技术领域
[0001] 本
发明设计属于光学微传感领域，具体涉及大幅度提高了脲酶的检测灵敏度的一种基于回音壁模式激光的脲酶传感装置及其制作方法。
背景技术
[0002] 脲酶的检测对人类生命健康的保障具有重大意义。通过检测体内脲酶的含量可以为确诊胃炎、胃溃疡以及肠道感染提供重要依据。但是传统的脲酶检测方式存在灵敏度低、操作复杂亦或检测时间过长等各式缺点，因此对于脲酶
传感器的研究还在不断探索之中。
液晶作为一种敏感材料，由于在
水/液相界面上化学和
生物分子事件的放大和转导已经被广泛用于生物化学分子的检测。但是现有的液晶传感器读出方法仍然是基于光学
显微镜下不精确的裸眼观测。在这种观测方式下，待测的反应过程难以被定量而准确的表征，从而限制了液晶传感装置在实时监测中的进一步发展。在这里，我们在功能化的液晶微滴中激发出回音壁模式激光，并通过
光谱响应对脲酶浓度进行实时、灵敏、定量地监测。
发明内容
[0003] 本发明的目的在于提供一种基于回音壁模式激光的脲酶传感装置。
[0004] 本发明的目的还在于提供一种基于回音壁模式激光的脲酶传感装置的制作方法。
[0005] 本发明的目的是这样实现的：
[0006] 一种基于回音壁模式激光的脲酶传感装置，包括532nm
泵浦脉冲
激光器1、光谱分析仪2、电荷
耦合器件CCD3、功能化5CB微滴4、反应溶液5；所述功能化5CB4微滴中共掺杂pH敏感分子
硬脂酸与
荧光染料尼罗红，并通过毛细微管7在反应溶液5中生成；所述的反应溶液5中包含脲酶及其作用底物尿素由532nm泵浦
脉冲激光器发出的光11依次通过偏振
控制器8、半反半透镜9，最后由10x光学物镜10聚焦到功能化5CB微滴4表面并激发染料尼罗红产生荧光；所述的532nm泵浦脉冲激光器的工作
频率与工作
电压由频率控制器16与稳压器17控制，所控制的工作频率为6Hz，电压为220V；5CB微滴产生的回音壁模式激光经10x光学物镜10收集，并依次通过半反半透镜9与分束器12；一束光经过532nm滤波片滤波后传输至光谱分析仪2中进行光谱分析；另一束光进入电荷耦合器件CCD3进行微滴成像；所获得的数据均传输到电脑4中进行信息处理与显示。
[0007] 功能化5CB微滴4中共掺杂0.05wt.％的硬脂酸与0.01wt.％的尼罗红吗，功能化5CB微滴4通过控制微型
注射泵14的注射速率生成，其直径控制在50μm。
[0008] 反应溶液5被盛放在反应皿6中，底部装有微型加热台18；所述的反应皿6材质为
二氧化
硅，底部半径为2cm，高度为3cm。
[0009] 通过X-Y-Z三维电动调节架15对微型注射泵14与功能化5CB微滴4进行精密
位置控制。
[0010] 一种基于回音壁模式激光的脲酶传感装置的制作方法，包括如下步骤：
[0011] 步骤1：在1mL
向列型液晶5CB中共掺杂
质量分数分别为0.05％与0.01％的硬脂酸与尼罗红；
[0012] 步骤2：将上述混合溶液放置在超声机中超声处理30分钟使其充分混合均匀，超声机的
工作温度设定为25℃；
[0013] 步骤3：利用火焰拉锥法，将外径150μm，内径75μm的
石英毛细管拉制成内径5μm的毛细微管；毛细微管的另一端连接注射速率可控的微型注射泵；
[0014] 步骤4：通过控制微型注射泵的注射速率，在反应溶液中生成直径为50μm的功能化5CB微滴；
[0015] 步骤5：反应溶液的温度利用微型温度
探头进行实时监测，通过反馈调节装置确保温度恒定在25℃；
[0016] 步骤6：由532nm泵浦脉冲激光器发出的光依次通过偏振控制器、半反半透镜，最后由10x光学物镜聚焦到功能化5CB微滴表面并激发染料尼罗红产生荧光；
