专利名称：微型复用干涉生物分子作用传感方法与探针的制作方法
技术领域：
本发明属于分析仪器、传感技术和生物技术领域，具体涉及一种微型复用干涉生物分子作用传感方法与探针。
背景技术：
很多生物学研究可归结至生物分子相互作用的研究。生物分子的相互作用与温度有密切的关系，受温度的影响很大。为了更快地获得更多的生物分子信息，人们需要获取生物分子溶液处于静态或流动相时的生物分子作用及其热动力特性等信息。在现有生物分子作用传感方法中，生物分子作用产生的信号变化极其微弱，而传感信号本身受温度和流体压力(或流速)变化的影响很大，极微小的温度和流体压力(或流速)波动导致的信号变化足以淹没生物分子作用信息。在单纯传感生物分子作用的方法中，一般是在生物分子溶液处于静态或极低流速条件下，通过对传感各部分进行高精度恒温的方法来消除压力(或流速)和温度微小变化的影响。但这不适于生物分子作用的热动力特性和流动相溶液中的生物分子作用的传感分析。在生物分子作用的热动力特性传感时，温度变化是必需的；在生物分子相互作用过程中其溶液是流动相时，生物分子溶液流体压力或流速的微小波动是存在的且难于消除。此时必须精确获取生物分子作用位置的温度及其流体压力(或流速)，用该温度和流体压力(或流速)信息同时对生物分子作用信息进行温度校正和流体压力(或流速)校正，以消除温度和流体压力(或流速)变化的干扰，才能正确得到生物分子作用的精确信息，否则生物分子作用信息的传感精度低，甚至可能是虚假的伪信息。因此，能同时进行温度和流体压力(或流速)精确校正的生物分子作用传感方法和探针在生命科学中具有极其重要的作用。
目前，生物分子作用的传感方法主要有用双偏极化干涉法和温度调节控制系统获得经温度校正的生物分子作用信息；用快速等温滴定微量热法和固态热电偶获取生物分子作用信息；用表面等离子体共振(SPR)法和内置热电偶获取经温度校正的生物分子作用信息等。其中与本发明相近的传感方法是用棱镜型SPR和内置热电偶获取生物分子作用的方法，参见图1。该方法是由棱镜106上的金属膜102及其上的生物分子敏感膜101形成棱镜型SPR衰减器，作为传感生物分子作用的核心；其SPR衰减器和光探测器108置于温度调控器109中，用内置热电偶110传感温度；光源103光经聚焦准直镜104和P型起偏器105形成平行P偏振光，传到棱镜的金属膜上并产生全反射；当生物分子敏感膜的折射率、P偏振光的波长或入射角等满足SPR共振条件时，P偏振光被衰减后再返回棱镜，并经出射透镜组107到达光探测器108，该光探测器获取SPR的共振角或波长；生物分子作用改变生物分子敏感膜的折射率，使SPR共振角或波长变化；探测器及数据采集处理系统111得到SPR共振角或波长的变化量和热电偶值，并分析出经温度校正的生物分子作用信息。其优点是通用性和特异性兼备，对样品无损，无需标记，灵敏度10-5～6RIU，连续实时动态分析。上述方法的不足是(1)它们都在不同空间采用不同传感器分时获取生物分子作用和温度信息，其生物分子作用点温度的测量误差将导致温度校正误差，尤其在生物分子以流动相相互作用时的校正误差更大，甚至有时难获取生物分子作用信息；(2)现有各方法均不能获取与生物分子溶液流体相关联的压力或流速或流型的信息，无法校正并消除流体波动的影响。上述各方法仪适于生物分子溶液的静态或极低速流动相的传感分析，而难于适应一般流动相生物分子溶液的传感分析；(3)实现这些方法的传感器结构极其复杂，体积大，抗振性差，成本高，难于遥测，温控区间大；(4)实现这些方法的传感系统数据容错能力弱，光路和电路干扰影响大，精度不够高，工作条件要求高。
发明内容
本发明的目的就在于针对现有技术的上述不足，提供一种灵敏度及精度高、环境适应性强、流体压力(或流速)及温度及生物分子作用同时间同空间传感的微型复用干涉生物分子作用传感方法；本发明的另一目的是提供一种成本低、灵敏度和精度高、可遥测、抗振性强、结构微型化、光纤化、温控空间小、干扰小、流体压力(或流速)及温度及生物分子作用同时空传感的微型复用于涉生物分子作用探针。该传感方法和探针可获取同时空的温度、流体压力(或流速)和生物分子作用信息，实现高精度的生物分子作用及其热动力特性的传感。
为实现本发明目的，采用了以下技术方案本微型复用干涉生物分子作用传感方法，其特征在于(a)光纤芯中的光通过模式耦合器同向耦合特定波长带的部分光到光纤包层，通过环境敏感器同向耦合另外波长带的部分光到光纤包层，反向耦合部分光到光纤输入端；流体压力(或流速)和温度的变化改变该反向耦合光的参量，该反向耦合光参量作为溶液流体的压力(或流速)和温度信号；光纤芯中的其余光传输到光纤端面上的反射器并被反射，反射返回的光被保留部分光在光纤芯中以作为参考光；(b)被模式耦合器耦合到光纤包层的光传输到光纤端面上的反射器并被反射返回，再被同向耦合部分光到光纤芯；被耦合到光纤芯的这部分光和所述参考光中对应波长带的光产生第一迈氏(也称为Michelson或迈克尔逊)干涉，并返回到光纤输入端；生物分子与光纤包层表面上生物分子敏感膜的相互作用、流体压力(或流速)和温度的变化改变第一迈氏干涉的干涉参量(即温度、流体压力或流速的变化改变光纤包层光和参考光的相位差，