CN102841054A - 一种耦合微腔光子分子的生物化学传感器 - Google Patents
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Abstract
本发明属传感器技术领域，具体为一种耦合微腔光子分子的生物化学传感器。本器件适合在生物化学领域做有极低探测极限的传感器，分别由熔锥光纤和两个相互耦合在一起的玻璃微泡组成，根据不同浓度的生物化学样品在两耦合微泡中形成的光子分子模式分支间距不同，进而实现生物化学传感器功能，具有结构紧凑，尺寸小，环境无敏感性较好，探测极限低，制作工艺比较简单以及成本低等优点。
Description
技术领域
本发明属传感器技术领域，具体涉及一种耦合微腔光子分子的生物化学传感器。
背景技术
在化学生物领域中，人们经常需要对微量的样品进行分析。例如，对核酸、蛋白质、病毒等尺度在纳米量级的颗粒进行研究，或者对水中的微量重金属离子进行检测。这些往往需要借助传感器，把微观世界的景象转换为可以认知的信号，才能完成微量探测。光学传感器是把分析物与敏感元件的相互作用转换为光信号进行探测。这种传感器不受电磁干扰，可进行远距离探测，并且由于可以用一个通路传输多组信号，其探测的信息量也很大。回音壁模式微腔的Q值最高，光子寿命最长，所以回音壁模式光学微腔传感器中，光子与分析物的相互作用最强，有利于获得更高的探测灵敏度；而且，Q值越高，光学模式线宽越窄，有利于获得更低的探测极限。两个耦合的回音壁模式光学微腔谐振波长相近时，形成的光子分子，由于本身有自参考的效应存在，对环境影响、测量用激光器中心波长漂移等因素的影响大大降低甚至完全免疫，所以基于此探测机理化学生物传感器的探测极限得到了进一步的降低。
发明内容
本发明的目的在于提出一种耦合微腔光子分子的生物化学传感器，以克服现有光学生物化学传感器存在的不足，具有结构紧凑、制作容差大、对环境影响免疫，以及探测极限低等优点。
本发明提出的耦合微腔光子分子的生物化学传感器，由如下部分依次组合构成：一段熔锥光纤，一个参考微腔和一个测量微腔,如图1所示。传感器横截面的结构从上到下如图2所示。
本发明中，参考微腔和测量微腔是两个相互耦合在一起的玻璃微泡。
所述的熔锥光纤直径最细处为1-3μm。
所述的参考微腔的直径为100-300μm之间，壁厚为5-10μm。
所述的测量微腔的直径为100-300μm，壁厚为2-5μm，内壁上涂覆一层被检测样品的特异性配体，该部分两端与软管相连，用于流入被测样品。
本发明原理如下：首先，对于单个微泡状的回音壁模式的微腔，当内部流过的样品折射率发生改变或回音壁内壁有颗粒吸附时，会引起谐振波长的改变。当两相互耦合的回音壁微腔，在各自谐振波长重合或接近时会产生光子分子的效应。熔锥光纤1主要成分为二氧化硅，直径为1-3μm，搭靠在参考微腔2上，参考微腔主要成分为二氧化硅，直径为100-300微米范围，壁厚为2-20μm。从熔锥光纤[1]的透射谱中可以观察到两个谐振波长，当其中测量微腔3（成分为二氧化硅，直径在100-300μm之间，壁厚为2-5μm）光学参数发生改变时会引起形成的光子分子模式的改变，导致透射谱上模式间隔距离和透射深度的改变，通过对器件透射谱波长的变化可以对样品进行检测。
本发明中，参考微腔和测量微腔所处的环境相同，测量的信号为二者参考得到的结果，环境对测量信号的影响大大降低，从而可以达到更高的探测极限。
本发明中，测量微腔内壁可以涂覆相应探测物的特异性配体从而对被测生物样品进行特异性探测。
附图说明
图1是耦合微腔光子分子的生物化学传感器结构示意图。
图2是耦合微腔光子分子的生物化学传感器横截面结构示意图。
图3 是测量微腔模场截面图。
图4 是测量微腔有效折射率改变与体系透射谱关系。
图5 是测量微腔有效折射率改变与劈裂间隔关系。
图中标号：1. 熔锥光纤, 2. 参考微腔, 3. 测量微腔。
具体实施方式
下面通过具体实例进一步描述本发明：
实例：利用该耦合微腔光子分子的生物化学传感器对牛血清白蛋白（BSA）分子进行检测
1．采用的测量波长在1550nm附近。
2．熔锥光纤直径为2微米，并搭靠在参考腔上。
3．微腔为微泡型微腔，如图1，2所示，参考微腔直径为260μm，壁厚为8μm；测量微腔直径为280μm，壁厚为2.5μm。
4．测量微腔经被APTMS修饰后可以吸附BSA分子，被测量样品在其内部流动，样品中的BSA分子被测量微腔内壁吸附后会引起测量微腔有效射射率的改变，从而导致熔锥光纤透射谱的改变，实现对BSA分子的探测，测量微腔模场截面如图3所示。
5．当测量微腔内有效折射率产生变化时，与参考微腔耦合形成的光子分子，体系透射谱随有效折射率差的改变而改变，如图4所示。
6．由于自参考效应，测量结果对激光器中心波长的漂移免疫，同时环境因素对信号影响大大降低，精度可达11fm。计算得到测量微腔有效折射率改变与劈裂间隔关系，如图5所示。
实验中观察到了200pg/ml浓度的BSA分子对透射谱产生的1pm变化，等噪声探测极限为2pg/ml。
Claims (5)
1.一种耦合微腔光子分子的生物化学传感器，其特征在于如下部分依次组合构成：一段熔锥光纤，一个参考微腔和一个测量微腔。
2.根据权利要求1所述的生物化学传感器，其特征在于参考微腔和测量微腔是两个相互耦合在一起的玻璃微泡。
3.根据权利要求1所述的生物化学传感器，其特征在于熔锥光纤直径最细处为1-3μm。
4.根据权利要求1所述的生物化学传感器，其特征在于参考微腔的直径为100-300μm之间，壁厚为5-10μm。
5.根据权利要求1所述的生物化学传感器，其特征在于测量微腔的直径为100-300μm，壁厚为2-5μm，内壁上涂覆一层被检测样品的特异性配体，该部分两端与软管相连，用于流入被测样品。
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