基于白光反射干涉频谱变化规律的光纤阵列生物芯片制造技术

本实用新型专利技术公开了用于检测某种特殊生物（或化学）物质的存在和变化的一种应用白光反射干涉频谱变化规律的光纤阵列生物芯片。该芯片利用光纤作为生物传感器，光纤的端部首先涂有一层或多层与光纤和待测物质不同的材料，可以作为薄膜反射干涉仪的感知基准，其中至少一层是能吸附待测目标生物（或化学）分子的互补材料。当待测分子吸附到互补材料表面或之中后，将改变反射干涉光的频谱分布。这种谱线偏移即用来定量或定性地分析样本分子的浓度、附着速率、以及几何尺寸的变化。将很多光纤按线阵或面阵排列做成生物芯片，并配以Ｎ∶１的光纤耦合器，便可用一台检测仪实现生化物质的单试剂多指标或多试剂多指标的并行检验。（*该技术在2013年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本技术涉及光电检测
的一种检测装置，更进一步涉及用于检测某种特殊生物(或化学)物质的存在和变化的一种应用白光反射干涉频谱相移法的光纤阵列生物芯片。 二
技术介绍
检测样本中是否存在某种特殊的生物或化学物质，是在生命科学研究、药品开发和医学诊断中经常用到的方法。例如，在免疫检测中，需要检查血浆中是否存在某种特殊的抗体。抗原是一种能够与其互补的抗体发生反应的物质，因此可以用它来检查血浆中其互补抗体是否存在。生物检测可以用扩散法、电泳法、荧光法等方法检测某种抗体是否存在。扩散法一般用于免疫测试。它是一种血清的处理过程，抗体和抗原溶液通过细胞凝胶层互相之间扩散，抗原和与之互补抗体之间的作用表现为两种液体之间的一条沉淀线。电泳法广泛用于多种生物检测。它也是一种样本的处理过程，利用电泳所产生的离子移动将被测成分分离出来，再通过其互补生物体的扩散或标记作用来观察它们。荧光法是一种识别生物反应的过程，某种抗原附着于特殊标记上，被某种波长的光(例如紫外光)照射时产生荧光，由此可以很方便地识别这种抗原。其他的标记还有放射性同位素、电子、磁性和酶标记等。利用光纤技术进行测试的方法，目前主要是光纤荧光和化学发光生物传感器。这种光纤传感器被认为是商品化应用和研究开发中最广泛的一种。有两种类型的光纤生物传感器已被开发夹层生物传感器和位移生物传感器，分别依据不同的作用原理。它们的工作原理如图1a、图1b、图1c、和图1d所示。为了方便起见，我们以抗原抗体的测试为例来说明这两种生物传感器的工作原理。如图1a所示，夹层光纤生物传感器是这样工作的将末端涂有试剂102(如抗原)的光纤100浸入溶液104，来检测溶液104里是否存在与试剂102互补的抗体106。若溶液104中确实存在互补抗体106，该抗体就会和试剂102结合。光纤100要在溶液104中浸足够长的时间，以保证足够长的反应时间，然后用诸如盐水之类洗涤。如图1b所示，标号为112的荧光指示剂被试剂110吸附。将涂有试剂102的光纤100以及结合于其上的抗体106浸入试剂110(如抗原)里，带有标志112的试剂110就会和抗体106相结合。当光源(未画出)照亮光纤100的根部后，延着光纤100传输到它的末端，依次照明试剂102、抗体106，最后照明与抗体106结合的带有荧光标志112的试剂110。试剂110被光照激励，返回一个荧光信号。由上可知，在光纤生物传感器的末端具有试剂102、抗体106、以及带有荧光标志112的试剂110等三层物质，所以被叫做夹层光纤生物传感器。对于夹层光纤生物传感器来说，测试样本里抗体106的浓度越高，就会有更多的带有荧光标志的试剂110与其结合，因此返回的荧光信号越强。如图1c所示，位移光纤生物传感器由光纤100及其末端所涂试剂120(如某种抗原)组成。带有酶素标志124的试剂122(抗体)被密封在一个有透析能力的薄膜130里。试剂122(抗体)与试剂层120(抗原)互补。因此，试剂122总有与试剂层相结合的倾向。将这套装置浸入样本溶液150中，检查样本溶液150里是否有也与试剂120互补的抗体140，如图1d所示。如果样本溶液150里含有该抗体，此抗体就与带有荧光标志的试剂122竞争，欲与光纤100末端抗原层120结合。这时，在光纤100的根部加上光源(未画出)，与试剂层120结合的带有标志的试剂122受到光的激励，返回一个荧光信号。在这种情况下，样本溶液150里抗体140浓度越高，就会有越多的抗体140与光纤100末端的试剂120结合，而带有荧光标志的试剂122与试剂120结合的数量越少。结果返回的荧光信号强度越弱。所以，抗体140的浓度与返回的光强成反比。以上所述的光纤生物传感器有不少缺点。对于夹层光纤生物传感器来说，光纤100要先浸入样本溶液104，清洗，再浸入含有试剂110(带有标志112)的溶液108里。