CN100432656C

CN100432656C - 分布式光纤模式耦合生化传感器、光纤链路及传感系统

Info

Publication number: CN100432656C
Application number: CNB2005100573555A
Authority: CN
Inventors: 曾祥楷
Original assignee: Chongqing Institute of Technology
Current assignee: Chongqing Institute of Technology
Priority date: 2005-10-31
Filing date: 2005-10-31
Publication date: 2008-11-12
Anticipated expiration: 2025-10-31
Also published as: CN1769870A

Abstract

本发明公开了一种分布式光纤模式耦合生化传感器及其形成的光纤链路和传感系统，传感器由一根光纤上的长周期光纤光栅、布拉格光纤光栅及对化学或生物分子敏感的吸收或敏感膜层构成，作为传感系统的基本传感单元，多个这样的基本传感单元按序和方向串联形成光纤链路。传感系统由上述光纤链路和宽带光源、宽带耦合器、初始布拉格光纤光栅、光纤光谱解调器和计算机组成。本发明采用波分复用方法实现分布式传感，基于空分复用和光纤链路可实现更广的分布式遥测，系统结构简单，调试方便，可消除温度的影响，稳定可靠。

Description

分布式光纤模式耦合生化传感器、光纤链路及传感系统

技术领域

本发明属于光纤传感、生物及化学技术领域，具体涉及一种分布式光纤模式耦合生化传感器、光纤链路及传感系统。

背景技术

光纤化学与生物传感器是1970年代中期诞生的一种新型传感技术，它将对化学或生物分子具有识别和换能作用的物质固化在光纤上，对待测物质进行选择性的化学或生物分子识别，再转换成各种光信息，从而获得化学与生物信息。在大多数传感器中，光纤仅起光的传输作用，也有部分传感器是基于被测物质直接影响光纤波导性质的变化来进行传感的。光纤化学与生物传感器有很多优越性，如高信息容量、传感器微型化、轻巧、价廉、耐用、无毒、无废气废液、无电磁辐射和干扰、电绝缘、安全等，可用于易燃易爆场合，尤其适于生物活体的实时连续分析检测，在生物、医药、临床医学、军事、农业、环境和能源等领域都有很重要的应用。

光纤化学与生物传感器主要有光纤表面等离子体共振传感器和倏逝波传感器，而与本发明相近的传感器是美国Luna公司的长周期光纤光栅生物传感器，其基本原理是长周期光纤光栅谐振中心波长解调法。它是在光纤芯上写入一个长周期光纤光栅，在长周期光纤光栅处的光纤包层表面固化一层生物敏感膜以形成光纤探针，该光纤探针置于被测生物分子溶液中。当被测生物分子作用于其敏感膜层时，敏感膜层的折射率发生变化，从而导致长周期光纤光栅的谐振中心波长发生漂移。传感系统通过测量该谐振中心波长的漂移量而获取生物信息。该传感器无杂散光干扰，传感精度较高，生物特异性强，操作简单，测量速度快，可现场检测生物反应的动态过程，反应过程中或完成后均可检测，生物传感器和传感系统都比较小，很适于生物医学、环境、生物战剂等的快速探测。但该光纤生物传感器还存在如下一些缺点，(1)传感器及其传感系统采用单光路强度测量方法，光源、光路和电路系统的波动和干扰会影响传感结果的准确性；(2)长周期光纤光栅谐振波长带较宽且很平坦，谐振中心波长的精确确定非常困难；(3)长周期光纤光栅谐振中心波长的漂移受环境温度变化的影响很大，需要对传感器和被测物进行恒温控制；(4)难于采用(密集)波分复用和空分复用技术实现大范围的分布式化学与生物传感。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术存在的不足，提供一种分布式光纤模式耦合生化传感器、由该传感器形成的串联光纤链路以及由所述串联光纤链路形成的分布式光纤模式耦合生化传感系统。该传感器、串联光纤链路及其传感系统能利用波分复用和空分复用技术实现温度、生物与化学成分的浓度或相互作用的分布式传感，消除了光源、光路和电路系统的干扰；长周期光纤光栅谐振波长带漂移的精确确定比较容易，不需要进行恒温控制，测试结果稳定可靠。

