本發(fā)明屬于光纖傳感技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種基于光子晶體光纖的生物分子在纖檢測(cè)系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

目前對(duì)生物分子的檢測(cè)，如核酸與蛋白質(zhì)，在食品安全、環(huán)境監(jiān)測(cè)、基因分析和疾病診斷等關(guān)乎國(guó)計(jì)民生的領(lǐng)域起著重要作用。而在實(shí)際應(yīng)用中對(duì)生物分子的快速、實(shí)時(shí)、高靈敏度和低成本檢測(cè)，是眾多科學(xué)研究者所追求的目標(biāo)。傳統(tǒng)的生物分子檢測(cè)技術(shù)通常有電化學(xué)法、熒光光度法和同位素法。電化學(xué)法是發(fā)展較成熟的生化檢測(cè)方法，但蛋白質(zhì)等生物分子由于吸附作用會(huì)對(duì)其測(cè)定產(chǎn)生干擾，使測(cè)量靈敏度偏低，此外，該類傳感器易受電磁信號(hào)的干擾，影響其測(cè)量精度；熒光光度法具有較高的靈敏度，但受某些離子的干擾影響，熒光會(huì)湮滅而且對(duì)生物分子進(jìn)行熒光標(biāo)記需要復(fù)雜的操作，從而限制了該方法的應(yīng)用；同位素法是目前廣為使用的方法，但是同位素標(biāo)記技術(shù)較為繁瑣，且存在一定的環(huán)境污染，可能對(duì)人的健康會(huì)造成一定的損害。因此發(fā)展高靈敏度且有效的生物分子檢測(cè)方法成為傳感技術(shù)領(lǐng)域中一個(gè)特別重要的課題。光纖生物分子傳感器是生物分子識(shí)別技術(shù)與現(xiàn)代光纖技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物，相比于傳統(tǒng)的生物分子傳感器具有高靈度、高精度、響應(yīng)速度快和抗電磁干擾的優(yōu)點(diǎn)，引起國(guó)內(nèi)外研究者的廣泛關(guān)注。2013年，candiania等人(文獻(xiàn)1.candiania,bertuccia,giannettis,etal.label-freednabiosensorbasedonapeptidenucleicacid-functionalizedmicrostructuredopticalfiber-bragggrating[j].journalofbiomedicaloptics,2013,18(5):57004.)提出在刻有布拉格光柵的光子晶體光纖內(nèi)表面進(jìn)行功能化，實(shí)現(xiàn)了對(duì)dna的高選擇性檢測(cè)；2016年，araya等人(文獻(xiàn)2.araya,chiavaiolif,arjmandm,etal.spr-basedplasticopticalfibrebiosensorforthedetectionofc-reactiveproteininserum[j].journalofbiophotonics,2016,9(10):1077.)提出了一種基于表面等離子共振的塑料光纖生物傳感器，用于檢測(cè)血清中c-反應(yīng)蛋白，最終的檢測(cè)極限可達(dá)0.009mg/l。但是傳統(tǒng)光纖生物分子傳感器的共振頻譜的3db帶寬非常寬，通常大于50nm，導(dǎo)致非常低的品質(zhì)因子，嚴(yán)重影響檢測(cè)精度(文獻(xiàn)3.luob,yanz,sunz,etal.biosensorbasedonexcessivelytiltedfibergratinginthin-claddingopticalfiberforsensitiveandselectivedetectionoflowglucoseconcentration[j].opticsexpress,2015,23(25):32429.)。此外，傳統(tǒng)光纖生物分子傳感器存在溫度穩(wěn)定性差，結(jié)構(gòu)不靈活等不足，限制了其檢測(cè)極限及靈敏度性能的進(jìn)一步提升。

