專利名稱：一種光纖熒光探針及基于溶液的光纖熒光傳感系統(tǒng)模型的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā) 明屬于生物熒光檢測技術(shù)領(lǐng)域，涉及溶液中微量元素檢測的光纖傳感器，具體涉及一種適用于微量元素含量檢測的光纖熒光探針及基于溶液的光纖熒光傳感系統(tǒng)模型。
背景技術(shù)：
當(dāng)前微量元素的檢測方法主要包括火焰塞曼原子吸收光譜法(FAAS)、石墨爐原子吸收光譜法(GFAAS)、感應(yīng)耦合等離子體質(zhì)譜法(ICP/MS)、原子輻射光譜法以及電化學(xué)方法如陽極吸附伏安法(ASV)。其中兩種原子吸收光譜法都有高靈敏度的優(yōu)勢，但是它們都要求在分析開始之前對(duì)樣品進(jìn)行充分的預(yù)處理。這個(gè)處理過程非常緩慢、費(fèi)力且成本高昂。分離的預(yù)處理過程是無法適應(yīng)連續(xù)、實(shí)時(shí)的數(shù)據(jù)輸出要求的，這是生物體微量元素檢測無法普及的重要原因之一。此外，ICP/MS法受基體效應(yīng)影響，如果樣品基體復(fù)雜則其靈敏度、準(zhǔn)確性不高。再者，電化學(xué)方法無法應(yīng)用于存在火災(zāi)和爆炸性危險(xiǎn)的測量中且由于現(xiàn)有的電化學(xué)儀器的廠家太雜，檢出限和穩(wěn)定性太差。因此提出了基于熒光型傳感器的利用光纖作為傳感單元和傳輸媒質(zhì)的光學(xué)測量方法，這種測量方法有很強(qiáng)的抗干擾的能力，可實(shí)現(xiàn)高精度，低成本和便捷的要求，用以普及微量元素的檢測。熒光探針法是利用熒光傳感技術(shù)，通過測量微量元素離子的出現(xiàn)或濃度的改變所引起熒光強(qiáng)度、壽命、光譜等參數(shù)的變化量實(shí)現(xiàn)測量。巧妙設(shè)計(jì)的熒光探針能夠?qū)⒖蓽y量的熒光參數(shù)與被測離子的濃度一一對(duì)應(yīng)，可實(shí)現(xiàn)高精度的定量測量。因此熒光探針的優(yōu)化設(shè)計(jì)是實(shí)現(xiàn)熒光法測量的關(guān)鍵問題之一。中國專利公開文件CN 100573106嘗試?yán)肶型光纖結(jié)構(gòu)解決生物大分子的定量測量問題，并沒有提供微量元素的解決方案；專利US7003184 B2用大體積的電化學(xué)敏感單元定量檢測人體中的微量元素，卻增加了人檢測時(shí)的痛苦。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是針對(duì)上述現(xiàn)有技術(shù)而提供一種適用于溶液中微量元素含量檢測的光纖熒光探針，采用體積較小的標(biāo)準(zhǔn)醫(yī)用注射器針頭作為檢測探針，克服了以往微量元素檢測方法中測量濃度低、操作復(fù)雜、耗時(shí)、以及難以減少病人痛苦等困難。本發(fā)明解決上述技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是適用于微量元素含量檢測的光纖熒光探針，其特征在于包括有激發(fā)光纖、接收光纖、毛細(xì)管、選透膜和套筒，激發(fā)光纖與兩根接收光纖呈品字形排列置于毛細(xì)管內(nèi)，選透膜固定在毛細(xì)管末端面，且毛細(xì)管內(nèi)充滿生物熒光探針溶液，毛細(xì)管固定于套筒內(nèi)，套筒圓柱段前端與毛細(xì)管末端相距2mm。按上述方案，所述的激發(fā)光纖和接收光纖的剖面圓心相連構(gòu)成的正三角形的中心為毛細(xì)管的剖面圓心。按上述方案，所述的激發(fā)光纖為大芯徑紫外光纖，數(shù)值孔徑0. 22 0. 37、芯徑 40(T600um、包層直徑49(T660um ；接收光纖為普通大芯徑光纖，數(shù)值孔徑0. 34 0. 5，芯徑40(T630um，包層 直徑 490 690 um。按上述方案，所述的套筒采用標(biāo)準(zhǔn)醫(yī)用一次性注射器針頭，規(guī)格為14G、15G或 18G?