导致第一迈氏干涉及其干涉参量变化；生物分子与光纤包层表面上生物分子敏感膜的作用改变生物分子敏感膜的折射率和厚度，进而改变光纤包层光的相位，也导致第一迈氏干涉及其干涉参量变化)，该干涉参量作为生物分子作用、流体压力(或流速)和温度的信号；(c)被环境敏感器耦合到光纤包层的光传输到光纤端面上的反射器并被反射返回，再被同向耦合部分光到光纤芯；被耦合到光纤芯的这部分光与所述参考光中对应波长带的光产生第二迈氏干涉，并返回到光纤输入端；流体压力(或流速)和温度的变化改变第二迈氏干涉的干涉参量(即温度、流体压力或流速的变化改变光纤包层光和参考光的相位差，导致第二迈氏干涉及其干涉参量变化)，该干涉参量作为流体压力(或流速)和温度的信号；(d)返回到光纤输入端的光传输到光解调器并被解调，解调的数据被传输到计算机；计算机从解调数据得到第一干涉参量φ1、第二干涉参量φ2和反向耦合光参量φ3，并分析得到生物分子作用信息Fm；其分析时的计算公式为Fm＝φ1-k2φ2-k3φ3--am，其中k2、k3和am分别是标定过程得到的第一校正系数、第二校正系数和生物分子作用常量。
本发明所述微型复用干涉生物分子作用传感方法，其特征在于计算机从解调数据得到所述第一迈氏干涉的光谱数据，对该光谱数据按波长的倒数进行坐标变换后再进行付立叶反变换，得到生物分子敏感膜内后向散射光的分布信息。
本发明所述微型复用干涉生物分子作用传感方法，其特征在于所述模式耦合器是长周期光纤光栅或超结构光纤光栅；所述环境敏感器是超结构光纤光栅，或是由长周期光纤光栅和短周期光纤光栅组合而成；所述模式耦合器的同向耦合波长带位于所述环境敏感器的同向耦合波长带之外；所述光是宽带光或多波长光；所述光解调器是光谱解调器，或是由光电探测器及其数据采集卡构成；所述反射器的反射率小于90％；所述生物分子敏感膜对被传感生物分子有选择性结合、吸收或敏感的特性，优化位于所述模式耦合器及其与环境敏感器之间的光纤包层上。所述模式耦合器和环境敏感器的3dB(也称为半波)同向耦合波长带宽大于2nm；所述超结构光纤光栅(也称为采样光纤光栅)是折射率分布为周期性间断的光纤光栅；所述长周期光纤光栅是折射率在光纤芯或光纤包层变化的，或是光纤包层上同光轴分布的多个槽纹环构成的长周期光纤光栅。
本发明所述微型复用干涉生物分子作用传感方法，其特征在于所述标定过程的具体步骤是(a)将环境敏感器和生物分子敏感膜置于流体压力(或流速)为P0、温度为T0且无被测生物分子的溶液中，计算机获取此时的第一干涉参量ψ10、第二干涉参量ψ20、反向耦合光参量ψ30；(b)改变该溶液的温度为T1(T1≠T0)，其它条件与(a)相同，计算机获取此时的第一干涉参量ψ11、第二干涉参量ψ21、反向耦合光参量ψ31；(c)改变该溶液的流体压力(或流速)为P1(P1≠P0)，其它条件与(a)相同，计算机获取此时的第一干涉参量ψ12、第二干涉参量ψ22、反向耦合光参量ψ32；(d)计算机根据计算公式标定出第一校正系数k2、第二校正系数k3和生物分子作用常量am；其标定时的计算公式分别为k2=(ψ11-ψ10)(ψ32-ψ30)-(ψ12-ψ10)(ψ31-ψ30)(ψ21-ψ20)(ψ32-ψ30)-(ψ22-ψ20)(ψ31-ψ30),]]>
k3=(ψ12-ψ10)(ψ21-ψ20)-(ψ11-ψ10)(ψ22-ψ20)(ψ21-ψ20)(ψ32-ψ30)-(ψ22-ψ20)(ψ31-ψ30),]]>am=(ψ10-k2ψ20-k3ψ30)T1-(ψ11-k2ψ21-k3ψ31)T0T1-T0-P0[ψ12-ψ10-k2(ψ22-ψ20)-k3(ψ32-ψ30)]P1-P0]]>本发明所述微型复用干涉生物分子作用传感方法，其特征在于所述模式耦合器和所述环境敏感器可以同时是长周期光纤光栅；此时，计算机从解调数据得到第一干涉参量φ1和第二干涉参量φ2，并分析得到生物分子作用信息Fm0；其分析时的计算公式为Fm0＝φ1-k4φ2-am0，其中k4和am0分别是标定过程得到的校正系数和常量。该标定过程是在所述模式耦合器和环境敏感器均为长周期光纤光栅而其它构成不变时的标定过程，该标定过程的具体步骤是(a)将环境敏感器和生物分子敏感膜置于环境参数(如流体压力或流速或温度)为PT0且无被测生物分子的溶液中，计算机获取此时的第一干涉参量ψ13和第二干涉参量ψ23；(b)改变该溶液的环境参数(如流体压力或流速或温度)为PT1(PT1≠PT0)，计算机获取此时的第一干涉参量ψ14和第二干涉参量ψ24；(c)计算机根据计算公式标定出校正系数k4和常量am0该标定时的计算公式分别为k4=ψ14-ψ13ψ24-ψ23,]]>am0=(ψ13-k4ψ23)PT1-(ψ14-k4ψ24)PT0PT1-PT0]]>本发明所述微型复用干涉生物分子作用传感方法，其特征在于所述第一干涉参量和第二干涉参量分别是第一迈氏干涉和第二迈氏干涉的干涉峰或谷的波长值，或是相应迈氏干涉条纹所代表的相位差，或是相应迈氏干涉中特定波长的干涉光强值；所述反向耦合光参量是所述环境敏感器或模式耦合器的反向耦合光的中心波长或幅值。这里，所述相位差等于其相应迈氏干涉条纹中两波峰(或波谷)之干涉级差值乘以该对应两波峰(或波谷)波长值之积，再除以该对应两波峰(或波谷)波长值之差。
