CN1966440B

CN1966440B - 一种制作光纤探头的方法

Info

Publication number: CN1966440B
Application number: CN200610144103A
Authority: CN
Inventors: 施汉昌; 龙峰; 何苗
Original assignee: Tsinghua University
Current assignee: Tsinghua University
Priority date: 2006-11-27
Filing date: 2006-11-27
Publication date: 2010-05-12
Anticipated expiration: 2026-11-27
Also published as: CN1966440A

Abstract

本发明公开了一种制作光纤探头的方法。该制作光纤探头的方法，包括以下步骤：1)处理具有纤芯、包层及涂覆层的石英玻璃光纤，使其一端的包层露出；2)将所述石英玻璃光纤的包层露出端连同与所述包层露出端相连的具有涂覆层的一段置于质量百分比浓度为10～30％的氢氟酸溶液中反应，反应结束后将所述石英玻璃光纤的剩余包层部分露出，得到锥型光纤探头。该制作方法操作方便，成本低廉，易于批量生产，制作的光纤探头具有很好的重复率。

Description

一种制作光纤探头的方法

技术领域

本发明涉及一种制作光纤探头的方法。

背景技术

光纤是光导纤维的简称。它是用石英玻璃或特制塑料拉成的柔软细丝。其典型结构自内向外为纤芯、包层及涂覆层。包层的折射率略小于纤芯的折射率，按几何光学的全反射原理，光线被束敷在纤芯中传输。在包层的外面是5～40μm的涂覆层，其作用是增强光纤的机械强度，同时增加柔韧性。最外面常有100μm厚的缓冲层或套塑层。

光纤探头是光纤生物传感器的核心部件。光纤生物传感器由于其具有灵敏度高、生物特异性强；操作简单，测量速度快；可以对生物反应的动态过程进行监测；整机可以小型化等特点，在生物医学研究、食品检测、环境监测、生物战剂探测领域得到了广泛的应用。目前光纤生物传感器光纤探头的制作根据材质不同而不同，如果是利用塑料光纤来制作探头，则通常是采用模具法；如果利用石英光纤，则常采用熔制拉锥法和利用步进电机结合化学腐蚀法。这些方法分别需要价格昂贵的模具机、牵拉装置和步进电机等专用设备，且光纤探头的一致性和重复性很难得到保证。另一方面，如何将小分子化合物固定到探头表面也一直是表面修饰领域中的一个难题。

发明内容

本发明的目的是提供一种制作光纤探头的方法。

本发明所提供的制作光纤探头的方法，包括以下步骤：

1)处理具有纤芯、包层及涂覆层的石英玻璃光纤(以下简称为石英光纤)，使其一端的包层露出；

2)将所述石英光纤的包层露出端连同与所述包层露出端相连的具有涂覆层的一段置于质量百分比浓度为10～30％的氢氟酸溶液中反应，反应结束后将所述石英光纤的剩余包层部分露出，得到锥型光纤探头。

为了使氢氟酸与SiO₂的反应速率适中，所述氢氟酸溶液的质量百分比浓度优选为30％。

当所述石英光纤的结构自内向外为纤芯、包层及涂覆层时；所述步骤1)中通过去除所述石英光纤一端的涂覆层使所述石英光纤一端的包层露出，所述步骤2)中反应结束后，通过去除所述石英光纤另一端的涂覆层将所述石英光纤的剩余包层部分露出。

当所述石英光纤的结构自内向外为纤芯、包层、涂覆层和套塑层时；所述步骤1)中通过去除所述石英光纤一端的涂覆层和套塑层使所述石英光纤一端的包层露出，所述步骤2)中反应结束后，通过去除所述石英光纤另一端的涂覆层和套塑层将所述石英光纤的剩余包层部分露出。

当所述石英光纤的结构自内向外为纤芯、包层、涂覆层和缓冲层时；所述步骤1)中通过去除所述石英光纤一端的涂覆层和缓冲层使所述石英光纤一端的包层露出，所述步骤2)中反应结束后，通过去除所述石英光纤另一端的涂覆层和缓冲层将所述石英光纤的剩余包层部分露出.

