專利名稱：一種全光纖結構的多探頭光纖倏逝波生物傳感器的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種全光纖結構的多探頭光纖倏逝波生物傳感器，該傳感器可以廣泛
應用于環境監測、生物醫學、食品衛生檢測、醫學診斷等領域。
背景技術：
光纖生物傳感器是一種以光纖為載體傳導和收集光信號進而實現生物檢測的傳 感器(Fiber Optic Bio-Sensor， FOBS)。這種傳感器通過檢測生物反應所產生的光，通過 檢測光的波長、強度、振幅、相位等參數確定被檢測物質的量。與其他傳感器相比，這種傳感 器具有抗電磁干擾能力強，可以用于遙測并且能進行實時、在線和動態檢查等優點。
光纖生物傳感器的類型較多，目前研究較多的有倏逝波型、光吸收型和熒光型傳 感器等類型。其中，光纖倏逝波生物傳感器采用光波在光纖內以全反射方式進行傳輸時所 產生的倏逝波激發探測光纖芯線表面的標記有熒光染料的生物分子，進而可以檢測到倏逝 場范圍內的附著在光纖芯線表面的生物物質。 在先技術中，由黃惠杰、翟俊輝等人在其專利《多探頭光纖倏逝波生物傳感器》中
報道了一種多探頭光纖倏逝波生物傳感器。但是該傳感器存在如下缺點 1.探測器的體積大、重量大，攜帶不方便。由于該傳感器的兩套光路都是采用體光
學元件來實現元件之間的光學耦合及光束分路功能的，使得其體積和重量都相對較大。 2.系統光路調節過程復雜，穩定性差。由于該傳感器的內部光路采用的是自由空
間光路，所以在其制作過程中，必須從五個維度來調節各個光學元件，最終搭建出一套同軸
光路光學系統。整個光路調節過程所要求的操作精度高，操作難度大，并且固定后的各光
學元件的相對位置容易受到外界影響(如熱應力、儀器搬運時的震動等)，導致系統穩定性差。 3.探測光纖與傳感器輸出的探測激光耦合穩定性差。該傳感器采用耦合透鏡將
激光器的激光束耦合到探測光纖中，所以經過聚焦后的激光束必須垂直入射到探測光纖的
光纖(在該專利說明書的具體實施方式
中使用的是直徑為lmm的光纖)端面的中心處，否
者將無法獲得理想的探測效果。采用這種自由空間光的耦合方式極易受到外界因素的影響
(如重力、空氣抖動、儀器受到的外界震動、光路中的灰塵等)，穩定性差。 4.該傳感器并不是真正意義的多探頭傳感器。首先，它需要借助外部的機械運動
來獲取不同探測光纖的熒光信息，這就為系統引進了新的復雜度。其次，每次只能獲得一個
探測光纖上熒光信息，不能同時獲得其他探測光纖上的熒光信息。最后，它雖然具備多個探
頭，但是卻無法實現多種探測樣品的同時探測，各探頭的探測靈活度低。 此外，由清華大學的施漢昌、龍峰等人在其專利《全光纖倏逝波生物傳感器》說明
書中所報道一種單一探頭的全光纖倏逝波生物傳感器。該探測器雖然實現了探測器的全光
纖化，但是它也存在著如下缺點 1.單一探頭、探測效率低。該傳感器只有一個探測光纖，無法進行一種樣品同時多 次探測，以及多種樣品同時探測。
2.熒光信號的光能利用率低。首先，由探測端返回的熒光信號會有一部分耦合到 入射端，不能用于探測。其次，熒光信號從多模光纖出射后經過濾光片進入探測器的過程 中，由于多模光纖存在較大的發散角，所以也會對熒光信號造成損失，導致其利用率降低。
發明內容
本發明的目的是提供一種體積小、重量輕、便于攜帶、制作過程簡單、性能穩定、可 以實現一種樣品同時多次探測和多種樣品同時探測的多探頭光纖倏逝波生物傳感器。
