專利名稱：兼?zhèn)鋱D像傳遞與化學傳感的探頭、探頭的制作方法以及含有該探頭的光學系統(tǒng)的制作方法
技術領域：
本發(fā)明屬光學探測領域，涉及一種傳感探頭以及基于該探頭的光學系統(tǒng)，尤其涉 及一種兼?zhèn)鋱D像傳遞與化學傳感的探頭、探頭的制作方法以及含有該探頭的光學系統(tǒng)。
背景技術：
生物光學傳感器一般由生物識別元件、光學轉換元件、機械元件和電氣元件組成。 在眾多類型的光學生物傳感器中，光纖傳感器由于具有抗電磁輻射、抗電磁干擾、抗腐蝕的 特點，占有重要位置。光纖傳感器還是一種高度小型化的裝置，小型化對于介入性監(jiān)測是十 分必要的，同時檢測時所需樣品非常少。光纖傳感器的另一個特點是可以遠距離進行傳感， 加上放大器以及光纖本身的高質量傳輸、低衰減率，它傳輸信號的距離可達幾厘米到百米， 并且光纖傳感器使用熒光物質取代了放射性物質，響應時間快，易于操作和成本低廉。參與人體各種循環(huán)代謝的各種化學離子，如鋅離子等作為人體中含量最豐富的過 渡金屬之一，是人體不可或缺的重要元素。鋅是人體中100多種酶的組成部分，對促進機體 的生長發(fā)育和組織再生、保護皮膚健康、維護機體的免疫功能、以及對于神經傳遞等，發(fā)揮 著重要作用。鋅缺乏將會導致生長緩慢、皮膚傷口愈合不良、味覺障礙、胃腸道疾患、免疫功 能減退等。然而，由于鋅原子結構的最外層電子是10電子的飽合結構，可用的高靈敏度指 示劑有限，所以對鋅離子的光學監(jiān)測相當困難。在過去的二十年里，以喹啉、熒光素、香豆 酮與苯并唑等熒光團為基礎，人們對鋅離子的熒光探針不斷進行改進，以增強其熒光靈敏 性和對鋅離子的選擇性。其中有 NewPort Green, FluoZin-1，FluoZin-3，ZnAFs, Zinpyr, Zinquin等，但是這些熒光指示劑的價格都非常昂貴。另一方面，現有的鋅離子傳感器大多 采用吸收光譜分析法，這樣就限制了檢測的應用范圍。例如，人體內部器官等一些遠端位置 鋅離子的檢測，是吸收光譜法無法實現的。因此，制備一種遠端可視的熒光傳感光學探測系 統(tǒng)具有重要的醫(yī)學意義。

發(fā)明內容
為了解決背景技術中存在的上述技術問題，本發(fā)明提供了一種可測定化學離子的 濃度又能觀察體腔內表面的物理形貌、具有很好的柔韌性可以直接植入人體或細胞內而不 易折斷、應用范圍廣的兼?zhèn)鋱D像傳遞與化學傳感的探頭、探頭的制作方法以及含有該探頭 的光學系統(tǒng)。本發(fā)明的技術解決方案是本發(fā)明提供了一種兼?zhèn)鋱D像傳遞與化學傳感的探頭， 包括傳像光纖束以及設置在傳像光纖束端部的自聚焦透鏡，其特殊之處在于所述自聚焦 透鏡表面鍍制有敏感膜。上述敏感膜是鋅離子傳感膜、銅離子傳感膜、鎂離子傳感膜、鈣離子傳感膜、鉀離 子傳感膜或鐵離子傳感膜?！