生化物质传感方法和生物传感器光学传感结构技术

生化物质传感方法，涉及光学技术领域，本发明专利技术将带有荧光体标记的特定抗体和待测物质置于反共振平面光波导内，并以激光照射，通过分析荧光信号判断待测物质中是否含有与特定抗体匹配的抗原。本发明专利技术的有益效果是，１）波导内的导波光场比波导外的消逝场强的多，激发产生的荧光强度因而也提高了十倍以上。２）避免了耦合损耗。３）本发明专利技术可以有十数个狭槽波导通道，实现快速多通道同时检测。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及光学
，特别涉及生化传感器技术。
技术介绍
20世纪70年代以来，生物医学工程迅猛发展，作为检测生物体内化学成分的各种生物传感器不断出现。20世纪60年代中期起首先利用酶的催化作用和它的催化专一性开发了酶传感器，并达到实用阶段；70年代又研制出微生物传感器、免疫传感器等；80年代以来，生物传感器的概念得到公认，作为传感器的一个分支它从化学传感器中独立出来，并且得到了发展，使生物工程与半导体技术相结合，进入了生物电子学传感器时代。当前，将生物工程技术与电子技术结合起来，利用生物中的奇特功能，制造出类似于生物传感器官功能的各种传感器，是国内外传感器技术研究的又一个新的研究课题，是传感器技术的新发展，具有很重要的现实意义。最早报道的生物化学传感器是在70年代和80年代初期，从那以后，生物化学传感器成了生化酶基及亲和力传感器(包括抗体，抗原和核酸检测)的主要发展方向，而且还不断引入了各种类型的光学技术和系统如光反射技术，表面等离子体(SPR)技术，倏逝波技术和集成光学以及基于光纤的光谱学技术和荧光测定法。在所有的这类传感器中，捕获生物活性材料的主变换器通常是某种形式的光纤或平面衬底，这层平面衬底通常都是波导层。对生物体内肉眼无法观察到的生化活性物质以及药物的分布和代谢等进行动态连续监测，一直是医学家、药理学家和生理学家研究的目标。80年代初Peterson等首先报告了用于测定生物体液pH的光纤化学传感器(fiber optic chemical sensor，FOCS)，开创了这一由光纤、光谱和计算机技术相互交叉渗透而形成的传感新技术的先河；随着技术的进步，光纤生物传感器也得到迅猛发展。近年来国内外仍不时有有关的文献报导，美国Analytical Chemistry期刊每二年都有专门对Optical Sensors的综合评述，分别对各国最近在光学化学传感器和生化传感器各方面的研究和应用进展进行介绍，包括general reviews、fabrication、liquid sensors、biosensors、gassenors以及其他方面的综述。光波导具有结构简单，体积小，耐腐蚀，电绝缘性好，便于集成等特点。光波导对诸如折射率、吸收以及放光过程例如化学发光或荧光的变化敏感。这些变化对波导中传输的光起到了调制的作用，可利用光波导的这些特性制成各类传感器。其中光波导生物传感器是将光波导技术与生物工程技术相结合，它可以在生物医学领域中发挥重要作用最早的平面波导传感器的应用是在1983年，苏黎世的瑞士联邦工学院的光学实验室采用仅100-150nm厚的高折射率的SiO2-TiO2的平面波导，利用其对相对湿度的敏感性现象专利技术了一种新的集成光学传感器。它利用了光波导的导波特性，尤其是高折射率平面波导的正交极化TE0和TM0模式。在波导表面覆上一层有化学选择性的薄层用来吸附气体或液体样品中的待分析分子。薄层吸附待测分子使接近波导表面的倏逝场渗透深度范围内的环境折射率发生了改变，这种效应同时也影响了导波模式的有效折射率nTE和nTM。国外光学生物传感器的研究非常活跃，发表的文章很多。例如依靠吸附生物介质或化学物质造成折射率的变化而制成的比色谐振式生物传感器；表面等离子体谐振(SPR)传感器从全反射角的变化来测量生物物质亲和力；用M-Z干涉器结构来测量因传感臂表面吸附生物物质造成光波相位的变化，从而使输出光强发生变化；也有采用M～Z干涉器结构，参考臂和传感臂传输的是偏振方向不同的导波光，而形成偏振干涉器输出光强用45°检偏器投射到光电探测器上。