微流體通道的發(fā)展為生物分子實(shí)時(shí)在線檢測(cè)提供了新的發(fā)展方向和動(dòng)力，具有結(jié)構(gòu)緊湊、樣品用量少等方面的突出優(yōu)點(diǎn)。然而，傳統(tǒng)微流體通道的制作通常需要復(fù)雜的工藝和昂貴的設(shè)備，限制了該檢測(cè)技術(shù)的推廣和發(fā)展。由于光子晶體光纖和空芯石英光纖在橫截面上具有空氣孔，為微流體通道提供了理想的平臺(tái)，既簡(jiǎn)化了工藝，又降低了成本。此外，由于光子晶體光纖橫截面周期性排列的空氣孔，使其具有在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上的靈活性和光學(xué)特性上的可控性，與采用空芯石英光纖作為微流體通道相比，顯著地改善了系統(tǒng)的魯棒性、空間穩(wěn)定性和傳感特性。而且由于光子晶體光纖通常以單一材料為基底，因而具有極好的溫度穩(wěn)定性(文獻(xiàn)4.j.n.dash,r.jha.temperatureinsensitivepcfinterferometercoatedwithgrapheneoxidetipsensor.ieeephotonicstechnologyletters,2016,28(9):1006-1009.)。通過在光子晶體光纖內(nèi)構(gòu)建微流體通道，為實(shí)現(xiàn)靈敏度高、溫度穩(wěn)定性好、結(jié)構(gòu)緊湊、具有良好空間穩(wěn)定性的在纖式生物分子檢測(cè)提供了可能。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于克服已有生物分子檢測(cè)技術(shù)的不足，提出一種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、設(shè)計(jì)靈活、易于實(shí)現(xiàn)、體積小、靈敏度高、精度高、且能對(duì)生物分子在纖檢測(cè)的系統(tǒng)。

本發(fā)明技術(shù)方案為，一種基于光子晶體光纖的生物分子在纖檢測(cè)系統(tǒng)，包括光源單元、傳感單元、流體填充單元、光探測(cè)單元、光纖鏈路和填充鏈路，所述的光源單元為寬譜光源；所述的傳感單元包括錐形光纖和光子晶體光纖；所述的流體填充單元包括注射泵和樣品池；所述的光電探測(cè)單元為光譜分析儀；所述的光纖鏈路包括輸入光纖、光纖環(huán)形器和輸出光纖；所述的填充鏈路包括聚四氟乙烯管a和聚四氟乙烯管b以及連接套管a和連接套管b；其中，錐形光纖的錐區(qū)尖端與光子晶體光纖垂直接觸，實(shí)現(xiàn)與光子晶體光纖發(fā)生強(qiáng)近場(chǎng)耦合的作用，錐形光纖的另一端與光纖環(huán)形器一端連接；光纖環(huán)形器的另外兩端分別與寬譜光源和光譜分析儀連接；注射泵通過聚四氟乙烯管b、連接套管b與光子晶體光纖的一端連接；樣品池通過聚四氟乙烯管a、連接套管a與光子晶體光纖的另一端連接，來(lái)實(shí)現(xiàn)生物分子溶液樣品填充；光子晶體光纖的空氣孔內(nèi)壁上固定與生物分子進(jìn)行特異性結(jié)合的敏感分子。

進(jìn)一步地，所述的錐形光纖是通過將單模光纖均勻的拉細(xì)而成，其錐區(qū)尖端直徑范圍為1～4μm，錐區(qū)長(zhǎng)度范圍為5～17mm。

進(jìn)一步地，所述的光子晶體光纖的總長(zhǎng)度為1～2cm，其橫截面存在按周期性排列的空氣孔，且沿光纖軸向保持結(jié)構(gòu)不變，該空氣孔結(jié)構(gòu)作為生物分子溶液樣品進(jìn)出光子晶體光纖的通道。

進(jìn)一步地，所述的輸入光纖和輸出光纖皆為單模光纖。

上述方案中，所述的寬譜光源輸出的光經(jīng)過輸入光纖和光纖環(huán)形器送至錐形光纖，由于光子晶體光纖與錐形光纖的錐區(qū)垂直接觸，此時(shí)的光子晶體光纖相當(dāng)于一個(gè)諧振腔，所以錐區(qū)中的光會(huì)通過近場(chǎng)耦合方式耦合進(jìn)光子晶體光纖中，而滿足相位匹配條件的光將會(huì)被限制在光子晶體光纖中傳播，滿足相位匹配條件的光所對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)稱為諧振波長(zhǎng)，不滿足相位匹配條件的光將會(huì)被重新耦合進(jìn)錐形光纖中并反射回光纖環(huán)形器中，再通過輸出光纖輸送給光譜分析儀作為測(cè)量信號(hào)，此外，錐形光纖與光子晶體光纖組成的耦合系統(tǒng)屬于反射型。

從上述技術(shù)方案可以看出，本發(fā)明具有以下有益效果：

1)本發(fā)明提出的這種基于光子晶體光纖的生物分子在纖檢測(cè)系統(tǒng)，將空氣孔內(nèi)壁上固定了能與生物分子進(jìn)行特異性結(jié)合的敏感分子的光子晶體光纖作為生物分子溶液樣品傳輸通道，利用其橫截面固有的空氣孔讓生物分子溶液樣品進(jìn)出光子晶體光纖可以實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)緊湊、樣品用量少和空間穩(wěn)定性好的在纖式生物分子檢測(cè)，同時(shí)也減小了檢測(cè)系統(tǒng)體積。

