專利名稱：生化物質(zhì)傳感方法和生物傳感器光學(xué)傳感結(jié)構(gòu)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及光學(xué)技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及生化傳感器技術(shù)。
背景技術(shù)：
20世紀(jì)70年代以來(lái)，生物醫(yī)學(xué)工程迅猛發(fā)展，作為檢測(cè)生物體內(nèi)化學(xué)成分的各種生物傳感器不斷出現(xiàn)。20世紀(jì)60年代中期起首先利用酶的催化作用和它的催化專一性開(kāi)發(fā)了酶?jìng)鞲衅鳎⑦_(dá)到實(shí)用階段；70年代又研制出微生物傳感器、免疫傳感器等；80年代以來(lái)，生物傳感器的概念得到公認(rèn)，作為傳感器的一個(gè)分支它從化學(xué)傳感器中獨(dú)立出來(lái)，并且得到了發(fā)展，使生物工程與半導(dǎo)體技術(shù)相結(jié)合，進(jìn)入了生物電子學(xué)傳感器時(shí)代。當(dāng)前，將生物工程技術(shù)與電子技術(shù)結(jié)合起來(lái)，利用生物中的奇特功能，制造出類似于生物傳感器官功能的各種傳感器，是國(guó)內(nèi)外傳感器技術(shù)研究的又一個(gè)新的研究課題，是傳感器技術(shù)的新發(fā)展，具有很重要的現(xiàn)實(shí)意義。
最早報(bào)道的生物化學(xué)傳感器是在70年代和80年代初期，從那以后，生物化學(xué)傳感器成了生化酶基及親和力傳感器(包括抗體，抗原和核酸檢測(cè))的主要發(fā)展方向，而且還不斷引入了各種類型的光學(xué)技術(shù)和系統(tǒng)如光反射技術(shù)，表面等離子體(SPR)技術(shù)，倏逝波技術(shù)和集成光學(xué)以及基于光纖的光譜學(xué)技術(shù)和熒光測(cè)定法。在所有的這類傳感器中，捕獲生物活性材料的主變換器通常是某種形式的光纖或平面襯底，這層平面襯底通常都是波導(dǎo)層。
對(duì)生物體內(nèi)肉眼無(wú)法觀察到的生化活性物質(zhì)以及藥物的分布和代謝等進(jìn)行動(dòng)態(tài)連續(xù)監(jiān)測(cè)，一直是醫(yī)學(xué)家、藥理學(xué)家和生理學(xué)家研究的目標(biāo)。80年代初Peterson等首先報(bào)告了用于測(cè)定生物體液pH的光纖化學(xué)傳感器(fiber optic chemical sensor，F(xiàn)OCS)，開(kāi)創(chuàng)了這一由光纖、光譜和計(jì)算機(jī)技術(shù)相互交叉滲透而形成的傳感新技術(shù)的先河；隨著技術(shù)的進(jìn)步，光纖生物傳感器也得到迅猛發(fā)展。近年來(lái)國(guó)內(nèi)外仍不時(shí)有有關(guān)的文獻(xiàn)報(bào)導(dǎo)，美國(guó)Analytical Chemistry期刊每二年都有專門(mén)對(duì)Optical Sensors的綜合評(píng)述，分別對(duì)各國(guó)最近在光學(xué)化學(xué)傳感器和生化傳感器各方面的研究和應(yīng)用進(jìn)展進(jìn)行介紹，包括general reviews、fabrication、liquid sensors、biosensors、gassenors以及其他方面的綜述。
