本發(fā)明是關(guān)于一種基于全內(nèi)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(shù)：

環(huán)境監(jiān)測(cè)作為環(huán)境保護(hù)工作中不可或缺的步驟，它可以對(duì)影響環(huán)境質(zhì)量的各因素進(jìn)行科學(xué)的測(cè)定。目前，水環(huán)境中的微量有毒污染物仍缺乏經(jīng)濟(jì)實(shí)用的分析檢測(cè)儀器和分析方法，當(dāng)前大都采用傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)室儀器分析方法(例如氣相色譜、液相色譜等)分析有毒風(fēng)險(xiǎn)物質(zhì)，而這些儀器通常只能針對(duì)某一類物質(zhì)進(jìn)行檢測(cè)，因此如果需要對(duì)有機(jī)污染物、重金屬類和生物毒素類三類異構(gòu)的毒性物質(zhì)進(jìn)行檢測(cè)，需要同時(shí)裝備原子吸收儀、hplc、uplc、icp-ms(inductivelycoupledplasmamassspectrometry)電感耦合等離子體質(zhì)譜，雖然這些儀器具有較高的成熟度和精密度，但是因?yàn)檫@些檢測(cè)儀器尺寸的局限，不能夠進(jìn)行原位實(shí)時(shí)檢測(cè)，而且價(jià)格昂貴，操作復(fù)雜，需預(yù)處理，這不僅對(duì)于中國(guó)經(jīng)濟(jì)欠發(fā)達(dá)地區(qū)來(lái)說難以實(shí)現(xiàn)，對(duì)中國(guó)東部經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)地區(qū)在經(jīng)濟(jì)上也是沉重負(fù)擔(dān)。因此研發(fā)和生產(chǎn)具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的相對(duì)廉價(jià)和使用方便的可同時(shí)檢測(cè)多種分析物的科學(xué)儀器在中國(guó)環(huán)境監(jiān)測(cè)儀器技術(shù)領(lǐng)域中具有重要的現(xiàn)實(shí)需求。

依據(jù)全內(nèi)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(xiàn)有技術(shù)中公開了單指標(biāo)光纖生物傳感器。單指標(biāo)光纖生物傳感器結(jié)構(gòu)較為簡(jiǎn)單，易于實(shí)現(xiàn)小型化。如圖1所示，單指標(biāo)光纖生物傳感器原理是：一束光線以適當(dāng)?shù)慕嵌冗M(jìn)入光纖時(shí)，會(huì)以全反射方式在光纖中傳播，產(chǎn)生一種橫貫光纖的波，通過光纖與其它介質(zhì)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(shù)十至幾百納米。在倏逝波存在的范圍內(nèi)，通過吸附或以生物親和反應(yīng)而連接到光纖探頭表面上的生物敏感元件，當(dāng)倏逝波穿過生物敏感元件時(shí)，或產(chǎn)生光信號(hào)(如標(biāo)記有熒光分子的生物物質(zhì)被激發(fā)并產(chǎn)生熒光)，或?qū)е沦渴挪ㄅc光纖內(nèi)傳播光線的強(qiáng)度、相位或頻率改變。測(cè)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(dāng)熒光分子被激發(fā)時(shí)，此熒光強(qiáng)度與生物物質(zhì)的濃度具有定量的關(guān)系，從而可以實(shí)現(xiàn)對(duì)生物物質(zhì)的定量測(cè)定，依據(jù)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(qiáng)；操作簡(jiǎn)單、測(cè)定速度快的優(yōu)點(diǎn)，但是現(xiàn)有的單指標(biāo)光纖生物傳感器一次只能檢測(cè)一項(xiàng)指標(biāo)，使用范圍存在一定的局限性。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

