專利名稱：一種制作光纖探頭的方法
技術領域：
本發明涉及一種制作光纖探頭的方法。
背景技術：
光纖是光導纖維的簡稱。它是用石英玻璃或特制塑料拉成的柔軟細絲。其典型結構自內向外為纖芯、包層及涂覆層。包層的折射率略小于纖芯的折射率，按幾何光學的全反射原理，光線被束敷在纖芯中傳輸。在包層的外面是5～40μm的涂覆層，其作用是增強光纖的機械強度，同時增加柔韌性。最外面常有100μm厚的緩沖層或套塑層。
光纖探頭是光纖生物傳感器的核心部件。光纖生物傳感器由于其具有靈敏度高、生物特異性強；操作簡單，測量速度快；可以對生物反應的動態過程進行監測；整機可以小型化等特點，在生物醫學研究、食品檢測、環境監測、生物戰劑探測領域得到了廣泛的應用。目前光纖生物傳感器光纖探頭的制作根據材質不同而不同，如果是利用塑料光纖來制作探頭，則通常是采用模具法；如果利用石英光纖，則常采用熔制拉錐法和利用步進電機結合化學腐蝕法。這些方法分別需要價格昂貴的模具機、牽拉裝置和步進電機等專用設備，且光纖探頭的一致性和重復性很難得到保證。另一方面，如何將小分子化合物固定到探頭表面也一直是表面修飾領域中的一個難題。
發明內容
本發明的目的是提供一種制作光纖探頭的方法。
本發明所提供的制作光纖探頭的方法，包括以下步驟1)處理具有纖芯、包層及涂覆層的石英玻璃光纖(以下簡稱為石英光纖)，使其一端的包層露出；2)將所述石英光纖的包層露出端連同與所述包層露出端相連的具有涂覆層的一段置于質量百分比濃度為10～30％的氫氟酸溶液中反應，反應結束后將所述石英光纖的剩余包層部分露出，得到錐型光纖探頭。
為了使氫氟酸與SiO2的反應速率適中，所述氫氟酸溶液的質量百分比濃度優選為30％。
當所述石英光纖的結構自內向外為纖芯、包層及涂覆層時；所述步驟1)中通過去除所述石英光纖一端的涂覆層使所述石英光纖一端的包層露出，所述步驟2)中反應結束后，通過去除所述石英光纖另一端的涂覆層將所述石英光纖的剩余包層部分露出。
當所述石英光纖的結構自內向外為纖芯、包層、涂覆層和套塑層時；所述步驟1)中通過去除所述石英光纖一端的涂覆層和套塑層使所述石英光纖一端的包層露出，所述步驟2)中反應結束后，通過去除所述石英光纖另一端的涂覆層和套塑層將所述石英光纖的剩余包層部分露出。
當所述石英光纖的結構自內向外為纖芯、包層、涂覆層和緩沖層時；所述步驟1)中通過去除所述石英光纖一端的涂覆層和緩沖層使所述石英光纖一端的包層露出，所述步驟2)中反應結束后，通過去除所述石英光纖另一端的涂覆層和緩沖層將所述石英光纖的剩余包層部分露出。
所述反應的反應溫度可為20～35℃。
上述方法中，所述光纖探頭的表面固定有有機小分子化合物；所述有機小分子化合物可按照包括如下步驟的方法固定到所述光纖探頭表面1)將有機小分子化合物與惰性蛋白分子偶聯得到有機小分子化合物和惰性蛋白分子的偶聯物；將所述光纖探頭硅烷化；2)將所述有機小分子化合物和惰性蛋白分子的偶聯物通過雙功能試劑連接到所述硅烷化光纖探頭的表面。
所述惰性蛋白分子可為牛血清白蛋白、卵清蛋白、人血清白蛋白或血蘭蛋白。
由于有機小分子化合物是多種多樣的，所以它與惰性蛋白分子偶聯的方法也是各異的，現有的偶聯方法均可采用，如EDC(碳化二亞胺)法EDC首先和半抗原分子(如2，4-D)的羧基反應生成一個加成中間產物，再與惰性蛋白分子上的氨基酸殘基反應形成酰胺鍵，實現半抗原與載體蛋白的共價結合；戊二醛法首先用過量的戊二醛與蛋白反應(蛋白∶戊二醛為1∶500-1000)，然后用Sephadex G-25層析柱除去多余的戊二醛，制成活性蛋白(蛋白-戊二醛復合物)，再加入一定量的小分子，使活化蛋白上剩余的醛基與小分子上的氨基結合，制成偶聯產物。
所述有機小分子化合物可為現有的小分子化合物，如2，4-二氯苯氧乙酸、阿特拉津或藻毒素等。
