技术领域
[0001] 本
发明属于
生物传感器技术，尤其涉及一种生物传感器结构及其制备方法。
背景技术
[0002]
肿瘤是威胁人类生命和健康的重要杀手，已成为世界各国面临的最重要的社会问题之一，而早期筛查、诊断是
预防和
治疗肿瘤
疾病的关键。目前科学研究已表明，在肿瘤产生和恶化的不同阶段，以及几乎没有任何症状的早期阶段，人体血清中某些肿瘤标志物
蛋白质的
水平就已经发生了变化，进而影响人体的功能，表现为肿瘤疾病的发生。快速而有效地检测这些肿瘤蛋白质标志物是预防、治疗肿瘤疾病的关键。
[0003] 按照目前的认识，人体中存在着10万种以上的蛋白质．各自具有不同的结构和生理功能。研究已表明：一种蛋白质标志物与几种肿瘤病是息息相关的，一种肿瘤的发生与多种蛋白质标志物的水平有密切的关系，故检测人血清中蛋白质标志物的水平是早期诊断、中期治疗肿瘤疾病的重要手段。但是，蛋白质标志物分子同DNA分子相比，它空间结构复杂，且生物活性与空间结构密切相关，使得蛋白质不能被简单地扩增或原位合成，难以利用“拷贝”的方式来提高检测的灵敏度．其次，蛋白质间的相互作用无序列可循．而是类似于
抗原一
抗体相互作用的特异结合性，另外．在操作过程中，蛋白质很容易变性。故开发具有快速、小型化的肿瘤生化传感器对肿瘤疾病的早期诊断、中期治疗在挽救生命方面有重要的意义。
[0004] 传统的生物传感器检测肿瘤标志物需要繁杂的工序，既耗时又不能做到
无损检测，给病人的身心带来极大的痛苦，而且加重了病人的心理和经济负担。在这样的背景下，开发消耗样品少且能够快速有效地检测人体血清中肿瘤标志物水平的分析仪器成为科学中重要的研究领域，促使国际上很多研究机构投入了大量的资金进行研发。但是，在现有的科学技术发展水平上研发一
块肿瘤标志物检测原理性实验室用的传感器是非常困难的事情，需要突破多项关键技术才能实现，这也是限制肿瘤传感器工业发展的重要
瓶颈之一。目前，全世界只有少数几家国际大公司开发出实用的肿瘤传感器及相关的配套设备，如：瑞典Biacore AB(现已由通用控股)的Biacore T3000等系列产品，美国Affinity Sensors公司的Iasys system系列产品，日本Nippon Laser Electronics的SPR-670，德国BioTul AG等产品，国内中科
电子集团研发的SPR-2000，中科院
力学所开发的准商用椭偏成像技术的蛋白质芯片生物传感器等。这些产品的共同缺点是体积大、成本高、构造复杂。美国Texas Instrument开发的Sprecta一系列的传感模块虽然体积小、便宜、但是有
温度补偿等缺点。
发明内容
[0005] 本发明要解决的技术问题：提供一种生物传感器结构及其制备方法，以解决
现有技术的生物传感器器件小型后所带来的微小温度漂移，探针过长导致的本征振动，探针过短又不能充分吸收入射光等缺点，不利于减小体积，降低成本和提高
精度，不易于商业化等问题，同时可实现多个传感器同时复用，有利于同时实现多个样品或同一样品多个参数的实时测量。
[0006] 本发明技术方案：
[0007] 一种生物传感器结构，它包括分子探针，分子探针位于微
流体结构通道内，分子探针上方为样品注入窗，微流体结构通道左上侧设置有流体入口，微流体结构通道右下侧设置有废液出口，入射
光源接口和
信号接收接口分别与分子探针的光纤连接。
[0008] 分子探针包括二根光纤构成的F-P腔，其中一根光纤在距离F－P腔右端1.5-2mm范围内去除光纤包层厚度5-20微米，光纤的二端通过
支撑架固定。
[0009] 入射光源接口为光纤芯线夹持头，与外部光源耦合连接。
[0010] 信号接收接口为光纤芯线夹持头，连接光纤或
光谱仪。
[0011] 所述的一种生物传感器结构的制备方法，它包括下述步骤：
[0012] 步骤1、基底清洗，将PMMA切成2cm×1cm的小块，再用
超声波清洗仪振荡20分钟除去表面杂污垢，用无水
乙醇清洗后吹干备用；
[0013] 步骤2、将微流体结构通道的模具置于PMMA基片的表面，在 下加力30分钟，使模具在PMMA表面形成微流体结构；
[0014] 步骤3、取两段单模光纤，在其中一段距尾端20cm左右的距离处去除光纤包层外部的涂覆层，无水乙醇洗净后，将去除涂覆层部分放入20%的HF溶液
