一種微結(jié)構(gòu)光纖生物芯片及其制作方法
【專利說明】
所屬技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本發(fā)明涉及生物芯片領(lǐng)域，特別是微結(jié)構(gòu)光纖生物芯片。
技術(shù)背景
[0002]生物芯片技術(shù)是近年來生命科學領(lǐng)域發(fā)展起來的一項新技術(shù)，生物芯片的出現(xiàn)引起了國際上的廣泛關(guān)注。常見的生物芯片包括基因芯片、蛋白質(zhì)芯片、芯片實驗室、細胞芯片、組織芯片、糖芯片及其他類型生物芯片等。生物芯片技術(shù)是將微加工技術(shù)、微電子技術(shù)和分子生物學相結(jié)合，在固相介質(zhì)表面構(gòu)建微型陣列結(jié)構(gòu)的生物化學分析系統(tǒng)，通過將待測未知目標與芯片上已知探針“雜交”，通過空間分辨確定未知分子。與傳統(tǒng)的分析技術(shù)相比，生物芯片技術(shù)具有明顯的優(yōu)勢。生物芯片上集成了成千上萬密集排列的分子探針陣列，可以一次性對樣品中多種不同物質(zhì)進行檢測和分析，具有高效率、高通量、高速度和并行檢測優(yōu)勢，檢測效率是傳統(tǒng)檢測手段的成千上萬倍。生物芯片技術(shù)被認為是繼20世紀大規(guī)模集成電路之后的又一次具有深遠意義的科學技術(shù)革命。在實際應(yīng)用方面，生物芯片技術(shù)廣泛應(yīng)用于基因測序、疾病診斷和治療、藥物篩選、法鑒定、檢驗檢疫、環(huán)境檢測等許多領(lǐng)域。但是現(xiàn)有的生物芯片技術(shù)也存在一些亟待解決的問題，包括技術(shù)復(fù)雜成本高，重復(fù)性差，檢測靈敏度低等缺點。現(xiàn)有的二維陣列生物芯片的檢測需要高速精密二維掃描，無法保證足夠多的探測積分時間以提高信噪比；激發(fā)光和發(fā)射光之間呈零度，帶來嚴重的背景噪聲；熒光的發(fā)射來自于自發(fā)輻射效應(yīng)，熒光的轉(zhuǎn)換效率非常低。在本發(fā)明中，我們將生物芯片技術(shù)與微結(jié)構(gòu)光纖技術(shù)相結(jié)合，公開了一種新型的微結(jié)構(gòu)光纖生物芯片。
[0003]微結(jié)構(gòu)光纖(microstructured optical fiber，MOF)也稱空洞光纖，包括光子晶體光纖，是十幾年前出現(xiàn)并快速發(fā)展起來的一種十分引人注目的新型光纖。它可以由單一介質(zhì)構(gòu)成，并且它在橫截面方向上有緊密排列的波長量級空氣孔，它們構(gòu)成光纖的微結(jié)構(gòu)包層，而且在光纖軸向基本保持不變。由于其靈活多變的空氣孔包層分布，使它具有普通光纖所無法比擬的許多“奇異”特性。特別是纖芯及包層的空氣孔為光與物質(zhì)的相互作用、波導(dǎo)與材料科學的有機結(jié)合提供了空間和條件，這使得它在光與物質(zhì)相互作用特殊環(huán)境構(gòu)建、各種物質(zhì)性質(zhì)研宄、光傳感等領(lǐng)域具有非常廣闊的應(yīng)用空間。在傳感領(lǐng)域，通過毛細管效應(yīng)或外部壓力將被測樣品填充到MOF內(nèi)部的空氣孔中，被測樣品可以和光波以非常大的交疊截面和非常長的作用距離進行相互作用，從而極大地增加光學檢測靈敏度。微結(jié)構(gòu)光纖的另一個突出優(yōu)勢是它具有受激輻射放大能力，可以大幅度提高熒光的轉(zhuǎn)換效率。
[0004]在微結(jié)構(gòu)光纖內(nèi)部構(gòu)建類似于二維生物芯片的分子探針點陣，通過空間分辨進行分子識別目前未見報道。因為微結(jié)構(gòu)光纖的空氣孔的直徑通常在幾微米至幾十微米之間，通過點樣的方式在這樣小的尺度下進行探針固定是不可行的。由于微結(jié)構(gòu)光纖的基質(zhì)材料主要是石英，在探針固定之前必須對其進行活化處理，以便于探針的固定，提高探針與被測分子之間的特異性結(jié)合效率，減少被測分子與孔壁之間的非特異性結(jié)合機會。