所述雙功能試劑為γ-馬來酰亞胺基丁酸-N-羥基琥珀酰亞胺酸(GMBS)。
本發明用氫氟酸腐蝕石英光纖，利用毛細管作用，使氫氟酸溶液在涂覆層與包層間的管腔中形成微對流，腐蝕過程在這個圓柱形的管子里逐級向上反應，經過一段時間后形成具有一定錐角度的光纖探頭。
本發明利用毛細管作用，成功地制作出高質量的組合錐型光纖探頭，該制作方法操作方便，成本低廉，易于批量生產，制作的光纖探頭具有很好的重復率。同時，本發明先將小分子化合物與惰性蛋白分子結合，然后將該復合物通過雙功能試劑成功連接到硅烷化后的光纖探頭表面上，光纖探頭表面小分子化合物的密度達到了后續檢測的要求。
下面結合附圖和具體實施方式
進一步闡述本發明。
圖1為組合錐型光纖探頭的制作過程示意2為組合錐型光纖探頭示意3為光纖探頭表面修飾過程示意圖具體實施方式
1、光纖探頭的制作可按照下述方法制作光纖探頭如圖1所示，先用光纖專用剪將光纖截成所需長度的光纖段，然后用光纖研磨機將光纖的一端磨平并拋光。再從光纖段的另一端將光纖表面的塑料套層1用專用鉗去除約1/2，并將該部分的涂覆層3小心地用刀片剔除，使纖芯和包層2的包層露出。
先在塑料容器中裝入一定量質量濃度為10～30％的氫氟酸，蓋上已打好孔(一般為6～10個)的塑料瓶蓋。然后把上述處理好的光纖段的去除塑料套層1和涂覆層3的部分朝下垂直插入該塑料容器中，直至部分未被去除塑料套層1和涂覆層3的光纖段浸沒入氫氟酸中，其中未被去除塑料套層1和涂覆層3的光纖段部分浸入氫氟酸中的深度根據所需組合錐型光纖探頭錐型部分22的長度而定。此時，酸液開始腐蝕去除了涂覆層包層露出的光纖段部分，但不會與涂覆層反應，該外套起到了類似防護墻的作用，保護其它沒有接觸腐蝕液的部分。在該涂覆層的保護下，由于毛細管作用，氫氟酸溶液在涂覆層與包層間的管腔中形成微對流，腐蝕過程在這個圓柱形的管子里逐級向上反應，經過一段時間后將形成具有一定錐角度的光纖探頭，最后將塑料套層1和涂覆層3去掉即可得到如圖2所示的組合錐型光纖探頭。該組合錐型光纖探頭由探頭未被腐蝕部分21、探頭錐型部分22和探頭敏感部分23組成。
在一定的環境溫度下，可根據所需腐蝕后光纖芯徑23的大小而定所需的腐蝕時間。
2、小分子化合物的固定通常是將小分子化合物固定到光纖探頭的敏感部分23表面上，為達到該目的，先應清潔光纖探頭的表面。配制Piranha溶液濃H2SO4∶H2O2＝7∶3(體積比)，將上述光纖探頭浸入其中30min；然后放入超聲波清洗儀中洗滌，并用超純水進行充分清洗，直到清洗液的pH值為中性，最后在室溫下用氮氣吹干，保存于真空干燥箱中備用。
將半抗原小分子衍生物(如2，4-D)的羧基與碳二亞胺(EDC)反應生成一個加成中間產物，再與惰性載體蛋白分子(如BSA、OVA等)上的氨基酸殘基反應形成酰胺鍵，實現半抗原與載體蛋白的共價結合，合成包被小分子化合物的復合物。
為將小分子化合物連接到探頭上，請參見圖3，先將光纖探頭硅烷化，將潔凈的光纖探頭放入含質量百分含量為2％3-巰基丙基三甲氧基硅烷(MTS)的甲苯溶液中反應2h。用甲苯溶液清洗三次，然后放入濃度為0.02M雙功能試劑γ-馬來酰亞胺基丁酸-N-羥基琥珀酰亞胺酸，即N-(4-Maleimidobutyryloxy)succinimide(GMBS)的乙醇溶液中，反應1h后用乙醇沖洗三次，再用PBS沖洗干凈，最后將硅烷化好的光纖探頭放入0.05mg/ml小分子和惰性蛋白復合物中反應2h，用PBS沖洗后，在4℃冰箱保存備用。
實施例1、組合錐型光纖探頭的制作如圖1，先用光纖專用剪將纖芯直徑為600μm、包層厚為10μm的光纖(南京春暉科技實業有限公司)截成11cm長度的光纖段，然后用光纖碾磨設備將光纖的一端磨平，并用拋光機拋光。再從光纖段的未拋光一端將光纖表面的塑料套層1用專用鉗去除6.3cm，最后將該部分的涂覆層3小心地用刀片剔除，使纖芯和包層2的包層露出。