2)光子晶體光纖的極好的溫度穩(wěn)定性和光局域能力，提高了檢測(cè)的穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性。

3)通過錐形光纖與光子晶體光纖發(fā)生近場(chǎng)耦合，可將部分光限制在光子晶體光纖中傳播，有效的將光能量限制在非常小的體積中，從而導(dǎo)致高功率密度和高品質(zhì)因子，可以實(shí)現(xiàn)高靈敏度、高精度檢測(cè)。

4)反射型耦合系統(tǒng)提高了傳感結(jié)構(gòu)的魯棒性。

附圖說(shuō)明

圖1為本發(fā)明提供的基于光子晶體光纖的生物分子在纖檢測(cè)系統(tǒng)示意圖；

圖2為本發(fā)明提供的光子晶體光纖橫截面結(jié)構(gòu)圖；

圖中：1寬譜光源；2輸入光纖；3光纖環(huán)形器；4錐形光纖；5樣品池；6聚四氟乙烯管a；7連接套管a；8光子晶體光纖；9連接套管b；10聚四氟乙烯管b；11注射泵；12輸出光纖；13光譜分析儀。

具體實(shí)施方式

為使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，以下結(jié)合具體實(shí)施例，并參照附圖，對(duì)本發(fā)明的具體結(jié)構(gòu)、原理以及實(shí)驗(yàn)過程作進(jìn)一步的詳細(xì)說(shuō)明。

本發(fā)明提出一種基于光子晶體光纖的生物分子在纖檢測(cè)系統(tǒng)，如圖1所示為本發(fā)明提供的基于光子晶體光纖的生物分子在纖檢測(cè)系統(tǒng)示意圖。寬譜光源1輸出的光經(jīng)過輸入光纖2和光纖環(huán)形器3送至錐形光纖4，錐形光纖的錐區(qū)長(zhǎng)度為15mm，其尖端直徑為3.61μm，由于錐形光纖的錐區(qū)直徑足夠細(xì)，所以錐區(qū)會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)烈的倏逝場(chǎng)，而長(zhǎng)度為1.3cm的光子晶體光纖8與錐形光纖的錐區(qū)垂直接觸，此時(shí)的光子晶體光纖相當(dāng)于一個(gè)諧振腔，所以錐區(qū)中的光會(huì)通過近場(chǎng)耦合方式耦合進(jìn)光子晶體光纖中，且倏逝場(chǎng)越強(qiáng)，耦合效率越高，若耦合進(jìn)光子晶體光纖中的光滿足相位匹配條件則會(huì)被限制在光子晶體光纖中傳播，傳播方向?yàn)檠刂庾泳w光纖的包層內(nèi)壁，滿足相位匹配條件的光所對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)稱為諧振波長(zhǎng)，不滿足相位匹配條件的光將會(huì)被重新耦合進(jìn)錐形光纖中并反射回光纖環(huán)形器中，再通過輸出光纖12輸送給光譜分析儀作為測(cè)量信號(hào)，并在光譜分析儀13上顯示輸出光譜，由于部分光被限制在光子晶體光纖的包層內(nèi)壁中，所以輸出光譜圖中的諧振波長(zhǎng)處會(huì)產(chǎn)生波谷。

如圖2所示為光子晶體光纖橫截面結(jié)構(gòu)圖，光子晶體光纖橫截面中的空氣孔用1標(biāo)記。在空氣孔內(nèi)壁上固定了能與目標(biāo)生物分子進(jìn)行特異性結(jié)合的敏感分子，其作用是捕獲生物分子溶液樣品中需檢測(cè)出的目標(biāo)生物分子。在進(jìn)行生物分子檢測(cè)實(shí)驗(yàn)時(shí)，通過流體填充單元將生物分子溶液樣品連續(xù)注入到光子晶體光纖的空氣孔中，當(dāng)生物分子溶液樣品中含有目標(biāo)生物分子時(shí)，目標(biāo)生物分子將會(huì)被固定在空氣孔內(nèi)壁上的敏感分子所捕獲，大量的目標(biāo)分子被固定在空氣孔內(nèi)壁上，空氣孔內(nèi)壁表面的有效折射率將會(huì)發(fā)生改變，就會(huì)導(dǎo)致相位匹配條件發(fā)生改變，從而使諧振波長(zhǎng)發(fā)生漂移，通過觀察諧振波長(zhǎng)漂移量的大小可以實(shí)現(xiàn)對(duì)生物分子的識(shí)別探測(cè)，以確定生物分子溶液樣品中是否含有目標(biāo)生物分子。