[0017] 步骤7：反应溶液中包含脲酶及其作用底物尿素，酶解作用释放出铵根离子与氢氧根离子使得溶液pH升高；
[0018] 步骤8：5CB微滴产生的回音壁模式激光经10x光学物镜收集，并依次通过半反半透镜与分束器，一束光经过532nm滤波片滤波后传输至光谱分析仪中进行光谱分析；另一束光进入电荷耦合器件CCD进行微滴成像，所获得的数据均传输到电脑中进行信息处理与显示。
[0019] 本发明的优点在于：
[0020] 一.由于表面张
力形成的5CB微滴球形腔具有极高的表面光滑度以及几何结构均匀度，降低了表面散射损失。使得所激发出的回音壁模式激光具有极高的Q值与超低的激光
阈值，从而大幅度提高了脲酶的检测灵敏度。
[0021] 二.基于回音壁模式激光的液晶传感技术可以将脲酶的生化反应过程实时地转为光谱信息，使得整个检测过程得以准确量化并实时监测。完全克服了传统的液晶传感器只能通过光学图样进行粗略评估的缺点。
[0022] 三.本发明的传感装置具有完备的温度反馈系统，有效避免了由于操作
环境温度变化所引起扰动误差，使得检测结果更加准确、可靠。
[0023] 四.所掺杂的功能材料硬脂酸对外界的pH变化及其敏感，可以有效降低传感装置对脲酶的检测极限。
附图说明
[0024] 图1是基于回音壁模式激光的脲酶传感系统示意图；
[0025] 图2是功能化5CB微滴传感探头示意图；
[0026] 图3是基于回音壁模式激光的脲酶传感系统对不同浓度的脲酶溶液测试结果。
具体实施方式
[0027] 下面结合附图对本发明进行进一步的说明。
[0028] 本发明基于回音壁模式激光的脲酶主要传感装置包括532nm泵浦脉冲激光器、光谱分析仪、电荷耦合器件CCD、功能化5CB微滴、反应溶液。功能化5CB微滴中掺杂硬脂酸与
荧光染料尼罗红，并通过毛细微管在反应溶液中生成。所述的反应溶液中包含脲酶及其作用底物尿素。由532nm泵浦脉冲激光器发出的光依次通过偏振控制器、半反半透镜，最后由10x光学物镜聚焦到功能化5CB微滴表面并激发染料尼罗红产生荧光。由于微滴的有效折射率高于反应溶液的有效折射率，因此产生的荧光会在微滴与反应溶液的界面发生连续全反射,最终形成回音壁模式激光。所述的532nm泵浦脉冲激光器的工作频率与工作电压由频率控制器与稳压器控制。所控制的工作频率为6Hz，电压为220V；5CB微滴产生的回音壁模式激光经10x光学物镜收集，并依次通过半反半透镜与分束器。一束光经过532nm滤波片滤波后传输至光谱分析仪中进行光谱分析；另一束光进入电荷耦合器件CCD进行微滴成像。所获得的数据均传输到电脑中进行信息处理与显示。
[0029] 本发明的染料掺杂液晶微球温度传感器还可以包括：
[0030] 1.功能化5CB微滴中掺杂0.05wt.％的硬脂酸与0.01wt.％的尼罗红。
[0031] 2.反应溶液被盛放在反应皿中，反应皿底部装有微型加热台。
[0032] (1)所述的反应溶液通过连接微型注射泵的毛细微管导入反应溶液；
[0033] (2)所述的反应皿材质为
二氧化硅，底部半径为2cm，高度为3cm；
[0034] (3)所述的微型加热台由
温度控制器调节温度变化。
[0035] 3.利用微型
温度探头实时监测反应溶液的温度，并反馈给控制电脑。
[0036] 4.功能化5CB微滴通过控制微型注射泵的注射速率生成，微滴的直径控制在50μm左右；
[0037] 5.通过X-Y-Z三维电动调节架对微型注射泵与功能化5CB微滴进行精密位置控制。
[0038] 本发明的一种基于回音壁模式激光的脲酶传感装置的制作方法为：
[0039] (1)在1mL向列型液晶5CB中共掺杂质量分数分别为0.05％与0.01％的硬脂酸与尼罗红；