將上述處理好的光纖段的去除塑料套層1和涂覆層3的部分朝下插入裝有氫氟酸(HF的質量百分濃度為30％)溶液中，浸入深度為7.3cm，腐蝕時間為180min。得到如圖2所示的錐型光纖探頭，腐蝕端即探頭敏感部分23的直徑為220μm，錐型部分22的長度為0.5cm。該錐型光纖探頭的錐角度為0.37。
質量百分濃度為30％的氫氟酸溶液對纖芯和包層2在徑向的平均腐蝕速率為(600+10-220)μm/180min＝2.17μm/min。
實施例2、組合錐型光纖探頭的制作如圖1，先用光纖專用剪將纖芯直徑為600μm、包層厚為10μm的光纖(南京春暉科技實業有限公司)截成11cm長度的光纖段，然后用光纖碾磨設備將光纖的一端磨平，并用拋光機拋光。再從光纖段的未拋光一端將光纖表面的塑料套層1用專用鉗去除6.3cm，最后將該部分的涂覆層3小心地用刀片剔除，使纖芯和包層2的包層露出。
將上述處理好的光纖段的去除塑料套層1和涂覆層3的部分朝下插入裝有氫氟酸(HF的質量百分濃度為20％)溶液中，浸入深度為7.3cm，腐蝕時間為240min。得到如圖2所示的錐型光纖探頭，腐蝕端即探頭敏感部分23的直徑為230μm，錐型部分22的長度為0.5cm。該錐型光纖探頭的錐角度為0.38。
質量百分濃度為20％的氫氟酸溶液對纖芯和包層2在徑向的平均腐蝕速率為(600+10-230)μm/240min＝1.58μm/min。
實施例3、組合錐型光纖探頭的制作如圖1，先用光纖專用剪將纖芯直徑為600μm、包層厚為10μm的光纖(南京春暉科技實業有限公司)截成11cm長度的光纖段，然后用光纖碾磨設備將光纖的一端磨平，并用拋光機拋光。再從光纖段的未拋光一端將光纖表面的塑料套層1用專用鉗去除6.3cm，最后將該部分的涂覆層3小心地用刀片剔除，使纖芯和包層2的包層露出。
將上述處理好的光纖段的去除塑料套層1和涂覆層3的部分朝下插入裝有氫氟酸(HF的質量百分濃度為10％)溶液中，浸入深度為7.3cm，腐蝕時間為360min。得到如圖2所示的錐型光纖探頭，腐蝕端即探頭敏感部分23的直徑為230μm，錐型部分22的長度為0.5cm。該錐型光纖探頭的錐角度為0.38。
質量百分濃度為20％的氫氟酸溶液對纖芯和包層2在徑向的平均腐蝕速率為(600+10-230)μm/360min＝1.05μm/min。
實施例4、光纖探頭的一致性為考察不同光纖探頭之間的差異，隨機選取了按照實施例1的方法制備的5根錐角度為0.37的光纖探頭，分別將光纖探頭的未腐蝕部分21與光纖倏逝波生物傳感器連接，將光纖探頭的敏感部分23分別放入濃度為4×10-8、1×10-8、2×10-9mol/l熒光染料(Cy5.5)溶液中，檢測光纖探頭的熒光強度，每個濃度重復檢測3次，取其平均值，得到的結果如表1所示。
表1光纖探頭的一致性
表1表明，光纖探頭之間具有很好的一致性，相對標準偏差不超過2％，這為以后的實驗奠定了良好的基礎。
實施例5、將2，4-二氯苯氧乙酸固定在光纖探頭的表面1、制備2，4-D-BSA將2，4-二氯苯氧乙酸(2，4-D)的羧基與碳二亞胺(EDC)反應生成一個加成中間產物，再與載體蛋白分子BSA上的氨基酸殘基反應形成酰胺鍵，實現半抗原與載體蛋白的共價結合，合成包被抗原2，4-D-BSA。具體制備方法如下配制濃度為0.05mol/L的磷酸鹽緩沖溶液，用鹽酸調節pH值為11。用該磷酸鹽緩沖液配制濃度為12mg/mL 2，4-D的溶液，用鹽酸調節溶液的pH為5.4。在2.5mL上述2，4-D緩沖液中分別加入100μL濃度為50mg/mL的BSA溶液，再加入15mg EDC同時輕輕攪拌。4℃靜置18小時。以0.1mol/L NaHCO3溶液透析即可。