針對(duì)上述問題，本發(fā)明的目的是提供一種能夠?qū)崿F(xiàn)多指標(biāo)同步測(cè)定的多通道倏逝波全光纖生物傳感器。

為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采取以下技術(shù)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(dòng)進(jìn)樣系統(tǒng)、光學(xué)系統(tǒng)以及控制電路與信號(hào)處理系統(tǒng)；所述流動(dòng)進(jìn)樣系統(tǒng)包括樣品池組、蠕動(dòng)泵和十位閥，所述樣品池組中的若干樣品池依次串聯(lián)連接，所述樣品池組的一端連接所述蠕動(dòng)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(nèi)均固定設(shè)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(tuán)，從而可檢測(cè)同一樣品中的不同指標(biāo)；所述光學(xué)系統(tǒng)包括半導(dǎo)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(hào)處理系統(tǒng)包括光電探測(cè)器組、微信號(hào)模擬前置放大器、多路鎖相放大器、并行處理模塊、脈沖信號(hào)發(fā)生器、協(xié)同控制模塊和計(jì)算機(jī)；所述半導(dǎo)體激光器發(fā)出的激光準(zhǔn)直后分成若干束光，每一束光均經(jīng)相應(yīng)全光纖系統(tǒng)發(fā)射到相應(yīng)所述樣品池，每一所述光纖探頭經(jīng)激發(fā)產(chǎn)生熒光，產(chǎn)生的熒光信號(hào)經(jīng)所述全光纖系統(tǒng)收集并經(jīng)所述濾光片組過濾后發(fā)射到所述光電探測(cè)器組，所述光電探測(cè)器組將收集的所有所述光纖探頭表面的熒光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電流信號(hào)，多路電流信號(hào)依次經(jīng)所述微信號(hào)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(jì)算機(jī)，實(shí)現(xiàn)對(duì)樣品多指標(biāo)的同時(shí)定量分析；所述計(jì)算機(jī)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(hào)發(fā)生器連接所述半導(dǎo)體激光器，所述協(xié)同控制模塊并聯(lián)連接所述蠕動(dòng)泵和十位閥。

優(yōu)選地，所述樣品池組中包括的樣品池的數(shù)量為四個(gè)，四個(gè)所述樣品池縱向平行間隔排列，四個(gè)所述樣品池的內(nèi)端均設(shè)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(nèi)側(cè)頂部設(shè)置有樣品出口，第二樣品池和第四樣品池的內(nèi)側(cè)底部設(shè)置有樣品入口，每一所述樣品池的外端部均設(shè)置有連接口，所述蠕動(dòng)泵的進(jìn)口連接所述第一樣品池的樣品出口，所述蠕動(dòng)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(lián)連接若干被測(cè)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(lián)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(jīng)所述單多模光纖耦合器通過所述第二多模光纖進(jìn)入所述光纖探頭，所述光纖探頭的熒光信號(hào)通過所述第二多模光纖經(jīng)所述單多模光纖耦合器從所述第一多模光纖進(jìn)入所述光電探測(cè)器組。

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

本發(fā)明由于采取以上技術(shù)方案，其具有以下優(yōu)點(diǎn)：1、本發(fā)明采用四個(gè)平行間隔放置并裝有光纖探頭的樣品池，半導(dǎo)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(tuán)，每一光纖探頭經(jīng)激發(fā)均產(chǎn)生熒光信號(hào)，通過單獨(dú)測(cè)定熒光信號(hào)能夠?qū)崿F(xiàn)一個(gè)待測(cè)樣品中多項(xiàng)指標(biāo)的同步測(cè)定；2、本發(fā)明設(shè)置有流動(dòng)進(jìn)樣系統(tǒng)，通過十位閥連接樣品池和待測(cè)樣品，待測(cè)樣品順序通入多個(gè)樣品池及同步分析多種組分，進(jìn)樣管路及程序簡(jiǎn)單，實(shí)現(xiàn)了全自動(dòng)順序流動(dòng)進(jìn)樣。3、本發(fā)明激光通過分光器在四個(gè)光纖探頭進(jìn)行全內(nèi)反射的過程中，在雙相介質(zhì)的界面處產(chǎn)生倏逝波，倏逝波激發(fā)光纖探頭表面熒光標(biāo)記的生物分子產(chǎn)生熒光，單多模光纖耦合器對(duì)熒光進(jìn)行收集，通過光電二極管將光信號(hào)轉(zhuǎn)換為可測(cè)的電信號(hào)，并用多路鎖相放大器將微弱的可測(cè)的電信號(hào)進(jìn)一步放大后進(jìn)行檢測(cè)，儀器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小、熒光收集效率高、背景噪聲干擾小，能夠?qū)崿F(xiàn)多指標(biāo)同步快速檢測(cè)。綜上，本發(fā)明可以用于檢測(cè)生物大分子、有機(jī)小分子、病毒及細(xì)菌等，適用于環(huán)境監(jiān)測(cè)、醫(yī)學(xué)檢驗(yàn)、食品質(zhì)控等技術(shù)領(lǐng)域。