本发明的技术方案如下：

本分布式光纤模式耦合生化传感器，它是在一根光纤上有一个长周期光纤光栅，该长周期光纤光栅的共振光谱分布有两个耦合斜边带。上述光纤有光纤芯和光纤包层，光纤包层位子光纤芯外。该长周期光纤光栅作为光纤芯和光纤包层的光共振耦合器，其长度约为0.5-5cm，其共振中心波长处的耦合效率约为2-30dB，根据实际需要来确定长周期光纤光栅的共振中心波长，由该共振中心波长及其耦合效率来确定长周期光纤光栅的栅距。在该长周期光纤光栅的后端有一个布拉格光纤光栅(即短周期光纤光栅)，该布拉格光纤光栅到长周期光纤光栅后端的距离大于0.5mm(最大可达几十公里)，其谐振中心波长在长周期光纤光栅耦合带的一个斜边带中间，谐振中心波长处的耦合效率接近100％，其3dB带宽小于2nm。在该长周期光纤光栅处的光纤包层外，去除光纤保护涂层，裸露出光纤包层。在去除了光纤保护涂层的这段光纤包层表面固化有一层厚度约3nm～200μm的吸收或敏感膜层，该吸收或敏感膜层对被测化学成分或生物分子具有选择性，其折射率小于光纤包层的折射率，其具体物质由被测化学成分或生物分子的种类确定。这就构成了分布式光纤模式耦合生化传感器。本传感器是分布式化学与生物传感的一个基本传感单元，它的外径约125～1000μm。

为了方便使用和保护本传感器，在包含本分布式光纤模式耦合生化传感器的这段光纤之外有一保护套，保护套上有小孔，保护套的两端通过固化胶(如环氧树脂)与该传感器光纤粘贴在一起，在保护套的两个光纤引出端还有过渡缓冲套。

由上述分布式光纤模式耦合生化传感器形成的光纤链路包括有光纤、2个或2个以上的分布式光纤模式耦合生化传感器。2个或2个以上的分布式光纤模式耦合生化传感器通过光纤串联而构成光纤链路，串联的各个传感器的前端和后端分别连接到相邻的前一个传感器的后端和后一个传感器的前端，最前一个传感器的前端作为该光纤链路的前端，各长周期光纤光栅的耦合光谱分布的斜边带包含其所在同一个传感器中的布拉格光纤光栅的谐振中心波长。在同一光纤链路中，各个传感器的布拉格光纤光栅的谐振中心波长彼此不同，任意两个布拉格光纤光栅谐振中心波长的间距大于对应两个布拉格光纤光栅耦合谐振波长带的3dB带宽之和的一半。布拉格光纤光栅的谐振中心波长位于对应布拉格光纤光栅所在传感器的长周期光纤光栅耦合光谱分布的斜边带上。若各个布拉格光纤光栅在光纤链路上的空间位置按其谐振中心波长递增或递减的顺序排列，更便于传感信息的获取和计算。

由上述光纤链路形成的分布式光纤模式耦合生化传感系统包括有：宽带光源、宽带耦合器、初始布拉格光纤光栅、光纤链路、光纤光谱解调器和计算机。其中，宽带光源通过光纤连接到宽带耦合器的一个输入端，宽带耦合器的输出端通过光纤与初始布拉格光纤光栅连接，初始布拉格光纤光栅的另一端通过光纤连接到光纤链路的前端；宽带耦合器的另一个输入端通过光纤与光纤光谱解调器的光纤输入端连接，光纤光谱解调器通过数据接口(如RS232、485、USB、GPIB等标准数据接口)与计算机连接。初始布拉格光纤光栅到其最近的分布式光纤模式耦合生化传感器的距离大于1mm，其谐振中心波长处的耦合效率大于20％；初始布拉格光纤光栅的谐振中心波长与光纤链路中任意布拉格光纤光栅的谐振中心波长之间的距离大于初始布拉格光纤光栅和对应布拉格光纤光栅的耦合谐振波长带的3dB带宽之和的一半。光纤链路上的各个分布式光纤模式耦合生化传感器置于被测气体、化学成分或生物分子溶液中。