本發明涉及一種全光纖結構的多探頭光纖倏逝波生物傳感器，其特征在于，含有 光源，至少一個光纖耦合器，至少兩個光環行器，至少兩個探測光纖以及至少兩個熒光探測 組件，其中 光源，是一臺帶有輸出尾纖的激光器，所述激光器是半導體激光器和光纖激光器 中的任何一種，所述輸出尾纖是單模光纖或多模光纖； 光纖耦合器，用于組成分光光路模塊，用單模光纖或多模光纖實現，輸入的是經傳 導光纖所引導的所述光源輸出的激發光信號； 光環形器，用單模光纖或多模光纖實現，一個輸入端與所述光纖耦合器的一個激 光信號輸出端通過傳導光纖連接，用于使收集到的混有激發光的熒光信號全部用于后續的 光電探測； 探測光纖，是一段芯區端部部分裸露在外的單模光纖或多模光纖，在所述芯區裸 露部分的外表面修飾有生物識別分子，該探測光纖的既作為激發光信號輸入也作為混有激 發光的熒光信號輸出的一個端口與所述光環形器的既作為激發光信號輸出也作為混有激 發光的熒光信號輸入的一個端口通過傳導光纖相連接； 熒光探測組件，由沿著光軸軸向依次布置的光纖準直器、濾光器件和光電探測電 路組成，其中 光纖準直器，輸入端通過傳導光纖與所述光環形器的一個所述混有激發光的熒光 信號的輸出端相連接，把收集到的所述混有激發光的熒光信號準直后送入所述濾光器件，
濾光器件，是二向色鏡子、濾光片中的任何一種，用于從由所述光纖準直器輸入的 所述混有激發光的熒光信號中分離出熒光信號， 光電探測電路，其中的光電探測器是光譜儀、光電倍增管、光電二極管中的任何一 種，用于把從所述濾光器件輸入的所述熒光信號轉換為電信號。 所述的一種全光纖結構的多探頭光纖倏逝波生物傳感器，其特征在于所述的熒光 探測組件由沿著光軸軸向依次布置的濾光器件、光纖準直器和光電探測電路代替，其中
濾光器件，是光纖光柵、光纖濾波器、波分復用器、陣列波導光柵中的任何一種，通 過傳導光纖與所述光環形器的一個所述混有激發光的熒光信號的輸出端連接，用于從所述 混有激發光的熒光信號中分離出熒光信號， 光纖準直器，輸入端通過傳導光纖與所述濾光器件的一個所述分離出的熒光信號
的輸出端相連接，把所述分離出的熒光信號準直后送入所述光電探測電路， 光電探測電路，其中的光電探測器是光譜儀、光電倍增管、光電二極管中的任何一
種，用于把從所述濾光器件輸入的所述熒光信號轉換為電信號。 本發明與在先技術相比
1.能夠實現一種樣品同時多次探測，以及多種樣品同時探測。由于各探頭之間的 激發光傳導及熒光回收模塊彼此獨立，使得各探頭之間的探測過程不會相互影響，進而能 夠實現一種樣品同時多次探測，以及多種樣品同時探測。 2.熒光利用率高。首先，由于采用了光環路器對熒光信號進行回收，所收集到的熒 光信號全部用于后續的光電探測，避免因部分熒光信號重新耦合到輸入端而造成的熒光利 用率降低。其次，熒光信號在進入光電探測器前經過準直，避免熒光信號進入光電探測器之 前由于發散角過大而引起的光能損失，因此進一步提高了熒光利用率。
圖1是本發明一種全光纖結構的多探頭光纖倏逝波生物傳感器(兩探頭)的結構 示意圖。其中的熒光探測模塊E是由光纖光柵E01、光纖準直器E02以及光電二極管E03組 成。 圖2是本發明一種全光纖結構的多探頭光纖倏逝波生物傳感器(四探頭)的結構 示意圖。其中的熒光探測模塊E是由濾光片E01、光纖準直器E02以及光電二極管E03組 成。 圖3是本發明一種全光纖結構的多探頭光纖倏逝波生物傳感器中的探測光纖D01 在顯微鏡下成像的圖片。
具體實施例方式