；谌芤旱墓饫w熒光傳感系統(tǒng)模型，其特征在于包括有上述所述的光纖熒光探針、激發(fā)光源、濾光片、光電探測器和數(shù)據(jù)采集處理模塊，所述的光纖熒光探針的激發(fā)光纖的一端通過光纖連接器與激發(fā)光源的輸出端相連接，且二者同軸；光纖熒光探針的接收光纖的一端連接濾光片，濾光片置于光電探測器正前方，且光電探測器的輸出端與數(shù)據(jù)采集處理模塊的輸入端口相連。本發(fā)明的基本原理是激發(fā)光源發(fā)出某一特定波長的激發(fā)光(根據(jù)被測微量元素而定)，耦合進(jìn)入激發(fā)光纖，激發(fā)毛細(xì)管中生物熒光探針溶液的熒光劑；生物熒光探針溶液中被激發(fā)的熒光由兩根大芯徑光纖接收并傳輸，經(jīng)濾光片限波處理后送至光電探測器進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換，最后進(jìn)入數(shù)據(jù)采集處理模塊完成對(duì)微量元素的濃度計(jì)算和顯示。本發(fā)明所述的生物熒光探針溶液含有特征熒光指示劑，當(dāng)被測目標(biāo)微量元素，如鋅(Zn)、銅(Cu)等出現(xiàn)或濃度變化時(shí)，將引起熒光參數(shù)一強(qiáng)度、壽命、發(fā)射譜與被測量元素濃度的相應(yīng)變化，通過測量熒光的強(qiáng)度或者壽命變化，即可獲得對(duì)應(yīng)的微量元素的濃度。本發(fā)明具有相對(duì)于現(xiàn)有技術(shù)具有以下優(yōu)點(diǎn)1)本發(fā)明由三根光纖和毛細(xì)管構(gòu)成， 結(jié)構(gòu)簡單、成本低廉；2)光纖熒光探針與注射器采用即插即用結(jié)構(gòu)，檢測簡單方便，可廣泛應(yīng)用于實(shí)時(shí)檢測；3)品字形排列的光纖結(jié)構(gòu)，有效利用套筒的空間位置，能夠有效提高熒光采集效率，具有較高的精度；4)使用標(biāo)準(zhǔn)醫(yī)用注射器針頭作為套筒，減少人體微量元素檢測時(shí)病人的痛苦。


圖1是基于溶液的光纖熒光傳感系統(tǒng)模型結(jié)構(gòu)示意圖； 圖2是圖1中的光纖熒光探針結(jié)構(gòu)剖面圖3是光源方向角的示意圖。
具體實(shí)施例方式適用于微量元素含量檢測的光纖熒光探針，其特征在于包括有激發(fā)光纖11、接收光纖(12、13)、毛細(xì)管14、選透膜15和套筒16，激發(fā)光纖與兩根接收光纖呈品字形排列置于毛細(xì)管內(nèi)，選透膜固定在毛細(xì)管末端面，且毛細(xì)管內(nèi)充滿生物熒光探針溶液，毛細(xì)管14固定于套筒16內(nèi)，套筒圓柱段前端與毛細(xì)管末端相距2mm。按上述方案，所述的激發(fā)光纖11和接收光纖(12、13)的剖面圓心相連構(gòu)成的正三角形的中心為毛細(xì)管14的剖面圓心。按上述方案，所述的激發(fā)光纖為大芯徑紫外光纖，數(shù)值孔徑0. 22 0. 37、芯徑 40(T600um、包層直徑49(T660um ；接收光纖為普通大芯徑光纖，數(shù)值孔徑0. 34 0. 5，芯徑 40(T630um，包層直徑 490 690 um。按上述方案，所述的套筒16采用標(biāo)準(zhǔn)醫(yī)用一次性注射器針頭，規(guī)格為14G、15G或 18G ；內(nèi)徑分別為 1. 55mm、1. 36mm、0. 84mm ；外徑 2. 10mm、1. 81mm、1. 21mm?；谌芤旱墓饫w熒光傳感系統(tǒng)模型，其特征在于包括有上述所述的光纖熒光探針10、激發(fā)光源20、濾光片30、光電探測器40和數(shù)據(jù)采集處理模塊50，所述的光纖熒光探針的激發(fā)光纖的一端通過光纖連接器與激發(fā)光源的輸出端相連接，且二者同軸；光纖熒光探針的接收光纖(12、13)的一端連接濾光片，濾光片置于光電探測器正前方，且光電探測器的輸出端與數(shù)據(jù)采集處理模塊的輸入端口相連。下面結(jié)合附圖和實(shí)施例詳細(xì)說明 一.光纖熒光探針10
如圖2所示，適用于微量元素含量檢測的光纖熒光探針10包括激發(fā)光纖11、接收光纖 (12、13)、毛細(xì)管14 (構(gòu)成光纖端微腔結(jié)構(gòu))、選透膜15和套筒16 ；
(1)激發(fā)光纖11
