CN100432657C - 光纤模式耦合化学生物传感器、传感装置及其传感方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种光纤模式耦合化学生物传感器、传感装置及其传感方法，该传感器由一根光纤上的一个长周期光纤光栅、两个布拉格光纤光栅、在光纤包层表面的对化学或生物分子敏感的吸收或敏感膜层，构成一个光纤模式耦合化学生物传感器。该传感器实现光耦合共振衰减和波长选择功能的器件和光路、化学或生物分子敏感膜层都集成在一段光纤上，整个传感器完全光纤化，微型化。传感装置由宽带光源、光纤、宽带耦合器、光纤模式耦合化学生物传感器、光纤光谱仪和计算机组成。该装置可基于光纤链路实现遥测，也可采用复用方法实现生物分子、化学成分及温度的分布传感。其测试结果不受温度、光源和光路变化的影响，稳定可靠。

Description

光纤模式耦合化学生物传感器、传感装置及其传感方法

技术领域

本发明属于光纤传感、生物及化学技术领域，具体涉及一种光纤模式耦合化学生物传感器、传感装置及其传感方法。

背景技术

光纤化学与生物传感器是1970年代中期才诞生的一种新型传感技术，它把对化学或生物分子具有识别和换能作用的物质固化光纤上，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影响光纤波导性质来传感的。光纤化学与生物传感器的主要特点是传感器微型化、轻巧、价廉、耐用，传感器与被测样品间无电接触、安全无毒，无电磁干扰，噪声低，无废气废液，不需高压大电流，可实现远距离遥测，可用于易燃易爆场合，适于生物活体的实时连续分析检测，对环保和生物医学尤其适合。

光纤生物传感器主要有光纤表面等离子体共振传感器和光纤倏逝波传感器。另外，美国Luna公司采用长周期光纤光栅实现了生物传感器。它是在光纤芯上写入一个长周期光纤光栅，再在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。被测生物分子作用于其敏感膜层导致敏感膜层所在位置的长周期光纤光栅的耦合中心波长发生漂移。传感装置通过测量耦合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。目前，国内还没有类似的生物传感器。但该光纤生物传感器还存在一些缺点：(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影响传感系统的可靠性和准确性。(2)长周期光纤光栅耦合波长带较宽且很平坦，耦合中心波长的精确确定非常困难，其分辨率较低。(3)长周期光纤光栅受环境温度变化的影响很大，环境适应能力较弱，需要对传感器和被测物进行恒温控制。这些不足需要新的技术和方法加以克服与改进，以便更好地推广应用该生物传感技术。

发明内容

本发明的目的就在于针对现有技术存在的上述不足，提出一种光纤模式耦合化学生物传感器、传感装置及其传感方法。整个传感器完全光纤化，微型化，体积小；其传感装置可基于光纤链路实现遥测，消除了光源、光路、温度和电路系统的波动干扰，环境适应能力强，不需恒温控制，精确确定长周期光纤光栅耦合波长的漂移，测试结果稳定可靠。

本发明的技术方案如下：

本光纤模式耦合化学生物传感器，它是在一根光纤上有一个长周期光纤光栅，该光纤有光纤芯和光纤包层，光纤包层位于光纤芯外；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，根据被测化学或生物分子的吸收或敏感膜层的实际情况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，在去除了保护涂层的部分或整个长周期光纤光栅的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。在该长周期光纤光栅的两边各有一个布拉格(Bragg)光纤光栅(也称为短周期光纤光栅)，即在长周期光纤光栅的前端有一个布拉格光纤光栅，该布拉格光纤光栅谐振中心波长处的耦合效率(也称为反射率)可大于20％(最大耦合效率可为100％)，到长周期光纤光栅前端的距离大于0.5mm(最大距离可达几十公里)；在长周期光纤光栅的后端有另外一个布拉格光纤光栅，该布拉格光纤光栅的谐振中心波长在长周期光纤光栅共振耦合波长带的斜边带上，其谐振中心波长处的耦合效率较大，接近100％，到长周期光纤光栅后端的距离大于0.5mm(最大距离可达几十公里)。长周期光纤光栅两边的这两个布拉格光纤光栅的谐振中心波长之间距大于这两个布拉格光纤光栅谐振波长带3dB带宽之和的一半。以该光纤及其上的三个光纤光栅，以及光纤包层表面的吸收或敏感膜层就构成了光纤模式耦合化学生物传感器，该传感器的外径约125～1000μm。