化验要经过两个不同的反应步骤，较为麻烦。而且，只有当待测物的浓度高于某个临界值才能被检测出来。抗体106与试剂102结合的速率不能实时测定。还有，由于化验麻烦，以及大多数标志(如荧光指示剂)有毒，夹层光纤生物传感器不能用于体内直接检测。大多数标志存储时不稳定，尤其在光照下。另外，上述方法中的光强信号易受环境和系统包括噪声的影响，如光源不稳，温度变化，纤维弯曲引起光损失等。对于位移光纤生物传感器，薄膜130增加了生物传感器的成本和尺寸。由于这种传感器体积较大，试剂的标志可能有毒，也不适合体内检测。另一种类型的光学传感器叫做表面等离子体共振(或简称“SPR”)传感器，如图2a所示，包括一个镀有很薄金属层204的棱镜202，金属层204成为棱镜与绝缘体208之间的界面。一束横向的磁化单向偏振光入射到棱镜202的一面，被金属层204反射，到达棱镜的另一面。反射光束的强度可以测量出来，用于计算入射光束206的入射角θ的大小。如图2b所示，折射光束的强度在某一特殊入射角θSP处突然下降，就在这个角度，入射光的能量与由金属一绝缘体交界面激励产生的表面等离子体(或“SP”)波相匹配。如果一层薄膜沉淀在薄金属层204上，绝缘物质的有效折射系数会发生改变，尤其是金属层附近。有效折射系数依赖于绝缘物质和沉淀膜的厚度和密度的大小。因此，如果沉淀膜的厚度发生变化，折射率就会改变，因此临界入射角θSP也会改变。通过测试临界入射角θSP的值，沉淀膜的厚度和密度就可以推导出来。还有一种类型的生物传感器，叫做光栅生物传感器。如图3所示，一束入射激光束302进入平面波导304的一端。平面波导304包括一层非常薄的高折射率膜306，以及该膜所基于的玻璃体308。薄膜306的一部分表面刻制成光栅310。表面突起光栅310使激光302以α的角度射出平面波导，α是波导法线与光线的夹角。α的大小与激光的导向模式的有效折射系数有关。表面突起光栅310首先涂上一层试剂。然后用盛有液体样本314的容器312装于光栅310上。如果样本314中的物质与试剂层发生反应，则有效折射系数会发生变化，从而改变出射角α。透镜316将出射光束聚焦到一维的光传感器(或“PSD”)318。光传感器318的输出被模数转换器320采样，送入计算机322中进行分析。由有效折射率改变而引起的出射光束角度α的变化，与试剂及其所结合的物质生成的薄膜厚度有关，因此根据光点的位移量即可计算得到该薄膜的厚度。光栅生物传感器有很多缺点。首先，传感器反应较迟钝，称为“漂积效应”。如果测试样本含有被测物的浓度很低，就很难判断有效折射率的的增加是否由漂积效应引起。第二，光栅生物传感器不能用于远距离测量。另外，由于它的尺寸比较大，不适合做体内检测。这样大的尺寸不利于对单一样本做多次检测。而且，传感器太长，需要较大量的检测样本。最后，制造内置光栅的平面波导较为复杂且造价高，尤其是微型的。还有一种利用微槽薄膜反射干涉为原理的生物传感器。如图5所示，由玻璃或石英制成的基底514上覆盖一层聚苯乙烯膜502组成生物基片500。如图6所示，生物基片500放置于流动槽602的底部，用硅做槽顶。多股石英光纤604的一端连接到基底514下面。光纤604另一端的第一个分支606与频谱仪610相联。另一分支608与光源612相联(如本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于白光反射干涉频谱变化规律的光纤生物芯片，包括：线阵光纤生物芯片；面阵光纤生物芯片；面阵光纤／玻璃基板生物芯片；其特征在于：所述线阵光纤生物芯片是一个或若干个线阵光纤模块［１０００］封装在芯片体［１００８］内；所述的线阵光纤模块［１０００］是按线阵排列的光纤［１００１］封装在密封器［１００２］内；所述面阵光纤生物芯片是一个面阵光纤模块［１０１０］封装在芯片体［１０１９］内；所述的面阵光纤模块是按面阵排列的光纤［１０１１］封装在密封器［１０１２］内；所述面阵光纤－玻璃基板生物芯片是在玻璃基板［１０２２］表面包被所需的生物或化学分子层［１０２３］，它呈点阵分布；玻璃基板［１０２２］和微流槽体［１０２４］封装成一体；光纤模块［１０２５］或光纤转换器［１３００］、［１３０４］安置在玻璃基板［１０２２］的背面，它们之间注入折射率匹配液［１０２８］，光纤模块［１０２５］或光纤转换器［１３００］、［１３０４］的所有光纤［１０２６］、［１３０１］或［１３０５］均与生物或化学分子层点阵［１０２３］一一对准。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】

【专利技术属性】
技术研发人员：谭玉山，谭洪，陈端军，
申请(专利权)人：谭玉山，谭洪，陈端军，
类型：实用新型
国别省市：87[中国|西安]