本分布式光纤模式耦合生化传感器、光纤链路及其传感系统的传感方法是利用波分复用、长周期光纤光栅的共振耦合衰减特性、布拉格光纤光栅的反射特性来获取温度、生物分子或化学成分的浓度或相互作用信息：(1)宽带光源的光经过宽带耦合器传输到初始布拉格光纤光栅，初始布拉格光纤光栅将其谐振中心波长处的光信号反射返回到宽带耦合器，作为传感系统的参考光信号，其余波长处的光从前端传输到光纤链路上的各个传感器中。(2)在各个分布式光纤模式耦合生化传感器中，光纤芯中的光传输到长周期光纤光栅时，长周期光纤光栅共振耦合波长带处的光将按照耦合效率的波长分布规律从光纤芯中被耦合到光纤包层中去，而位于长周期光纤光栅共振耦合斜边带处的光将被部分衰减，被衰减后留在光纤芯中的光继续传输到后端的布拉格光纤光栅；在该后端布拉格光纤光栅处，与该布拉格光纤光栅谐振中心波长一致的光将被反射回长周期光纤光栅，光纤芯中其余的光将透过该布拉格光纤光栅，传输到后一个传感器；光纤芯中被后端布拉格光纤光栅反射回到长周期光纤光栅的光将再次被部分耦合到光纤包层而被衰减，再次被衰减后的光经过该传感器前面的传感器和光纤而返回到宽带耦合器；返回到宽带耦合器的光受该传感器中长周期光纤光栅耦合光谱分布的调制，作为该传感器所在位置处的信号光，该信号光包含了本传感器处的温度、生物分子与化学成分信息。(3)传输到后一个传感器的光同样经历上述(2)的过程，被后一个传感器中布拉格光纤光栅反射而返回到宽带耦合器的光受其中长周期光纤光栅耦合光谱分布的调制，作为该传感器处的信号光，包含了该传感器处的温度、生物分子与化学成分信息；其余的光再继续传输到后一个传感器，直到最后一个传感器，并被对应传感器中的长周期光纤光栅耦合光谱分布的调制和布拉格光纤光栅反射而返回到宽带耦合器，返回到宽带耦合器的光又作为对应传感器处的信号光，包含了对应传感器处的温度、生物分子与化学成分信息。(4)反射返回到宽带耦合器的光被宽带耦合器和光纤传输到光纤光谱解调器，光纤光谱解调器获取光的光谱信息并通过数据接口送到计算机。这样，计算机获取的光谱信息包括初始布拉格光纤光栅反射的参考光、光纤链路中各个传感器后端的布拉格光纤光栅反射回的信号光。(5)长周期光纤光栅处的光纤包层上有对被测化学或生物分子的吸收或敏感膜层。当该吸收或敏感膜层与被测化学成分或生物分子相互作用时，温度、化学成分或生物分子的浓度和相互作用的大小将影响该吸收或敏感膜层的折射率和长周期光纤光栅的参数及其它性质，导致长周期光纤光栅共振耦合波长带及其共振耦合斜边带的漂移，则各个传感器后端布拉格光纤光栅反射返回的光信号将发生变化，该光信号包含了温度、化学成分或生物分子的信息。(6)计算机从光纤光谱解调器获取的光谱数据中得到各个布拉格光纤光栅反射光信息的幅值和波长位置，由此可得到外界温度、生物分子或化学成分的浓度或相互作用的分布信息。(7)在计算机计算温度、生物分子或化学成分的浓度或相互作用时，最前端传感器处的生物分子或化学成分信息以初始布拉格光纤光栅谐振中心波长处的光强作为参考信号，以最前端传感器中布拉格光纤光栅反射回的光信号作为信号光；其余传感器处的生物分子或化学成分信息以其本身布拉格光纤光栅反射回的光作为信号光，以其前一个传感器中布拉格光纤光栅反射回的光作为参考信号；用各个传感器中布拉格光纤光栅获取的温度信息对生物分子或化学成分的浓度或相互作用的测量值进行温度校正。这样，就用波分复用方法获得了光纤链路上各个传感器所在位置的生物分子或化学成分信息，同时消除了温度、光源和光路的干扰。