由于微結(jié)構(gòu)光纖空氣孔的直徑非常小，在微結(jié)構(gòu)光纖內(nèi)部進行活化處理的效果難以達到要求，從而直接影響了在纖芯環(huán)壁內(nèi)表面上固定探針的可靠性。用微珠固定探針后再填充到光纖內(nèi)部是另一種可選擇方案。但是這種微珠的直徑通常很大，對于激發(fā)光有很強的散射作用，給最終的光學檢測帶來嚴重的背景噪聲。更重要的是這種基于微珠的探針固定技術(shù)不能將探針置于纖芯環(huán)壁100納米之內(nèi)，形成有效的光學隔離，更無法產(chǎn)生微腔效應(yīng)形成受激輻射放大，檢測靈敏度難以提高。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明的目的是針對上述情況，提出一種微結(jié)構(gòu)光纖生物芯片，提供一種高激發(fā)效率、高熒光轉(zhuǎn)換效率，低背景干擾，易檢測的新型一維生物芯片。
[0006]本發(fā)明所述的微結(jié)構(gòu)光纖生物芯片，是一種在空芯微結(jié)構(gòu)光纖纖芯環(huán)壁內(nèi)表面上利用納米磁珠分段固定生物分子探針的一維生物芯片，可以用來檢測蛋白質(zhì)、核酸等生物分子。本發(fā)明的微結(jié)構(gòu)光纖生物芯片由空芯微結(jié)構(gòu)光纖、納米磁珠和分子探針構(gòu)成。所述的空芯微結(jié)構(gòu)光纖包含一個中心空氣孔和至少一圈外圍空氣孔構(gòu)成，中心空氣孔的環(huán)壁厚度在納米量級，優(yōu)選100納米-500納米，能夠產(chǎn)生微腔受激福射效應(yīng)；所述納米磁珠直徑在100納米以下，材料優(yōu)選四氧化三鐵，能夠在磁場和流體的作用下附著在纖芯環(huán)壁的內(nèi)表面，被微結(jié)構(gòu)光纖中傳播的倏逝波激發(fā)，同時避免對激發(fā)光的散射；所述生物分子探針包括DNA、RNA、抗原或抗體等，分子探針被鏈接到納米磁珠上，并進一步借助于納米磁珠固定到微結(jié)構(gòu)光纖纖芯環(huán)壁的內(nèi)表面上。
[0007]其中微結(jié)構(gòu)光纖中心空氣孔的直徑不做特別限制，推薦10微米-30微米；微結(jié)構(gòu)光纖的外徑和長度不做特別限制。首先用納米磁珠作為固相載體，鏈接生物分子探針。在磁場和流體作用下，將鏈接有不同分子探針的磁珠依次按照預(yù)先設(shè)定的次序分段固定在空芯微結(jié)構(gòu)光纖閑心環(huán)壁的內(nèi)表面上，形成一系列一維的敏感段陣列，段與段之間留有間隔，構(gòu)成一維生物芯片。檢測時將由熒光探針標記的被測樣品以一定速度流入該生物芯片的光纖中心孔，分子探針與未知分子之間產(chǎn)生特異性反應(yīng)并長生富集效應(yīng)，進一步通過檢測不同敏感段上反應(yīng)后的熒光強度，確定未知樣品的含量。
[0008]本發(fā)明具有如下優(yōu)點:
[0009]I)激發(fā)光能夠以倏逝波方式激發(fā)熒光，可降低背景干擾兩個數(shù)量級或以上。
[0010]2)激發(fā)光與被測樣本之間相互作用的交疊積分大，距離長，光波能量高度集中，激發(fā)效率高。
[0011]3)具有光學隔離功能。由于倏逝波的作用范圍僅僅局限在微結(jié)構(gòu)光纖纖芯附近介質(zhì)表面波長范圍內(nèi)并按指數(shù)規(guī)律衰減，于是在探測溶液中自動形成了一種光學隔離，簡化了傳統(tǒng)生化檢測中繁冗復(fù)雜的清洗步驟，加快了探測速度。
[0012]4)光學信號檢測只做一維掃描即可，檢測方便、檢測儀器成本低，靈敏度高。
[0013]5)能夠利用微結(jié)構(gòu)光纖的纖芯環(huán)壁產(chǎn)生諧振腔，實現(xiàn)受激輻射放大，顯著提高熒光轉(zhuǎn)換效率，從而大幅度提高檢測靈敏度。
[0014]6)因為分子探針固定在光纖內(nèi)部，因此易保存，可靠性好，不易損壞。同時操作方便，干擾小，便于集成到微流路系統(tǒng)中。
【附圖說明】
[0015]圖1微結(jié)構(gòu)光纖生物芯片的示意圖；
[0016]圖2是一種簡易型空心微結(jié)構(gòu)光纖的橫截面圖；
[0017]圖