本发明根据所述传感方法形成的一种微型复用干涉生物分子作用探针，包括有光纤芯和光纤包层的光纤、模式耦合器、环境敏感器、反射器和生物分子敏感膜；其特征在于在包含光纤芯和光纤包层的光纤上有模式耦合器，在该光纤上离模式耦合器一段距离处有环境敏感器，在该光纤上离环境敏感器一段距离处有光滑的光纤端面，在该光纤端面上有反射器，在该光纤的光纤包层上有生物分子敏感膜。
本发明所述微型复用干涉生物分子作用探针，其特征在于所述环境敏感器优化位于所述模式耦合器和反射器之间的光纤上；所述环境敏感器是长周期光纤光栅或超结构光纤光栅，或是由长周期光纤光栅和短周期光纤光栅组合而形成；所述模式耦合器是长周期光纤光栅或超结构光纤光栅；所述模式耦合器和环境敏感器在其同向耦合中心波长处的同向耦合效率均优化为1-6dB，其3dB同向耦合波长带宽均优化为4-30nm；所述模式耦合器的同向耦合波长带位于所述环境敏感器的同向耦合波长带之外；所述超结构光纤光栅或短周期光纤光栅的反向耦合效率大于20％；所述反射器是反射膜或反射镜，其反射率为10％-90％；所述模式耦合器和反射器及其之间的光纤包层、光纤芯构成为第一迈氏干涉器；所述环境敏感器和反射器及其之间的光纤包层、光纤芯构成为第二迈氏干涉器。所述反射器到所述模式耦合器的距离优化为2-100cm；所述超结构光纤光栅(也称为采样光纤光栅)是折射率分布为周期性间断的光纤光栅；所述长周期光纤光栅是折射率在光纤芯或光纤包层变化的，或是光纤包层上同光轴分布的多个槽纹环构成的长周期光纤光栅；所述短周期光纤光栅(也称Bragg光纤光栅)或超结构光纤光栅的反向耦合中心波长优化位于所述同向耦合波长带之外。
本发明所述微型复用干涉生物分子作用探针，其特征在于所述生物分子敏感膜优化位于所述模式耦合器及其与环境敏感器之间的光纤包层的表面；所述生物分子敏感膜是对被传感生物分子有选择性结合、吸收或敏感性的薄膜，或是由光纤包层上的过渡层和过渡层上的配体分子构成，或是由光纤包层上的网状多孔膜和网状多孔膜上(包括该网状多孔膜表面上或内部包埋)的配体分子构成；所述生物分子敏感膜的折射率大于其所在溶液的折射率且小于所述光纤包层的折射率的1.3倍。所述配体分子是被传感生物分子的配体分子；所述生物分子敏感膜的厚度大于1nm。
本发明所述微型复用干涉生物分子作用探针，其特征在于所述光纤包层与所述生物分子敏感膜之间有金属膜，该金属膜的厚度为1-200nm。
本发明所述微型复用干涉生物分子作用探针，其特征在于包含有模式耦合器和反射器的这段光纤固定连接在石英支承架上；该石英支承架的中部和一端部各有一V形槽，该两V形槽之间及另一端部有凹槽；所述这段光纤通过第一固化胶、第二固化胶和第四固化胶固定在所述石英支承架的V形槽和凹槽内；所述石英支承架一端的外部通过第三固化胶连接有导向套；该导向套的外表面上有导向突起，其一端部有防漏垫圈，其外表面上有限位环和松配合的螺纹帽；所述石英支承架两V形槽之外的光纤上有光纤保护层，该光纤保护层的外面有光纤过渡缓冲套，该光纤过渡缓冲套连接到所述导向套上。
本发明所述微型复用干涉生物分子作用探针，其特征在于所述石英支承架的端部V形槽与所述这段光纤之间用第一固化胶和第五固化胶连接有石英毛细管；该石英毛细管的内径大于其内的这段光纤外径的1.2倍。
与现有技术比较，本发明提供的生物分子作用传感方法与探针的优点有(a)本方法用模式耦合器和环境敏感器构成的两个微型迈氏干涉器获取生物分子作用及其温度信息，同时还获取流体压力(或流速)信息，信息量大，灵敏度和精度极高，通用性和选择性兼备；(b)生物分子作用及其温度、流体压力(或流速)等信息是在光纤的同一位置传感且可同时获取，其温度和流体压力(或流速)的补偿校正精度高；(c)本探针完全光纤化微型化，恒温或温控区间小，抗振性好，成本低，可遥测，电绝缘，环境适应性特强，特别适于生物活体或生物分子溶液流动相的实时连续传感分析；(d)本方法及探针可用于温度、流体压力(或流速)、浓度、生物分子作用、动力学参数及热动力特性等信息的获取。
图1是基于棱镜SPR和内置热电偶的生物分子作用传感方法的原理图；图2是本专利实施例一涉及的微型复用干涉生物分子作用探针的结构图；图3是本专利实施例五涉及的石英毛细管的位置关系图；图4是本专利实施例六涉及的金属膜的位置关系图。
具体实施例方式
下面结合附图，用本发明所述的微型复用干涉生物分子作用传感方法与探针，以精确获取流动相人免疫球蛋白G(IgG)与其配体分子(即抗体)的相互作用的实施例来进一步说明本发明。其它生物分子的传感方法及探针的实施与之相似，只是其生物分子敏感膜不同而已。