为了方便使用和保护本传感器，在包含本光纤模式耦合化学生物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与该传感器光纤粘贴在一起，在保护套的光纤引出端部还有过渡缓冲套。

本传感器的传感原理是：(1)长周期光纤光栅处的光纤包层外有对化学或生物分子的吸收或敏感膜层。当光纤包层外的化学成分或生物分子与该吸收或敏感膜层产生相互作用时，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其它性质，进而影响光纤包层的有效折射率，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和耦合光谱分布的变化。该漂移或变化代表了外界化学成分或生物分子的浓度或相互作用的大小。(2)长周期光纤光栅共振耦合斜边带的漂移或变化将使后端布拉格光纤光栅反射回的信号光强发生变化，通过测量后端布拉格光纤光栅反射回的信号光强变化量就可获取外界化学成分或生物分子的浓度或相互作用信息。(3)前端布拉格光纤光栅反射回的光不受外界生物分子或化学成分的影响，作为参考信号光，代表了本传感器以外的光源和光路信息。用信号光强和参考信号光强之间的比值来获取化学成分或生物分子的浓度或相互作用信息，可消除本传感器以外的光强干扰。(4)环境和被测物的温度变化都将影响长周期光纤光栅和布拉格光纤光栅的谐振耦合中心波长的漂移，但两个布拉格光纤光栅的谐振耦合中心波长的漂移仅与温度有关，与外界化学成分或生物分子无关。因此，通过测量传感器的前端或后端布拉格光纤光栅的谐振耦合中心波长的漂移可获取温度信息，并对长周期光纤光栅共振耦合带漂移引起的反射光强变化进行温度补偿。(5)这样，通过测量前端和后端布拉格光纤光栅反射光信号的强度和中心波长就可实现化学成分与生物分子的浓度或相互作用的传感，并消除了温度、光源和光路等的干扰影响。

由上述光纤模式耦合化学生物传感器形成的传感装置包括有：宽带光源、光纤、宽带耦合器、光纤模式耦合化学生物传感器、光纤光谱解调器和计算机。其中，宽带光源和光纤光谱解调器分别通过光纤连接到宽带耦合器的两个输入端，宽带耦合器的输出端通过光纤同光纤模式耦合化学生物传感器的前端相连，计算机通过数据接口与光纤光谱解调器连接。传感器置于被测气体、化学成分或生物分子溶液中。