光波導(dǎo)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，體積小，耐腐蝕，電絕緣性好，便于集成等特點(diǎn)。光波導(dǎo)對(duì)諸如折射率、吸收以及放光過(guò)程例如化學(xué)發(fā)光或熒光的變化敏感。這些變化對(duì)波導(dǎo)中傳輸?shù)墓馄鸬搅苏{(diào)制的作用，可利用光波導(dǎo)的這些特性制成各類傳感器。其中光波導(dǎo)生物傳感器是將光波導(dǎo)技術(shù)與生物工程技術(shù)相結(jié)合，它可以在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域中發(fā)揮重要作用最早的平面波導(dǎo)傳感器的應(yīng)用是在1983年，蘇黎世的瑞士聯(lián)邦工學(xué)院的光學(xué)實(shí)驗(yàn)室采用僅100-150nm厚的高折射率的SiO2-TiO2的平面波導(dǎo)，利用其對(duì)相對(duì)濕度的敏感性現(xiàn)象發(fā)明了一種新的集成光學(xué)傳感器。它利用了光波導(dǎo)的導(dǎo)波特性，尤其是高折射率平面波導(dǎo)的正交極化TE0和TM0模式。在波導(dǎo)表面覆上一層有化學(xué)選擇性的薄層用來(lái)吸附氣體或液體樣品中的待分析分子。薄層吸附待測(cè)分子使接近波導(dǎo)表面的倏逝場(chǎng)滲透深度范圍內(nèi)的環(huán)境折射率發(fā)生了改變，這種效應(yīng)同時(shí)也影響了導(dǎo)波模式的有效折射率nTE和nTM。
國(guó)外光學(xué)生物傳感器的研究非常活躍，發(fā)表的文章很多。例如依靠吸附生物介質(zhì)或化學(xué)物質(zhì)造成折射率的變化而制成的比色諧振式生物傳感器；表面等離子體諧振(SPR)傳感器從全反射角的變化來(lái)測(cè)量生物物質(zhì)親和力；用M-Z干涉器結(jié)構(gòu)來(lái)測(cè)量因傳感臂表面吸附生物物質(zhì)造成光波相位的變化，從而使輸出光強(qiáng)發(fā)生變化；也有采用M～Z干涉器結(jié)構(gòu)，參考臂和傳感臂傳輸?shù)氖瞧穹较虿煌膶?dǎo)波光，而形成偏振干涉器輸出光強(qiáng)用45°檢偏器投射到光電探測(cè)器上。
波導(dǎo)傳感器實(shí)質(zhì)就是利用了倏逝波增強(qiáng)技術(shù)原理，即波導(dǎo)層在特定條件下的倏逝波增強(qiáng)。在波導(dǎo)共振狀態(tài)時(shí)，倏逝波場(chǎng)強(qiáng)最強(qiáng)，而滿足平面波導(dǎo)諧振條件較為苛刻。光束入射角的微小變化、環(huán)境折射率的微小變化等都會(huì)明顯影響近場(chǎng)光強(qiáng)和反射光強(qiáng)。利用這些敏感性，可以制成多種傳感器。平面波導(dǎo)共振技術(shù)近年來(lái)被越來(lái)越廣泛地應(yīng)用于化學(xué)、生物反應(yīng)的檢測(cè)和研究。由于對(duì)由高分子如蛋白質(zhì)等的聯(lián)接引起的表面折射率的變化非常敏感，可將特制的生物敏感膜固定在波導(dǎo)表面，將它制成免疫傳感器。利用生物敏感膜的特異性，這種生化傳感器能夠探測(cè)多種生物分子(如抗原、抗體等)間的反應(yīng)。
光波導(dǎo)生物傳感器操作不容易，很多工作僅停留在實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的觀察上，不容易轉(zhuǎn)換為實(shí)用化的儀器。目前用于反恐、環(huán)保、水質(zhì)、食物監(jiān)測(cè)的唯一商品化的生物傳感器系統(tǒng)是由美國(guó)海軍研究室與Research International公司研制的小型便攜式四通道熒光免疫探測(cè)器，商品名稱為RAPTOR。這為第三代產(chǎn)品，前兩代為Fast2000，Analyte2000。該系統(tǒng)是將電子學(xué)、流體力學(xué)、光學(xué)與控制軟件集成為一體的高度自動(dòng)化的檢測(cè)設(shè)備，用于毒素、爆炸物、化學(xué)污染的現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)。全機(jī)尺寸僅為18.6×27.4×17.3cm，不包括電池時(shí)的重量為5.6公斤，正常功耗為7.2W。表1是美國(guó)研制的第三代生物傳感器RAPTOR達(dá)到的技術(shù)指標(biāo)。