实施例一参见图2，本微型复用干涉生物分子作用探针的结构有光纤包层1、光纤芯2、模式耦合器3、生物分子敏感膜5、环境敏感器6、石英支承架7、反射器8、第一固化胶9、第二固化胶10、第三固化胶11、防漏垫圈12、导向套13、螺纹帽14、限位环15、光纤过渡缓冲套16、第四固化胶17、光纤保护层18。其构成方法是(a)在有光纤芯2、光纤包层1、光纤保护层18的光纤上，去除部分光纤保护层，用激光器和长周期光纤光栅掩模板在光纤上写入长为15mm、同向耦合中心波长在1540nm附近、3dB同向耦合波长带宽为8nm、同向耦合中心波长的耦合效率为3.5dB的长周期光纤光栅，以作为模式耦合器3；在距离该模式耦合器3约20mm的光纤上用激光器和另外的长周期光纤光栅掩模板写入长15mm、同向耦合中心波长在1555nm附近、3dB同向耦合波长带宽为8nm、同向耦合中心波长的耦合效率为3.5dB的长周期光纤光栅，以作为环境敏感器6；用于模式耦合器3和环境敏感器6的长周期光纤光栅也可通过化学腐蚀或刻蚀的方法，在光纤包层表面制作出与光纤同光轴分布的多个槽纹环来形成；此时的探针只传感和校正溶液流体压力或流速或温度中的一个参量；在1530-1565nm波长范围内，模式耦合器3和环境敏感器6之间无重迭的同向耦合波长带；光纤芯2和光纤包层1的折射率为1.48-1.52；(b)在距离该环境敏感器6约15mm处切断光纤，在该光纤切断面上镀上1550nm波长处反射率为80％的银膜作为反射器8，环境敏感器6位于模式耦合器3和反射器8之间的光纤上；在模式耦合器3及其与环境敏感器6之间的光纤包层1表面上固化厚100nm的硅化膜作为过渡层，在硅化膜上固化厚约5-15nm的羊抗人IgG抗体层，该硅化膜层与羊抗人IgG抗体层共同作为生物分子敏感膜5，硅化膜和羊抗人IgG抗体层的折射率为1.51；人免疫球蛋白G(IgG)溶液的折射率1.34；生物分子敏感膜5也可用以下方法构成在模式耦合器3及其与环境敏感器6之间的光纤包层上覆盖厚300nm而折射率为1.62的网状多孔SiO2薄膜基体，在该SiO2薄膜基体的网状多孔内包埋有或其表面固化有羊抗人IgG抗体膜层；生物分子敏感膜5还可用以下方法构成清洁和疏水处理光纤包层后，通过物理吸附或化学键合的方法，在模式耦合器3及其与环境敏感器6之间的光纤包层1表面上固化厚6-100nm的羊抗人IgG抗体层；(c)制作长9cm外径4mm的石英支承架7，其凹槽深度2.5mm，两V形槽深2.3mm，V形槽间的距离60mm；将有模式耦合器3和反射器8的这段光纤用第一固化胶9、第二固化胶10和第四固化胶17粘贴到石英支承架的V形槽和凹槽内，石英支承架7通过第三固化胶11连接到导向套13上；该导向套13外径8mm内径5mm，其上的导向凸起高0.8mm宽1mm，其一端上粘贴有防漏垫圈12，该防漏垫圈长2mm外径9mm内径7mm；导向套13上套有螺纹帽14和限位环15，该螺纹帽外径12mm壁厚1mm长17mm，该限位环长2mm内径7mm外径9mm，导向套13与螺纹帽14和限位环15分别是松配合和紧配合，在靠近所述这段光纤尾部的导向套13端部连接有光纤过渡缓冲套16；该光纤过渡缓冲套16与导向套13是紧配合，其材料为塑料、长22mm小端内径1mm大端内径7mm。这就构成了可同时空传感人免疫球蛋白G(IgG)与其抗体的作用及其温度信息的本微型复用于涉生物分子作用探针。
实施例二本微型复用干涉生物分子作用探针的结构与实施例一所述探针结构的不同是本探针中的模式耦合器3是超结构光纤光栅。该模式耦合器3的构成方法是去除部分光纤保护层后，用激光器、长周期光纤光栅掩模板与短周期光纤光栅模板重叠移动的方法，在光纤上写入长15mm、同向耦合中心波长在1540nm附近、同向耦合效率3.5dB、3dB同向耦合波长带宽8nm、反向耦合中心波长在1532nm附近、反向耦合效率90％的超结构光纤光栅，作为模式耦合器3；在1530-1565nm波长内，该模式耦合器3和环境敏感器6的同向耦合波长带无重叠，该模式耦合器3是折射率分布为周期性间断的光纤光栅；其它与实施例一相同。
实施例三本微型复用干涉生物分子作用探针的结构与实施例一或实施例二所述探针结构的不同是本探针中的环境敏感器6是超结构光纤光栅。该环境敏感器6的构成方法是去除部分光纤保护层后，在离所述模式耦合器3约20mm的光纤上，用激光器、短周期光纤光栅模板和长周期光纤光栅掩模板重叠移动的方法，写入长15mm、同向耦合中心波长在1555nm附近、同向耦合效率3.5dB、3dB同向耦合波长带宽8nm、反向耦合中心波长在1563nm附近、反向耦合中心波长处的反向耦合效率为90％的超结构光纤光栅，作为环境敏感器6；在1530-1565nm波长内，该环境敏感器6和模式耦合器3的同向耦合波长带无重叠，该环境敏感器6是折射率分布为周期性间断的光纤光栅；其它与实施例一或实施例二相同。
实施例四本微型复用干涉生物分子作用探针的结构与实施例一或实施例二、实施例三所述探针结构的不同是本探针中的环境敏感器6是由长周期光纤光栅和短周期光纤光栅组合而构成的。该环境敏感器6的构成方法是去除部分光纤保护层后，在离所述模式耦合器3约20mm的光纤上，用激光器和长周期光纤光栅掩模板写入长15mm、同向耦合中心波长在1555nm附近、同向耦合效率3.5dB、3dB同向耦合波长带宽8nm的长周期光纤光栅；在离该长周期光纤光栅约3mm的光纤上，用激光器和短周期光纤光栅模板写入反向耦合中心波长在1563nm附近、反向耦合中心波长处的反向耦合效率为90％的短周期光纤光栅；这样，制作的该短周期光纤光栅和长周期光纤光栅共同构成为环境敏感器6；在1530-1565nm波长内，该环境敏感器6和模式耦合器3的同向耦合波长带无重叠；其它与实施例一或实施例二、实施例三相同。