[0040] (2)将上述混合溶液放置在超声机中超声处理30分钟使其充分混合均匀，超声机的工作温度设定为25℃；
[0041] (3)利用火焰拉锥法，将外径150μm，内径75μm的石英毛细管拉制成内径5μm的毛细微管。毛细微管的另一端连接注射速率可控的微型注射泵；
[0042] (4)通过控制微型注射泵的注射速率，在反应溶液中生成直径为50μm的功能化5CB微滴；
[0043] (5)反应溶液的温度利用微型温度探头进行实时监测，通过反馈调节装置确保温度恒定在25℃；
[0044] (6)由532nm泵浦脉冲激光器发出的光依次通过偏振控制器、半反半透镜，最后由10x光学物镜聚焦到功能化5CB微滴表面并激发染料尼罗红产生荧光。由于微滴的有效折射率高于反应溶液的有效折射率，因此产生的荧光会在微滴与反应溶液的界面发生连续全反射,最终形成回音壁模式激光；
[0045] (7)反应溶液中包含脲酶及其作用底物尿素，酶解作用释放出铵根离子与氢氧根离子使得溶液pH升高。由于硬脂酸的pH敏感性，溶液pH升高所导致的硬脂酸的去质子化行为诱导5CB分子产生排列状态的改变。这一变化被在微滴中激发出的回音壁模式激光所灵敏捕捉，并实时地以光谱偏移的方式所动态表征。
[0046] (8)5CB微滴产生的回音壁模式激光经10x光学物镜收集，并依次通过半反半透镜与分束器。一束光经过532nm滤波片滤波后传输至光谱分析仪中进行光谱分析；另一束光进入电荷耦合器件CCD进行微滴成像。所获得的数据均传输到电脑中进行信息处理与显示。
[0047] 如图1、2所示，本发明的基于回音壁模式激光的脲酶传感装置主要结构包括532nm泵浦脉冲激光器(1)、光谱分析仪(2)、电荷耦合器件CCD(3)、功能化5CB微滴(4)、反应溶液(5)。
[0048] 所述的功能化5CB微滴中掺杂硬脂酸与荧光染料尼罗红，并通过毛细微管(7)在反应溶液(5)中生成。所述的反应溶液中包含脲酶及其作用底物尿素
[0049] 由532nm泵浦脉冲激光器发出的光(11)依次通过偏振控制器(8)、半反半透镜(9)，最后由10x光学物镜(10)聚焦到功能化5CB微滴(4)表面并激发染料尼罗红产生荧光。由于微滴的有效折射率高于反应溶液(5)的有效折射率，因此产生的荧光会在微滴与反应溶液的界面发生连续全反射,最终形成回音壁模式激光。所述的532nm泵浦脉冲激光器的工作频率与工作电压由频率控制器(16)与稳压器(17)控制。所控制的工作频率为6Hz，电压为220V；
[0050] 5CB微滴产生的回音壁模式激光经10x光学物镜(10)收集，并依次通过半反半透镜(9)与分束器(12)。一束光经过532nm滤波片滤波后传输至光谱分析仪(2)中进行光谱分析；另一束光进入电荷耦合器件CCD(3)进行微滴成像。所获得的数据均传输到电脑(4)中进行信息处理与显示。
[0051] 反应溶液(5)被盛放在反应皿(6)中，底部装有微型加热台(18)。所述的反应溶液(5)通过连接微型注射泵的毛细微管导入反应溶液；所述的反应皿(6)材质为二氧化硅，底部半径为2cm，高度为3cm。所述的微型加热台(18)由温度控制器(20)调节温度变化。微型温度探头(21)实时监测反应溶液(5)的温度，并反馈给控制电脑(4)。
[0052] 功能化5CB微滴中掺杂0.05wt.％的硬脂酸与0.01wt.％的尼罗红。所述的功能化5CB微滴通过控制微型注射泵(14)的注射速率生成，微滴的直径控制在50μm左右；通过X-Y-Z三维电动调节架(15)对微型注射泵(14)与功能化5CB微滴进行精密位置控制。
[0053] 本发明的一种基于回音壁模式激光的脲酶传感装置的制作方法具体为：