國(guó)內(nèi)一些高校也進(jìn)行了生物傳感器的研究，并取得一些進(jìn)展。復(fù)旦大學(xué)進(jìn)行了離子敏感場(chǎng)效應(yīng)晶體管生物傳感器的研究。浙江大學(xué)研究了光尋址電位傳感原理的單細(xì)胞傳感器。武漢科技大學(xué)和哈爾濱理工大學(xué)報(bào)道了酶生物傳感器的研究成果。國(guó)防科技大學(xué)研究了光纖束熒光光纖消逝波生物傳感器，該傳感器采用多根光纖耦合，探測(cè)消逝波激發(fā)的熒光，類似于國(guó)外第一代傳感器的結(jié)構(gòu)，使用會(huì)受到種種限制。我們提出的生物傳感器完全具有自主的知識(shí)產(chǎn)權(quán)，不同于國(guó)內(nèi)外同類傳感器的結(jié)構(gòu)。具有傳感器作用面積大，檢測(cè)時(shí)間短、靈敏度高、準(zhǔn)確率高、可實(shí)現(xiàn)快速多通道同時(shí)檢測(cè)等優(yōu)點(diǎn)。
表1RAPTOR的技術(shù)指標(biāo)

發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明所要解決的技術(shù)問(wèn)題是，提供一種較現(xiàn)有技術(shù)有更高靈敏度的生化物質(zhì)傳感方法和傳感器結(jié)構(gòu)。
本發(fā)明解決所述技術(shù)問(wèn)題采用的技術(shù)方案是，生化物質(zhì)傳感方法，將帶有熒光體標(biāo)記的特定抗體和待測(cè)物質(zhì)置于反共振平面光波導(dǎo)內(nèi)，并以激光照射，通過(guò)分析熒光信號(hào)判斷待測(cè)物質(zhì)中是否含有與特定抗體匹配的抗原。
所述熒光信號(hào)為逆向信號(hào)光。
本發(fā)明還提供一種生化傳感器光學(xué)傳感結(jié)構(gòu)，包括反共振平面光波導(dǎo)；激光耦合單元，用于將激光耦合入反共振平面光波導(dǎo)；信號(hào)光采集單元，用于采集從反共振平面光波導(dǎo)內(nèi)反饋回來(lái)的熒光信號(hào)。
所述信號(hào)光采集單元還包括一個(gè)雙色濾光片。所述反共振平面光波導(dǎo)遠(yuǎn)端黑化；所述信號(hào)光采集單元包括非球面透鏡和第一光學(xué)單元；反共振平面光波導(dǎo)、第一光學(xué)單元和非球面透鏡為同軸排列。
進(jìn)一步的說(shuō)，激光通過(guò)45°鏡面切口反射耦合到光波導(dǎo)，或者激光通過(guò)旁路耦合到光波導(dǎo)。
所述反共振平面光波導(dǎo)內(nèi)表面駐留有特定抗體。
本文所述的逆向信號(hào)光是指被激光所激發(fā)產(chǎn)生的、在波導(dǎo)內(nèi)傳輸方向與激光相反的熒光信號(hào)。
本發(fā)明的有益效果是1)激勵(lì)熒光體的是波導(dǎo)中傳輸?shù)膶?dǎo)波光場(chǎng)而不是波導(dǎo)表面微弱得多的消逝場(chǎng)。波導(dǎo)內(nèi)的導(dǎo)波光場(chǎng)比波導(dǎo)外的消逝場(chǎng)強(qiáng)的多，激發(fā)產(chǎn)生的熒光強(qiáng)度因而也提高了十倍以上。
2)熒光產(chǎn)生在波導(dǎo)內(nèi)部而不是產(chǎn)生在波導(dǎo)外部，避免了耦合損耗。
3)本發(fā)明可以有十?dāng)?shù)個(gè)狹槽波導(dǎo)通道。每個(gè)狹槽經(jīng)不同的活化處理，可在表面上駐留一層不同的抗體，因此一次檢測(cè)可確定或排除多種抗原因子，可實(shí)現(xiàn)快速多通道同時(shí)檢測(cè)。
以下結(jié)合具體實(shí)施方式
和附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的說(shuō)明。


