基于单模光纤的链霉亲和素浓度传感器的制造方法
【专利摘要】本实用新型涉及一种基于单模光纤的链霉亲和素浓度传感器，其特征在于，所述传感器由光源装置、光谱分析仪、传输光纤、三端口光环形器、光纤固定夹具、光纤探针以及待测溶液组成，所述光源装置的光信号输出端通过传输光纤与所述三端口光环形器的第一端口相连，所述三端口环形器的第二端口通过传输光纤与所述光纤探针相连，所述光纤探针通过所述光纤固定夹具固定，竖直向下放置并使其末端完全浸入待测溶液内，所述三端口环形器的第三端口通过传输光纤与所述光谱分析仪相连。本实用新型的结构简单、体积小、安全无毒、可以方便快捷的实现在生物体内进行远程检测和实时在线监测。
【专利说明】基于单模光纤的链霉亲和素浓度传感器
【技术领域】
[0001]本实用新型属于光纤传感技术与生物蛋白检测技术结合的交叉领域，具体涉及一种基于单模光纤的链霉亲和素浓度传感器，利用生物素和链霉亲和素特异性结合的机理和光纤端面菲涅尔反射原理，实现链霉亲和素的浓度检测。
【背景技术】
[0002]传感器是指能够感受某种被测量信号，并将其转换成电、声、光等物理量的元件，由敏感单元，转换单元和传输单元组成。利用酶、抗原抗体、核酸等生物活性单元作为生物敏感单元的传感器统称为生物传感器。常规的生物传感器体积大，需要大量样品，用有毒的(荧光)指示剂，一次只能做一种测试，花费时间长，不能做体内检测。
[0003]光纤传感技术以光波为载体、光纤为媒介使外界的信号转换为光信号在传输过程中受到调制，使光信号的物理特征参量如光强度(光功率)、波长、频率、相位和偏振态等发生变化，再由接收端的探测器进行检测解调，将外界信号的变化以光信号变化的形式体现出来。由于光纤结构稳定，不易受外界环境干扰，容易被探测器接受和检测，因此被广泛的应用于传感领域。
[0004]光纤生物传感器以生物活性单元(酶、微生物、动植物组织切片、抗原抗体、核酸)作为生物敏感单元，利用光纤作为信号转换器捕捉目标物与敏感基元的反应，反应程度由电信号或光信号表达，从而得到被测物浓度。这种传感器可以检测生物反应时光信号的变化，通过检测光的强度、振幅、相位等参数确定被检物质的量。与其它传感器相比，这种传感器有不受电磁场干扰，灵敏度高、质量轻、体积小，易于复用(联网)、可远距离遥控监测的优点。光纤生物传感器在生命科学、生物工程、食品工业、环境和农业等方面的应用正在不断发展，尤其是适用于生物体内遥测和在线监测。
[0005]链霉亲和素(Streptavidin, SA)是一种从链霉菌中提纯出的一种蛋白质,分子量是52.8k道尔顿。因为它更有利的化学性质，所以它可以用作抗生物素蛋白的替代品。链霉亲和素是一种四聚物，由四条相同的肽链组成，解离常数在10_14mol/L数量级，它与生物素(B1tin，又称维生素B7或者维生素H)有很强的吸附作用，其每条肽链都能结合一个生物素。生物素和链霉亲和素的吸附作用是目前所知道的最强的非共价相互作用之一，且两者的吸附作用是一种特异性的选择性吸附，即只有亲和素只能与链霉亲和素发生特异性吸附，与其它的蛋白质不发生特异性吸附，具有选择性，在癌细胞、病毒检测领域有很大的潜能。此外，链霉亲和素-生物素系统能有效的防止有机溶剂、变性剂(比如盐酸胍)、洗涤剂以及蛋白质水解酶对其造成破坏，在极端的温度和PH值下也能保持性质稳定，使链霉亲和素广泛的应用于生物分子学和生物纳米技术，准确的测量链酶亲和素的浓度是至关重要的。
[0006]利用普通单模光纤，末端剥去涂敷层，切平其端面并进行表面硅烷化修饰，再利用共价结合的机理，使表面携带生物素，在光纤端面形成特异性吸附膜层，从而可以对链霉亲和素相互吸附形成稳定偶联物。不同浓度的链霉亲和素溶液与生物素结合的情况不同，光纤端面的折射率变化也不同，其端面菲涅尔反射的光强也不同，可以实现链霉亲和素溶液浓度的测量。
【发明内容】