本發明的目的是通過以下技術方案來達到的 —種全光纖結構的多探頭光纖倏逝波生物傳感器，它包括光源模塊A、分光光路模 塊B、激發光傳導及熒光回收模塊C、探測光纖D，熒光探測模塊E，以及各光學元件之間的光 纖連接器件F。 ①所述的光源模塊A，是一臺帶有尾纖輸出的激光器。激光器的類型可以是半導體 激光器、光纖激光器等體積小重量輕的激光器，其輸出尾纖可以是單模光纖、多模光纖，或 其他特種光纖。 ②所述的分光光路模塊B，是由光纖耦合器所組成，可以實現將一條光路分為多條
子光路。光纖耦合器所采用的光纖可以是單模光纖、多模光纖，或其他特種光纖。 ③所述的激發光傳導及熒光回收模塊C，由光環路器(或稱光環行器)實現，其主
要的功能是使所收集到的混有激發光的熒光信號全部用于后續的光電探測，避免因部分熒
光信號重新耦合到輸入端而造成的熒光利用率降低。所采用的光纖可以是單模光纖、多模
光纖，或其他特種光纖。 ④所述的探測光纖D，是一段芯區部分裸露在外的光纖，其芯區表面修飾有生物識 別分子。這段部分裸露芯區的光纖，可以通過手工剝離、化學腐蝕或熔融加工等方法將光纖 的一部分除去包層后制成。所采用的光纖可以是單模光纖、多模光纖，或其他特種光纖。
⑤所述的熒光探測模塊E，由光纖準直器、濾光器件和光電探測器以及后續電路組 成。 光纖準直器的主要功能是將進入光電探測器前的光學信號進行準直，這樣可以避 免由光纖端面直接出射時發散角過大而引起的光能損失。所采用的光纖可以是單模光纖、多模光纖，或其他特種光纖。 濾光器件可以采用二向色鏡、濾光片、光纖光柵、波分復用器(WDM)、陣列波導光柵 (AWG)等可將混于激發光信號中的熒光信號分離出來的光學元器件。 光電探測器可以采用光譜儀、光電倍增管、光電二極管等能夠測得熒光信號的強 度或光譜信息的元件或儀器。 ⑥以上所述各光學元件之間的光纖連接器件F都是采用標準的可拆卸的光纖連 接器，如FC、SC、ST型等。 實施例一 一種全光纖結構的兩探頭光纖倏逝波生物傳感器 請參閱附圖1，附圖1是本發明專利一種全光纖結構的多探頭光纖倏逝波生物傳 感器(兩探頭)的結構示意圖。由圖可知，這種全光纖結構的兩探頭光纖倏逝波生物傳感 器是由光源模塊A、分光光路模塊B、激發光傳導及熒光回收模塊C、探測光纖D，熒光探測模 塊E，以及各模塊之間的連接器件F組成。 由附圖1可知，光源模塊A采用的是一臺中心波長在650nm，出纖功率為20mW的半 導體激光器A01，輸出尾纖為單模光纖。 分光光路模塊B采用的是一個分光比為50 : 50、由單模光纖制成的1X2的光纖 耦合器BOl，其輸入端與半導體激光器AOl的輸出端連接。 激發光傳導及熒光回收模塊C，共兩塊，采用的是兩個由單模光纖制成的光環路器 C11、C21，它們的輸入端分別與光纖耦合器B01的兩個輸出端連接。 探測光纖D，共兩段，采用的是兩段被部分處理過的多模光纖D11、D21，如附圖3所
示。處理方法是通過氫氟酸進行腐蝕，使光纖的芯區部分裸露在外，裸露部分的芯區直徑為 30微米。然后，將這段裸露的芯區部分包被上具有特異性識別能力的生物抗體。它們的輸 入端分別與光環路器C11、C21的第一輸出端連接。 熒光探測模塊E，共兩塊，是由兩個光纖光柵E11 、E21 ，兩個光纖準直器E12 、E22和
兩個光電二極管E13、E23組成。其中光纖光柵E11、E21透射光的中心波長均為670nm(Cy5
發射的熒光信號的中心波長)，其輸入輸出端都采用單模光纖。將它們的輸入端分別連接光
