一種基于光子晶體光纖的生物分子在纖檢測系統的制作方法

本發明屬于光纖傳感技術領域，涉及一種基于光子晶體光纖的生物分子在纖檢測系統。

背景技術：

目前對生物分子的檢測，如核酸與蛋白質，在食品安全、環境監測、基因分析和疾病診斷等關乎國計民生的領域起著重要作用。而在實際應用中對生物分子的快速、實時、高靈敏度和低成本檢測，是眾多科學研究者所追求的目標。傳統的生物分子檢測技術通常有電化學法、熒光光度法和同位素法。電化學法是發展較成熟的生化檢測方法，但蛋白質等生物分子由于吸附作用會對其測定產生干擾，使測量靈敏度偏低，此外，該類傳感器易受電磁信號的干擾，影響其測量精度；熒光光度法具有較高的靈敏度，但受某些離子的干擾影響，熒光會湮滅而且對生物分子進行熒光標記需要復雜的操作，從而限制了該方法的應用；同位素法是目前廣為使用的方法，但是同位素標記技術較為繁瑣，且存在一定的環境污染，可能對人的健康會造成一定的損害。因此發展高靈敏度且有效的生物分子檢測方法成為傳感技術領域中一個特別重要的課題。光纖生物分子傳感器是生物分子識別技術與現代光纖技術相結合的產物，相比于傳統的生物分子傳感器具有高靈度、高精度、響應速度快和抗電磁干擾的優點，引起國內外研究者的廣泛關注。2013年，candiania等人(文獻1.candiania,bertuccia,giannettis,etal.label-freednabiosensorbasedonapeptidenucleicacid-functionalizedmicrostructuredopticalfiber-bragggrating[j].journalofbiomedicaloptics,2013,18(5):57004.)提出在刻有布拉格光柵的光子晶體光纖內表面進行功能化，實現了對dna的高選擇性檢測；2016年，araya等人(文獻2.araya,chiavaiolif,arjmandm,etal.spr-basedplasticopticalfibrebiosensorforthedetectionofc-reactiveproteininserum[j].journalofbiophotonics,2016,9(10):1077.)提出了一種基于表面等離子共振的塑料光纖生物傳感器，用于檢測血清中c-反應蛋白，最終的檢測極限可達0.009mg/l。但是傳統光纖生物分子傳感器的共振頻譜的3db帶寬非常寬，通常大于50nm，導致非常低的品質因子，嚴重影響檢測精度(文獻3.luob,yanz,sunz,etal.biosensorbasedonexcessivelytiltedfibergratinginthin-claddingopticalfiberforsensitiveandselectivedetectionoflowglucoseconcentration[j].opticsexpress,2015,23(25):32429.)。此外，傳統光纖生物分子傳感器存在溫度穩定性差，結構不靈活等不足，限制了其檢測極限及靈敏度性能的進一步提升。

微流體通道的發展為生物分子實時在線檢測提供了新的發展方向和動力，具有結構緊湊、樣品用量少等方面的突出優點。然而，傳統微流體通道的制作通常需要復雜的工藝和昂貴的設備，限制了該檢測技術的推廣和發展。由于光子晶體光纖和空芯石英光纖在橫截面上具有空氣孔，為微流體通道提供了理想的平臺，既簡化了工藝，又降低了成本。此外，由于光子晶體光纖橫截面周期性排列的空氣孔，使其具有在結構設計上的靈活性和光學特性上的可控性，與采用空芯石英光纖作為微流體通道相比，顯著地改善了系統的魯棒性、空間穩定性和傳感特性。而且由于光子晶體光纖通常以單一材料為基底，因而具有極好的溫度穩定性(文獻4.j.n.dash,r.jha.temperatureinsensitivepcfinterferometercoatedwithgrapheneoxidetipsensor.ieeephotonicstechnologyletters,2016,28(9):1006-1009.)。通過在光子晶體光纖內構建微流體通道，為實現靈敏度高、溫度穩定性好、結構緊湊、具有良好空間穩定性的在纖式生物分子檢測提供了可能。

技術實現要素：

本發明的目的在于克服已有生物分子檢測技術的不足，提出一種結構簡單、設計靈活、易于實現、體積小、靈敏度高、精度高、且能對生物分子在纖檢測的系統。

本發明技術方案為，一種基于光子晶體光纖的生物分子在纖檢測系統，包括光源單元、傳感單元、流體填充單元、光探測單元、光纖鏈路和填充鏈路，所述的光源單元為寬譜光源；所述的傳感單元包括錐形光纖和光子晶體光纖；所述的流體填充單元包括注射泵和樣品池；所述的光電探測單元為光譜分析儀；所述的光纖鏈路包括輸入光纖、光纖環形器和輸出光纖；所述的填充鏈路包括聚四氟乙烯管a和聚四氟乙烯管b以及連接套管a和連接套管b；其中，錐形光纖的錐區尖端與光子晶體光纖垂直接觸，實現與光子晶體光纖發生強近場耦合的作用，錐形光纖的另一端與光纖環形器一端連接；光纖環形器的另外兩端分別與寬譜光源和光譜分析儀連接；注射泵通過聚四氟乙烯管b、連接套管b與光子晶體光纖的一端連接；樣品池通過聚四氟乙烯管a、連接套管a與光子晶體光纖的另一端連接，來實現生物分子溶液樣品填充；光子晶體光纖的空氣孔內壁上固定與生物分子進行特異性結合的敏感分子。