N兼?zhèn)鋱D像傳遞與化學傳感的探頭的制備方法，其特殊之處在于該方法包括以下步驟1)制備溶膠凝膠膜或醋酸纖維素膜的乙酸溶液，備用；2)按重量百分比為15 1 16 1將羅丹明B與1_吡啶偶氮)_2_萘酚混 合后制成乙醇溶液或乙酸溶液，備用；3)將步驟幻所得到的乙醇溶液或乙酸溶液和步驟1)所得到的溶膠或醋酸纖維素 的乙酸溶液混合，備用；4)取自聚焦透鏡，并將其一個端面羥基化；5)利用旋涂法將步驟幻所得到的混合溶液均勻的涂在端面羥基化的自聚焦透鏡 上并置于烘箱中，45-55°C烘干4-7個小時；6)取聚合物光纖傳像束，采用拋光粉進行拋光，用去離子水清洗，室溫晾干后，將 自聚焦透鏡和光纖傳像束連接。上述步驟1)中醋酸纖維素膜的制備方法是將40份冰醋酸加入至1份醋酸纖維 素中，在32-38°C條件下攪拌4. 5-5. 5小時后緩慢升溫至80_85°C，并持續(xù)攪拌0. 5-1. 5個 小時。上述步驟1)中溶膠凝膠膜的制備方法是取1. 1份25%的四甲基氫氧化銨水溶 液、8份乙醇、0. 5份γ -縮水甘油醚氧丙基三甲氧基硅烷、0. 5份3-氨丙基三乙氧基硅烷以 及1. 5份正硅酸乙酯混合，攪拌3. 5-4. 5小時。上述步驟幻中將步驟2、所得到的乙醇溶液或乙酸溶液和步驟1)所得到的溶膠 或醋酸纖維素的乙酸溶液是按照體積比為4. 5 1的方式進行混合。上述步驟4)的具體實現方式是4. 1)按體積比為3 1將濃硫酸逐漸加入30%雙氧水中；4. 2)將自聚焦透鏡的一個端面浸在步驟4. 1)所得溶液中12-20分鐘；4. 3)用去離子水清洗，烘干。上述步驟4. 2)中將自聚焦透鏡的一個端面浸在步驟4. 1)所得溶液中15分鐘。上述步驟幻中利用旋涂法將步驟幻所得到的混合溶液均勻的涂在端面羥基化的 自聚焦透鏡上并置于烘箱中，50°C烘干5個小時。一種基于兼?zhèn)鋱D像傳遞與化學傳感的探頭的光學系統(tǒng)，其特殊之處在于所述基 于兼?zhèn)鋱D像傳遞與化學傳感的探頭的光學系統(tǒng)包括激光器、金相顯微鏡、CCD相機、傳感探 頭、濾光片、傳光光纖以及光譜儀；所述金相顯微鏡設置于激光器的出射光路上；所述濾光 片、CCD相機和傳感探頭分別和金相顯微鏡相連；所述濾光片通過傳光光纖和光譜儀相連。本發(fā)明的優(yōu)點是本發(fā)明提供了一種兼?zhèn)鋱D像傳遞與化學傳感的探頭、探頭的制 作方法以及含有該探頭的光學系統(tǒng)，該光學探頭由塑料傳像光纖束與離子傳感膜修飾的自 聚焦透鏡組成，使用普通的熒光試劑和鰲合劑聯合作為指示劑，包埋在敏感膜內。敏感膜在 自聚焦透鏡表面形成，這樣的光學設計，使系統(tǒng)即能測定化學離子的濃度，又能觀察體腔內 表面的物理形貌。此探頭不僅可以深入人體腔室，如胃、小腸、口腔、子宮尿道等進行觀察。 實現化學離子濃度與樣品形貌雙檢測。光學系統(tǒng)主要與探頭相匹配，實現熒光的激發(fā)與檢 測，樣品圖像的傳遞與捕獲。目前的生物傳感器正朝著小型化、集成化向體內監(jiān)測、在線監(jiān) 測的方向發(fā)展，此傳感器是實現這些目標的良好選擇。由于塑料傳像光纖束，因而具有很好 的柔韌性，可以直接植入人體或細胞內而不易折斷。實現生物體內離子濃度的檢測和表面形貌的同時捕獲。如果涉及其它檢測項目，可以在敏感膜內固定其它敏感物質，該微結構光 纖傳感探頭應用范圍可以擴展至尿檢，食品檢驗等領域，使用范圍相當廣闊。


