揮著極其重要的作用?，F(xiàn)有生物傳感器按其功能可分為微生物傳感器、免疫傳感器、組織傳感器、細(xì)胞傳感器、酶傳感器、DNA傳感器等。在由各種不同原理構(gòu)成的生物傳感器中，光學(xué)生物傳感器，特別是光纖生物傳感器以其高靈敏度、可實(shí)現(xiàn)快速在線檢測以及可用于現(xiàn)場檢測等顯著特點(diǎn)而受到普遍的重視并得到迅速發(fā)展。采用表面等離子體共振技術(shù)(Surface Plasmon Resonance，簡稱SPR)的光學(xué)生物傳感器自從1982年Nylander等首次將SPR技術(shù)用于免疫傳感器領(lǐng)域以來更是以驚人的速度發(fā)展，并得到廣泛應(yīng)用。SPR是在金屬和電介質(zhì)界面?zhèn)鞑サ淖杂呻娮拥恼袷幉ㄅc在電介質(zhì)內(nèi)傳播的具有特定波長和偏振態(tài)的光波場產(chǎn)生諧振，而使光波的能量產(chǎn)生衰減的一種物理現(xiàn)象。當(dāng)金屬膜及沉積在金屬上的材料的厚度、介電常數(shù)等發(fā)生變化時，SPR諧振波長或諧振角會發(fā)生相應(yīng)變化。如果將生物活性材料固定在金屬膜上，當(dāng)與另一種生物活性材料發(fā)生結(jié)合特異性時，由于膜厚度的變化，SPR諧振波長或諧振角會發(fā)生變化。所以，采用SPR技術(shù)可檢測和識別不同生物活性材料之間的特異性結(jié)合。目前，SPR技術(shù)被廣泛地應(yīng)用于各種表面技術(shù)的研究中，已經(jīng)成為生物傳感中的關(guān)鍵技術(shù)和方法，同時也成為微生物檢測以及研究分子反應(yīng)動力學(xué)的重要手段。SPR中金屬膜的制作一般采用濺射的方法，要求設(shè)備及其它條件較高。SPR所需金屬膜的厚度在幾十納米，需要精確控制才能獲得良好的SPR效果。常用的金屬為金、銀等材料，對金而言，其SPR諧振波長在紅光波段，而且要選擇合適偏振方向。


發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種光纖生物傳感器的應(yīng)用方法，以該方法檢測生物材料具有操作過程簡單、易于實(shí)現(xiàn)、靈敏度高等特點(diǎn)。
本發(fā)明是通過下述技術(shù)方案加以實(shí)現(xiàn)的，一種光纖生物傳感器的應(yīng)用方法，所述的光纖生物傳感器包括封閉的樣品池104，樣品池內(nèi)設(shè)置一段無芯光纖102，無芯光纖的兩端無偏心對接單模輸入光纖101和單模輸出光纖107。以上述光纖生物傳感器檢測包括酶、細(xì)胞、基因、抗原、抗體的生物材料的方法，其特征在于包括以下過程 1，首先在無芯光纖周圍表面涂敷或浸漬涂上能與被檢測生物材料發(fā)生結(jié)合的親和膜，于是由單模輸入光纖傳來的單模光在無芯光纖與固定在其周圍表面的親和膜以及周圍介質(zhì)構(gòu)成的多模光波導(dǎo)內(nèi)產(chǎn)生多個圓對稱的高階模，高階模沿所述多模光波導(dǎo)傳播，在無芯光纖與單模輸出光纖的界面產(chǎn)生多模干涉，在特定的波長產(chǎn)生干涉極大或干涉極小； 2，然后將含有需要檢測的生物材料的液體注入樣品池，則生物材料與親和膜結(jié)合，親和膜厚度增加，于是使在多模光波導(dǎo)內(nèi)傳播的高階模的傳播常數(shù)發(fā)生改變，從而使干涉極大或干涉極小對應(yīng)的波長產(chǎn)生相應(yīng)的變化，測量干涉極大或干涉極小對應(yīng)的光波長的變化即可得到無芯光纖表面生物親和膜發(fā)生結(jié)合的情況，由此檢測和識別待測生物材料是否存在以及存在的量的多少或濃度信息。