本传感器、光纤链路及其传感系统的优点：

本传感器和传感系统具有以下的优点：(1)本发明的传感器结构紧凑，集成在一段光纤上，结构微型化。(2)光纤链路和传感系统结构简单，不受光源和光路变化的影响。(3)本传感器和传感系统不需检测长周期光纤光栅谐振中心波长，测量精度高，且不需温度控制系统。(4)本传感系统可基于光纤、波分复用和空分复用方法实现生物分子、化学成分及温度的大范围分布式传感，系统组成、装配及其调试简单，提高了系统的可靠性。

总之，本分布式光纤模式耦合生化传感器和光纤链路的结构光纤化，由此传感器或光纤链路可构成分布式光纤模式耦合生化传感系统。该传感系统简单可靠，可获取化学或生物分子的浓度或相互作用的分布信息，且消除了温度、光源和光路等的干扰，提高了测量的可靠性。

附图说明

图1是本分布式光纤模式耦合生化传感器的结构图；

图2是本分布式光纤模式耦合生化传感系统的结构图；

图3是本分布式光纤模式耦合生化传感系统中计算机获取的光谱图。

具体实施方式

下面以测量人免疫球蛋白G(IgG)的蛋白浓度为例，结合附图进一步来说明上述传感器、光纤链路及其传感系统的实施，测量其它气体或溶液形式的化学成分或生物分子的实施方式与之相似，不同之处只是在各段光纤包层固化一层不同的生物分子或化学成分敏感膜层。

参见图1，本分布式光纤模式耦合生化传感器的结构有：光纤涂覆层1、光纤包层2、光纤纤芯3、生物分子敏感膜层4、长周期光纤光栅LPFG 5、布拉格光纤光栅FBG 6、保护套7，固化胶8，过渡缓冲套9。其制作方法是：(1)将一根光纤(光纤材料是石英或塑料，其芯径约9μm，包层直径125μm)的一段塑料保护涂层去除。(2)用波长约240nm的激光器和长周期光纤光栅掩模板(掩模板的周期根据所需要的耦合波长而定)照射去除了塑料保护涂层的光纤，写入长度约2cm的长周期光纤光栅。该长周期光纤光栅的耦合谐振中心波长为1560nm，谐振中心波长处的耦合效率约为5dB，3dB带宽为10nm。(3)在长周期光纤光栅的一边距离约4mm处的光纤上，用波长约240nm的激光器和布拉格光纤光栅模板(模板参数根据所需要的谐振中心波长而定)照射裸光纤，写入长度约5mm的布拉格光纤光栅，其谐振中心波长为1534nrn，反射率为95％，3dB带宽为0.4nm，写有布拉格光纤光栅的一端作为本传感器的后端，没有写入布拉格光纤光栅的另一端作为前端。(4)裸露出长周期光纤光栅处的整段光纤包层，其余去除了塑料保护涂层的光纤再涂敷上塑料保护涂层，并清洁长周期光纤光栅处的光纤包层。(5)将长周期光纤光栅处的光纤浸入浓度为100μg/ml纯化羊抗人IgG抗体的溶液中，在光纤包层上形成约200nm厚的羊抗人IgG抗体膜层，并用光纤光谱仪在线监测长周期光纤光栅的谐振中心波长的漂移，直到该谐振中心波长漂移到1540nm处为止，浸入时间约需1个多小时。(6)将制作了长周期光纤光栅、光纤包层、布拉格光纤光栅和纯化羊抗人IgG抗体敏感膜的这段光纤用固化胶(如环氧树脂)粘贴在有孔的保护套内壁，在保护套两端部分别装上过渡缓冲套以避免光纤的折断，再用胶封装好两端部，并标记前端，即可制作完毕一个分布式光纤模式耦合生化传感器。该保护套能够渗透被测的人IgG(即抗原)溶液，同时能使人IgG蛋白质分子与传感器上的纯化羊抗人IgG抗体敏感膜接触。(7)制作用在同一光纤链路中的其它传感器，其制作过程与上述方法中的基本步骤(1)～(6)相似；但在第(3)步制作的布拉格光纤光栅谐振中心波长与用在同一光纤链路中的其它任何传感器的布拉格光纤光栅谐振中心波长不同，制作出布拉格光纤光栅谐振中心波长分别为1534nm、1536nm、1544nm和1546nm的4个传感器；这4个传感器分别标示为S₁、S₂、S₃、S₄，各传感器的两端分别留有一段约500mm长的尾纤。(8)用环氧树脂将上述制作的四个传感器分别粘贴在各自的保护套内(也可不用粘贴到保护套内)，在没有写入布拉格光纤光栅的一端打上标记，作为前端。