環路器Cll、 C21的第二輸出端。光纖準直器E12、 E22的中心波長均為650nm，工作距離均
為50mm，所采用的光纖均為單模光纖，將它們的光纖輸入端分別連接光纖光柵E11、 E21的
輸出端。光電二極管E13、E23的波長響應范圍均為380 1150nm。將光纖準直器E12、E22
發射出來的平行光束分別垂直射入光電二極管E13、 E23的光敏面。 以上各光學元件之間的光纖連接器件F均采用FC/PC型光纖連接器。 探測時，將表面包被了具有特異性識別能力的生物抗體的光纖探針D11、D21，插入
標記了Cy5熒光分子的生物樣品溶液中，即可獲得相應的熒光信號。若將光纖探針Dll、D21
插入同一種生物樣品溶液同時探測，便可實現一種樣品同時兩次探測。若將光纖探針Dll、
D21插入兩種不同生物樣品溶液中進行探測，便可實現兩種樣品同時探測。 實施例二 一種全光纖結構的四探頭光纖倏逝波生物傳感器 請參閱附圖2，附圖2是本發明專利一種全光纖結構的多探頭光纖倏逝波生物傳 感器(四探頭)的結構示意圖。由圖可知，這種全光纖結構的四探頭光纖倏逝波生物傳感 器是由光源模塊A、分光光路模塊B、激發光傳導及熒光回收模塊C、探測光纖D，熒光探測模 塊E，以及各模塊之間的連接器件F組成。
由附圖1可知，光源模塊A采用的是一臺中心波長在650nm，出纖功率為20mW的半 導體激光器AOl，輸出尾纖為單模光纖。 分光光路模塊B采用的是三個分光比為50 : 50、由單模光纖制成的1X2的光纖 耦合器B01、B02、B03，其中BOl的輸入端與半導體激光器AOl的輸出端連接，B02、B03的輸 入端分別與BOl的兩個輸出端連接。 激發光傳導及熒光回收模塊C，共四塊，采用的是四個由單模光纖制成的光環路器 C11、C21、C31、C41，其中C11、C21的輸入端分別與光纖耦合器B02的兩個輸出端連接，C31、 C41的輸入端分別與光纖耦合器B03的兩個輸出端連接。 探測光纖D，共四段，采用的是四段被部分處理過的多模光纖Dll、 D21、 D31、 D41，
如附圖3所示。處理方法是通過氫氟酸進行腐蝕，使光纖的芯區部分裸露在外，裸露部分的
芯區直徑為30微米。然后，將這段裸露的芯區部分包被上具有特異性識別能力的生物抗
體。它們的輸入端分別與光環路器C11、C21、C31、C41的第一輸出端連接。 熒光探測模塊E，共四塊，是由四個高通濾光片Ell、 E21、 E31、 E41，四個光纖準直
器E12、 E22、 E32、 E42和四個光電二極管E13、 E23、 E33、 E43組成。其中高通濾光片Ell、
E21、E31、E41的閾值波長均為665nm，高于665nm的光可以透過濾光片，反之則不能透過濾
光片到達光電探測器。光纖準直器E12、E22、E32、E42的中心波長均為650nm，工作距離均為
50mm，所采用的光纖均為單模光纖，將它們的輸入端分別連接光環路器C11、 C21、 C31、 C41
的第二輸出端。光電二極管E13、 E23、 E33、 E43的波長響應范圍均為380 1150nm。將光
纖準直器E12、 E22、 E32、 E42發射出來的平行光束分別透過高通濾光片Ell、 E21、 E31、 E41
后，再垂直射入相應的光電二極管E13、 E23、 E33、 E43的光敏面。 以上各光學元件之間的光纖連接器件F均采用FC/PC型光纖連接器。 探測時，將表面包被了具有特異性識別能力的生物抗體的光纖探針D11、D21、D31、