本传感器及其传感装置的传感方法是：(1)宽带光源的光经过光纤和宽带耦合器传输到光纤模式耦合化学生物传感器。(2)在本传感器中：(a)光纤纤芯中传输的宽带光到达前端的布拉格光纤光栅时，该布拉格光纤光栅耦合中心波长处的一部分光在光纤芯中被反射回宽带耦合器，作为参考信号光，其余波长处的光继续在光纤芯中传输。(b)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被耦合到光纤包层中去，从而使光纤芯中在长周期光纤光栅共振耦合斜边带处的光被部分衰减，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。(c)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纤芯中的光将被反射回长周期光纤光栅，而光纤芯中其余的光将透过该布拉格光纤光栅。(d)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被长周期光纤光栅再次部分耦合到光纤包层而被衰减。两次被长周期光纤光栅耦合衰减后而留在光纤芯中的光将受长周期光纤光栅耦合光谱分布的调制，作为信号光，并被传输到宽带耦合器。(3)信号光和参考信号光在本传感器中传输时感知被测化学成分或生物分子的温度、浓度或相互作用过程：(a)外界的化学成分或生物分子与长周期光纤光栅处的吸收或敏感膜层相互作用时，其温度、浓度或相互作用的大小影响该吸收或敏感膜层的折射率以及长周期光纤光栅的参数和其它性质，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和变化。该漂移和变化使后端布拉格光纤光栅反射回的信号光强发生变化，后端布拉格光纤光栅反射回的信号光强携带了外界化学成分或生物分子的温度、浓度或相互作用大小的信息。(b)前端布拉格光纤光栅反射回的光强不受外界生物分子或化学成分的影响，受温度的影响小，作为参考信号光，代表了本传感器以外的光源和光路信息。信号光强和参考信号光强携带了外界化学成分或生物分子的温度、浓度或相互作用信息，但可以消除本传感器以外的光强干扰。(c)两个布拉格光纤光栅的谐振耦合中心波长的漂移仅与温度有关，与外界化学成分或生物分子无关。传感器前端或后端布拉格光纤光栅的谐振耦合中心波长的漂移仅携带了温度信息。(d)这样，传感器的前端和后端布拉格光纤光栅反射光信号的强度和中心波长就感知了外界化学成分或生物分子的温度、浓度或相互作用信息，以及本传感器之外的光源和光路信息。(4)从传感器返回到宽带耦合器的信号光和参考信号光被耦合到宽带耦合器的输入端，并被传输到光纤光谱解调器。光纤光谱解调器得到信号光和参考信号光的光谱数据，并通过数据接口(如USB、RS232、485、GPIB等标准数据接口)将光谱数据送到计算机。(5)计算机获取这些光谱数据并据此计算出被测化学成分或生物分子的温度、浓度或相互作用的测量值，其具体计算步骤为：步骤1是在长周期光纤光栅谐振耦合光谱带漂移的线性范围内，标定传感器和传感装置的温度系数k₀和敏感系数k：(a)本传感器置于温度为T₀，而化学成分或生物分子的浓度或相互作用为0的标定物质中，计算机获取后端布拉格光纤光栅反射光谱的中心波长及其强度分别为λ₂₀和I_T0，获取前端布拉格光纤光栅反射光的强度为I₁₀；(b)化学成分或生物分子的浓度或相互作用仍然为0，而温度变化为T₁时，计算机获取后端布拉格光纤光栅反射光谱的中心波长及其强度分别为λ₂₁和I_T1；(c)温度为T₁，而化学成分或生物分子的浓度或相互作用变为参考标定点C₁时，计算机获取后端布拉格光纤光栅反射光谱的中心波长及其强度分别为λ₂₂和I₂₂，获取前端布拉格光纤光栅反射回的光强为I₁₂；(d)计算机计算出标定的温度系数k₀为

$k_0=\frac{I_{T1}-I_{T0}}{{\mathrm{\λ}}_{21}-{\mathrm{\λ}}_{20}}$

(e)在标定了温度系数k₀后，计算机再计算出标定的敏感系数k为

$k=\frac{C_1}{{[{\left(\frac{I_{22}-k_0({\mathrm{\λ}}_{22}-{\mathrm{\λ}}_{20})}{I_{12}}\right)}^{\frac{1}{2}}-{\left(\frac{I_{T0}}{I_{10}}\right)}^{\frac{1}{2}}]}^{\frac{1}{2}}}$

步骤2是实现化学成分或生物分子的浓度或相互作用的传感测量：(a)在对传感器进行标定或使用后，先用有离解和清洁作用的溶液浸泡和冲洗传感器，以使传感器的吸收或敏感膜层与其上已粘附的化学成分或生物分子分离，浸泡和冲洗时间与在标定或使用过程中所浸泡的时间基本一致；(b)然后再使传感器与被测物质接触，计算机获取光谱数据，计算机获取的后端布拉格光纤光栅反射光的中心波长及其光强分别为λ和I₂，获取的前端布拉格光纤光栅反射光的强度I₁，则传感装置测量出的化学成分或生物分子的浓度或相互作用C为

$C=k\{{\left[\frac{I_2-k_0\left({\mathrm{\λ}-\mathrm{\λ}}_{20}\right)}{I_1}\right]}^{\frac{1}{2}}{-{\left[\frac{I_{T0}}{I_{10}}\right]}^{\frac{1}{2}}\}}^{\frac{1}{2}}$

本传感装置在经过步骤1的标定得到温度系数k₀和敏感系数k后，由步骤2可实现化学成分或生物分子的浓度或相互作用C的测量。

这样，计算机依据上述传感器和传感装置得到的光谱数据，并按照上述计算步骤及其计算公式，可获取化学成分或生物分子的浓度或相互作用信息，获取的该信息消除了温度、光源和光路上的干扰。

