一種基于模式干涉的細(xì)芯級聯(lián)光纖生物傳感裝置的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于光學(xué)和生物的交叉檢測技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種新型基于模式干涉的細(xì)芯級聯(lián)光纖生物傳感裝置，具有易于制作，結(jié)構(gòu)緊湊，穩(wěn)定性強(qiáng)和探測靈敏度高等優(yōu)點(diǎn)。所謂生物傳感，就是利用物理化學(xué)生物綜合檢測技術(shù)對被分析物進(jìn)行檢測。本發(fā)明所提出的生物傳感器是利用光學(xué)檢測技術(shù)來檢測分析物的裝置。
【背景技術(shù)】
[0002]生物傳感器是用來探測生物化學(xué)物質(zhì)或生物化學(xué)反應(yīng)的一種裝置。與傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)室分析方法(比如酶分析法)相比，生物傳感器因其專一性強(qiáng)、易操作、設(shè)備簡單、測量準(zhǔn)確和成本低等特點(diǎn)，在環(huán)境保護(hù)、食品工程和臨床醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。研究便攜、快速、經(jīng)濟(jì)、易操作以及高精度的生物傳感器對國計(jì)和民生均有重要的意義。
[0003]近年來以光纖為載體的生物傳感器在研究中受到越來越多的重視。相比于電學(xué)生物傳感器，光纖生物傳感器繼承了光纖傳感器的特點(diǎn)，具有耐腐蝕，結(jié)構(gòu)簡單和小型化，高靈敏度，響應(yīng)速度快以及抗電磁干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。目前光纖生物傳感器主要有光纖光柵生物傳感器，表面等離子體共振光纖生物傳感器和單模-多模-單模級聯(lián)光纖生物傳感器。但是這些光纖生物傳感器均存在一些缺陷:光纖光柵和表面等離子體共振光纖生物傳感器的原理雖然相對簡單，但是制作過程相對復(fù)雜，不容易操作，存在成本高的問題；單模-多模-單模級聯(lián)光纖生物傳感器雖然制作成本相對低，但是制作過程中需要用化學(xué)試劑來腐蝕掉多模光纖的包層。化學(xué)腐蝕不僅需要一系列的安全措施，而且腐蝕過程的控制也比較復(fù)雜，比如化學(xué)腐蝕方法非常難控制光纖表面的光滑度和直徑大小。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明的目的是在于提供一種基于級聯(lián)光纖的生物傳感裝置及測量方法，使其可以探測生物化學(xué)物質(zhì)或生物化學(xué)反應(yīng)，與現(xiàn)有技術(shù)相比，探測敏感性得到明顯的提高，具備結(jié)構(gòu)緊湊，制備簡單，測量快速，準(zhǔn)確可靠和易操作等優(yōu)點(diǎn)。
[0005]本發(fā)明的目的是由以下技術(shù)方案來實(shí)現(xiàn)的:
[0006]根據(jù)上述目的，我們設(shè)計(jì)了一種簡易基于級聯(lián)光纖的生物傳感裝置及測量方法。整個(gè)傳感裝置分為傳感探測系統(tǒng)和微流控系統(tǒng)兩部分。傳感探測系統(tǒng)包括:寬帶光源1、級聯(lián)光纖傳感結(jié)構(gòu)3和光學(xué)光譜分析儀5。其中級聯(lián)光纖傳感結(jié)構(gòu)3是基于單模光纖-細(xì)芯光纖-單模光纖的級聯(lián)結(jié)構(gòu)，如圖2所示，兩根帶有涂覆層16的單模光纖即入射光纖2和出射光纖4中間級聯(lián)一根無涂覆層的細(xì)芯光纖13，涂覆層16可以通過光纖剝線鉗剝落，入射光纖2 —端連接寬帶光源1，出射光纖4 一端連接光學(xué)光譜分析儀5，級聯(lián)光纖傳感結(jié)構(gòu)3固定于鍍有低折射率材料膜7的基底6上。微流控系統(tǒng)包括:微流腔8和微流栗12。微流腔8通過兩個(gè)微流橡膠管9和10連接到微流栗12，待分析液體樣品通過微流橡膠管9輸送到微流腔8內(nèi)，待分析液體樣品通過微流橡膠管10被抽出微流腔8，微流腔8和微流橡膠管(9和10)的連接處需要加上墊圈11來保持微流腔8的密封性。
[0007]發(fā)明中光源選取的要求:寬帶光源，比如光源波長范圍在1500納米至1600納米。
[0008]本發(fā)明中涉及到光學(xué)介質(zhì)鍍膜工藝，比如在基底6上需要鍍一層低折射率材料膜7，可相應(yīng)采取真空蒸鍍、真空電子束濺射、離子濺射等成膜工藝。鍍膜工藝中關(guān)鍵是注意膜厚度和溫度的控制，具體鍍膜工藝在此不作詳細(xì)敘述。
[0009]本發(fā)明中涉及到光纖結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)和制備。光纖結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)可相應(yīng)采取光束傳播法來優(yōu)化結(jié)構(gòu)參數(shù)。其制備可相應(yīng)采取常用的光纖制備工藝，比如光纖切割和光纖電弧熔接。