附圖說明

圖1是現(xiàn)有技術(shù)中單指標(biāo)倏逝波全光纖生物傳感器結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)示意圖；

圖3是本發(fā)明的全光纖系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖；

圖4是本發(fā)明的光纖探頭的結(jié)構(gòu)示意圖。

具體實(shí)施方式

以下結(jié)合附圖來(lái)對(duì)本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)的描繪。然而應(yīng)當(dāng)理解，附圖的提供僅為了更好地理解本發(fā)明，它們不應(yīng)該理解成對(duì)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(xué)系統(tǒng)、流動(dòng)進(jìn)樣系統(tǒng)以及控制電路與信號(hào)處理系統(tǒng)。

光學(xué)系統(tǒng)包括半導(dǎo)體激光器1、準(zhǔn)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(dòng)進(jìn)樣系統(tǒng)包括樣品池7、蠕動(dòng)泵8和十位閥9。

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

半導(dǎo)體激光器1發(fā)出的激光發(fā)射到準(zhǔn)直透鏡2，準(zhǔn)直透鏡2將激光整形為平行光，準(zhǔn)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(shí)施例為四束，以此為例，不限于此)，經(jīng)分光鏡3出射的每一束光均經(jīng)相應(yīng)全光纖系統(tǒng)4的單模光纖41傳入，并經(jīng)單多模光纖耦合器42傳入到多模光纖44，經(jīng)多模光纖44傳遞至到樣品池7內(nèi)的光纖探頭5，固定設(shè)置在每一樣品池7內(nèi)的光纖探頭5表面的熒光分子樣品經(jīng)激發(fā)產(chǎn)生熒光，熒光信號(hào)經(jīng)多模光纖44收集并經(jīng)單多模光纖耦合器42發(fā)射到多模光纖43后分別經(jīng)濾光片組6過濾后發(fā)射到光電探測(cè)器組10，濾光片組10用于過濾激發(fā)光信號(hào)，光電探測(cè)器組10用于將收集的多個(gè)光纖探頭5表面的不同熒光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電流信號(hào)，多路電流信號(hào)依次經(jīng)微信號(hào)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(jì)算機(jī)13，實(shí)現(xiàn)對(duì)樣品多指標(biāo)的同時(shí)定量分析。

計(jì)算機(jī)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(hào)發(fā)生器16連接半導(dǎo)體激光器1，協(xié)同控制模塊15并聯(lián)連接蠕動(dòng)泵8和十位閥9，計(jì)算機(jī)13控制并行處理模塊14發(fā)送信號(hào)到協(xié)同控制模塊15，協(xié)同控制模塊15根據(jù)接收到的信號(hào)從而控制蠕動(dòng)泵8和十位閥9的開閉。

本發(fā)明實(shí)施例中設(shè)置有四個(gè)樣品池7，四個(gè)樣品池7縱向平行間隔排列，四個(gè)樣品池的內(nèi)端均設(shè)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(nèi)側(cè)頂部設(shè)置有樣品出口，第二樣品池和第四樣品池的內(nèi)側(cè)底部設(shè)置有樣品入口，每一樣品池的外端部均設(shè)置有連接口，蠕動(dòng)泵8的出口端連接廢液池，蠕動(dòng)泵8的進(jìn)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(lián)連接若干被測(cè)樣品。