D41，插入標記了 Cy5熒光分子的生物樣品溶液中，即可獲得相應的熒光信號。若將光纖探
針Dll、 D21、 D31、 D41插入同一種生物樣品溶液同時探測，便可實現一種樣品同時四次探
測。若將光纖探針D11、D21、D31、D41插入四種不同生物樣品溶液中進行探測，便可實現四
種樣品同時探測。
權利要求
一種全光纖結構的多探頭光纖倏逝波生物傳感器，其特征在于，含有光源，至少一個光纖耦合器，至少兩個光環行器，至少兩個探測光纖以及至少兩個熒光探測組件，其中光源，是一臺帶有輸出尾纖的激光器，所述激光器是半導體激光器和光纖激光器中的任何一種，所述輸出尾纖是單模光纖或多模光纖；光纖耦合器，用于組成分光光路模塊，用單模光纖或多模光纖實現，輸入的是經傳導光纖所引導的所述光源輸出的激發光信號；光環形器，用單模光纖或多模光纖實現，一個輸入端與所述光纖耦合器的一個激光信號輸出端通過傳導光纖連接，用于使收集到的混有激發光的熒光信號全部用于后續的光電探測；探測光纖，是一段芯區端部部分裸露在外的單模光纖或多模光纖，在所述芯區裸露部分的外表面修飾有生物識別分子，該探測光纖的既作為激發光信號輸入也作為混有激發光的熒光信號輸出內一個端口與所述光環形器的既作為激發光信號輸出也作為混有激發光的熒光信號輸入的一個端口通過傳導光纖相連接；熒光探測組件，由沿著光軸軸向依次布置的光纖準直器、濾光器件和光電探測電路組成，其中光纖準直器，輸入端通過傳導光纖與所述光環形器的一個所述混有激發光的熒光信號的輸出端相連接，把收集到的所述混有激發光的熒光信號準直后送入所述濾光器件，濾光器件，是二向色鏡子、濾光片中的任何一種，用于從由所述光纖準直器輸入的所述混有激發光的熒光信號中分離出熒光信號，光電探測電路，其中的光電探測器是光譜儀、光電倍增管、光電二極管中的任何一種，用于把從所述濾光器件輸入的所述熒光信號轉換為電信號。
2. 根據權利要求1所述的一種全光纖結構的多探頭光纖倏逝波生物傳感器，其特征在 于，所述的熒光探測組件由沿著光軸軸向依次布置的濾光器件、光纖準直器和光電探測電 路代替，其中濾光器件，是光纖光柵、光纖濾波器、波分復用器、陣列波導光柵中的任何一種，通過傳 導光纖與所述光環形器的一個所述混有激發光的熒光信號的輸出端連接，用于從所述混有 激發光的熒光信號中分離出熒光信號，光纖準直器，輸入端通過傳導光纖與所述濾光器件的一個所述分離出的熒光信號的輸 出端相連接，把所述分離出的熒光信號準直后送入所述光電探測電路，光電探測電路，其中的光電探測器是光譜儀、光電倍增管、光電二極管中的任何一種， 用于把從所述濾光器件輸入的所述熒光信號轉換為電信號。
全文摘要
一種全光纖結構的多探頭光纖倏逝波生物傳感器屬于生物傳感器技術領域，其特征在于，含有；光源、至少一個光纖耦合器、至少兩個光環形器、至少兩個探測光纖以及至少兩個熒光探測組件，其中，探測光纖芯區的裸露部分外表面修飾有生物識別分子。激光信號經光纖耦合器分路后，分別通過各自對應的光環行器進入相應探測光纖的探測端，該探測光纖再對混有激發光的熒光信號進行收集，然后經光環形器輸出到熒光探測組件中準直、濾波后，再把濾波得到的熒光信號轉換為電信號輸出。本發明能同時對多種樣品進行多次探測，熒光信號的利用率高。
文檔編號G01N21/64GK101701913SQ20091023788
公開日2010年5月5日 申請日期2009年11月20日 優先權日2009年11月20日
發明者季林紅, 張仲桓, 楊昌喜 申請人:清華大學