刻蚀15-20分钟后取出，去离子水洗净后，用光纤切刀将被刻蚀区切成距未刻蚀区约1.6-2.1mm长度后，再用微细
研磨的方法将光纤端面磨平，此时其长度约为1.5—2mm左右，用无水乙醇清洗后，再用去离子水冲洗后氮气吹干待用；
[0015] 步骤4、利用生物化学方法将去除光纤包层的光纤表面修饰成待测肿瘤标志物的抗体或抗原后，放后
冰箱备用；
[0016] 步骤5、
选定F－P腔的长度，并确定两根光纤在微流体结构内的相对
位置后，采用向光纤端面所在位置处由内向外的方向分别滴入一滴蜂蜜，将上述处理过的光纤固定在微流体结构通道内；
[0017] 步骤6、将样品注入窗固定在步骤5所述光纤的上方，在微流体结构通道左上侧连接流体入口，在微流体结构通道右下侧连接废液出口，入射光源接口和信号接收接口分别与分子探针的光纤连接，最后用除样品注入窗部分且厚度为0.5mm，长宽为2cm×1cm的盖片与基底键合在一起，最终形成生物传感器结构。
[0018] 本发明的有益效果：
[0019] 本发明的生物传感器是以宽带光源为入射光源，以光纤为传输介质和敏感单元，以F—P腔作为判断探针表面的抗原（抗体）相互结合程度的依据，克服了温度漂移、蛋白质肿瘤标志物抗原—抗体结合不完全而导致的误差，使其具有体积小、减小了样品消费，易于商品化等优点。它的具体优点主要包括：
[0020] (1)传感机理是以光纤
波导为敏感单元，采用微小型的光纤F-P腔选频，抑制噪声信号，克服了温度微小漂移等因素的影响，同时，通过F—P腔动态监测探针表面的抗原—抗体结合是否完全，方便实现阵列化，易于批量加工，也易于与其它的光学器件集成为微型化集成器件，减小了整个系统的体积，同时可以大大地减小待测样品的消费量，减少病人血液提取量；（2）在样品检测区无
电磁干扰，易于
信号处理；（3）点样方法采用喷墨点样的方式，很大程度减少了样品的消费，同时使待测样品均匀分布于探针表面，减少了蛋白质抗原—抗体结合的时间，也可进一步减少了样器的消费量，综合起来可以控制样器消费量为纳升；（4）采用反射方法接收
光信号，增加了敏感单元部分的光吸收，放大了检测信号，减小了探针长度增加所导致的光纤探针力学振荡所带来的误差；（5）检测过程废液集中回收，减少环境污染；（6）适用于医院、社区医院及家庭医疗；（7）由于本方法是采用光纤波导技术，实质上是光与待测样品之间相互作用，这能够实现对样品实时、无损检测，且可重复测量而不破坏待测样品，克服了传统的电化学方法、PCR（
聚合物链式反应）方法、
电泳法等检测手段对蛋白质样品的坏破作用。本发明解决了现有技术的生物传感器器件小型后所带来的微小温度漂移，探针过长导致的本征振动，探针过短又不能充分吸收入射光等缺点，不利于减小体积，降低成本和提高精度，不易于商业化等问题。（8）同时可实现多个传感器同时复用，有利于同时实现多个样品或同一样品多个参数的实时测量。
[0022] 图1 本发明生物传感器结构一示意图；
[0023] 图2为本发明生物传感器结构二示意图；
[0024] 图3为本发明生物传感器结构一的组成
框图；
[0025] 图4为本发明生物传感器结构二的组成框图；
[0026] 图5为本发明生物传感器的探针结构示意图；
[0027] 图6为本发明的探针的光纤与光纤芯线夹持头的连接示意图。
[0028] 具体实施方式：
[0029] 一种生物传感器结构（见图1和图2），它包括分子探针2，分子探针2位于微流体结构通道4内，分子探针2上方为样品注入窗7，微流体结构通道4左上侧为流体入口5，微流体结构通道4右下侧为废液出口6，入射光源接口1和信号接收接口3分别通过光纤
耦合器也就是光纤芯线夹持头与分子探针2的光纤连接；入射光源接口1和信号接收接口3位于分子探针2的一侧，或分开放置在分子探针2的左右侧，其中图2的的分子探针2左端既作为入射光源接口1，同时也是信号接收接口3，它的连接是通过一个波分复用器使入射光源接口1和信号接收接口3与分子探针2的光纤相连，或者入射光源接口1和信号接收接口3为同一接口，既作为入射光源接口1，同时也作为信号接收接口3使用。而图1中的分子探针2两端的光纤9一端作为入射光源接口1，另一端作为信号接收接口3。
