用于检测DNA杂交的可重复使用的长周期微光纤光栅制造技术

本发明专利技术公开了一种无标记、可重复使用的高灵敏度的病毒光纤传感器。无标记、高灵敏度以及可重用性是这种传感器的优势。长周期微光纤光栅(LPMFG)被用于所述传感装置。它允许以超高的灵敏度光学检测所述光栅表面处的折射率变化。这提供了一种监测DNA杂交的光学检测方法。单链DNA(ssDNA)探针被固定到所述LPMFG的表面上，用于与DNA样品杂交以对所述样品中的病毒株进行鉴定。这种基于LPMFG的病毒传感器通过靶病毒ssDNA与固定探针ssDNA之间的生物分子结合来引起所述光栅表面上的折射率变化而起作用。在没有显著的杂交活性损失的情况下使表面固定的探针再生保持了至少10次连续的测定而没有任何显著的性能损失(少于10％的降低)。

【技术实现步骤摘要】
相关申请的交叉引用本申请要求美国临时专利申请序列号61/997,620的优先权，该美国临时专利申请在2014年6月6日提交并且它的公开内容以引用的方式整体并入本文。
本专利技术涉及一种对用于检测脱氧核糖核酸杂交、具有提高的灵敏度的无标记、可重复使用的长周期微光纤光栅生物传感装置、其制造方法以及其用途。
技术介绍
生物传感器具有广泛的应用，包括用于医疗诊断的生物标志物检测、以及食品和水中的病原体和毒素检测。一般生物传感器使用荧光免疫测定来检测分析物，然而，这种方法的缺点在于需要对抗原或靶DNA进行荧光标记。这需要额外的试剂并且可能干扰正常的生物过程。此外，这种方法成本高、复杂、并且不可能实时检测。为了克服这些缺点，已经应用了许多方法来研发无标记的检测生物传感器。具体来说，得到很多关注的是光纤生物传感器，其中源于光纤的装置使用光场来测量生物物质，如细胞、蛋白质以及DNA。不同于它们对应的一般生物传感器，光纤生物传感器利用无标记的检测。由于它们的效率、电势灵敏度、检测速度以及小体积、对分析物的可变的和多重的检测，光纤生物传感器正越来越多地被应用于工业过程和环境监测、食品加工以及临床应用中。许多光纤生物传感器是基于表面等离子体共振(SPR)现象。然而，在SPR生物传感器的情况下，生物传感器的SPR特性取决于金属、它的厚度以及生物分子。因此，需要仔细地设计并且制造SPR生物传感器，这会造成成本升高。为了克服这些缺点，已经设计出基于光纤光栅的生物传感器。特别地，设计出具有在共振波长下协助模式耦合的长周期光栅(LPG)的折射率的生物传感器，所述折射率对光纤外部介质的变化敏感。用于生物传感的LPG传感器的优势包括制造简单以及容易通过简单地调节光栅周期将共振波长很好地调节到光源的光谱内。其以实现检测生物分子(如DNA)的高灵敏度的可调谐性也使得LPG传感器成为灵敏的DNA生物传感器的理想候选者。
技术实现思路
在本专利技术中，提供了一种基于长周期微光纤光栅(LPMFG)的灵敏的DNA生物传感器，所述长周期微光纤光栅被写到包层蚀刻的或锥形的光纤上。LPMFG的包层被显著减少以增强纤芯基模与外部介质之间的相互作用以实现更高的灵敏度。本专利技术的生物传感器使用了LPMFG的耦合模式特性的构思来确定病毒DNA是否附着到生物传感器的表面。LPMFG从纤芯模到包层模来耦合光的能力允许在光栅表面光学检测折射率的变化，从而提供监测生物分子相互作用的光学检测方法。LPMFG病毒传感器通过靶病毒ssDNA与固定探针ssDNA之间的杂交的生物分子相互作用来导致光栅表面上折射率的变化而起作用。根据上述背景，本专利技术的目的在于提供一种微光纤中的无标记、可重复使用的长周期光栅装置及其制造方法，所述长周期光栅装置具有提高的灵敏度，用于检测和感测脱氧核糖核酸杂交。该制造微光纤中的无标记、可重复使用的长周期光栅装置的方法包括使用耦合器制造台(可商购获得的或任何常规的制造台)使单模光纤成为锥形，用氢焰软化并且使平移台对称地移动分开；使所述微光纤的两个单模光纤尾纤与发光二极管(LED)和光谱分析仪连接；使用聚焦脉冲式CO2激光，以小的纵向拉伸应变在微光纤上进行扫描来沿着缩径的光纤(RDF)周期性地产生微锥形；以及重复扫描程序N次以制造具有N-1个周期的长周期光栅。在一个实施方案中，由所述方法制造的长周期光纤光栅具有约45μm的直径、约385μm的栅距、约20个周期以及当被浸泡在具有约1.33的折射率的液体中时约1544.5nm的陷波。在另一个实施方案中，用于检测脱氧核糖核酸杂交的提高的灵敏度是约0.055(每单位摩尔浓度的波长偏移)。在又另一个实施方案中，所述脱氧核糖核酸是病毒脱氧核糖核酸。在又另一个实施方案中，微光纤具有数百纳米至数微米的直径以及长于30mm的有效束腰长度。在又另一个实施方案中，所述聚焦CO2激光包含以下参数：脉冲宽度：2.0μs，重复率：10kHz，以及平均功率：约0.02W。在另一个实施方案中，将扫描程序重复5至26次；所述扫描程序在以下参数下进行：扫描长度：5至10mm；扫描速度：3mm/s；和/或拉速：0.17mm/s。在其它实施方案中，所述长周期光纤光栅具有5至24个周期。在本专利技术的另一个方面，提供了一种使用本专利技术的可重复使用的长周期微光纤光栅装置对脱氧核糖核酸杂交进行无标记检测以及使所述装置再生的方法。所述方法包括提供对于与一种或多种靶DNA杂交具有特异性的脱氧核糖核酸探针；将所述脱氧核糖核酸探针固定在所述装置的光栅表面上以形成活性光栅表面；将所述靶DNA的脱氧核糖核酸样品递送到所述装置的所述活性光栅表面；以超高的灵敏度检测所述光栅表面处的折射率的变化；以及使所述装置的所述活性光栅表面再生。在一个实施方案中，所述脱氧核糖核酸包含病毒脱氧核糖核酸。在另一个实施方案中，重复使用所述可重复使用的长周期微光纤光栅，包括在杂交之后使用分别包含0.5％SDS溶液(pH1.9)、10mMNaOH溶液、以及10mMHCl溶液的混合物使与探针DNA杂交的靶DNA的DNA双链体断裂，以再生所述活性光栅表面。在又另一个实施方案中，所述活性传感器表面在重复所述再生之后保持10次连续测定而没有任何显著的性能损失。在又另一个实施方案中，所述显著的性能损失低于10％的降低。在又另一个实施方案中，将特异性脱氧核糖核酸探针固定在所述光栅表面上进一步包括将传感器表面用3-氨基丙基-三乙氧基甲硅烷(APTS)硅烷化，将所述装置浸入到辛二亚氨酸二甲酯(DMS)的磷酸盐缓冲盐水(PBS)溶液中以形成交联剂，以通过使所述活性光栅表面与含有所述特异性DNA探针的ssDNA的PBS一起孵育来固定所述探针的ssDNA。附图说明图1显示可商购的耦合器制造台。图2显示用于制造微光纤中的LPG的CO2激光系统的示意图。图3显示在微光纤中制造以形成本专利技术的LPMFG的LPG：(a)显示沿着光纤的周期性的微锥形的显微镜图像；(b)显示具有在6.3μm直径的微光纤上制成的两个微锥形的细节的显微镜图像；以及(c)显示具有在6.3μm直径的微光纤上制成的两个微锥形的细节的SEM图像。图4显示具有45μm直径的锥形光纤。图5显示直径为45μm的长周期光栅的光谱。发现折射率灵敏度为922nm/RIU。图6A显示LPGDNA传感器在H5禽流感DN本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种制造微光纤中的无标记、可重复使用的长周期光栅装置的方法，所述长周期光栅装置具有提高的灵敏度，用于检测和感测脱氧核糖核酸杂交，所述方法包括：(a)使用耦合器制造台使单模光纤成为锥形；(b)使用氢焰使(a)中的所述单模光纤软化，并且使平移台对称地移动分开以制造缩径的光纤(RDF)；(c)使(b)中的所述RDF的两个单模光纤尾纤与发光二极管(LED)和光谱分析仪连接；(d)使用聚焦脉冲式CO2激光以小的纵向拉伸应变在所述微光纤上扫描，而沿着所述RDF周期性地产生微锥形；以及(e)将(d)的所述扫描程序重复N次以制造具有N‑1个周期的长周期光栅。