圖1為本發(fā)明所提供的兼?zhèn)鋱D像傳遞與化學傳感的探頭的結構示意圖；圖2為本發(fā)明所提供的基于兼?zhèn)鋱D像傳遞與化學傳感的探頭的光學系統(tǒng)的結構 示意圖。
具體實施例方式參見圖1，本發(fā)明提供了一種兼?zhèn)鋱D像傳遞與化學傳感的探頭，包括傳像光纖束1 以及設置在傳像光纖束1端部的自聚焦透鏡2，在自聚焦透鏡2表面鍍制有敏感膜3，該敏 感膜3可以是鋅離子傳感膜、銅離子傳感膜、鎂離子傳感膜、鈣離子傳感膜、鉀離子傳感膜、 鐵離子傳感膜或其他微量元素離子傳感膜。該敏感膜3使用普通的熒光試劑和鰲合劑聯合 作為指示劑，包埋在離子傳感膜內，敏感膜3在自聚焦透鏡2表面形成。本發(fā)明在提供該兼?zhèn)鋱D像傳遞與化學傳感的探頭的同時，還提供了該兼?zhèn)鋱D像傳 遞與化學傳感的探頭的生產工藝，其操作步驟是首先制備溶膠凝膠膜或醋酸纖維素的乙酸溶液，然后將羅丹明B與PAN(l-(2_吡 啶偶氮)-2-萘酚)按一定的濃度混合后制成乙醇溶液或乙酸溶液，其中將羅丹明B和 PAN進行混合時的一定濃度是按照400 μ L的1. 88X IOVmL PAN乙醇溶液和50 μ L的 1 X 10_3g/mL羅丹明B乙醇溶液相混合烘干后，加入100 μ L制備的溶膠液體制備傳感探頭， 此時PAN與羅丹明B質量比接近15/1時，具有較好的現象，再與溶膠或醋酸纖維素的乙酸 溶液按照體積比為4. 5 1的方式混合，形成帶有指示劑的混合溶液。對于醋酸纖維素膜的制備方法用電子天平稱取0. 25g醋酸纖維素(Cellulose acetate, CA，酯化度γ值220 270)加入25ml圓底三徑瓶中，然后用移液管小心準確地 加入IOml冰醋酸(HAc)。放入磁子，安裝回流冷凝管和溫度計。冷凝管的目的是使醋酸蒸 汽冷凝，避免加熱時揮發(fā)。冷凝管通入冷水后，開動磁子攪拌，在35°C條件下攪拌5小時，使 CA充分溶脹。然后并緩慢升溫至80°C，持續(xù)攪拌1個小時，使CA充分溶解，并制得透明的 醋酸纖維素乙酸溶液，加入指示劑后就可以涂膜。對于溶膠凝膠膜的制備方法，取1. ImL四甲基氫氧化銨(25%水溶液)，8. OmL乙 醇，0. 5mL Y-縮水甘油醚氧丙基三甲氧基硅烷，0.5mL 3-氨丙基三乙氧基硅烷和1. 5mL正 硅酸乙酯于圓底燒瓶中，混合后在攪拌下反應4個時，制備出透明的溶膠體。加入指示劑后 就可以涂膜制備透明性很好的傳感膜。其次將自聚焦透鏡2的一個端面羥基化，過程如下將15mL的濃硫酸逐漸加入 5mL的30% (質量百分百)雙氧水中，混合均勻后，將自聚焦透鏡的一個端面浸在其中15 分鐘，然后用去離子水清洗，再烘干，利用旋涂法將上述的含有指示劑混合溶液均勻的涂在 上面，然后將其放入烘箱中，50°C烘干5個小時，形成一層離子敏感膜，一般在10微米左右， 膜的厚度不能太大，否則一方面影響傳像的效果，另一方面將延長離子的響應時間。