[0030] 分子探针2包括二根光纤构成的F-P腔，其中一根光纤在距离F－P腔右端1.5-2mm范围内去除光纤包层厚度5-20微米，光纤的二端通过支撑架8固定
[0031] 入射光源接口1为光纤芯线夹持头，与外部光源耦合连接，本
实施例采用采用直径的光纤芯线夹持头作为入射光源接口1，入射光采用宽带光源。
[0032] 信号接收接口3为光纤芯线夹持头，连接光纤或光谱仪，采用SMA905接口的光纤芯线夹持头。
[0033] 微流体结构通道4由结构模具加热并力压印获得，用于缓冲液的进入与检测后流出。
[0034] 流体入口5，用于缓冲液流入。
[0035] 废液出口6，用于检测完成后废液收集出口。
[0036] 样品注入窗7，用于将待测样品血清
喷涂于去除一部分包层的光纤表面，可大大节省样品消费，减少由于样品远程运动所带来的结合时间长的缺点，样品注入窗7为阶梯型结构。
[0037] 所述的生物传感器的工作原理和使用方法如下：
[0038] 如附图3所示，首先，将待测样品血清以喷墨的方式喷到去除包层且固定有待测抗原（抗体）的抗体（抗原），然后打开缓冲液的流体入口2，让
牛血清蛋白液流入微流体结构通道4，达到去除包层固定有抗原（抗体）的光纤和F—P腔内，稳定结合15分钟，再打开宽带光源（
波长：1510nm—1590nm）发出束光，经入射光源接口1耦合进入分子探针2。此时，由于抗原和抗体的结合，使去除部分包层光纤的包层外面的介质折射率增加，高阶模式的光被介质所吸收，吸收的光的强度与介质的折射率增加量相对应。然后，未被吸收的光传播到F—P腔，振荡选频。因为，由透过F—P腔的光强度公式：
[0039]
[0040] 反射光强度可表示为：
[0041]
[0042] 其中， ， 表示入射光波长，表示腔内流体的折射率， 为F—P腔的反射率，表示经介质吸收后达到F—P腔的光强度。
[0043] 在F—P腔内，固定腔长 和光线入射到腔内的
角度 ，则腔内介质折射率 与入射光波长 成正比关系。
[0044] 当注入待检样品与牛血清蛋白的
混合液出现在F—P腔内，或是由于检测
环境温度升高等因素影响时，检测到的光波长 将会增加，若待测液与光纤表面的抗体（抗原）全部结合后，F—P腔内的折射率将变为只有牛血清蛋白的折射率，检测到的光波长变得稳定，测得此时接收到的光强度变化与抗原—抗体结合导致的光吸收成正比。也就是说，通过测得稳定时某一波长处的光强度变化，便可以定量地测得待测样品的含量，此时，待测样品结合光纤表面的抗原（抗体）后折射率增加量 与光谱仪接收到的峰值光强度（极大或极小值）或 一一对应，且与其它量无关。
[0045] 所述的一种生物传感器结构的制备方法，它包括下述步骤：
[0046] 步骤1、基底清洗，将厚度为1.5mm的PMMA切成约2cm×1cm的小块，再用
超声波清洗仪振荡20分钟除去表面杂污垢，并用无水乙醇清洗后吹干备用；
[0047] 步骤2、将微流体结构通道4的模具置于PMMA基片的表面，在 下加力30分钟，使模具在PMMA表面形成微流体结构；
[0048] 步骤3、取两段单模光纤，在其中一段距尾端20cm左右的距离处去除光纤包层外部的涂覆层，无水乙醇洗净后，将去除涂覆层部分放入20%的HF溶液刻蚀15-20分钟后取出，去离子水洗净后，用光纤切刀将被刻蚀区切成距未刻蚀区约1.6-2.1mm长度后，再用微细研磨的方法将光纤端面磨平，此时其长度约为1.5—2mm左右，用无水乙醇清洗后，再用去离子水冲洗后氮气吹干待用；
[0049] 步骤4、利用生物化学方法将去除部分包层的光纤表面（纤芯表面）修饰成待测肿瘤标志物的抗体或抗原后（见图5），放后冰箱备用；
[0050] 步骤5、选定F－P腔的长度，并确定两根光纤在微流体结构内的相对位置后，采用向光纤端面所在位置处由内向外的方向分别滴入一滴蜂蜜，将上述处理过的光纤固定在微流体结构通道内，形成光纤分子探针2，F－P腔的长度在200微米—3毫米之间均可。
[0051] 步骤6、将样品注入窗固定在步骤5所述光纤分子探针2的上方，然后在微流体结构通道左上侧连接流体入口，在微流体结构通道右下侧连接废液出口，入射光源接口和信号接收接口分别与分子探针的光纤连接，最后，用去除样品注入窗部分且厚度约为0.5mm，长宽为2cm×1cm面积的盖片与基底键合在一起，最终形成一个完整的图1（图2）所示的生物传感器结构。