[0007]本实用新型的目的就是:为了解决常规生物传感器结构复杂、体积巨大、样品需求量大，利用有毒的荧光指示剂，检测时间长的缺点，提供了一种结构简单、体积小、可以实现生物体内遥测和实时在线监测的基于单模光纤的链霉亲和素浓度传感器。
[0008]本实用新型为解决技术问题所采取的技术方案为:
[0009]一种基于单模光纤的链霉亲和素浓度传感器，其特征在于，所述传感器由光源装置、光谱分析仪、传输光纤、三端口光环形器、光纤固定夹具、光纤探针以及待测溶液组成，所述光源装置的光信号输出端通过传输光纤与所述三端口光环形器的第一端口相连，所述三端口环形器的第二端口通过传输光纤与所述光纤探针相连，所述光纤探针通过所述光纤固定夹具固定，竖直向下放置并使其末端完全浸入待测溶液内，所述三端口环形器的第三端口通过传输光纤与所述光谱分析仪相连。
[0010]所述传输光纤为单模光纤，所述光纤探针为末端剥去涂覆层并在切平的端面上修饰有具特异性吸附功能膜层的单模光纤。
[0011]所述光源装置发出的光从三端口光环形器的第一端口输入，从第二端口输出到单模光纤，单模光纤的末端剥去涂覆层并切平光纤端面，随后对其端面进行表面膜修饰，形成光纤探针并使其能对链霉亲和素产生吸附，用于生物传感的光纤探针使用夹具固定，竖直向下放置并保证末端完全浸入到待测溶液内，端面菲涅尔反射光信号再次经由光环形器从第三端口进入到光谱分析仪中，最后通过处理将光信号转变为浓度信号。
[0012]本实用新型的有益效果为:
[0013]1、用于传输光信号的普通单模光纤，其成本低廉。
[0014]2、用于传感的光纤探针也是由普通单模光纤制作而成，去除光纤涂覆层和切平光纤端面的过程分别可以用普通光纤剥纤钳和光纤切割刀完成，其制作工艺简单、易于实现、价格低廉，表面膜修饰技术也已经比较成熟，光纤探针解决了常规生物传感器体积大、样品需求量大，采用有毒物质标记、检测时间长等一系列的缺点，自身还具有体积小、结构简单、操作方便、可以实现生物体内的在线监测等优点。
[0015]3、通过测量链霉亲和素浓度模拟细菌蛋白浓度检测的原理可以应用到其它物质，若改变光纤端面的修饰方法，可以对不同的物质产生特异性选择吸附，实现不同物质的检测，比如对癌细胞的选择性检测，使检测过程变得更容易且方便实用。
【专利附图】
【附图说明】
[0016]图1为本实用新型实施例的系统结构示意图。
【具体实施方式】
[0017]下面结合附图对本实用新型的【具体实施方式】作详细说明。
[0018]如图1所示，为本实用新型实施例的系统结构示意图，基于单模光纤的链霉亲和素浓度传感器包括光源装置(10)、光谱分析仪(20)、传输光纤(30)、三端口光环形器(40)、光纤固定夹具(50)、光纤探针￠0)以及待测溶液(70)。
[0019]光源装置(10)发出的光信号通过传输光纤(30)进入三端口光环形器(40)，然后再经过另一根传输光纤(30)到达光纤探针(60)，所述光纤探针￠0)对待测溶液(70)进行探测，然后将光信号反馈给光谱分析仪(20)进行光谱分析。
[0020]普通单模光纤经过如下处理后形成光纤探针￠0):首先对普通单模光纤进行预处理:去除单模光纤尾端的涂覆层并切平端面，用酒精擦拭后浸入到30%双氧水与98%浓硫酸的混合溶液中，溶液中两种液体的体积比为1: 1，浸入时间为30分钟，使光纤端面形成硅羟基；然后浸入到3-氨丙基三乙氧硅烷(APTES，3-APS)、无水乙醇和去离子水混合的溶液中，三种液体的体积比为2.5: 96.5: 1，3-氨丙基三乙氧硅烷是一种硅烷偶联剂，其一端的烷基可以与上一步光纤端面产生的羟基共价结合吸附在光纤端面，其另一端则携带有氨基，光纤端面的浸入时间为24小时,使光纤端面与APTES充分的反应,共价结合进行娃烷偶联化，并在端面完成氨基修饰；最后使用生物素(NHS-B1tin)对光纤端面进行修饰，生物素可以与上一步中光纤端面修饰的氨基共价结合形成稳定偶联物，这样使光纤端面携带了生物素分子，形成了特异性吸附膜层，膜层的生物素可以和待测溶液中的链霉亲和素分子产生很强的吸附作用，从而完成了光纤探针的制作。