所述反应的反应温度可为20～35℃。

上述方法中，所述光纤探头的表面固定有有机小分子化合物；所述有机小分子化合物可按照包括如下步骤的方法固定到所述光纤探头表面：1)将有机小分子化合物与惰性蛋白分子偶联得到有机小分子化合物和惰性蛋白分子的偶联物；将所述光纤探头硅烷化；2)将所述有机小分子化合物和惰性蛋白分子的偶联物通过双功能试剂连接到所述硅烷化光纤探头的表面。

所述惰性蛋白分子可为牛血清白蛋白、卵清蛋白、人血清白蛋白或血兰蛋白。

由于有机小分子化合物是多种多样的，所以它与惰性蛋白分子偶联的方法也是各异的，现有的偶联方法均可采用，如：EDC(碳化二亚胺)法：EDC首先和半抗原分子(如：2，4-D)的羧基反应生成一个加成中间产物，再与惰性蛋白分子上的氨基酸残基反应形成酰胺键，实现半抗原与载体蛋白的共价结合；戊二醛法：首先用过量的戊二醛与蛋白反应(蛋白∶戊二醛为1∶500-1000)，然后用Sephadex G-25层析柱除去多余的戊二醛，制成活性蛋白(蛋白-戊二醛复合物)，再加入一定量的小分子，使活化蛋白上剩余的醛基与小分子上的氨基结合，制成偶联产物。

所述有机小分子化合物可为现有的小分子化合物，如2，4-二氯苯氧乙酸、阿特拉津或藻毒素等。

所述双功能试剂为γ-马来酰亚胺基丁酸-N-羟基琥珀酰亚胺酸(GMBS)。

本发明用氢氟酸腐蚀石英光纤，利用毛细管作用，使氢氟酸溶液在涂覆层与包层间的管腔中形成微对流，腐蚀过程在这个圆柱形的管子里逐级向上反应，经过一段时间后形成具有一定锥角度的光纤探头。

本发明利用毛细管作用，成功地制作出高质量的组合锥型光纤探头，该制作方法操作方便，成本低廉，易于批量生产，制作的光纤探头具有很好的重复率。同时，本发明先将小分子化合物与惰性蛋白分子结合，然后将该复合物通过双功能试剂成功连接到硅烷化后的光纤探头表面上，光纤探头表面小分子化合物的密度达到了后续检测的要求。

下面结合附图和具体实施方式进一步阐述本发明。

附图说明

图1为组合锥型光纤探头的制作过程示意图

图2为组合锥型光纤探头示意图

图3为光纤探头表面修饰过程示意图

具体实施方式

1、光纤探头的制作

可按照下述方法制作光纤探头：

如图1所示，先用光纤专用剪将光纤截成所需长度的光纤段，然后用光纤研磨机将光纤的一端磨平并抛光。再从光纤段的另一端将光纤表面的塑料套层1用专用钳去除约1/2，并将该部分的涂覆层3小心地用刀片剔除，使纤芯和包层2的包层露出。

先在塑料容器中装入一定量质量浓度为10～30％的氢氟酸，盖上已打好孔(一般为6～10个)的塑料瓶盖。然后把上述处理好的光纤段的去除塑料套层1和涂覆层3的部分朝下垂直插入该塑料容器中，直至部分未被去除塑料套层1和涂覆层3的光纤段浸没入氢氟酸中，其中未被去除塑料套层1和涂覆层3的光纤段部分浸入氢氟酸中的深度根据所需组合锥型光纤探头锥型部分22的长度而定。此时，酸液开始腐蚀去除了涂覆层包层露出的光纤段部分，但不会与涂覆层反应，该外套起到了类似防护墙的作用，保护其它没有接触腐蚀液的部分。在该涂覆层的保护下，由于毛细管作用，氢氟酸溶液在涂覆层与包层间的管腔中形成微对流，腐蚀过程在这个圆柱形的管子里逐级向上反应，经过一段时间后将形成具有一定锥角度的光纤探头，最后将塑料套层1和涂覆层3去掉即可得到如图2所示的组合锥型光纤探头。该组合锥型光纤探头由探头未被腐蚀部分21、探头锥型部分22和探头敏感部分23组成。

在一定的环境温度下，可根据所需腐蚀后光纤芯径23的大小而定所需的腐蚀时间。

2、小分子化合物的固定

通常是将小分子化合物固定到光纤探头的敏感部分23表面上，为达到该目的，先应清洁光纤探头的表面。配制Piranha溶液【浓H₂SO₄∶H₂O₂＝7∶3(体积比)】，将上述光纤探头浸入其中30min；然后放入超声波清洗仪中洗涤，并用超纯水进行充分清洗，直到清洗液的pH值为中性，最后在室温下用氮气吹干，保存于真空干燥箱中备用。