实施例五本微型复用干涉生物分子作用探针的结构除包含实施例一或实施例二或实施例三或实施例四中所述探针的结构外，还包含有石英毛细管20。该石英毛细管20与所述这段光纤和石英支承架7的V形槽之间的关系参见图3，它们的构成方法是石英毛细管20的材料为石英，其外径360μm、内径200μm、长32mm；环境敏感器6和反射器8及其之间的这部分光纤通过第五固化胶19被固定并置于石英毛细管20内部，石英毛细管20通过第一固化胶9固定连接在石英支承架7端部的V形槽内，所述光纤的外径为125μm；其它与实施例一或实施例二或实施例三或实施例四中的探针相同。
实施例六本微型复用干涉生物分子作用探针的结构除包含实施例一或实施例二或实施例三或实施例四或实施例五所述探针的结构外，还在光纤包层1和生物分子敏感膜5之间包含有金属膜4。该金属膜4在光纤上的位置关系参见图4，该金属膜4的构成方法是在模式耦合器3及其与环境敏感器6之间的光纤包层1表面上，镀材料为银、厚度约20nm的金属膜4，在该金属膜4的表面再固化生物分子敏感膜5；其它与实施例一或实施例二或实施例三或实施例四或实施例五相同。
实施例七采用实施例一或其对应的实施例五所述探针的本微型复用干涉生物分子作用传感方法是(a)中心波长1550nm、带宽50nm的宽带光源光通过光纤和宽带耦合器传输到所采用探针的光纤芯2中；(b)光纤芯2中的光在模式耦合器3处耦合1540nm波长附近的部分光到光纤包层1，在环境敏感器6处耦合1555nm波长附近的部分光到光纤包层；光纤芯2中的其余光传到反射器8处，被反射回到环境敏感器6和模式耦合器3，并保留部分光在光纤芯中作为参考光；被耦合到光纤包层1的1555nm波长附近的光传到反射器8，再被反射回到环境敏感器6处并被耦合部分光到光纤芯2，耦合到光纤芯2的这部分光与参考光中1555nm波长附近的光产生第二迈氏干涉，第二迈氏干涉的光返回到光纤输入端，其第二干涉参量受温度或流体压力或流速的影响而作为其对应参量的传感信号；(c)被耦合到光纤包层1的1540nm波长附近的光传到反射器8，再被反射回到模式耦合器3并被耦合部分光到光纤芯2；这期间，光纤包层1中1540nm波长附近的光在光纤包层1和生物分子敏感膜5中传输并受生物分子敏感膜5的影响后返回光纤包层1，或者在光纤包层1和生物分子敏感膜5的界面处发生全反射并受生物分子敏感膜5的影响后回到光纤包层1；从光纤包层1耦合到光纤芯2的这部分光与参考光中1540nm波长附近的光产生第一迈氏干涉；第一迈氏干涉的光返回到光纤输入端，其第一干涉参量包含生物分子作用信息、温度或流体压力或流速信息；(d)返回到光纤输入端的光通过宽带耦合器和光纤传输到调解范围为1510-1590nm的光纤光谱解调器(也可以是光纤光谱仪)，光纤光谱解调器解调光信号并将解调数据通过标准数据总线(如GPIB、RS232、485、USB等)传输到计算机；(e)在人免疫球蛋白G与羊抗人IgG抗体相互作用的过程中，计算机从解调数据获得1540nm波长附近的第一干涉参量φ1和1555nm波长附近的第二干涉参量φ2，再用标定过程得到的校正系数k4和常量am0及计算公式Fm0＝φ1-k4φ2-am0等分析出人免疫球蛋白G与羊抗人IgG抗体间的生物分子作用信息Fm0；(f)计算机从解调数据也可得到第一迈氏干涉的光谱数据，对该光谱数据按波长的倒数进行坐标变换后再进行付立叶反变换，可得到生物分子敏感膜内后向散射光的分布信息。本实施例中，所述第一干涉参量和第二t涉参量分别是第一迈氏干涉和第二迈氏干涉的干涉条纹中特定波峰或波谷的波长值，或是对应干涉条纹中特定两波峰或波谷值所代表的相位差，或是对应干涉中特定波长的光强度值；这里，所述相位差等于其相应迈氏干涉条纹中两波峰(或波谷)之干涉级差值乘以该对应两波峰(或波谷)波长值之积，再除以该对应两波峰(或波谷)波长值之差。本实施例中，获取校正系数k4和常量am0的标定过程的具体步骤是(a)将环境敏感器6和生物分子敏感膜5置于温度(或流体压力或流速)为PT0＝15℃ 且无人免疫球蛋白G的溶液中，计算机获取此时的第一干涉参量ψ13和第二干涉参量ψ23；(b)改变该溶液的温度(或流体压力或流速)为PT1＝30℃ ，计算机获取此时的第一干涉参量ψ14和第二干涉参量ψ24；(c)计算机根据其标定过程的计算公式计算出校正系数k4和常量am0。