本传感器、传感装置及其传感方法的优点是：(1)本发明的传感器结构紧凑，整个传感器集成在一段光纤上，结构微型化，体积小。这是本传感器的最大创新点。(2)传感装置的测试结果不受杂散光的影响，不受光源和光路变化的影响。(3)本传感方法和传感装置消除了温度变化的影响，稳定性好。(4)用本传感装置和多个本传感器可实现生物分子或化学成分的温度、浓度或相互作用的准分布式传感，也可基于光纤链路实现遥测，传感装置的构成、装配及其调试都简单。总之，本传感器、传感装置及其传感方法在一段光纤上可实现化学成分或生物分子的浓度或相互作用的测量与分析，精度高，环境适应性强，稳定性好。

附图说明

图1是光纤模式耦合化学生物传感器的结构图；

图2是光纤模式耦合化学生物传感装置的结构图；

图3是本发明涉及的传感装置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、传感装置及其传感方法的实施，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，本传感器的结构有：光纤涂覆层1、光纤包层2、光纤纤芯3、布拉格光纤光栅FBG14、生物分子敏感膜层5、长周期光纤光栅LPFG 6、布拉格光纤光栅FBG27、保护套8，固化胶9，过渡缓冲套10。其中，光纤材料是石英或塑料，在去除了塑料保护涂层的一段光纤，设有长度约20mm的长周期光纤光栅，该长周期光纤光栅的耦合中心波长为1560nm，中心波长处的耦合效率约12dB，3dB带宽为10nm；在长周期光纤光栅的一边，距离约4mm处的光纤上，设有长度约5mm的布拉格光纤光栅；该布拉格光纤光栅作为前端布拉格光纤光栅，其中心波长为1555nm，反射率为70％，3dB带宽为0.5nm；在长周期光纤光栅的另一边，距离约4mm处的光纤上，设有长度约5mm的另一个布拉格光纤光栅；该布拉格光纤光栅作为后端布拉格光纤光栅，其中心波长为1545nm，反射率为95％，3dB带宽为0.5nm；长周期光纤光栅所在位置的光纤包层是裸露的，其余处的光纤包层有塑料保护涂层；在该裸露的光纤包层上设有20～200nm厚的羊抗人IgG抗体膜层，该羊抗人IgG抗体膜层使长周期光纤光栅的共振耦合中心波长漂移到1540nm；整个传感器段光纤被用固化胶粘贴在有孔的保护套内壁，在保护套两端部分别设过渡缓冲套以避免光纤的折断，再用胶封装好两端部，并标记好前端。该保护套能使人IgG蛋白质分子与本传感器的传感段光纤包层上的纯化羊抗人IgG抗体敏感膜接触。

本传感装置的构成如图2所示。中心波长1550nm、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的输出端通过光纤B2与本光纤模式耦合化学生物传感器S的前端连接，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，本传感器S置于被测的人IgG溶液中。在本传感装置中，1555nm处的光被长周期光纤光栅LPFG前端的布拉格光纤光栅反射回光纤光谱解调器，作为光源和光路的参考信号光；长周期光纤光栅将波长1540nm附近约17nm宽的一部分光共振耦合到光纤包层中去，光纤芯中传输的光被长周期光纤光栅共振耦合而衰减；经长周期光纤光栅共振耦合部分光而衰减的1545nm处的光被后端布拉格光纤光栅反射，并经长周期光纤光栅再次共振耦合衰减后返回到光纤光谱解调器。光纤包层外的羊抗人IgG抗体敏感膜的折射率受外界化学成分或生物分子的影响，进而改变光纤包层的有效折射率，使长周期光纤光栅产生共振耦合的相位匹配条件发生变化，导致长周期光纤光栅共振中心波长漂移，从而使反射回光纤光谱解调器的1545nm波长处的光强发生变化。光纤光谱解调器D获取信号光和参考信号光的光谱分布数据，并将其送到计算机。计算机依据该光谱数据中的光强和耦合中心波长，计算并显示出溶液中人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。

