本發(fā)明是關于一種基于全內反射倏逝波原理和熒光分析原理的多通道倏逝波全光纖生物傳感器。

背景技術：

環(huán)境監(jiān)測作為環(huán)境保護工作中不可或缺的步驟，它可以對影響環(huán)境質量的各因素進行科學的測定。目前，水環(huán)境中的微量有毒污染物仍缺乏經濟實用的分析檢測儀器和分析方法，當前大都采用傳統(tǒng)的實驗室儀器分析方法(例如氣相色譜、液相色譜等)分析有毒風險物質，而這些儀器通常只能針對某一類物質進行檢測，因此如果需要對有機污染物、重金屬類和生物毒素類三類異構的毒性物質進行檢測，需要同時裝備原子吸收儀、hplc、uplc、icp-ms(inductivelycoupledplasmamassspectrometry)電感耦合等離子體質譜，雖然這些儀器具有較高的成熟度和精密度，但是因為這些檢測儀器尺寸的局限，不能夠進行原位實時檢測，而且價格昂貴，操作復雜，需預處理，這不僅對于中國經濟欠發(fā)達地區(qū)來說難以實現，對中國東部經濟發(fā)達地區(qū)在經濟上也是沉重負擔。因此研發(fā)和生產具有自主知識產權的相對廉價和使用方便的可同時檢測多種分析物的科學儀器在中國環(huán)境監(jiān)測儀器技術領域中具有重要的現實需求。

依據全內反射熒光原理的生物傳感器大多是光纖倏逝波生物傳感器，現有技術中公開了單指標光纖生物傳感器。單指標光纖生物傳感器結構較為簡單，易于實現小型化。如圖1所示，單指標光纖生物傳感器原理是：一束光線以適當的角度進入光纖時，會以全反射方式在光纖中傳播，產生一種橫貫光纖的波，通過光纖與其它介質的交接處傳出光纖，這種波隨傳播快速衰減，稱為倏逝波，該倏逝波是一種能量波，其透射深度通常只有數十至幾百納米。在倏逝波存在的范圍內，通過吸附或以生物親和反應而連接到光纖探頭表面上的生物敏感元件，當倏逝波穿過生物敏感元件時，或產生光信號(如標記有熒光分子的生物物質被激發(fā)并產生熒光)，或導致倏逝波與光纖內傳播光線的強度、相位或頻率改變。測量這些變化，即可獲得生物敏感元件或者光纖變化的信息，即生物敏感元件與分析物相互作用的信息，當熒光分子被激發(fā)時，此熒光強度與生物物質的濃度具有定量的關系，從而可以實現對生物物質的定量測定，依據此原理的倏逝波全光纖生物傳感器具有靈敏度高、生物特異性強；操作簡單、測定速度快的優(yōu)點，但是現有的單指標光纖生物傳感器一次只能檢測一項指標，使用范圍存在一定的局限性。

技術實現要素：

針對上述問題，本發(fā)明的目的是提供一種能夠實現多指標同步測定的多通道倏逝波全光纖生物傳感器。

為實現上述目的，本發(fā)明采取以下技術方案：一種多通道倏逝波全光纖生物傳感器，其特征在于，該生物傳感器包括流動進樣系統(tǒng)、光學系統(tǒng)以及控制電路與信號處理系統(tǒng)；所述流動進樣系統(tǒng)包括樣品池組、蠕動泵和十位閥，所述樣品池組中的若干樣品池依次串聯連接，所述樣品池組的一端連接所述蠕動泵，所述樣品池組的另一端連接所述十位閥，每一所述樣品池內均固定設置有一光纖探頭，不同的所述光纖探頭攜帶有不同的修飾功能基團，從而可檢測同一樣品中的不同指標；所述光學系統(tǒng)包括半導體激光器、基于單多模光纖耦合器的全光纖系統(tǒng)和濾光片組；所述控制電路與信號處理系統(tǒng)包括光電探測器組、微信號模擬前置放大器、多路鎖相放大器、并行處理模塊、脈沖信號發(fā)生器、協(xié)同控制模塊和計算機；所述半導體激光器發(fā)出的激光準直后分成若干束光，每一束光均經相應全光纖系統(tǒng)發(fā)射到相應所述樣品池，每一所述光纖探頭經激發(fā)產生熒光，產生的熒光信號經所述全光纖系統(tǒng)收集并經所述濾光片組過濾后發(fā)射到所述光電探測器組，所述光電探測器組將收集的所有所述光纖探頭表面的熒光信號轉換成電流信號，多路電流信號依次經所述微信號模擬前置放大器和多路鎖相放大器處理后發(fā)送到所述計算機，實現對樣品多指標的同時定量分析；所述計算機還通過所述并行處理模塊連接所述協(xié)同控制模塊，所述并行處理模塊還通過所述脈沖信號發(fā)生器連接所述半導體激光器，所述協(xié)同控制模塊并聯連接所述蠕動泵和十位閥。