圖1-2是本發(fā)明實(shí)施例1的結(jié)構(gòu)示意圖。
圖3是本發(fā)明實(shí)施例2的結(jié)構(gòu)示意圖。
圖4是本發(fā)明波導(dǎo)率示意圖。其中，5為襯底材料，6為高折射率層，7為低折射率層，8為待測(cè)物質(zhì)溶液，9為激光傳輸方向，10為熒光傳輸方向。
具體實(shí)施例方式
本發(fā)明的生化物質(zhì)傳感方法將帶有熒光體標(biāo)記的特定抗體和待測(cè)物質(zhì)置于反共振平面光波導(dǎo)內(nèi)，并以激光照射，通過(guò)分析熒光信號(hào)判斷待測(cè)物質(zhì)中是否含有與特定抗體匹配的抗原。所述熒光信號(hào)為逆向信號(hào)光。
本發(fā)明的生化傳感器光學(xué)傳感結(jié)構(gòu)，參見(jiàn)圖1，包括反共振平面光波導(dǎo)4；激光耦合單元，用于將激光耦合入反共振平面光波導(dǎo)；
信號(hào)光采集單元，用于采集從反共振平面光波導(dǎo)內(nèi)反饋回來(lái)的熒光信號(hào)。信號(hào)光采集單元由第一光學(xué)單元3、非球面鏡1和濾光片2構(gòu)成。第一光學(xué)單元和非球面鏡的作用在于匯聚波導(dǎo)內(nèi)的熒光信號(hào)，濾光片提高信噪比。采用非球面鏡(柱面鏡)是因?yàn)楸緦?shí)施方式只需考慮匯聚垂直方向的信號(hào)光。
實(shí)施例1，參見(jiàn)圖1-2。本發(fā)明的傳感工作區(qū)波導(dǎo)4厚度約為30μm，垂直方向上波導(dǎo)的寬度足夠大以至每個(gè)狹槽可考慮成一個(gè)反共振平面波導(dǎo)。傳感頭后方中間為一錐形微透鏡集光區(qū)，使入射光以適當(dāng)?shù)慕嵌冗M(jìn)傳感區(qū)波導(dǎo)，第三部分為非球面微透鏡1，用于收集從傳感波導(dǎo)輸出的熒光信號(hào)。其工作原理如下用激光二極管作光源，使用自聚焦微透鏡，將激光束耦合入反共振平面波導(dǎo)中。45°切口鍍上反射鏡面，使得在模注波導(dǎo)的軸線上形成一個(gè)點(diǎn)光源。這種以與軸線成90°的方式注入激光束，使得入射光與從波導(dǎo)返回的熒光信號(hào)互不相干。
傳感區(qū)的平板表面預(yù)先經(jīng)活化處理，在表面上駐留一層特定的抗體(AB)。當(dāng)被測(cè)樣品流經(jīng)已駐留了特定抗體的平板表面時(shí)，樣品中的抗原體(Ag)將與相應(yīng)的抗體結(jié)合。這種抗體/抗原的結(jié)合具有非常強(qiáng)的選擇性，一一對(duì)應(yīng)。如果待測(cè)樣品中不含與抗體對(duì)應(yīng)的抗原，平板表面駐留的抗體不會(huì)與其他抗原(或毒素，化學(xué)污染物)結(jié)合。與試樣中的抗原結(jié)合之后，在平板表面形成了抗體(AB)/抗原(Ag)雙層結(jié)構(gòu)，這時(shí)加入試劑(即是帶有熒光體標(biāo)記的特定抗體)。試劑中的抗體又與平板表面的抗原結(jié)合，最終在平板表面形成抗體/抗原/熒光體這樣一個(gè)夾層結(jié)構(gòu)。當(dāng)平板閉合形成反共振平面波導(dǎo)時(shí)，待測(cè)物質(zhì)產(chǎn)生的抗體/抗原/熒光體夾層結(jié)構(gòu)將出現(xiàn)在波導(dǎo)內(nèi)部，因此受到在波導(dǎo)中傳輸?shù)募す獾某浞终丈?，激?lì)波導(dǎo)內(nèi)表面夾層結(jié)構(gòu)中的熒光體。熒光體發(fā)出波長(zhǎng)比激發(fā)光波長(zhǎng)更長(zhǎng)的熒光，在波導(dǎo)中反向傳輸?shù)牟糠钟晒怆娞綔y(cè)器探測(cè)。如圖2。出現(xiàn)熒光訊號(hào)表示被測(cè)試樣中存在目標(biāo)抗原。波導(dǎo)的遠(yuǎn)端黑化，使激發(fā)光不被反射到光電探測(cè)器。這種探測(cè)技術(shù)中采用了波導(dǎo)遠(yuǎn)端黑化，安排激光光束與信號(hào)光束逆向傳輸，并插入雙色濾光片2均是為了提高信噪比。這對(duì)弱信號(hào)檢測(cè)非常重要。