激發(fā)光纖11是數(shù)值孔徑0. 22 0. 37、芯徑40(T600um、包層直徑49(T660um的大芯徑紫外光纖，激發(fā)光纖11接收激發(fā)光源20耦合進(jìn)的光，并激發(fā)毛細(xì)管14中的生物熒光探針溶液的熒光劑；
(2)接收光纖
接收光纖(12、13)均為數(shù)值孔徑0. 34 0. 5、芯徑40(T600um、包層直徑490 690 um的大芯徑光纖，被激發(fā)的熒光耦合至接收光纖(12、13)并傳輸至數(shù)據(jù)采集處理模塊。(3)毛細(xì)管 14
毛細(xì)管的管壁厚度約為lOOum，激發(fā)光纖11、接收光纖(12、13)呈品字形排列置于毛細(xì)管14內(nèi)，且三根光纖的外包層內(nèi)切于毛細(xì)管14內(nèi)壁，毛細(xì)管14的外壁內(nèi)切于套筒16的內(nèi)壁。
(4)選透膜15
選透膜15為多孔性壁并使適當(dāng)?shù)幕衔锍恋碛谄淇紫吨兄瞥?，小分?如離子分子大小為Pm級(jí))能穿過選透膜15而生物大分子(如熒光劑分子大小為17(T450nm)則不能穿過選透膜15。溶液中的微量元素離子可以穿過選透膜15進(jìn)入毛細(xì)管14中的生物熒光探針溶液中，而毛細(xì)管14中生物熒光探針溶液的熒光劑不能穿過選透膜15進(jìn)入套筒16中。(5)套筒 16
所述的套筒16采用標(biāo)準(zhǔn)醫(yī)用一次性注射器針頭，規(guī)格包括14G、15G、18G等；內(nèi)徑分別為1. 55mm、1. 36mm、0. 84mm ；外徑2. 10mm、1. 81mm、1. 21mm。套筒16內(nèi)壁進(jìn)行拋光處理，以增
強(qiáng)反射率。各部分的位置關(guān)系是
激發(fā)光纖11、接收光纖(12、13)三者呈品字形排列，且三根光纖的剖面圓心相連構(gòu)成的正三角形的中心即為毛細(xì)管14的剖面圓心。其結(jié)構(gòu)構(gòu)成及精度分析向毛細(xì)管14內(nèi)注滿生物熒光探針溶液，由激發(fā)光纖11、 接收光纖(12、13)膠合而成的品字形光纖、毛細(xì)管14以及生物熒光探針溶液構(gòu)成檢測傳感頭，整體固定于套筒16中構(gòu)成光纖熒光探針10。本發(fā)明的光纖熒光探針10的激發(fā)光纖11、 接收光纖(12、13)均為大芯徑光纖，增大了接收角，能大幅提高系統(tǒng)的熒光采集效率，套筒 16采用標(biāo)準(zhǔn)醫(yī)用注射器針頭，其內(nèi)能放置的光纖數(shù)最多為3，數(shù)量越多精度越高，所以品字形排列的激發(fā)光纖11、接收光纖(12、13)進(jìn)一步提高測量精度，光纖熒光探 針的優(yōu)化設(shè)計(jì)是整個(gè)傳感檢測系統(tǒng)中核心部分。二.檢測系統(tǒng)功能塊及其工作原理基于溶液的光纖熒光傳感系 統(tǒng)模型(如圖1所示裝置)包括有光纖熒光探針10、激發(fā)光源20、濾光片30、光電探測器40和數(shù)據(jù)采集處理模塊50，其位置關(guān)系和連接情況為所述的光纖熒光探針的激發(fā)光纖11的一端通過光纖連接器與激發(fā)光源20的輸出端相連，且二者同軸；光纖熒光探針10的兩根接收光纖(12、13)的一端連接濾光片30，濾光片30置于光電探測器40的前方，且光電探測器40的輸出端與數(shù)據(jù)采集處理模塊50的輸入端口相連。(1) 激發(fā)光源20
根據(jù)所測的特定微量元素，激發(fā)光源20發(fā)出特定波長的激發(fā)光，一般為紫外光源(如 UV-LED)，耦合進(jìn)入大芯徑激發(fā)光纖11，傳輸至光纖熒光探針10，激發(fā)生物熒光探針溶液中的熒光劑發(fā)光。耦合至激發(fā)光纖11中的光功率由光源20的輸出光功率、方向角和激發(fā)光纖11的數(shù)值孔徑?jīng)Q定。光源方向角如附圖3所示α，其中α=0-120°。數(shù)值孔徑NA表示光纖接收光的能力。通常NA的數(shù)值在0.14 0.5之內(nèi)。光纖的數(shù)值孔徑NA越大，更多的光將被耦合到光纖中。當(dāng)確定激發(fā)光源20后，則前兩個(gè)條件確定，此時(shí)采用大數(shù)值孔徑的激發(fā)光纖11可提高系統(tǒng)弱信號(hào)檢測的精度。(2)濾光片 30