進一步地，所述的錐形光纖是通過將單模光纖均勻的拉細而成，其錐區尖端直徑范圍為1～4μm，錐區長度范圍為5～17mm。

進一步地，所述的光子晶體光纖的總長度為1～2cm，其橫截面存在按周期性排列的空氣孔，且沿光纖軸向保持結構不變，該空氣孔結構作為生物分子溶液樣品進出光子晶體光纖的通道。

進一步地，所述的輸入光纖和輸出光纖皆為單模光纖。

上述方案中，所述的寬譜光源輸出的光經過輸入光纖和光纖環形器送至錐形光纖，由于光子晶體光纖與錐形光纖的錐區垂直接觸，此時的光子晶體光纖相當于一個諧振腔，所以錐區中的光會通過近場耦合方式耦合進光子晶體光纖中，而滿足相位匹配條件的光將會被限制在光子晶體光纖中傳播，滿足相位匹配條件的光所對應的波長稱為諧振波長，不滿足相位匹配條件的光將會被重新耦合進錐形光纖中并反射回光纖環形器中，再通過輸出光纖輸送給光譜分析儀作為測量信號，此外，錐形光纖與光子晶體光纖組成的耦合系統屬于反射型。

從上述技術方案可以看出，本發明具有以下有益效果：

1)本發明提出的這種基于光子晶體光纖的生物分子在纖檢測系統，將空氣孔內壁上固定了能與生物分子進行特異性結合的敏感分子的光子晶體光纖作為生物分子溶液樣品傳輸通道，利用其橫截面固有的空氣孔讓生物分子溶液樣品進出光子晶體光纖可以實現結構緊湊、樣品用量少和空間穩定性好的在纖式生物分子檢測，同時也減小了檢測系統體積。

2)光子晶體光纖的極好的溫度穩定性和光局域能力，提高了檢測的穩定性和準確性。

3)通過錐形光纖與光子晶體光纖發生近場耦合，可將部分光限制在光子晶體光纖中傳播，有效的將光能量限制在非常小的體積中，從而導致高功率密度和高品質因子，可以實現高靈敏度、高精度檢測。

4)反射型耦合系統提高了傳感結構的魯棒性。

附圖說明

圖1為本發明提供的基于光子晶體光纖的生物分子在纖檢測系統示意圖；

圖2為本發明提供的光子晶體光纖橫截面結構圖；

圖中：1寬譜光源；2輸入光纖；3光纖環形器；4錐形光纖；5樣品池；6聚四氟乙烯管a；7連接套管a；8光子晶體光纖；9連接套管b；10聚四氟乙烯管b；11注射泵；12輸出光纖；13光譜分析儀。

具體實施方式

為使本發明的目的、技術方案和優點更加清楚明白，以下結合具體實施例，并參照附圖，對本發明的具體結構、原理以及實驗過程作進一步的詳細說明。

本發明提出一種基于光子晶體光纖的生物分子在纖檢測系統，如圖1所示為本發明提供的基于光子晶體光纖的生物分子在纖檢測系統示意圖。寬譜光源1輸出的光經過輸入光纖2和光纖環形器3送至錐形光纖4，錐形光纖的錐區長度為15mm，其尖端直徑為3.61μm，由于錐形光纖的錐區直徑足夠細，所以錐區會產生強烈的倏逝場，而長度為1.3cm的光子晶體光纖8與錐形光纖的錐區垂直接觸，此時的光子晶體光纖相當于一個諧振腔，所以錐區中的光會通過近場耦合方式耦合進光子晶體光纖中，且倏逝場越強，耦合效率越高，若耦合進光子晶體光纖中的光滿足相位匹配條件則會被限制在光子晶體光纖中傳播，傳播方向為沿著光子晶體光纖的包層內壁，滿足相位匹配條件的光所對應的波長稱為諧振波長，不滿足相位匹配條件的光將會被重新耦合進錐形光纖中并反射回光纖環形器中，再通過輸出光纖12輸送給光譜分析儀作為測量信號，并在光譜分析儀13上顯示輸出光譜，由于部分光被限制在光子晶體光纖的包層內壁中，所以輸出光譜圖中的諧振波長處會產生波谷。

如圖2所示為光子晶體光纖橫截面結構圖，光子晶體光纖橫截面中的空氣孔用1標記。在空氣孔內壁上固定了能與目標生物分子進行特異性結合的敏感分子，其作用是捕獲生物分子溶液樣品中需檢測出的目標生物分子。在進行生物分子檢測實驗時，通過流體填充單元將生物分子溶液樣品連續注入到光子晶體光纖的空氣孔中，當生物分子溶液樣品中含有目標生物分子時，目標生物分子將會被固定在空氣孔內壁上的敏感分子所捕獲，大量的目標分子被固定在空氣孔內壁上，空氣孔內壁表面的有效折射率將會發生改變，就會導致相位匹配條件發生改變，從而使諧振波長發生漂移，通過觀察諧振波長漂移量的大小可以實現對生物分子的識別探測，以確定生物分子溶液樣品中是否含有目標生物分子。