本發(fā)明所涉及的光纖生物傳感器的特點(diǎn)是1)傳感器結(jié)構(gòu)極其簡單，制作容易，只需普通的單模通信光纖和無芯光纖，使用通用的光纖熔接機(jī)即可完成傳感器的光學(xué)制作。由于傳感器本身造價低廉，可以實(shí)現(xiàn)真正意義上的一次性使用。2)可采用常用的化學(xué)及其它方法將生物材料固定在無芯光纖表面，而無需特殊的技術(shù)和設(shè)備。3)光波長檢測可采用通用的光譜分析儀即可完成。4)具有波長編碼特征，且由于輸入/輸出光纖均為單模光纖，適合于遠(yuǎn)程和在線檢測。



圖1為光纖生物傳感器結(jié)構(gòu)示意圖。
圖中101為單模輸入光纖；102為無芯光纖；103為固定在無芯光纖表面的生物材料的親和膜；104為樣品池；105為樣品注入口；106為光纖固定膠；107為單模輸出光纖。
圖2為光纖生物傳感實(shí)驗(yàn)裝置儀示意圖。
圖中100為光纖生物傳感器；201為寬帶光源；202為傳輸光纖；203為恒溫水槽；204為波長解調(diào)儀。
圖3為實(shí)測抗原/抗體反應(yīng)過程曲線圖。

具體實(shí)施例方式 下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的具體實(shí)施方式
作詳細(xì)說明。如附圖1所示，單模光纖101采用標(biāo)準(zhǔn)單模光纖(G652)，其纖芯直徑為8.2μm，包層直徑為125μm，數(shù)值孔徑0.14。首先將其保護(hù)涂層除去，然后使用光纖切刀將其端面切成與其軸線垂直。無芯光纖102為純石英光纖，其直徑為125μm。使用光纖切刀將其端面切成與其軸線垂直，之后，將端面處理后的單模光纖101和無芯光纖102放入光纖熔接機(jī)將兩光纖熔接在一起。在無芯光纖上55mm處使用光纖切刀將其切斷，并將其與另一段單模光纖107熔接在一起。
樣品池殼體104由外徑5mm內(nèi)徑3mm的玻璃管制成，使用環(huán)氧樹脂將由單模光纖-無芯光纖-單模光纖構(gòu)成的光纖傳感器與樣品池104的殼體粘接在一起。在環(huán)氧樹脂充分固化后由樣品注入口105注入雙氧水對光纖及樣品池進(jìn)行清洗。之后，加入2.5％的戊二醛溶液，室溫靜置一小時，然后加入濃度為10μg/ml的兔IgG抗體，待抗體完全覆蓋無芯光纖102的表面后，一小時后形成由抗體構(gòu)成的親和膜103。之后加入緩沖液，從而完成光纖生物傳感器的制作。
圖2為光纖生物傳感實(shí)驗(yàn)裝置儀示意圖。其中100為光纖生物傳感器。寬帶光源201的輸出光譜范圍為1520-1565nm，輸出功率為5mW；為了消除溫度變化可能對測量的影響，在實(shí)驗(yàn)中將光纖生物傳感器100置于恒溫水槽203中。恒溫水槽203的溫度設(shè)定在25℃，其溫度穩(wěn)定度為±0.1℃。實(shí)驗(yàn)中，在樣品注入口105上接入樣品注入導(dǎo)管，光纖生物傳感器100固定在一支架上，光纖生物傳感器100與支架一起置于恒溫水槽203中。204為光纖光譜分析儀，作為光譜記錄和波長解調(diào)設(shè)備。
當(dāng)恒溫水槽203的溫度穩(wěn)定在25℃后，由樣品注入導(dǎo)管注入緩沖液，在光纖光譜分析儀204記錄的透射譜上確定一個由多模干涉產(chǎn)生的波谷(干涉極小值)，并測量該波谷對應(yīng)的波長。對應(yīng)緩沖液的波長值作為測量的參考值。之后，將緩沖液排空，注入含有抗原的被檢測液體。由于抗原與固定在無芯光纖102表面的生物活性親和膜(抗體)103發(fā)生特異性結(jié)合，使在無芯光纖102中傳播的高階模的傳播常數(shù)發(fā)生改變，而使多模干涉產(chǎn)生的波谷向長波方向移動，其移動量與抗體-抗原的結(jié)合量成正比。通過光纖光譜分析儀204記錄波谷對應(yīng)波長隨時間的變化，即可獲得抗體-抗原結(jié)合的動態(tài)過程和結(jié)合量，從而可檢測和識別待測測液體中是否存在與固定在無芯光纖102表面的抗體具有特異性結(jié)合特性的抗原以及存在的量的多少或濃度等信息。