濾光片30為窄帶干涉帶通濾光片，只透過指定波長的光，而對(duì)其他波段不透明，從而減少雜散光干擾，提高系統(tǒng)精度；
(3)光電探測器40
光電探測器40為高靈敏度的Si -PIN器件，在熒光波段(400-1000nm)有高的靈敏度， 將所接收熒光轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，輸入后續(xù)處理電路；
(4)數(shù)據(jù)采集處理模塊50
數(shù)據(jù)采集處理模塊50為通用弱信號(hào)處理電路，包括前放、濾波、A/D采集和計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)處理等。由光電探測器40所獲得的光電轉(zhuǎn)換信號(hào)，經(jīng)處理后，得到對(duì)應(yīng)的被測元素濃度值， 送后續(xù)輸出和顯示。
權(quán)利要求
1.適用于微量元素含量檢測的光纖熒光探針，其特征在于包括有激發(fā)光纖(11)、接收光纖(12、13)、毛細(xì)管(14)、選透膜(15)和套筒(16)，激發(fā)光纖與兩根接收光纖呈品字形排列置于毛細(xì)管內(nèi)，選透膜固定在毛細(xì)管末端面，且毛細(xì)管內(nèi)充滿生物熒光探針溶液，毛細(xì)管 (14)固定于套筒(16)內(nèi)，套筒圓柱段前端與毛細(xì)管末端相距2mm。
2.按權(quán)利要求1所述的適用于微量元素含量檢測的光纖熒光探針，其特征在于所述的激發(fā)光纖(11)和接收光纖(12、13)的剖面圓心相連構(gòu)成的正三角形的中心為毛細(xì)管(14) 的剖面圓心。
3.按權(quán)利要求1所述的適用于微量元素含量檢測的光纖熒光探針，其特征在于所述的激發(fā)光纖為大芯徑紫外光纖，數(shù)值孔徑0. 22 0. 37、芯徑40(T6(K)Um、包層直徑49(T660um ； 接收光纖為普通大芯徑光纖，數(shù)值孔徑0. 34 0. 5，芯徑40(T630Um，包層直徑49(T690 um。
4.按權(quán)利要求1所述的適用于微量元素含量檢測的光纖熒光探針，其特征在于所述的套筒(16)采用標(biāo)準(zhǔn)醫(yī)用一次性注射器針頭，規(guī)格為14G、15G或18G。
5.基于溶液的光纖熒光傳感系統(tǒng)模型，其特征在于包括有權(quán)利要求1-4任一項(xiàng)所述的光纖熒光探針(10)、激發(fā)光源(20)、濾光片(30)、光電探測器(40)和數(shù)據(jù)采集處理模塊 (50)，所述的光纖熒光探針的激發(fā)光纖的一端通過光纖連接器與激發(fā)光源的輸出端相連接，且二者同軸；光纖熒光探針的接收光纖(12、13)的一端連接濾光片，濾光片置于光電探測器正前方，且光電探測器的輸出端與數(shù)據(jù)采集處理模塊的輸入端口相連。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種適用于微量元素含量檢測的光纖熒光探針及基于溶液的光纖熒光傳感系統(tǒng)模型，包括有激發(fā)光纖、接收光纖、毛細(xì)管、選透膜和套筒，激發(fā)光纖與兩根接收光纖呈品字形排列置于毛細(xì)管內(nèi)，選透膜固定在毛細(xì)管末端面，且毛細(xì)管內(nèi)充滿生物熒光探針溶液，毛細(xì)管固定于套筒內(nèi)，套筒圓柱段前端與毛細(xì)管末端相距2mm。本發(fā)明具有相對(duì)于現(xiàn)有技術(shù)具有以下優(yōu)點(diǎn)1)結(jié)構(gòu)簡單、成本低廉；2)檢測簡單方便，可廣泛應(yīng)用于實(shí)時(shí)檢測；3)品字形排列的光纖結(jié)構(gòu)，有效利用套筒的空間位置，能夠有效提高熒光采集效率，具有較高的精度；4)使用標(biāo)準(zhǔn)醫(yī)用注射器針頭作為套筒，減少人體微量元素檢測時(shí)病人的痛苦。
文檔編號(hào)G01N21/64GK102445444SQ20111031801
公開日2012年5月9日 申請(qǐng)日期2011年10月19日 優(yōu)先權(quán)日2011年10月19日
發(fā)明者華莉, 潘忠, 黎敏 申請(qǐng)人:武漢理工大學(xué)