優(yōu)選地，所述樣品池組中包括的樣品池的數量為四個，四個所述樣品池縱向平行間隔排列，四個所述樣品池的內端均設置有用于固定連接所述全光纖系統(tǒng)的連接口，第一樣品池和第三樣品池的內側頂部設置有樣品出口，第二樣品池和第四樣品池的內側底部設置有樣品入口，每一所述樣品池的外端部均設置有連接口，所述蠕動泵的進口連接所述第一樣品池的樣品出口，所述蠕動泵的另一端連接廢液池，所述第一樣品池的連接口連接所述第二樣品池的連接口，所述第二樣品池的樣品入口連接所述第三樣品池的樣品出口，所述第三樣品池的連接口連接所述第四樣品池的連接口，所述第四樣品池的樣品入口通過所述十位閥并聯連接若干被測樣品。

優(yōu)選地，每一所述基于單多模光纖耦合器的全光纖系統(tǒng)均包括一單模光纖、一單多模光纖耦合器和兩多模光纖，所述單多模光纖耦合器的一端并聯連接所述單模光纖和第一多模光纖，所述單多模光纖耦合器的另一端連接第二多模光纖，激發(fā)光從所述單模光纖經所述單多模光纖耦合器通過所述第二多模光纖進入所述光纖探頭，所述光纖探頭的熒光信號通過所述第二多模光纖經所述單多模光纖耦合器從所述第一多模光纖進入所述光電探測器組。

優(yōu)選地，所述微信號模擬前置放大器采用運算放大電路，將由所述光電二極管輸入電流信號正比例的轉換成電壓信號。

本發(fā)明由于采取以上技術方案，其具有以下優(yōu)點：1、本發(fā)明采用四個平行間隔放置并裝有光纖探頭的樣品池，半導體激光器作為激發(fā)光源，激發(fā)光通過分光器、基于單多模光纖耦合器的全光纖模塊傳遞至光纖探頭，不同的光纖探頭攜帶有不同修飾功能基團，每一光纖探頭經激發(fā)均產生熒光信號，通過單獨測定熒光信號能夠實現一個待測樣品中多項指標的同步測定；2、本發(fā)明設置有流動進樣系統(tǒng)，通過十位閥連接樣品池和待測樣品，待測樣品順序通入多個樣品池及同步分析多種組分，進樣管路及程序簡單，實現了全自動順序流動進樣。3、本發(fā)明激光通過分光器在四個光纖探頭進行全內反射的過程中，在雙相介質的界面處產生倏逝波，倏逝波激發(fā)光纖探頭表面熒光標記的生物分子產生熒光，單多模光纖耦合器對熒光進行收集，通過光電二極管將光信號轉換為可測的電信號，并用多路鎖相放大器將微弱的可測的電信號進一步放大后進行檢測，儀器結構簡單、體積小、熒光收集效率高、背景噪聲干擾小，能夠實現多指標同步快速檢測。綜上，本發(fā)明可以用于檢測生物大分子、有機小分子、病毒及細菌等，適用于環(huán)境監(jiān)測、醫(yī)學檢驗、食品質控等技術領域。