如果激光與信號(hào)光在波導(dǎo)內(nèi)同向傳輸，信噪比將會(huì)比較低，但如果輔以外部組件以提高信噪比，也能實(shí)現(xiàn)與本實(shí)施例近似的效果。
實(shí)施例2本實(shí)施例與實(shí)施例1的區(qū)別在于，激光以旁路耦合進(jìn)入波導(dǎo)，如圖3。
本發(fā)明的待測(cè)物質(zhì)溶液與高低相間的光學(xué)材料共同組成ARR0W波導(dǎo)，如圖4。
權(quán)利要求
1.生化物質(zhì)傳感方法，其特征在于，將帶有熒光體標(biāo)記的特定抗體和待測(cè)物質(zhì)置于反共振平面光波導(dǎo)(4)內(nèi)，并以激光照射，通過(guò)分析熒光信號(hào)判斷待測(cè)物質(zhì)中是否含有與特定抗體匹配的抗原。
2.如權(quán)利要求1所述的生化物質(zhì)傳感方法，其特征在于，所述熒光信號(hào)為逆向信號(hào)光。
3.生化傳感器光學(xué)傳感結(jié)構(gòu)，包括反共振平面光波導(dǎo)(4)；激光耦合單元，用于將激光耦合入反共振平面光波導(dǎo)(4)；信號(hào)光采集單元，用于采集從反共振平面光波導(dǎo)(4)內(nèi)反饋回來(lái)的熒光信號(hào)。
4.如權(quán)利要求3所述的生物傳感器光學(xué)傳感結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述熒光信號(hào)為逆向信號(hào)光。
5.如權(quán)利要求3所述的生物傳感器光學(xué)傳感結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述信號(hào)光采集單元還包括一個(gè)雙色濾光片(2)。
6.如權(quán)利要求3所述的生物傳感器光學(xué)傳感結(jié)構(gòu)，其特征在于所述反共振平面光波導(dǎo)(4)遠(yuǎn)端黑化；所述信號(hào)光采集單元包括非球面透鏡和第一光學(xué)單元(3)；反共振平面光波導(dǎo)(4)、第一光學(xué)單元(3)和非球面透鏡(1)為同軸排列。
7.如權(quán)利要求6所述的生物傳感器光學(xué)傳感結(jié)構(gòu)，其特征在于激光通過(guò)45°鏡面切口反射耦合到光波導(dǎo)。
8.如權(quán)利要求6所述的生物傳感器光學(xué)傳感結(jié)構(gòu)，其特征在于激光通過(guò)旁路耦合到光波導(dǎo)。
9.如權(quán)利要求3所述的生物傳感器光學(xué)傳感結(jié)構(gòu)，其特征在于所述反共振平面光波導(dǎo)(4)內(nèi)表面駐留有特定抗體。
全文摘要
生化物質(zhì)傳感方法，涉及光學(xué)技術(shù)領(lǐng)域，本發(fā)明將帶有熒光體標(biāo)記的特定抗體和待測(cè)物質(zhì)置于反共振平面光波導(dǎo)內(nèi)，并以激光照射，通過(guò)分析熒光信號(hào)判斷待測(cè)物質(zhì)中是否含有與特定抗體匹配的抗原。本發(fā)明的有益效果是，1)波導(dǎo)內(nèi)的導(dǎo)波光場(chǎng)比波導(dǎo)外的消逝場(chǎng)強(qiáng)的多，激發(fā)產(chǎn)生的熒光強(qiáng)度因而也提高了十倍以上。2)避免了耦合損耗。3)本發(fā)明可以有十?dāng)?shù)個(gè)狹槽波導(dǎo)通道，實(shí)現(xiàn)快速多通道同時(shí)檢測(cè)。
文檔編號(hào)G01N33/53GK101017142SQ20071004827
公開(kāi)日2007年8月15日 申請(qǐng)日期2007年1月16日 優(yōu)先權(quán)日2007年1月16日
發(fā)明者李堅(jiān), 謝康, 姜海明, 謝明, 楊華軍 申請(qǐng)人:李堅(jiān)