圖3為實(shí)測抗原/抗體反應(yīng)實(shí)驗(yàn)結(jié)果。由此可看出，隨著時間的增加，不斷有抗體-抗原發(fā)生，無芯光纖102表面的親和膜103的厚度在不斷增加，從而無芯光纖102內(nèi)多模干涉產(chǎn)生的波谷(干涉極小值)將向長波方向移動。
由以上的實(shí)施例可以看出，本發(fā)明涉及的光纖生物傳感器制作極為簡單，無需像SPR技術(shù)中的納米級厚度的金屬膜，所使用的光纖均為常規(guī)的光纖，易于獲得且價格低廉。生物材料的固定可以采用任何已有的方法進(jìn)行。
將生物活性材料固定到無芯光纖表面的方法還有多種，如吸附法、溶膠-凝膠法、共價鍵合法以及LB模技術(shù)等，它們均為已有技術(shù)。
本領(lǐng)域的專業(yè)技術(shù)人員都清楚，本發(fā)明的思想可采用上面列舉的具體實(shí)施方式
以外的其它方式實(shí)現(xiàn)。
權(quán)利要求
1.一種光纖生物傳感器的應(yīng)用方法，所述的光纖生物傳感器包括封閉的樣品池(104)，樣品池內(nèi)設(shè)置一段無芯光纖(102)，無芯光纖的兩端無偏心對接單模輸入光纖(101)和單模輸出光纖(107)，以上述光纖生物傳感器檢測包括酶、細(xì)胞、基因、抗原、抗體的生物材料的方法，其特征在于包括以下過程
1)首先在無芯光纖周圍表面涂敷或浸漬涂上能與被檢測生物材料發(fā)生結(jié)合的親和膜，于是由單模輸入光纖傳來的單模光在無芯光纖與固定在其周圍表面的親和膜以及周圍介質(zhì)構(gòu)成的多模光波導(dǎo)內(nèi)產(chǎn)生多個圓對稱的高階模，高階模沿所述多模光波導(dǎo)傳播，在無芯光纖與單模輸出光纖的界面產(chǎn)生多模干涉，在特定的波長產(chǎn)生干涉極大或干涉極??；
2)然后將含有需要檢測的生物材料的液體注入樣品池，則生物材料與親和膜結(jié)合，親和膜厚度增加，于是使在多模光波導(dǎo)內(nèi)傳播的高階模的傳播常數(shù)發(fā)生改變，從而使干涉極大或干涉極小對應(yīng)的波長產(chǎn)生相應(yīng)的變化，測量干涉極大或干涉極小對應(yīng)的光波長的變化即可得到無芯光纖表面生物親和膜發(fā)生結(jié)合的情況，由此檢測和識別待測生物材料是否存在以及存在的量的多少或濃度信息。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種光纖生物傳感器的應(yīng)用方法。所述的光纖生物傳感器包括樣品池，樣品池內(nèi)一段無芯光纖，無芯光纖的兩端的輸入光纖和輸出光纖。以該傳感器檢測生物材料的過程包括首先在無芯光纖周圍表面涂上能與被檢測生物材料發(fā)生結(jié)合的親和膜，于是傳感器的特定的波長產(chǎn)生干涉極大或干涉極?。蝗缓髮⒑行枰獧z測的生物材料的液體注入樣品池，則生物材料與親和膜結(jié)合，親和膜厚度增加，從而使傳感器特定的波長干涉極大或干涉極小對應(yīng)的波長產(chǎn)生相應(yīng)的變化，測量干涉極大或干涉極小對應(yīng)的光波長的變化即可得到生物材料信息。本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于，采用的傳感器結(jié)構(gòu)簡單，制作容易，測試過程簡單、易于實(shí)現(xiàn)、靈敏度高。
文檔編號G01N21/41GK101126714SQ200710058309
公開日2008年2月20日 申請日期2007年7月19日 優(yōu)先權(quán)日2007年7月19日
發(fā)明者李恩邦 申請人:天津大學(xué)