最后，另取一根外徑1.6mm的聚合物光纖傳像束，先用熱切器對傳像束進行切割， 由于切割完后表面會不光滑，必須用拋光粉拋光才行，否則影傳像效果，可分別采用不同粒徑如8 μ m或1. M μ m的拋光粉進行拋光，再用去離子水清洗，室溫晾干后，用特殊的管狀 物，如熱縮管子等器具將自聚焦透鏡和光纖傳像束連接起來，這樣就形成了一個完整的具 有傳像功能的離子傳感探頭。參見圖2，一種基于兼?zhèn)鋱D像傳遞與化學傳感的探頭的光學系統(tǒng)，包括激光器4、 金相顯微鏡5、(XD相機10、傳感探頭、濾光片6、傳光光纖7以及光譜儀8 ；金相顯微鏡5設 置于激光器4的出射光路上；濾光片6、CCD相機10和傳感探頭分別和金相顯微鏡5相連； 濾光片6通過傳光光纖7和光譜儀8相連，其中該激光器是可以是能夠發(fā)出的激光的波長 為532納米的激光器。本發(fā)明所提供的光學系統(tǒng)在工作時，傳感探頭的遠端(即含有自聚焦透鏡2的一 端)置于待測樣品11的表面，通過移動探頭可以對樣品11的表面進行掃描。在測量樣品 的PH值時，首先由激光器4發(fā)出一束532納米的激光，通過光闌調節(jié)光斑大小，光束再射在 二向色鏡上，然后經過物鏡聚焦后射入光纖傳像束，最后激發(fā)自聚焦透鏡2端面敏感膜3中 的曙紅，產生熒光，熒光再通過自聚焦透鏡2、傳像光纖束1、顯微鏡物鏡、二向色鏡(顯微鏡 系統(tǒng)中固有的)、濾光片6、傳光光纖7，最后被光譜儀8測量。因為熒光強度與液體中等測 離子的濃度值有關，從而獲得樣品離子濃度值信息。濾光片6的作用主要是濾掉光纖表面 或界面反射回來的激光信號，從而使光譜儀8檢測熒光信號。在觀察樣品的形貌時，需要在 樣品的表面照射白光，樣品的像通過自聚焦透鏡、傳像光纖束1、顯微鏡物鏡5、二向色鏡， 通過調節(jié)開關，使光線進入CCD相機10，這樣，物體的像就可以被清晰的觀察到。
權利要求
1.一種兼?zhèn)鋱D像傳遞與化學傳感的探頭，包括傳像光纖束以及設置在傳像光纖束端部 的自聚焦透鏡，其特征在于所述自聚焦透鏡表面鍍制有敏感膜。
2.根據權利要求1所述的兼?zhèn)鋱D像傳遞與化學傳感的探頭，其特征在于所述敏感膜 是鋅離子傳感膜、銅離子傳感膜、鎂離子傳感膜、鈣離子傳感膜、鉀離子傳感膜或鐵離子傳 感膜。
3.一種兼?zhèn)鋱D像傳遞與化學傳感的探頭的制備方法，其特征在于該方法包括以下步驟1)制備溶膠凝膠膜或醋酸纖維素膜的乙酸溶液，備用；2)按重量百分比為15 1 16 1將羅丹明B與1- -吡啶偶氮)-2-萘酚混合后 制成乙醇溶液或乙酸溶液，備用；3)將步驟幻所得到的乙醇溶液或乙酸溶液和步驟1)所得到的溶膠或醋酸纖維素的乙 酸溶液混合，備用；4)取自聚焦透鏡，并將其一個端面羥基化；5)利用旋涂法將步驟幻所得到的混合溶液均勻的涂在端面羥基化的自聚焦透鏡上并 置于烘箱中，45-55°C烘干4-7個小時；6)取聚合物光纖傳像束，采用拋光粉進行拋光，用去離子水清洗，室溫晾干后，將自聚 焦透鏡和光纖傳像束連接。