计算机获取的光谱数据如图3所示，其测量和计算步骤为：(1)步骤1是标定传感器和传感装置的温度系数k₀和敏感系数k：在人IgG蛋白质分子浓度为0时，分别获取温度为10℃和40℃时1555nm和1545nm波长附近的光强度和耦合中心波长，并在人IgG蛋白质分子浓度为标定参考点10μg/ml时获取1555nm和1545nm波长附近处的反射光强和耦合中心波长；根据所述计算步骤1中的计算公式标定出本传感器和传感装置对人IgG蛋白质浓度的敏感系数k和温度系数k₀。(2)步骤2是实现人IgG蛋白质分子浓度的传感测量：用对人IgG蛋白质有离解和清洗作用的溶液浸泡本传感器，使纯化羊抗人IgG抗体敏感膜与粘附其上的人IgG蛋白质分离；将本传感器放在被测人IgG蛋白质的溶液中，传感装置中的计算机获取1555nm和1545nm波长附近处的光强和耦合中心波长，并根据该光强和耦合中心波长、标定的敏感系数k、温度系数k₀和所述计算步骤2中的计算公式，来计算得到被测人IgG蛋白质溶液的浓度及其与时间的关系，从而实现人IgG溶液的浓度及其与纯化羊抗人IgG抗体敏感膜的作用过程的传感测量。其浓度分辨率可小于1μg/ml，时间分辨率小于1.3秒。

Claims (7)

1、光纤模式耦合化学生物传感器，其特征在于：它在一根光纤上有一个长周期光纤光栅，该长周期光纤光栅的共振中心波长的两边有两个共振耦合斜边带；该光纤有光纤芯和光纤包层，光纤包层在光纤芯外；在该长周期光纤光栅位置处的光纤包层表面，有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，该吸收或敏感膜层的折射率小于光纤包层的折射率；在该长周期光纤的前端和后端大于0.5mm处各有一个布拉格光纤光栅，该后端布拉格光纤光栅的谐振中心波长在长周期光纤光栅共振耦合带的斜边带上，这两个布拉格光纤光栅的谐振中心波长之间距大于这两个布拉格光纤光栅谐振波长带3dB带宽之和的一半。

2、根据权利要求1所述的传感器，其特征在于：所述长周期光纤光栅的长度为0.5～5cm，其共振中心波长处的耦合效率为2～30dB，长周期光纤光栅距其两端的布拉格光纤光栅的距离大于0.5mm，对化学成分或生物分子具有选择性的吸收或敏感膜层的厚度3nm～200μm。

3、根据权利要求1或2所述的传感器，其特征在于：在上述长周期光纤光栅、两个布拉格光纤光栅、光纤包层、吸收或敏感膜层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与该传感器光纤粘贴在一起，在保护套的光纤引出端部还有过渡缓冲套。

4、由权利要求1或2所述的传感器形成的传感装置，其特征在于：它包括宽带光源、光纤、宽带耦合器、光纤模式耦合化学生物传感器、光纤光谱解调器和计算机；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连接到光纤模式耦合化学生物传感器的前端，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。

5、由权利要求3所述的传感器形成的传感装置，其特征在于：它包括宽带光源、光纤、宽带耦合器、光纤模式耦合化学生物传感器、光纤光谱解调器和计算机；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连接到光纤模式耦合化学生物传感器的前端，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。

6、由权利要求4所述传感装置的化学生物传感方法，其特征在于：通过光纤模式耦合化学生物传感器感知被测化学成分或生物分子的浓度或相互作用，光纤光谱解调器获取光纤模式耦合化学生物传感器反射回的光谱数据，计算机根据该光谱数据计算出被测化学成分或生物分子的浓度或相互作用；其具体步骤为：先标定计算出传感装置的温度系数，再标定计算出传感装置的敏感系数，最后再测量计算出被测生物分子或化学成分的浓度或相互作用；其标定和测量的计算公式分别为：