将半抗原小分子衍生物(如2，4-D)的羧基与碳二亚胺(EDC)反应生成一个加成中间产物，再与惰性载体蛋白分子(如BSA、OVA等)上的氨基酸残基反应形成酰胺键，实现半抗原与载体蛋白的共价结合，合成包被小分子化合物的复合物。

为将小分子化合物连接到探头上，请参见图3，先将光纤探头硅烷化，将洁净的光纤探头放入含质量百分含量为2％3-巯基丙基三甲氧基硅烷(MTS)的甲苯溶液中反应2h。用甲苯溶液清洗三次，然后放入浓度为0.02M双功能试剂γ-马来酰亚胺基丁酸-N-羟基琥珀酰亚胺酸，即N-(4-Maleimidobutyryloxy)succinimide(GMBS)的乙醇溶液中，反应1h后用乙醇冲洗三次，再用PBS冲洗干净，最后将硅烷化好的光纤探头放入0.05mg/ml小分子和惰性蛋白复合物中反应2h，用PBS冲洗后，在4℃冰箱保存备用。

实施例1、组合锥型光纤探头的制作

如图1，先用光纤专用剪将纤芯直径为600μm、包层厚为10μm的光纤(南京春晖科技实业有限公司)截成11cm长度的光纤段，然后用光纤碾磨设备将光纤的一端磨平，并用抛光机抛光。再从光纤段的未抛光一端将光纤表面的塑料套层1用专用钳去除6.3cm，最后将该部分的涂覆层3小心地用刀片剔除，使纤芯和包层2的包层露出。

将上述处理好的光纤段的去除塑料套层1和涂覆层3的部分朝下插入装有氢氟酸(HF的质量百分浓度为30％)溶液中，浸入深度为7.3cm，腐蚀时间为180min。得到如图2所示的锥型光纤探头，腐蚀端即探头敏感部分23的直径为220μm，锥型部分22的长度为0.5cm。该锥型光纤探头的锥角度为0.37。

质量百分浓度为30％的氢氟酸溶液对纤芯和包层2在径向的平均腐蚀速率为(600+10-220)μm/180min＝2.17μm/min。

实施例2、组合锥型光纤探头的制作

将上述处理好的光纤段的去除塑料套层1和涂覆层3的部分朝下插入装有氢氟酸(HF的质量百分浓度为20％)溶液中，浸入深度为7.3cm，腐蚀时间为240min。得到如图2所示的锥型光纤探头，腐蚀端即探头敏感部分23的直径为230μm，锥型部分22的长度为0.5cm。该锥型光纤探头的锥角度为0.38。

质量百分浓度为20％的氢氟酸溶液对纤芯和包层2在径向的平均腐蚀速率为(600+10-230)μm/240min＝1.58μm/min。

实施例3、组合锥型光纤探头的制作

将上述处理好的光纤段的去除塑料套层1和涂覆层3的部分朝下插入装有氢氟酸(HF的质量百分浓度为10％)溶液中，浸入深度为7.3cm，腐蚀时间为360min。得到如图2所示的锥型光纤探头，腐蚀端即探头敏感部分23的直径为230μm，锥型部分22的长度为0.5cm。该锥型光纤探头的锥角度为0.38。

质量百分浓度为20％的氢氟酸溶液对纤芯和包层2在径向的平均腐蚀速率为(600+10-230)μm/360min＝1.05μm/min。

实施例4、光纤探头的一致性

为考察不同光纤探头之间的差异，随机选取了按照实施例1的方法制备的5根锥角度为0.37的光纤探头，分别将光纤探头的未腐蚀部分21与光纤倏逝波生物传感器连接，将光纤探头的敏感部分23分别放入浓度为4×10^-8、1×10^-8、2×10^-9mol/1荧光染料(Cy5.5)溶液中，检测光纤探头的荧光强度，每个浓度重复检测3次，取其平均值，得到的结果如表1所示。