2、光纖探頭的硅烷化為將小分子2，4-D連接到光纖探頭上，如圖3，先將光纖探頭硅烷化，具體方法如下將潔凈的按照實施例2方法制備的光纖探頭放入含質量百分含量為2％的MTS的甲苯溶液中反應2h。用甲苯溶液清洗三次，得到硅烷化的光纖探頭。
3、將2，4-二氯苯氧乙酸固定在光纖探頭的表面將硅烷化的光纖探頭放入0.02M GMBS乙醇溶液中，反應1h后用乙醇沖洗三次，再用PBS沖洗干凈后放入0.05mg/ml 2，4-D-BSA水溶液中反應2h，用PBS沖洗，得到表面固定有2，4-二氯苯氧乙酸固定的光纖探頭。經檢測，該光纖探頭表面的2，4-D的濃度為3nmol/cm2，達到了后續檢測的要求。
權利要求
1.一種制作光纖探頭的方法，包括以下步驟1)處理具有纖芯、包層及涂覆層的石英玻璃光纖，使其一端的包層露出；2)將所述石英玻璃光纖的包層露出端連同與所述包層露出端相連的具有涂覆層的一段置于質量百分比濃度為10～30％的氫氟酸溶液中反應，反應結束后將所述石英玻璃光纖的剩余包層部分露出，得到錐型光纖探頭。
2.根據權利要求1所述的方法，其特征在于所述氫氟酸溶液的質量百分比濃度為30％。
3.根據權利要求1或2所述的方法，其特征在于所述石英玻璃光纖的結構自內向外為纖芯、包層及涂覆層；所述步驟1)中通過去除所述石英玻璃光纖一端的涂覆層使所述石英玻璃光纖一端的包層露出；所述步驟2)中反應結束后，通過去除所述石英玻璃光纖另一端的涂覆層將所述石英玻璃光纖的剩余包層部分露出。
4.根據權利要求1或2所述的方法，其特征在于所述石英玻璃光纖的結構自內向外為纖芯、包層、涂覆層和套塑層；所述步驟1)中通過去除所述石英玻璃光纖一端的涂覆層和套塑層使所述石英玻璃光纖一端的包層露出；所述步驟2)中反應結束后，通過去除所述石英玻璃光纖另一端的涂覆層和套塑層將所述石英玻璃光纖的剩余包層部分露出。
5.根據權利要求1或2所述的方法，其特征在于所述石英玻璃光纖的結構自內向外為纖芯、包層、涂覆層和緩沖層；所述步驟1)中通過去除所述石英玻璃光纖一端的涂覆層和緩沖層使所述石英玻璃光纖一端的包層露出；所述步驟2)中反應結束后，通過去除所述石英玻璃光纖另一端的涂覆層和緩沖層將所述石英玻璃光纖的剩余包層部分露出。
6.根據權利要求1至5中任一所述的方法，其特征在于所述反應的反應溫度為20-35℃。
7.根據權利要求1至6中任一所述的方法，其特征在于所述光纖探頭的表面固定有有機小分子化合物；所述有機小分子化合物按照包括如下步驟的方法固定到所述光纖探頭表面1)將有機小分子化合物與惰性蛋白分子偶聯得到有機小分子化合物和惰性蛋白分子的偶聯物；將所述光纖探頭硅烷化；2)將所述有機小分子化合物和惰性蛋白分子的偶聯物通過雙功能試劑連接到所述硅烷化光纖探頭的表面。
8.根據權利要求7所述的方法，其特征在于所述惰性蛋白分子為牛血清白蛋白、卵清蛋白、人血清白蛋白或血蘭蛋白。
9.根據權利要求7所述的方法，其特征在于所述有機小分子化合物為2，4-二氯苯氧乙酸、阿特拉津或藻毒素。
10.根據權利要求7所述的方法，其特征在于所述雙功能試劑為γ-馬來酰亞胺基丁酸-N-羥基琥珀酰亞胺酸。
全文摘要
本發明公開了一種制作光纖探頭的方法。該制作光纖探頭的方法，包括以下步驟1)處理具有纖芯、包層及涂覆層的石英玻璃光纖，使其一端的包層露出；2)將所述石英玻璃光纖的包層露出端連同與所述包層露出端相連的具有涂覆層的一段置于質量百分比濃度為10～30％的氫氟酸溶液中反應，反應結束后將所述石英玻璃光纖的剩余包層部分露出，得到錐型光纖探頭。該制作方法操作方便，成本低廉，易于批量生產，制作的光纖探頭具有很好的重復率。
文檔編號G02B6/00GK1966440SQ20061014410
公開日2007年5月23日 申請日期2006年11月27日 優先權日2006年11月27日
發明者施漢昌, 龍峰, 何苗 申請人:清華大學