[0010]本發(fā)明中涉及到微流腔的制備工藝。其制備材料可以選取透光性好，無毒和廉價(jià)的聚二甲基矽氧烷。微流腔的制備可相應(yīng)采取光刻，顯影和刻蝕等常用制備工藝。
[0011]本發(fā)明的目的是探測生物化學(xué)物質(zhì)或生物化學(xué)反應(yīng)，傳感功能主要有兩方面:一是生物化學(xué)物質(zhì)的探測，二是生物化學(xué)反應(yīng)的探測。
[0012]關(guān)于生物化學(xué)物質(zhì)的探測:比如探測化學(xué)物質(zhì)溶液的濃度，濃度的變化會(huì)改變其折射率大小。其探測過程如下:第一，在微流栗12內(nèi)注入已知濃度A的所需探測的化學(xué)溶液，通過微流橡膠管9將其輸送到微流腔8內(nèi)，同時(shí)通過微流橡膠管10以相同速率將其抽運(yùn)出微流腔8，待化學(xué)溶液穩(wěn)定流經(jīng)級聯(lián)光纖傳感結(jié)構(gòu)3同時(shí)，記錄下光學(xué)光譜分析儀5的測量結(jié)果；第二，在微流栗12內(nèi)注入已知濃度B的所需探測的化學(xué)溶液，重復(fù)第一步操作過程，記錄下光學(xué)光譜分析儀5的測量結(jié)果；第三，以上述兩步的測量結(jié)果作為基準(zhǔn)就可以實(shí)現(xiàn)其他未知濃度的檢測。
[0013]關(guān)于生物化學(xué)反應(yīng)的探測:比如纖維蛋白質(zhì)抗原抗體分子識別的檢測。其操作過程如下:第一，傳感光纖表面纖維蛋白質(zhì)抗原分子的固定:將溶有纖維蛋白質(zhì)抗原的磷酸鹽緩沖鹽水溶液注入微流栗12內(nèi)，通過微流橡膠管9將其輸送到微流腔8內(nèi)，同時(shí)通過微流橡膠管10以相同速率將其抽運(yùn)出微流腔8，輸運(yùn)持續(xù)20分鐘后，即可完成纖維蛋白質(zhì)抗原分子的表面固定過程；第二，移除固定不牢的纖維蛋白質(zhì)抗原分子:將磷酸鹽緩沖鹽水溶液注入微流栗12內(nèi)，通過微流橡膠管9將其輸送到微流腔8內(nèi)，同時(shí)通過微流橡膠管10以相同速率將其抽運(yùn)出微流腔8，多次重復(fù)操作即可完成固定不牢的纖維蛋白質(zhì)抗原分子的移除過程；第三，將溶有纖維蛋白質(zhì)抗體的磷酸鹽緩沖鹽水溶液注入微流栗12內(nèi)，通過微流橡膠管9將其輸送到微流腔8內(nèi)，同時(shí)通過微流橡膠管10以相同速率將其抽運(yùn)出微流腔8。輸運(yùn)過程中，纖維蛋白質(zhì)抗原和抗體分子的結(jié)合將改變光纖表面周圍折射率的變化，從而引起光學(xué)光譜分析儀5測量結(jié)果的變化。由于纖維蛋白質(zhì)抗原分子不能與其他類型的生物抗體分子結(jié)合，因此，通過觀察測量結(jié)果就可以判斷生物特定分子之間是否會(huì)相互識別。
[0014]本發(fā)明原理如下:
[0015]上述生物化學(xué)物質(zhì)和生物化學(xué)反應(yīng)探測的實(shí)現(xiàn)都是基于傳感結(jié)構(gòu)周圍折射率的變化。
[0016]對于所提的單模光纖-細(xì)芯光纖-單模光纖級聯(lián)結(jié)構(gòu)，由于單模光纖和細(xì)芯光纖纖芯尺寸的不匹配，導(dǎo)致單模光纖和細(xì)芯光纖的基模模式大小的不匹配(如圖3所示)。因此，當(dāng)單模光纖的基模傳播至細(xì)芯光纖端口時(shí)，將激發(fā)出細(xì)芯光纖包層內(nèi)的多個(gè)包層模式。包層模式之間由于發(fā)生多模干涉，光將以相干相消的疊加形式在細(xì)芯光纖內(nèi)傳播(如圖4所示)。包層模式的傳播常數(shù)隨著光纖周圍折射率環(huán)境的變化而變化。外界折射率的變化將直接影響包層模式之間的干涉作用，從而導(dǎo)致光學(xué)光譜分析儀輸出結(jié)果的變化，比如波長的移動(dòng)(如圖5所示)。因此，只需要通過輸出光譜的變化就可以推知外界折射率變化的大小。
【附圖說明】
[0017]圖1是本發(fā)明結(jié)構(gòu)示意圖。
[0018]圖2 (a)是級聯(lián)光纖傳感結(jié)構(gòu)示意圖，(b)是實(shí)驗(yàn)制備的級聯(lián)光纖傳感結(jié)構(gòu)顯微鏡照片，取單模光纖-細(xì)芯光纖部分。
[0019]圖3是單模光纖和細(xì)芯光纖基模模場圖。
[0020]圖4是光在細(xì)芯光纖內(nèi)的能量傳播示意圖。
[0021]圖5是理論計(jì)算輸出光譜與外界折射率關(guān)系示意圖。
[0022]圖6是理論和實(shí)驗(yàn)敏感度對比示意圖。
【具體實(shí)施方式】
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[0023]下面將結(jié)合附圖對本發(fā)明的實(shí)施舉例進(jìn)行描述。
[0024]如圖1，本發(fā)明包括:寬帶光源1，級聯(lián)光纖傳感結(jié)構(gòu)3，光學(xué)光譜分析儀5，微流腔8和微流栗12。級聯(lián)光纖傳感結(jié)構(gòu)3兩邊固定于鍍有低折射率材料膜6的基底7上。在基底7上鍍