一種基于模式干涉的細芯級聯光纖生物傳感裝置的制造方法
【技術領域】
[0001]本發明屬于光學和生物的交叉檢測技術領域，具體涉及一種新型基于模式干涉的細芯級聯光纖生物傳感裝置，具有易于制作，結構緊湊，穩定性強和探測靈敏度高等優點。所謂生物傳感，就是利用物理化學生物綜合檢測技術對被分析物進行檢測。本發明所提出的生物傳感器是利用光學檢測技術來檢測分析物的裝置。
【背景技術】
[0002]生物傳感器是用來探測生物化學物質或生物化學反應的一種裝置。與傳統的實驗室分析方法(比如酶分析法)相比，生物傳感器因其專一性強、易操作、設備簡單、測量準確和成本低等特點，在環境保護、食品工程和臨床醫學等領域得到了廣泛的應用。研究便攜、快速、經濟、易操作以及高精度的生物傳感器對國計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。相比于電學生物傳感器，光纖生物傳感器繼承了光纖傳感器的特點，具有耐腐蝕，結構簡單和小型化，高靈敏度，響應速度快以及抗電磁干擾能力強等優點。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雜，不容易操作，存在成本高的問題；單模-多模-單模級聯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試劑來腐蝕掉多模光纖的包層。化學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雜，比如化學腐蝕方法非常難控制光纖表面的光滑度和直徑大小。
【發明內容】
[0004]本發明的目的是在于提供一種基于級聯光纖的生物傳感裝置及測量方法，使其可以探測生物化學物質或生物化學反應，與現有技術相比，探測敏感性得到明顯的提高，具備結構緊湊，制備簡單，測量快速，準確可靠和易操作等優點。
[0005]本發明的目的是由以下技術方案來實現的:
[0006]根據上述目的，我們設計了一種簡易基于級聯光纖的生物傳感裝置及測量方法。整個傳感裝置分為傳感探測系統和微流控系統兩部分。傳感探測系統包括:寬帶光源1、級聯光纖傳感結構3和光學光譜分析儀5。其中級聯光纖傳感結構3是基于單模光纖-細芯光纖-單模光纖的級聯結構，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中間級聯一根無涂覆層的細芯光纖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 一端連接光學光譜分析儀5，級聯光纖傳感結構3固定于鍍有低折射率材料膜7的基底6上。微流控系統包括:微流腔8和微流栗12。微流腔8通過兩個微流橡膠管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，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]本發明中涉及到光學介質鍍膜工藝，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敘述。
[0009]本發明中涉及到光纖結構的設計和制備。光纖結構的設計可相應采取光束傳播法來優化結構參數。其制備可相應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，無毒和廉價的聚二甲基矽氧烷。微流腔的制備可相應采取光刻，顯影和刻蝕等常用制備工藝。
[0011]本發明的目的是探測生物化學物質或生物化學反應，傳感功能主要有兩方面:一是生物化學物質的探測，二是生物化學反應的探測。
[0012]關于生物化學物質的探測:比如探測化學物質溶液的濃度，濃度的變化會改變其折射率大小。其探測過程如下:第一，在微流栗12內注入已知濃度A的所需探測的化學溶液，通過微流橡膠管9將其輸送到微流腔8內，同時通過微流橡膠管10以相同速率將其抽運出微流腔8，待化學溶液穩定流經級聯光纖傳感結構3同時，記錄下光學光譜分析儀5的測量結果；第二，在微流栗12內注入已知濃度B的所需探測的化學溶液，重復第一步操作過程，記錄下光學光譜分析儀5的測量結果；第三，以上述兩步的測量結果作為基準就可以實現其他未知濃度的檢測。
[0013]關于生物化學反應的探測:比如纖維蛋白質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抗原分子的固定:將溶有纖維蛋白質抗原的磷酸鹽緩沖鹽水溶液注入微流栗12內，通過微流橡膠管9將其輸送到微流腔8內，同時通過微流橡膠管10以相同速率將其抽運出微流腔8，輸運持續20分鐘后，即可完成纖維蛋白質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抗原分子:將磷酸鹽緩沖鹽水溶液注入微流栗12內，通過微流橡膠管9將其輸送到微流腔8內，同時通過微流橡膠管10以相同速率將其抽運出微流腔8，多次重復操作即可完成固定不牢的纖維蛋白質抗原分子的移除過程；第三，將溶有纖維蛋白質抗體的磷酸鹽緩沖鹽水溶液注入微流栗12內，通過微流橡膠管9將其輸送到微流腔8內，同時通過微流橡膠管10以相同速率將其抽運出微流腔8。輸運過程中，纖維蛋白質抗原和抗體分子的結合將改變光纖表面周圍折射率的變化，從而引起光學光譜分析儀5測量結果的變化。由于纖維蛋白質抗原分子不能與其他類型的生物抗體分子結合，因此，通過觀察測量結果就可以判斷生物特定分子之間是否會相互識別。
[0014]本發明原理如下:
[0015]上述生物化學物質和生物化學反應探測的實現都是基于傳感結構周圍折射率的變化。
[0016]對于所提的單模光纖-細芯光纖-單模光纖級聯結構，由于單模光纖和細芯光纖纖芯尺寸的不匹配，導致單模光纖和細芯光纖的基模模式大小的不匹配(如圖3所示)。因此，當單模光纖的基模傳播至細芯光纖端口時，將激發出細芯光纖包層內的多個包層模式。包層模式之間由于發生多模干涉，光將以相干相消的疊加形式在細芯光纖內傳播(如圖4所示)。包層模式的傳播常數隨著光纖周圍折射率環境的變化而變化。外界折射率的變化將直接影響包層模式之間的干涉作用，從而導致光學光譜分析儀輸出結果的變化，比如波長的移動(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是本發明結構示意圖。
[0018]圖2 (a)是級聯光纖傳感結構示意圖，(b)是實驗制備的級聯光纖傳感結構顯微鏡照片，取單模光纖-細芯光纖部分。
[0019]圖3是單模光纖和細芯光纖基模模場圖。
[0020]圖4是光在細芯光纖內的能量傳播示意圖。
[0021]圖5是理論計算輸出光譜與外界折射率關系示意圖。
[0022]圖6是理論和實驗敏感度對比示意圖。
【具體實施方式】
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[0023]下面將結合附圖對本發明的實施舉例進行描述。
[0024]如圖1，本發明包括:寬帶光源1，級聯光纖傳感結構3，光學光譜分析儀5，微流腔8和微流栗12。級聯光纖傳感結構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