(1)传感装置的温度系数k₀为

$k_0=\frac{I_{T1}-I_{T0}}{{\mathrm{\λ}}_{21}-{\mathrm{\λ}}_{20}}$

其中，λ₂₀和I_T0分别是化学成分或生物分子的浓度为0且温度为T₀时，后端布拉格光纤光栅反射光谱的中心波长及其强度；

λ₂₁和I_T1分别是化学成分或生物分子的浓度为0而温度变化为T₁时，后端布拉格光纤光栅反射光谱的中心波长及其强度；

(2)传感装置的敏感系数k为

$k=\frac{C_1}{{[{\left(\frac{I_{22}-k_0({\mathrm{\λ}}_{22}-{\mathrm{\λ}}_{20})}{I_{12}}\right)}^{\frac{1}{2}}-{\left(\frac{I_{T0}}{I_{10}}\right)}^{\frac{1}{2}}]}^{\frac{1}{2}}}$

其中，C₁是标定时选取的化学成分或生物分子的浓度或相互作用的参考点；

λ₂₂、I₂₂和I₁₂分别是在参考点C₁且温度为T₁时的后端布拉格光纤光栅反射光谱的中心波长及其强度、前端布拉格光纤光栅反射回的光强；

I₁₀是化学成分或生物分子的浓度为0且温度为T₀时，前端布拉格光纤光栅反射光的强度；

k₀为标定的温度系数；

(3)传感装置获得的化学成分或生物分子的浓度或相互作用C为

$C=k{\{{\left[\frac{I_2-k_0(\mathrm{\λ}-{\mathrm{\λ}}_{20})}{I_1}\right]}^{\frac{1}{2}}-{\left[\frac{I_{T0}}{I_{10}}\right]}^{\frac{1}{2}}\}}^{\frac{1}{2}}$

其中，λ和I₂分别是测量时传感器后端布拉格光纤光栅反射光的中心波长及光强；

I₁是测量时传感器的前端布拉格光纤光栅反射光的强度；

k为传感装置的敏感系数。

7、由权利要求5所述传感装置的化学生物传感方法，其特征在于：通过光纤模式耦合化学生物传感器感知被测化学成分或生物分子的浓度或相互作用，光纤光谱解调器获取光纤模式耦合化学生物传感器反射回的光谱数据，计算机根据该光谱数据计算出被测化学成分或生物分子的浓度或相互作用；其具体步骤为：先标定计算出传感装置的温度系数，再标定计算出传感装置的敏感系数，最后再测量计算出被测生物分子或化学成分的浓度或相互作用；其标定和测量的计算公式分别为：

(1)传感装置的温度系数k₀为

$k_0=\frac{I_{T1}-I_{T0}}{{\mathrm{\λ}}_{21}-{\mathrm{\λ}}_{20}}$

其中，λ₂₀和I_T0分别是化学成分或生物分子的浓度为0且温度为T₀时，后端布拉格光纤光栅反射光谱的中心波长及其强度；

λ₂₁和I_T1分别是化学成分或生物分子的浓度为0而温度变化为T₁时，后端布拉格光纤光栅反射光谱的中心波长及其强度；

(2)传感装置的敏感系数k为

$k=\frac{C_1}{{[{\left(\frac{I_{22}-k_0({\mathrm{\λ}}_{22}-{\mathrm{\λ}}_{20})}{I_{12}}\right)}^{\frac{1}{2}}-{\left(\frac{I_{T0}}{I_{10}}\right)}^{\frac{1}{2}}]}^{\frac{1}{2}}}$

其中，C₁是标定时选取的化学成分或生物分子的浓度或相互作用的参考点；

λ₂₂、I₂₂和I₁₂分别是在参考点C₁且温度为T₁时的后端布拉格光纤光栅反射光谱的中心波长及其强度、前端布拉格光纤光栅反射回的光强；

I₁₀是化学成分或生物分子的浓度为0且温度为T₀时，前端布拉格光纤光栅反射光的强度；

k₀为标定的温度系数；

(3)传感装置获得的化学成分或生物分子的浓度或相互作用C为

$C=k{\{{\left[\frac{I_2-k_0(\mathrm{\λ}-{\mathrm{\λ}}_{20})}{I_1}\right]}^{\frac{1}{2}}-{\left[\frac{I_{T0}}{I_{10}}\right]}^{\frac{1}{2}}\}}^{\frac{1}{2}}$

其中，λ和I₂分别是测量时传感器后端布拉格光纤光栅反射光的中心波长及光强；

I₁是测量时传感器的前端布拉格光纤光栅反射光的强度；

k为传感装置的敏感系数。

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