波导传感器实质就是利用了倏逝波增强技术原理，即波导层在特定条件下的倏逝波增强。在波导共振状态时，倏逝波场强最强，而满足平面波导谐振条件较为苛刻。光束入射角的微小变化、环境折射率的微小变化等都会明显影响近场光强和反射光强。利用这些敏感性，可以制成多种传感器。平面波导共振技术近年来被越来越广泛地应用于化学、生物反应的检测和研究。由于对由高分子如蛋白质等的联接引起的表面折射率的变化非常敏感，可将特制的生物敏感膜固定在波导表面，将它制成免疫传感器。利用生物敏感膜的特异性，这种生化传感器能够探测多种生物分子(如抗原、抗体等)间的反应。光波导生物传感器操作不容易，很多工作仅停留在实验现象的观察上，不容易转换为实用化的仪器。目前用于反恐、环保、水质、食物监测的唯一商品化的生物传感器系统是由美国海军研究室与Research International公司研制的小型便携式四通道荧光免疫探测器，商品名称为RAPTOR。这为第三代产品，前两代为Fast2000，Analyte2000。该系统是将电子学、流体力学、光学与控制软件集成为一体的高度自动化的检测设备，用于毒素、爆炸物、化学污染的现场监测。全机尺寸仅为18.6×27.4×17.3cm，不包括电池时的重量为5.6公斤，正常功耗为7.2W。表1是美国研制的第三代生物传感器RAPTOR达到的技术指标。国内一些高校也进行了生物传感器的研究，并取得一些进展。复旦大学进行了离子敏感场效应晶体管生物传感器的研究。浙江大学研究了光寻址电位传感原理的单细胞传感器。武汉科技大学和哈尔滨理工大学报道了酶生物传感器的研究成果。国防科技大学研究了光纤束荧光光纤消逝波生物传感器，该传感器采用多根光纤耦合，探测消逝波激发的荧光，类似于国外第一代传感器的结构，使用会受到种种限制。我们提出的生物传感器完全具有自主的知识产权，不同于国内外同类传感器的结构。具有传感器作用面积大，检测时间短、灵敏度高、准确率高、可实现快速多通道同时检测等优点。表1RAPTOR的技术指标
技术实现思路
本专利技术所要解决的技术问题是，提供一种较现有技术有更高灵敏度的生化物质传感方法和传感器结构。本专利技术解决所述技术问题采用的技术方案是，生化物质传感方法，将带有荧光体标记的特定抗体和待测物质置于反共振平面光波导内，并以激光照射，通过分析荧光信号判断待测物质中是否含有与特定抗体匹配的抗原。所述荧光信号为逆向信号光。本专利技术还提供一种生化传感器光学传感结构，包括反共振平面光波导；激光耦合单元，用于将激光耦合入反共振平面光波导；信号光采集单元，用于采集从反共振平面光波导内反馈回来的荧光信号。所述信号光采集单元还包括一个双色滤光片。所述反共振平面光波导远端黑化；所述信号光采集单元包括非球面透镜和第一光学单元；反共振平面光波导、第一光学单元和非球面透镜为同轴排列。进一步的说，激光通过45°镜面切口反射耦合到光波导，或者激光通过旁路耦合到光波导。所述反共振平面光波导内表面驻留有特定抗体。本文所述的逆向信号光是指被激光所激发产生的、在波导内传输方向与激光相反的荧光信号。本专利技术的有益效果是1)激励荧光体的是波导中传输的导波光场而不是波导表面微弱得多的消逝场。波导内的导波光场比波导外的消逝场强的多，激发产生的荧光强度因而也提高了十倍以上。2)荧光产生在波导内部而不是产生在波导外部，避免了耦合损耗。3)本专利技术可以有十数个狭槽波导通道。每个狭槽经不同的活化处理，可在表面上驻留一层不同的抗体，因此一次检测可确定或排除多种抗原因子，可实现快速多通道同时检测。以下结合具体实施方式和附图对本专利技术作进一步的说本文档来自技高网...

【技术保护点】
生化物质传感方法，其特征在于，将带有荧光体标记的特定抗体和待测物质置于反共振平面光波导（４）内，并以激光照射，通过分析荧光信号判断待测物质中是否含有与特定抗体匹配的抗原。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：李坚，谢康，姜海明，谢明，杨华军，
申请(专利权)人：李坚，
类型：发明
国别省市：90[中国|成都]