【技术特征摘要】
2014.06.06 US 61/997,620;2015.05.10 US 14/708,2921.一种制造微光纤中的无标记、可重复使用的长周期光栅装置的方
法，所述长周期光栅装置具有提高的灵敏度，用于检测和感测脱氧核糖核
酸杂交，所述方法包括：
(a)使用耦合器制造台使单模光纤成为锥形；
(b)使用氢焰使(a)中的所述单模光纤软化，并且使平移台对称地移动
分开以制造缩径的光纤(RDF)；
(c)使(b)中的所述RDF的两个单模光纤尾纤与发光二极管(LED)和光
谱分析仪连接；
(d)使用聚焦脉冲式CO2激光以小的纵向拉伸应变在所述微光纤上扫
描，而沿着所述RDF周期性地产生微锥形；以及
(e)将(d)的所述扫描程序重复N次以制造具有N-1个周期的长周期光
栅。
2.如权利要求1所述的方法，其中所述长周期光纤光栅具有约45μm
的直径、约385μm的栅距、约20个的周期以及当被浸泡在液体中时约
1544.5nm的陷波。
3.如权利要求2所述的方法，其中所述液体具有约1.33的折射率。
4.如权利要求1所述的方法，其中对于检测脱氧核糖核酸杂交，所述
提高的灵敏度是每摩尔浓度约0.055的波长偏移。
5.如权利要求1所述的方法，其中脱氧核糖核酸包含病毒脱氧核糖核
酸。
6.如权利要求1所述的方法，其中所述微光纤具有数百纳米至数微米
的直径以及长于30mm的有效束腰长度。
7.如权利要求1所述的方法，其中所述CO2激光具有以下参数：脉冲
宽度：2.0μs，重复率：10kHz，以及平均功率：约0.02W。
8.如权利要求1所述的方法，其中N次是6至25次。
9.一种可重复使用的长周期...

【专利技术属性】
技术研发人员：何约礼，宣海锋，胡家乐，石鑫，刘迪浩，李伟文，
申请(专利权)人：纳米及先进材料研发院有限公司，
类型：发明
国别省市：中国香港;81