[0021]本实用新型的系统工作方式为:光源装置(10)发出的光信号经过传输光纤(30)从三端口环形器(40)第一端口进入，到达第二端口并经过传输光纤(30)到到达光纤探针
(60)，由于光纤端面处分界面的两侧折射率不同，将会发生菲涅尔反射，反射光信号沿传输光纤(30)返回，经过三端口光环形器(40)第二端口到达第三端口并通过传输光纤(30)由光谱分析仪(20)所接收，其反射光的强度受端面分界面两侧折射率的影响。光纤探针(60)竖直放置，被光纤固定夹具(50)固定，且末端完全浸入待测溶液(70)中，15分钟后将光纤探针从溶液中移出并在空气中干燥。光纤端面携带的生物素分子只对链霉亲和素分子起选择性特异吸附，对于由于不同浓度的链霉亲和素溶液，光纤端面的生物素分子所吸收的链霉亲和素分子数量不同，导致光纤端面的折射率不同，从而使光谱分析仪接收到的光强度不同，最终将链霉亲和素的浓度信息转换成光信号的强度以实现检测。
[0022]菲涅尔反射发生在两种不同折射率物质的分界面，反射强度可以根据以下公式计算:
[0023]R = P1ZPi = ((nrnj / (Ii^n2))2
[0024]式中，R为光纤端面反射率，它等于反射光强(光功率)P1?与入射光强(光功率)Pi的比值；反射率R也可以由端面分界面两边的折射率I^n2计算得出，其中Ii1为内部纤芯的折射率，n2为端面另一侧经过修饰吸附链霉亲和素后的折射率，即n2随着链霉亲和素溶液的浓度而变化。在入射光功率Pi和纤芯折射率Ii1为定值得情况下，利用上述公式，通过测量反射光功率匕的大小既可得到端面携带链霉亲和素一侧的折射率n2，最终可以得到链霉亲和素溶液的浓度。
[0025]本实施例中，光源装置的输出波长为1200nm?1650nm ;光谱分析仪的工作波长覆盖范围为1200nm?1650nm，在检测光功率时，选取一定波长对其光功率进行检测，则光源可以换成单波长激光器，光谱分析仪可以换成常规光功率计，可以降低成本；传输光纤和制作光纤探针的光纤均采用常规单模光纤(G.652)，纤芯直径为8.2微米，包层直径为125微米，数值孔径为0.14。
[0026]通过以上实施例对本实用新型进行了揭示，但本实用新型的保护范围并不局限于此，在不偏离本发明构思的条件下，以上各构件可用所属【技术领域】人员了解的相似或等同元件来替换。
【权利要求】
1.一种基于单模光纤的链霉亲和素浓度传感器，其特征在于，所述传感器由光源装置(10)、光谱分析仪(20)、传输光纤(30)、三端口光环形器(40)、光纤固定夹具(50)、光纤探针(60)以及待测溶液(70)组成，所述光源装置(10)的光信号输出端通过传输光纤(30)与所述三端口光环形器(40)的第一端口相连，所述三端口环形器(40)的第二端口通过传输光纤(30)与所述光纤探针￠0)相连，所述光纤探针(40)通过所述光纤固定夹具(50)固定，竖直向下放置并使其末端完全浸入待测溶液(70)内，所述三端口环形器(40)的第三端口通过传输光纤(30)与所述光谱分析仪(20)相连。
2.如权利要求1所述的基于单模光纤的链霉亲和素浓度传感器，其特征在于，所述传输光纤(30)为单模光纤，所述光纤探针(60)为末端剥去涂覆层并在切平的端面上修饰有具特异性吸附功能膜层的单模光纤。
【文档编号】G01N21/41GK204101452SQ201420568366
【公开日】2015年1月14日 申请日期:2014年9月29日 优先权日:2014年9月29日
【发明者】周雨萌, 赵春柳, 俞文杰, 郎婷婷, 张晓彤 申请人:中国计量学院