实施例八采用实施例二、实施例三、实施例四或对应这三个实施例的实施例五所述探针的本微型复用干涉生物分子作用传感方法是(a)中心波长1550nm、带宽50nm的宽带光源光通过光纤和宽带耦合器传输到所采用探针的光纤芯2中；(b)光纤芯2中的光在模式耦合器3处耦合1540nm波长附近的部分光到光纤包层1，在环境敏感器6处耦合1555nm波长附近的部分光到光纤包层，在模式耦合器3或环境敏感器6处反向耦合1532nm或1563nm波长附近的光到光纤输入端；流体压力(或流速)和温度的变化改变该反向耦合光的参量，该反向耦合光参量作为溶液流体的压力(或流速)和温度的信号；若1532nm和1563nm波长附近的反向耦合光同时存在，则选用这两个波长附近的任一个反向耦合光的参量作为本传感方法的反向耦合光参量；光纤芯2中的其余光传到反射器8处，被反射回到环境敏感器6和模式耦合器3，并保留部分光在光纤芯中作为参考光；(c)被耦合到光纤包层1的1555nm波长附近的光传到反射器8，再被反射回到环境敏感器6处并被耦合部分光到光纤芯2，耦合到光纤芯2的这部分光与参考光中1555nm波长附近的光产生第二迈氏干涉，第二迈氏干涉的光返回到光纤输入端；流体压力(或流速)和温度的变化改变第二迈氏干涉的第二干涉参量，即温度、流体压力或流速的变化改变光纤包层光和参考光的相位差，导致第二迈氏干涉及其干涉参量变化；该第二干涉参量作为流体压力(或流速)和温度的信号；(d)被耦合到光纤包层1的1540nm波长附近的光传到反射器8，再被反射回到模式耦合器3并被耦合部分光到光纤芯2；这期间，光纤包层1中1540nm波长附近的光在光纤包层1和生物分子敏感膜5中传输并受生物分子敏感膜5的影响后返回光纤包层1，或者在光纤包层1和生物分子敏感膜5的界面处发生全反射并受生物分子敏感膜5的影响后回到光纤包层1；从光纤包层1耦合到光纤芯2的这部分光与参考光中1540nm波长附近的光产生第一迈氏干涉，第一迈氏干涉的光返回到光纤输入端；生物分子作用、流体压力(或流速)和温度的变化改变第一迈氏干涉的第一干涉参量，即温度、流体压力或流速的变化改变光纤包层光和参考光的相位差，并导致第一迈氏干涉及其干涉参量变化，而生物分子与光纤包层表面上生物分子敏感膜的作用改变生物分子敏感膜的折射率和厚度，进而改变光纤包层光的相位，也导致第一迈氏干涉及其干涉参量变化；该第一干涉参量作为生物分子作用、流体压力(或流速)和温度的信号；(e)返回到光纤输入端的光通过宽带耦合器和光纤传输到调解范围为1510-1590nm的光纤光谱解调器(也可以是光纤光谱仪)，光纤光谱解调器解调光信号并将解调数据通过标准数据总线(如GPIB、RS232、485、USB等)传输到计算机；(f)在人免疫球蛋白G与羊抗人IgG抗体相互作用的过程中，计算机从解调数据获得1540nm波长附近的第一干涉参量φ1、1555nm波长附近的第二干涉参量φ2、1532nm或1563nm波长附近的反向耦合光参量φ3，再用标定过程得到的第一校正系数k2、第二校正系数k3和生物分子作用常量am及计算公式Fm＝φ1-k2φ2-k3φ3-am等分析出人免疫球蛋白G与羊抗人IgG抗体间的生物分子作用信息Fm；(g)计算机从解调数据也可得到第一迈氏干涉的光谱数据，对该光谱数据按波长的倒数进行坐标变换后再进行付立叶反变换，可得到生物分子敏感膜内后向散射光的分布信息。本实施例中，所述第一干涉参量和第二干涉参量分别是第一迈氏干涉和第二迈氏干涉的干涉条纹中特定波峰或波谷的波长值，或是对应干涉条纹中特定两波峰或波谷值所代表的相位差，或是对应干涉中特定波长的光强度值；所述反向耦合光参量是环境敏感器6或模式耦合器3的反向耦合光的中心波长或幅值。这里，所述相位差等于其相应迈氏干涉条纹中两波峰(或波谷)之干涉级差值乘以该对应两波峰(或波谷)波长值之积，再除以该对应两波峰(或波谷)波长值之差。本实施例中，获取第一校正系数k2、第二校正系数k3和生物分子作用常量am的标定过程的具体步骤是(a)将环境敏感器6和生物分子敏感膜5置于流体流速(或压力)为P0＝0.5ml/min、温度为T0＝15°且无人免疫球蛋白G的溶液中，计算机获取此时的第一干涉参量ψ10、第二干涉参量ψ20、反向耦合光参量ψ30；(b)改变该溶液的温度为T1＝37°，其它条件与(a)相同，计算机获取此时的第一干涉参量ψ11、第二干涉参量ψ21、反向耦合光参量ψ31；(c)改变该溶液的流体流速(或压力)为P1＝3ml/min，其它条件与(a)相同，计算机获取此时的第一干涉参量ψ12、第二干涉参量ψ22、反向耦合光参量ψ32；(d)计算机根据该标定过程的计算公式计算出第一校正系数k2、第二校正系数k3和生物分子作用常量am。
实施例九采用与实施例一或其实施例五相对应的实施例六所述探针的本微型复用干涉生物分子作用传感方法与实施例七的不同，及采用与实施例二、三、四或其实施例五相对应的实施例六所述探针的本传感方法与实施例八的不同是耦合到光纤包层1的1540nm波长附近的光在光纤包层1和金属膜4的界面发生全反射时将产生表面等离子体共振(SPR)而被衰减及改变相位；人免疫球蛋白G(IgG)与生物分子敏感膜5的作用影响SPR衰减的中心波长、特定波长处的衰减幅值及其相位变化，这导致第一迈氏干涉的干涉参量的变化；其它与实施例七或实施例八相同。
实施例十本实施例的传感方法与实施例七或实施例八或实施例九所述传感方法的不同是本传感方法所用光源是波长范围为1500-1600nm、波长步进间距为5pm、功率1mW的可调谐扫描激光器，所用光解调器是由近红外光电探测器(PIN)及其数据存储采集卡组合构成的；该可调谐扫描激光器通过光纤和宽带耦合器连接到所用探针的光纤输入端；该光电探测器通过宽带耦合器及光纤连接到所用探针的光纤，其电信号连接到其数据存储采集卡，该数据存储采集卡在计算机的扩展槽内；该可调谐扫描激光器的输出光每改变一个波长，该数据存储采集卡就采集一次数据；计算机从该数据存储采集卡获取第一干涉参量和第二干涉参量；其它与实施例七或实施例八或实施例九相同。