附圖說明

圖1是現有技術中單指標倏逝波全光纖生物傳感器結構示意圖；

圖2是本發(fā)明的多通道倏逝波全光纖生物傳感器結構示意圖；

圖3是本發(fā)明的全光纖系統(tǒng)結構示意圖；

圖4是本發(fā)明的光纖探頭的結構示意圖。

具體實施方式

以下結合附圖來對本發(fā)明進行詳細的描繪。然而應當理解，附圖的提供僅為了更好地理解本發(fā)明，它們不應該理解成對本發(fā)明的限制。

如圖2、圖3所示，本發(fā)明提供的多通道倏逝波全光纖生物傳感器，包含光學系統(tǒng)、流動進樣系統(tǒng)以及控制電路與信號處理系統(tǒng)。

光學系統(tǒng)包括半導體激光器1、準直透鏡2、分光器3、基于單多模光纖耦合器的全光纖系統(tǒng)4、光纖探頭5和濾光片組6；其中，全光纖系統(tǒng)4包括單模光纖41、單多模光纖耦合器42和多模光纖43、44。

流動進樣系統(tǒng)包括樣品池7、蠕動泵8和十位閥9。

控制電路與信號處理系統(tǒng)包括光電探測器組10、微信號模擬前置放大器11、多路鎖相放大器12、計算機13、并行處理模塊14、協(xié)同控制模塊15和脈沖信號發(fā)生器16。

半導體激光器1發(fā)出的激光發(fā)射到準直透鏡2，準直透鏡2將激光整形為平行光，準直后的平行光發(fā)送到分光鏡3分成若干束光(本發(fā)明實施例為四束，以此為例，不限于此)，經分光鏡3出射的每一束光均經相應全光纖系統(tǒng)4的單模光纖41傳入，并經單多模光纖耦合器42傳入到多模光纖44，經多模光纖44傳遞至到樣品池7內的光纖探頭5，固定設置在每一樣品池7內的光纖探頭5表面的熒光分子樣品經激發(fā)產生熒光，熒光信號經多模光纖44收集并經單多模光纖耦合器42發(fā)射到多模光纖43后分別經濾光片組6過濾后發(fā)射到光電探測器組10，濾光片組10用于過濾激發(fā)光信號，光電探測器組10用于將收集的多個光纖探頭5表面的不同熒光信號轉換成電流信號，多路電流信號依次經微信號模擬前置放大器11和多路鎖相放大器12處理后發(fā)送到計算機13，實現對樣品多指標的同時定量分析。

計算機13還通過并行處理模塊14連接協(xié)同控制模塊15，并行處理模塊14通過脈沖信號發(fā)生器16連接半導體激光器1，協(xié)同控制模塊15并聯連接蠕動泵8和十位閥9，計算機13控制并行處理模塊14發(fā)送信號到協(xié)同控制模塊15，協(xié)同控制模塊15根據接收到的信號從而控制蠕動泵8和十位閥9的開閉。

本發(fā)明實施例中設置有四個樣品池7，四個樣品池7縱向平行間隔排列，四個樣品池的內端均設置有用于固定連接多模光纖43的連接口。第一樣品池和第三樣品池的內側頂部設置有樣品出口，第二樣品池和第四樣品池的內側底部設置有樣品入口，每一樣品池的外端部均設置有連接口，蠕動泵8的出口端連接廢液池，蠕動泵8的進口端連接第一樣品池的樣品出口，第一樣品池的連接口連接第二樣品池的連接口，第二樣品池的樣品入口連接第三樣品池的樣品出口，第三樣品池的連接口連接第四樣品池的連接口，第四樣品池的樣品入口通過十位閥9并聯連接若干被測樣品。

在一個優(yōu)選的實施例中，四個基于單多模光纖耦合器的全光纖系統(tǒng)4通過光纖連接器17縱向固定連接。

在一個優(yōu)選的實施例中，如圖3所示，每一基于單多模光纖耦合器的全光纖系統(tǒng)4均包括一單模光纖41、一單多模光纖耦合器42和兩多模光纖43、44，單多模光纖耦合器42的一端并聯連接單模光纖41和多模光纖43，單多模光纖耦合器42的另一端連接另一多模光纖44，激發(fā)光從單模光纖41經過單多模光纖耦合器43通過多模光纖44進入光纖探頭5，光纖探頭5收集的信號通過多模光纖44經過單多模光纖耦合器42從另一根多模光纖43進行傳輸進入光電探測器組10。