4.根據權利要求3所述的兼?zhèn)鋱D像傳遞與化學傳感的探頭的制備方法，其特征在于 所述步驟1)中醋酸纖維素膜的制備方法是將40份冰醋酸加入至1份醋酸纖維素中，在 32-38°C條件下攪拌4. 5-5. 5小時后緩慢升溫至80_85°C，并持續(xù)攪拌0. 5-1. 5個小時。
5.根據權利要求3所述的兼?zhèn)鋱D像傳遞與化學傳感的探頭的制備方法，其特征在于 所述步驟1)中溶膠凝膠膜的制備方法是取1. 1份25%的四甲基氫氧化銨水溶液、8份乙 醇、0. 5份γ -縮水甘油醚氧丙基三甲氧基硅烷、0. 5份3-氨丙基三乙氧基硅烷以及1. 5份 正硅酸乙酯混合，攪拌3. 5-4. 5小時。
6.根據權利要求4或5所述的兼?zhèn)鋱D像傳遞與化學傳感的探頭的制備方法，其特征在 于所述步驟幻中將步驟幻所得到的乙醇溶液或乙酸溶液和步驟1)所得到的溶膠或醋酸 纖維素的乙酸溶液是按照體積比為4. 5 1的方式進行混合。
7.根據權利要求6所述的兼?zhèn)鋱D像傳遞與化學傳感的探頭的制備方法，其特征在于 所述步驟4)的具體實現方式是4. 1)按體積比為3 1將濃硫酸逐漸加入30%雙氧水中；4. 2)將自聚焦透鏡的一個端面浸在步驟4. 1)所得溶液中12-20分鐘；4. 3)用去離子水清洗，烘干。
8.根據權利要求7所述的兼?zhèn)鋱D像傳遞與化學傳感的探頭的制備方法，其特征在于 所述步驟4. 2)中將自聚焦透鏡的一個端面浸在步驟4. 1)所得溶液中15分鐘。
9.根據權利要求8所述的兼?zhèn)鋱D像傳遞與化學傳感的探頭的制備方法，其特征在于 所述步驟幻中利用旋涂法將步驟幻所得到的混合溶液均勻的涂在端面羥基化的自聚焦透 鏡上并置于烘箱中，50°C烘干5個小時。
10.一種基于兼?zhèn)鋱D像傳遞與化學傳感的探頭的光學系統(tǒng)，其特征在于所述基于兼 備圖像傳遞與化學傳感的探頭的光學系統(tǒng)包括激光器、金相顯微鏡、CCD相機、傳感探頭、濾光片、傳光光纖以及光譜儀；所述金相顯微鏡設置于激光器的出射光路上；所述濾光片、 CCD相機和傳感探頭分別和金相顯微鏡相連；所述濾光片通過傳光光纖和光譜儀相連。
全文摘要
本發(fā)明提供的兼?zhèn)鋱D像傳遞與化學傳感的探頭、探頭的制作方法以及含有該探頭的光學系統(tǒng)，該兼?zhèn)鋱D像傳遞與化學傳感的探頭，包括傳像光纖束以及設置在傳像光纖束端部的自聚焦透鏡，自聚焦透鏡表面鍍制有敏感膜。本發(fā)明提供的一種可測定化學離子的濃度又能觀察體腔內表面的物理形貌、具有很好的柔韌性可以直接植入人體或細胞內而不易折斷、應用范圍廣的兼?zhèn)鋱D像傳遞與化學傳感的探頭、探頭的制作方法以及含有該探頭的光學系統(tǒng)。
文檔編號A61B5/00GK102072890SQ200910219120
公開日2011年5月25日 申請日期2009年11月24日 優(yōu)先權日2009年11月24日
發(fā)明者汪艦, 王麗莉 申請人:中國科學院西安光學精密機械研究所