表1 光纤探头的一致性

表1表明，光纤探头之间具有很好的一致性，相对标准偏差不超过2％，这为以后的实验奠定了良好的基础。

实施例5、将2，4-二氯苯氧乙酸固定在光纤探头的表面

1、制备2，4-D-BSA

将2，4二氯苯氧乙酸(2，4-D)的羧基与碳二亚胺(EDC)反应生成一个加成中间产物，再与载体蛋白分子BSA上的氨基酸残基反应形成酰胺键，实现半抗原与载体蛋白的共价结合，合成包被抗原2，4-D-BSA。具体制备方法如下：配制浓度为0.05mol/L的磷酸盐缓冲溶液，用盐酸调节pH值为11。用该磷酸盐缓冲液配制浓度为12mg/mL 2，4-D的溶液，用盐酸调节溶液的pH为5.4。在2.5mL上述2，4-D缓冲液中分别加入100μL浓度为50mg/mL的BSA溶液，再加入15mg EDC同时轻轻搅拌。4℃静置18小时。以0.1mol/L NaHCO₃溶液透析即可。

2、光纤探头的硅烷化

为将小分子2，4-D连接到光纤探头上，如图3，先将光纤探头硅烷化，具体方法如下：将洁净的按照实施例2方法制备的光纤探头放入含质量百分含量为2％的MTS的甲苯溶液中反应2h。用甲苯溶液清洗三次，得到硅烷化的光纤探头。

3、将2，4-二氯苯氧乙酸固定在光纤探头的表面

将硅烷化的光纤探头放入0.02M GMBS乙醇溶液中，反应1h后用乙醇冲洗三次，再用PBS冲洗干净后放入0.05mg/ml 2，4-D-BSA水溶液中反应2h，用PBS冲洗，得到表面固定有2，4-二氯苯氧乙酸固定的光纤探头。经检测，该光纤探头表面的2，4-D的浓度为3nmol/cm²，达到了后续检测的要求。

Claims

1.一种制作光纤探头的万法，包括以下步骤：

1)处理具有纤芯、包层及涂覆层的石英玻璃光纤，使其一端的包层露出；

2)将所述石英玻璃光纤的包层露出端连同与所述包层露出端相连的具有涂覆层的一段置于质量百分比浓度为10～30％的氢氟酸溶液中反应，反应结束后将所述石英玻璃光纤的剩余包层部分露出，得到锥型光纤探头。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述氢氟酸溶液的质量百分比浓度为30％。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述石英玻璃光纤的结构自内向外为纤芯、包层及涂覆层；

所述步骤1)中通过去除所述石英玻璃光纤一端的涂覆层使所述石英玻璃光纤一端的包层露出；所述步骤2)中反应结束后，通过去除所述石英玻璃光纤另一端的涂覆层将所述石英玻璃光纤的剩余包层部分露出。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述石英玻璃光纤的结构自内向外为纤芯、包层、涂覆层和套塑层；

所述步骤1)中通过去除所述石英玻璃光纤一端的涂覆层和套塑层使所述石英玻璃光纤一端的包层露出；所述步骤2)中反应结束后，通过去除所述石英玻璃光纤另一端的涂覆层和套塑层将所述石英玻璃光纤的剩余包层部分露出。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述石英玻璃光纤的结构自内向外为纤芯、包层、涂覆层和缓冲层；

所述步骤1)中通过去除所述石英玻璃光纤一端的涂覆层和缓冲层使所述石英玻璃光纤一端的包层露出；所述步骤2)中反应结束后，通过去除所述石英玻璃光纤另一端的涂覆层和缓冲层将所述石英玻璃光纤的剩余包层部分露出。

6.根据权利要求1至5中任一所述的方法，其特征在于：所述反应的反应温度为20-35℃。

7.根据权利要求1至5中任一所述的方法，其特征在于：所述光纤探头的表面固定有有机小分子化合物；所述有机小分子化合物按照包括如下步骤的方法固定到所述光纤探头表面：1)将有机小分子化合物与惰性蛋白分子偶联得到有机小分子化合物和惰性蛋白分子的偶联物；将所述光纤探头硅烷化；2)将所述有机小分子化合物和惰性蛋白分子的偶联物通过双功能试剂连接到所述硅烷化光纤探头的表面；所述双功能试剂为γ-马来酰亚胺基丁酸-N-羟基琥珀酰亚胺酸。

8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于：所述惰性蛋白分子为牛血清白蛋白、卵清蛋白、人血清白蛋白或血兰蛋白。

9.根据权利要求7所述的方法，其特征在于：所述有机小分子化合物为2，4-二氯苯氧乙酸、阿特拉津或藻毒素。