在一個(gè)優(yōu)選的實(shí)施例中，四個(gè)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(gè)優(yōu)選的實(shí)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(lián)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(jīng)過單多模光纖耦合器43通過多模光纖44進(jìn)入光纖探頭5，光纖探頭5收集的信號(hào)通過多模光纖44經(jīng)過單多模光纖耦合器42從另一根多模光纖43進(jìn)行傳輸進(jìn)入光電探測(cè)器組10。

在一個(gè)優(yōu)選的實(shí)施例中，如圖4所示，光纖探頭5是整個(gè)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(shù)值孔徑為0.22，芯徑為600μm，當(dāng)把石英包層去除后，將光纖探頭5放入溶液時(shí)，溶液的折射率為1.33，其傳播光的模數(shù)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(jìn)行連接。本發(fā)明通過修飾不同生物識(shí)別分子的光纖探頭5的同時(shí)使用，實(shí)現(xiàn)多種樣品的同時(shí)檢測(cè)。

在一個(gè)優(yōu)選的實(shí)施例中，光纖探頭5可以根據(jù)不同需求帶有不同修飾功能基團(tuán)(如羥基或氨基)。光纖探頭5的制作過程為：首先將5.4cm長(zhǎng)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(dāng)時(shí)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(duì)光纖進(jìn)行充分清洗，接著放入通風(fēng)干燥箱干燥，去除芯片上的有機(jī)物并完成光纖表面羥基化，用9800μl無(wú)水甲苯和20μlaptes溶液；然后將潔凈的光纖放入該溶液中反應(yīng)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(yīng)2h，接著用甲苯潤(rùn)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(fēng)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(diǎn)，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(gè)優(yōu)選的實(shí)施例中，濾光片組6由平行的多個(gè)濾光片組成，每個(gè)濾光片6都置于相應(yīng)多模光纖43的尾端，以對(duì)激發(fā)光進(jìn)行濾除。

在一個(gè)優(yōu)選的實(shí)施例中，光電探測(cè)器組10由一組光電二極管組成，每個(gè)光電二極管10靠近濾光片的一面，以將熒光轉(zhuǎn)換成電信號(hào)。

在一個(gè)優(yōu)選的實(shí)施例中，微信號(hào)模擬前置放大器11采用運(yùn)算放大電路，將由光電探測(cè)器輸入電流信號(hào)正比例的轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)。

下面通過具體實(shí)施例詳細(xì)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(shí)施例的樣品池的數(shù)量為4個(gè)，激光光源采用波長(zhǎng)為635nm的半導(dǎo)體激光器，經(jīng)脈沖信號(hào)發(fā)生器16調(diào)制成頻率為2800hz的非連續(xù)光后輸出功率為15mw，準(zhǔn)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(shù)值孔徑為0.22，濾光片6對(duì)激發(fā)光的投射率＜10^-7，對(duì)熒光的透過率≥80％，光電探測(cè)器采用光電二極管。

測(cè)量時(shí)，在樣品池中注入標(biāo)記了cy5.5熒光染料的生物樣品溶液，實(shí)施例中光纖探頭5對(duì)cy5.5熒光分子溶液的探測(cè)靈敏度可達(dá)10^-9mol/l，各通道間信號(hào)幅值及探測(cè)靈敏度差異均小于10％，完成一次熒光信號(hào)的檢測(cè)時(shí)間小于20min，可同時(shí)檢測(cè)阿特拉津和2，4-d多個(gè)指標(biāo)。

上述各實(shí)施例僅用于說明本發(fā)明，其中各部件的結(jié)構(gòu)、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(shù)方案的基礎(chǔ)上進(jìn)行的等同變換和改進(jìn)，均不應(yīng)排除在本發(fā)明的保護(hù)范圍之外。