[0054] (1)在1mL向列型液晶5CB中共掺杂质量分数分别为0.05％与0.01％的硬脂酸与尼罗红；
[0055] (2)将上述混合溶液放置在超声机中超声处理30分钟使其充分混合均匀，超声机的工作温度设定为25℃；
[0056] (3)利用火焰拉锥法，将外径150μm，内径75μm的石英毛细管拉制成内径5μm的毛细微管。毛细微管的另一端连接注射速率可控的微型注射泵；
[0057] (4)通过控制微型注射泵的注射速率，在反应溶液中生成直径为50μm的功能化5CB微滴；
[0058] (5)反应溶液的温度利用微型温度探头进行实时监测，通过反馈调节装置确保温度恒定在25℃；
[0059] (6)由532nm泵浦脉冲激光器发出的光依次通过偏振控制器、半反半透镜，最后由10x光学物镜聚焦到功能化5CB微滴表面并激发染料尼罗红产生荧光。由于微滴的有效折射率高于反应溶液的有效折射率，因此产生的荧光会在微滴与反应溶液的界面发生连续全反射,最终形成回音壁模式激光；
[0060] (7)反应溶液中包含脲酶及其作用底物尿素，酶解作用释放出铵根离子与氢氧根离子使得溶液pH升高。由于硬脂酸的pH敏感性，溶液pH升高所导致的硬脂酸的去质子化行为诱导5CB分子产生排列状态的改变。这一变化被在微滴中激发出的回音壁模式激光所灵敏捕捉，并实时地以光谱偏移的方式所动态表征。
[0061] (8)5CB微滴产生的回音壁模式激光经10x光学物镜收集，并依次通过半反半透镜与分束器。一束光经过532nm滤波片滤波后传输至光谱分析仪中进行光谱分析；另一束光进入电荷耦合器件CCD进行微滴成像。所获得的数据均传输到电脑中进行信息处理与显示。
[0062] 本发明的一种全光调谐回音壁模式微激光器的调谐原理为:
[0063]
[0064] Δλ为
波长改变值，λ0为发射激光波长,n0为液晶折射率，Δn为液晶折射率改变值，Γ为作用因子，一般来说Γ值远小于1。其中λ0，n0，Γ均为常数。显然，Δλ与Δn正负性一致，同时增大或减小。
[0065] 反应溶液中仅存在尿素时，溶液的pH值不发生变化，此时微滴中的5CB分子平行于微滴表面排布。此时回音壁模式所
感知的液晶分子有效折射率为1.71。当待测的反应溶液中存在脲酶时，脲酶对尿素产生
水解作用，释放出氢氧根离子与铵根离子，导致溶液pH升高。pH变化引起硬脂酸的去质子化行为，从而诱导5CB分子产生由平行到垂直表面的排布改变。此时回音壁模式所感知的液晶分子有效折射率在1.71与1.54之间。即，随着水解反应进行，回音壁模式所感知的折射率减小。由公式(1)可知，回音壁模式共振波长将相应减小，即发生蓝移。
[0066] 如图3所示基于回音壁模式激光的脲酶传感系统对不同浓度的脲酶溶液测试结果。回音壁模式激光光谱在脲酶的作用下产生与浓度相关的蓝移响应。具体表现为光谱蓝移量随脲酶浓度的增大而增大。
[0067] 以上所述的具体实施方案，对本发明的具体制备方法进行了进一步详细说明。本发明将脲酶的生化反应过程实时地转为光谱信息，使得整个检测过程得以准确量化并实时监测，确保了结果的准确与可靠性。
[0068] 综上所述，本发明设计属于光学微传感领域，具体涉及到一种基于回音壁模式激光的脲酶传感装置及其制作方法。pH敏感分子硬脂酸及荧光染料尼罗红共掺杂至向列型液晶5CB中使其功能化。通过精确控制微型注射泵注射速率，制备微米级5CB微滴，既作为光学共振微腔又兼为生物传感探头。反应溶液包含脲酶及其作用底物尿素，酶解作用促使硬脂酸去质子化，进而诱导5CB分子产生排列状态改变。该变化被微滴中激发出的回音壁模式激光所灵敏捕捉，并实时以光谱偏移的方式所精确表征，从而实现高灵敏度、低
检测限的脲酶检测。