实施例十一本实施例的传感方法与实施例七或实施例八或实施例九或实施例十所述传感方法的不同是本传感方法所用光源是由3×1的光开关、第一光源、第二光源和第三光源构成，所用光解调器是由近红外光电探测器(PIN)及其数据采集卡构成；该第一光源是中心波长为1540nm、半波带宽小于1nm、功率1mW的激光器(也可用光学滤波器对该激光器的光进行滤波以满足波长要求)，通过光纤连接到该光开关的第一个输入端；该第二光源是中心波长为1555nm、半波带宽小于1nm、功率1mW的激光器(也可用光学滤波器对该激光器的光进行滤波以满足波长要求)，通过光纤连接到该光开关的一个输入端，；该光开关的输出端通过光纤连接到所用探针的光纤输入端；控制调节该光开关向所用探针分别输入该第一光源或第二光源的光，该光解调器获取所用探针反向耦合光的幅值；计算机通过该光开关和该光解调器分时获取所用探针反向耦合回的第一光源光和第二光源光的幅值，以获取的第一光源光幅值作为第一干涉参量，以获取的第二光源光幅值作为第二于涉参量；其它与实施例七或实施例八或实施例九或实施例十相同。
权利要求
1.微型复用干涉生物分子作用传感方法，其特征在于(a)光纤芯中的光通过模式耦合器同向耦合特定波长带的部分光到光纤包层，通过环境敏感器同向耦合另外波长带的部分光到光纤包层，反向耦合部分光到光纤输入端；流体压力(或流速)和温度的变化改变该反向耦合光的参量；光纤芯中的其余光传输到光纤端面上的反射器并被反射，反射返回的光被保留部分光在光纤芯中以作为参考光；(b)被模式耦合器耦合到光纤包层的光传输到光纤端面上的反射器并被反射返回，再被同向耦合部分光到光纤芯；被耦合到光纤芯的这部分光和所述参考光中对应波长带的光产生第一迈氏干涉，并返回到光纤输入端；生物分子与光纤包层表面上生物分子敏感膜的相互作用、流体压力(或流速)和温度的变化改变第一迈氏干涉的干涉参量；(c)被环境敏感器耦合到光纤包层的光传输到光纤端面上的反射器并被反射返回，再被同向耦合部分光到光纤芯；被耦合到光纤芯的这部分光与所述参考光中对应波长带的光产生第二迈氏干涉，并返回到光纤输入端；流体压力(或流速)和温度的变化改变第二迈氏干涉的干涉参量；(d)返回到光纤输入端的光传输到光解调器并被解调，解调的数据被传输到计算机；计算机从解调数据得到第一干涉参量φ1、第二干涉参量φ2和反向耦合光参量φ3，并分析得到生物分子作用信息Fm；其分析时的计算公式为Fm＝φ1-k2φ2-k3φ3-am，其中k2、k3和am分别是标定过程得到的第一校正系数、第二校正系数和生物分子作用常量。
2.根据权利要求1所述的传感方法，其特征在于计算机从解调数据得到所述第一迈氏干涉的光谱数据，对该光谱数据按波长的倒数进行坐标变换后再进行付立叶反变换，得到生物分子敏感膜内后向散射光的分布信息。
3.根据权利要求1所述的传感方法，其特征在于所述模式耦合器是长周期光纤光栅或超结构光纤光栅；所述环境敏感器是超结构光纤光栅，或是由长周期光纤光栅和短周期光纤光栅组合而成；所述模式耦合器的同向耦合波长带位于所述环境敏感器的同向耦合波长带之外；所述光是宽带光或多波长光；所述光解调器是光谱解调器，或是由光电探测器及其数据采集卡构成；所述反射器的反射率小于90％；所述生物分子敏感膜对被传感生物分子有选择性结合、吸收或敏感的特性。
4.根据权利要求1所述的传感方法，其特征在于所述标定过程的具体步骤是(a)将环境敏感器和生物分子敏感膜置于流体压力(或流速)为P0、温度为T0且无被测生物分子的溶液中，计算机获取此时的第一干涉参量ψ10、第二干涉参量ψ20、反向耦合光参量ψ30；(b)改变该溶液的温度为T1(T1≠T0)，其它条件与(a)相同，计算机获取此时的第一干涉参量ψ11、第二干涉参量ψ21、反向耦合光参量ψ31；(c)改变该溶液的流体压力(或流速)为P1(P1≠P0)，其它条件与(a)相同，计算机获取此时的第一干涉参量ψ12、第二干涉参量ψ22、反向耦合光参量ψ32；(d)计算机根据计算公式标定出第一校正系数k2、第二校正系数k3和生物分子作用常量am；其标定时的计算公式分别为k2=(ψ11-ψ10)(ψ32-ψ30)-(ψ12-ψ10)(ψ31-ψ30)(ψ21-ψ20)(ψ32-ψ30)-(ψ22-ψ20)(ψ31-ψ30),]]>k3=(ψ12-ψ10)(ψ21-ψ20)-(ψ11-ψ10)(ψ22-ψ20)(ψ21-ψ20)(ψ32-ψ30)-(ψ22-ψ20)(ψ31-ψ30),]]>am=(ψ10-k2ψ20-k3ψ30)T1-(ψ11-k2ψ21-k3ψ31)T0T1-T0-P0[ψ12-ψ10-k2(ψ22-ψ20)-k3(ψ32-ψ30)]P1-P0]]>
5.根据权利要求1所述的传感方法，其特征在于所述模式耦合器和所述环境敏感器均是长周期光纤光栅；计算机从解调数据得到第一干涉参量φ1和第二干涉参量φ2，并分析得到生物分子作用信息Fm0；其分析时的计算公式为Fm0＝φ1-k4φ2-am0，其中k4和am0分别是标定过程得到的校正系数和常量。