在一個優(yōu)選的實施例中，如圖4所示，光纖探頭5是整個系統(tǒng)的核心部件，本發(fā)明的光纖探頭5采用組合錐型形式，光纖探頭5采用石英光纖，光纖探頭5的纖芯的折射率為1.456，數值孔徑為0.22，芯徑為600μm，當把石英包層去除后，將光纖探頭5放入溶液時，溶液的折射率為1.33，其傳播光的模數為1758。在敏感部分的末端涂上黑色的油漆，防止激光泄露到溶液中。光纖探頭5與單多模光纖耦合器中的多模光纖44通過可拆卸的光纖連接器fc(fc頭)進行連接。本發(fā)明通過修飾不同生物識別分子的光纖探頭5的同時使用，實現多種樣品的同時檢測。

在一個優(yōu)選的實施例中，光纖探頭5可以根據不同需求帶有不同修飾功能基團(如羥基或氨基)。光纖探頭5的制作過程為：首先將5.4cm長的光纖從平滑面一端2.4cm處后的涂覆層刮掉，然后放入30％hf溶液浸泡適當時間，使光纖的直徑腐蝕至230～250目，接著將光纖表面的涂覆層全部刮掉，使光纖形成錐角；接著將光纖浸入新配制的piraha溶液(濃h2so4:h2o2(v/v)＝3:1)浸泡60min，之后用超純水對光纖進行充分清洗，接著放入通風干燥箱干燥，去除芯片上的有機物并完成光纖表面羥基化，用9800μl無水甲苯和20μlaptes溶液；然后將潔凈的光纖放入該溶液中反應2h，該步驟硅烷化；將硅烷化后的光纖用甲苯溶液清洗三次，然后放入加45μldsc、333.3μldiea、9622μl甲苯的溶液中，反應2h，接著用甲苯潤洗后干燥，此步驟連接雙功能試劑；將連接了雙功能試劑的光纖用乙醇沖洗三次，再用高純水沖洗干凈，接著放入通風干燥箱干燥；將光纖放入包被抗原溶液中，4℃下過夜；采用2mg/ml的bsa封閉芯片60min，以封閉非特異性吸附位點，然后用高純水沖洗，n2吹干，后端面用黑漆漆黑，晾干，備用。

在一個優(yōu)選的實施例中，濾光片組6由平行的多個濾光片組成，每個濾光片6都置于相應多模光纖43的尾端，以對激發(fā)光進行濾除。

在一個優(yōu)選的實施例中，光電探測器組10由一組光電二極管組成，每個光電二極管10靠近濾光片的一面，以將熒光轉換成電信號。

在一個優(yōu)選的實施例中，微信號模擬前置放大器11采用運算放大電路，將由光電探測器輸入電流信號正比例的轉換成電壓信號。

下面通過具體實施例詳細說明本發(fā)明的多通道倏逝波全光纖生物傳感器的使用。

如圖2所示，本實施例的樣品池的數量為4個，激光光源采用波長為635nm的半導體激光器，經脈沖信號發(fā)生器16調制成頻率為2800hz的非連續(xù)光后輸出功率為15mw，準直透鏡2將激光整形為直徑約1mm的平行圓光斑，光纖探頭5由石英光纖制成，折射率為1.456，熒光收集基于單多模光纖耦合器的全光纖系統(tǒng)4中的多模光纖采用芯徑為600μm，包層為12.5，數值孔徑為0.22，濾光片6對激發(fā)光的投射率＜10^-7，對熒光的透過率≥80％，光電探測器采用光電二極管。

測量時，在樣品池中注入標記了cy5.5熒光染料的生物樣品溶液，實施例中光纖探頭5對cy5.5熒光分子溶液的探測靈敏度可達10^-9mol/l，各通道間信號幅值及探測靈敏度差異均小于10％，完成一次熒光信號的檢測時間小于20min，可同時檢測阿特拉津和2，4-d多個指標。

上述各實施例僅用于說明本發(fā)明，其中各部件的結構、連接方式和制作工藝等都是可以有所變化的，凡是在本發(fā)明技術方案的基礎上進行的等同變換和改進，均不應排除在本發(fā)明的保護范圍之外。