由上述4个传感器S₁、S₂、S₃、S₄通过光纤串行连接为光纤链路。在该光纤链路中，串联的相邻两传感器的前端与后端相连，且各布拉格光纤光栅的谐振中心波长按序相邻递增(或递减)方式分布，即S₁的前端作为该光纤链路的前端，S₁的后端与S₂的前端连接，S₂的后端与S₃的前端连接，S₃的后端与S₄的前端连接。

本分布式光纤模式耦合生化传感系统的构成如图2所示，中心波长1540nm、带宽约40nm的宽带光源A耦合到光纤B1，光纤B1与宽带耦合器C的一个输入端相连，宽带耦合器C的另一个输入端通过光纤B3与光纤光谱解调器D(其波长分辨率为0.02nm，可测最小幅值为-70dBm，波长解调时间为1秒)连接，光纤光谱解调器D通过数据接口GPIB与计算机E相连，宽带耦合器C的输出端通过光纤B₂₀与初始布拉格光纤光栅G₀连接，初始布拉格光纤光栅G₀通过300mm的光纤与光纤链路的前端连接；光纤链路中的传感器S₁、S₂、S₃、S₄置于被测的人IgG溶液中；初始布拉格光纤光栅G₀的谐振中心波长为1555nm，其反射率为60％，其耦合波长带的3dB带宽为0.5nm。在本分布式传感系统中，1555nm处的光被初始布拉格光纤光栅反射到光纤光谱解调器，作为光源和光路的初始参考信号，其余波长处的光传输到光纤链路中的各个分布式光纤模式耦合生化传感器；在光纤链路的各传感器中，长周期光纤光栅将其共振耦合波长带处的一部分光共振耦合到光纤包层中去，使光纤芯中的光被衰减；留在光纤芯中的光经各传感器的布拉格光纤光栅反射和长周期光纤光栅再次共振耦合衰减而传输到光纤光谱解调器；各传感器的羊抗人IgG抗体敏感膜的折射率受其所在位置的化学成分或生物分子的影响，导致长周期光纤光栅谐振耦合波长带的漂移和变化，从而使对应传感器中布拉格光纤光栅反射回的光产生变化；光纤光谱解调器D获取初始参考信号光和各个传感器的信号光的光谱数据，并通过GPIB数据接口将其送到计算机E；计算机E计算从光谱数据中获取的光强和反射光中心波长，即可测量出各传感器分布位置的溶液中人IgG蛋白质的浓度及其与羊抗人IgG抗体敏感膜的相互作用过程。计算机获取的各信号光和参考信号光的光谱数据如图3所示。其测量和计算过程是先标定光纤链路中各传感器对人IgG蛋白质浓度的温度系数和敏感系数，然后测试各传感点处人IgG蛋白质的浓度及其与羊抗人IgG抗体敏感膜相互作用的过程，并进行温度补偿，从而实现人IgG蛋白质浓度的分布式传感检测和分析。该传感系统的浓度分辨率可小于1μg/ml，其时间分辨率可小于1.5秒。

Claims

1、分布式光纤模式耦合生化传感器，其特征在于：它在一根光纤上有一个长周期光纤光栅(5)，该长周期光纤光栅(5)的共振光谱分布有两个耦合斜边带；在长周期光纤(5)后端大于0.5mm处有一个布拉格光纤光栅(6)，该布拉格光纤光栅(6)的谐振中心波长在长周期光纤光栅(5)的一个耦合斜边带处；该光纤有光纤芯(3)和光纤包层(2)，光纤包层(2)位于光纤芯(3)外；在长周期光纤光栅(5)位置处的光纤包层(2)表面，有一层对被测化学成分或生物分子具有选择性的吸收或敏感膜层(4)；该吸收或敏感膜层(4)覆盖部分或整段的长周期光纤光栅(5)，吸收或敏感膜层(4)的折射率小于光纤包层(2)的折射率。