6.根据权利要求5所述的传感方法，其特征在于所述标定过程的具体步骤是(a)将环境敏感器和生物分子敏感膜置于环境参数(如流体压力或流速或温度)为PT0且无被测生物分子的溶液中，计算机获取此时的第一干涉参量ψ13和第二干涉参量ψ23；(b)改变该溶液的环境参数(如流体压力或流速或温度)为PT1(PT1≠PT0)，计算机获取此时的第一干涉参量ψ14和第二干涉参量ψ24；(c)计算机根据计算公式标定出校正系数k4和常量am0；其标定时的计算公式分别为k4=ψ14-ψ13ψ24-ψ23,]]>am0=(ψ13-k4ψ23)PT1-(ψ14-k4ψ24)PT0PT1-PT0]]>
7.根据权利要求1或4、5、6所述的传感方法，其特征在于所述第一干涉参量和第二干涉参量分别是第一迈氏干涉和第二迈氏干涉的干涉峰或谷的波长值，或是相应迈氏干涉条纹所代表的相位差，或是相应迈氏干涉中特定波长的干涉光强值；所述反向耦合光参量是所述环境敏感器或模式耦合器的反向耦合光的中心波长或幅值。
8.根据所述传感方法形成的一种微型复用干涉生物分子作用探针，包括有光纤芯(2)和光纤包层(1)的光纤、模式耦合器(3)、环境敏感器(6)、反射器(8)和生物分子敏感膜(5)；其特征在于在包含光纤芯(2)和光纤包层(1)的光纤上有模式耦合器(3)，在该光纤上离模式耦合器(3)一段距离处有环境敏感器(6)，在该光纤上离环境敏感器(6)一段距离处有光滑的光纤端面，在该光纤端面上有反射器(8)，在该光纤的光纤包层(1)上有生物分子敏感膜(5)。
9.根据权利要求8所述的探针，其特征在于所述环境敏感器(6)优化位于所述模式耦合器(3)和反射器(8)之间的光纤上；所述环境敏感器(6)是长周期光纤光栅或超结构光纤光栅，或是由长周期光纤光栅和短周期光纤光栅组合而形成；所述模式耦合器(3)是长周期光纤光栅或超结构光纤光栅；所述模式耦合器(3)和环境敏感器(6)在其同向耦合中心波长处的同向耦合效率均优化为1-6dB，其3dB同向耦合波长带宽均优化为4-30nm；所述模式耦合器(3)的同向耦合波长带位于所述环境敏感器(6)的同向耦合波长带之外；所述超结构光纤光栅或短周期光纤光栅的反向耦合效率大于20％；所述反射器(8)是反射膜或反射镜，其反射率为10％-90％；所述模式耦合器(3)和反射器(8)及其之间的光纤包层(1)、光纤芯(2)构成为第一迈氏干涉器；所述环境敏感器(6)和反射器(8)及其之间的光纤包层(1)、光纤芯(2)构成为第二迈氏干涉器。
10.根据权利要求8所述的探针，其特征在于所述生物分子敏感膜(5)优化位于所述模式耦合器(3)及其与环境敏感器(6)之间的光纤包层(1)的表面；所述生物分子敏感膜(5)是对被传感生物分子有选择性结合、吸收或敏感性的薄膜，或是由光纤包层上的过渡层和过渡层上的配体分子构成，或是由光纤包层(1)上的网状多孔膜和网状多孔膜上的配体分子构成；所述生物分子敏感膜(5)的折射率大于其所在溶液的折射率且小于所述光纤包层(1)的折射率的1.3倍。
11.根据权利要求8所述的探针，其特征在于所述光纤包层(1)与所述生物分子敏感膜(5)之间有金属膜(4)，该金属膜的厚度为1-200nm。
12.根据权利要求8或11所述的探针，其特征在于包含有模式耦合器(3)和反射器(8)的这段光纤固定连接在石英支承架(7)上；该石英支承架(7)的中部和一端部各有一V形槽，该两V形槽之间及另一端部有凹槽；所述这段光纤通过第一固化胶(9)、第二固化胶(10)和第四固化胶(17)固定在所述石英支承架(7)的V形槽和凹槽内；所述石英支承架(7)一端的外部通过第三固化胶(11)连接有导向套(13)；该导向套(13)的外表面上有导向突起，其一端部有防漏垫圈(12)，其外表面上有限位环(15)和松配合的螺纹帽(14)；所述石英支承架(7)两V形槽之外的光纤上有光纤保护层(18)，该光纤保护层(18)的外面有光纤过渡缓冲套(16)，该光纤过渡缓冲套(16)连接到所述导向套(13)上。
13.根据权利要求12所述的探针，其特征在于所述石英支承架(7)的端部V形槽与所述这段光纤之间用第一固化胶(9)和第五固化胶(19)连接有石英毛细管(20)；该石英毛细管(20)的内径大于其内的这段光纤外径的1.2倍。
全文摘要
本发明公开一种微型复用干涉生物分子作用传感方法与探针。该方法是在同一段光纤上形成两个微型迈克尔逊干涉器，用一个微型迈克尔逊干涉器及生物分子敏感膜获取生物分子作用信息，用一个微型迈克尔逊干涉器及其反向耦合光获取环境温度和压力(或流速)信息，实现生物分子作用的精确传感。该方法的灵敏度和精度极高，数据能容错，通用性和选择性兼备，同时间同空间传感环境信息，干扰和杂散光小，适应性强，传感信息量大。其探针由光纤及其上的2－3个耦合器、反射器和生物分子敏感膜构成，具有灵敏度和精度高、全光纤化、微型化、温控区小、抗振性好、可遥测等优点，尤其适于生物分子作用及其热动力特性的在体流动相传感。
文档编号G06F19/00GK101017139SQ20061009536
公开日2007年8月15日 申请日期2006年12月26日 优先权日2006年12月26日
发明者曾祥楷 申请人:重庆工学院