2、根据权利要求1所述的分布式光纤模式耦合生化传感器，其特征在于：所述长周期光纤光栅(5)谐振中心波长处的耦合效率为2-30dB，长周期光纤光栅(5)到布拉格光纤光栅(6)的距离大于0.5mm，所述吸收或敏感膜层(4)的厚度为3nm～200μm。

3、根据权利要求1或2所述的分布式光纤模式耦合生化传感器，其特征在于：在上述制作了长周期光纤光栅(5)、布拉格光纤光栅(6)、光纤包层(2)、吸收或敏感膜层(4)的这段光纤之外有一保护套(7)；该保护套上有小孔，保护套(7)的两端有引出光纤，通过固化胶(8)在两端部连接保护套(7)和传感器光纤，保护套(7)的两个光纤引出端部还有过渡缓冲套(9)。

4、由权利要求1或2所述的传感器形成的光纤链路，其特征在于：2个或2个以上的分布式光纤模式耦合生化传感器串联为光纤链路，该光纤链路中各传感器的前端和后端分别连接到相邻的前一个传感器的后端和后一个传感器的前端；任意两个布拉格光纤光栅谐振中心波长的间距大于对应两个布拉格光纤光栅耦合谐振波长带的3dB带宽之和的一半。

5、由权利要求3所述的传感器形成的光纤链路，其特征在于：2个或2个以上的分布式光纤模式耦合生化传感器串联为光纤链路，该光纤链路中各传感器的前端和后端分别连接到相邻的前一个传感器的后端和后一个传感器的前端；任意两个布拉格光纤光栅谐振中心波长的间距大于对应两个布拉格光纤光栅耦合谐振波长带的3dB带宽之和的一半。

6、由权利要求4所述的光纤链路而形成的分布式光纤模式耦合生化传感系统，其特征在于：它包括宽带光源、宽带耦合器、初始布拉格光纤光栅、光纤链路、光纤光谱解调器和计算机；所述宽带光源通过光纤连接到宽带耦合器的一个输入端，宽带耦合器的另一个输入端连接到光纤光谱解调器的光纤输入端，光纤光谱解调器通过数据接口连接到计算机，宽带耦合器的输出端通过光纤连接到初始布拉格光纤光栅，初始布拉格光纤光栅又通过光纤连接到光纤链路的前端；初始布拉格光纤光栅到其最近的分布式光纤模式耦合生化传感器的距离大于1mm，初始布拉格光纤光栅的谐振中心波长与光纤链路中任意布拉格光纤光栅的谐振中心波长之间的距离大于初始布拉格光纤光栅和对应的上述光纤链路中任意布拉格光纤光栅的耦合谐振波长带的3dB带宽之和的一半。

7、由权利要求5所述的光纤链路而形成的分布式光纤模式耦合生化传感系统，其特征在于：它包括宽带光源、宽带耦合器、初始布拉格光纤光栅、光纤链路、光纤光谱解调器和计算机；所述宽带光源通过光纤连接到宽带耦合器的一个输入端，宽带耦合器的另一个输入端连接到光纤光谱解调器的光纤输入端，光纤光谱解调器通过数据接口连接到计算机，宽带耦合器的输出端通过光纤连接到初始布拉格光纤光栅，初始布拉格光纤光栅又通过光纤连接到光纤链路的前端；初始布拉格光纤光栅到其最近的分布式光纤模式耦合生化传感器的距离大于1mm，初始布拉格光纤光栅的谐振中心波长与光纤链路中任意布拉格光纤光栅的谐振中心波长之间的距离大于初始布拉格光纤光栅和对应的上述光纤链路中任意布拉格光纤光栅的耦合谐振波长带的3dB带宽之和的一半。