CN104359868A - 基于m-z干涉的倾斜光纤光栅表面等离子体共振生物传感器 - Google Patents

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基于M-Z干涉的倾斜光纤光栅表面等离子体共振生物传感器，其特征在于：由宽带光源(1)、偏振分束棱镜(2)、光隔离器(3)、1×2的3dB耦合器(4)、2×2的3dB耦合器(5)、第一镀金膜/生物吸附层的倾斜光纤光栅(6)、第二镀金膜/生物吸附层的倾斜光纤光栅(7)、反应池(8)、光谱分析仪(9)和折射率匹配液(10)组成；光纤依次连接宽带光源(1)、偏振分束棱镜(2)和光隔离器(3)，1×2的3dB耦合器(4)一端连接光隔离器(3)，另外两端分别连接第一镀金膜/生物吸附层的倾斜光纤光栅(6)和第二镀金膜/生物吸附层的倾斜光纤光栅(7)，第一镀金膜/生物吸附层的倾斜光纤光栅(6)置于反应池(8)中，2×2的3dB耦合器(5)一边端口分别连接第一镀金膜/生物吸附层的倾斜光纤光栅(6)和第二镀金膜/生物吸附层的倾斜光纤光栅(7)，另外两端分别连接光谱分析仪(9)和折射率匹配液(10)。所述的基于M-Z干涉的倾斜光纤光栅表面等离子体共振生物传感器，具有高探测精度、高灵敏度，操作简易的优点。

Description

基于M-Z干涉的倾斜光纤光栅表面等离子体共振生物传感器
技术领域
本发明借助于倾斜光纤光栅，提出了一种基于M-Z干涉的倾斜光纤光栅(Tilted FiberBragg Grating，TFBG)表面等离子体共振(Surface plasmon resonance，SPR)生物传感器，属于光纤传感技术领域。
背景技术
金属的介电常数存在虚部，当光照射在金属上时，根据古斯-汉森位移理论，金属内部会产生沿着内界面向前传输的倏逝波；受外界干扰或者热涨落影响，金属-介质分界面的表面等离子体会产生集体振荡，形成沿金属表面向前传播的表面等离子体波。当倏逝波波矢等于表面等离子体波波矢时，就会产生共振，反射光能量急剧衰减，通过观察光谱仪上光谱峰值的变化，从而推导出被测液体折射率(浓度)的变化，这就是表面等离子体共振。
SPR技术在无需标记分子的情况下就可以进行高灵敏度的分子间相互作用的检测，在检测分子与分子相互作用的方面，SPR技术拥有极好的检测能力，由此被广泛用于生物、化学、材料、医药领域。20世纪初，研究者们就提出了两种基于棱镜结构的表面等离子体共振传感器，分别为Otto结构和Kretschmann结构。Kretschmann结构应用尤为广泛，目前国内外生产的SPR传感器也都是基于该结构。但是棱镜结构的SPR传感器存在体积大、制造工艺复杂的问题，目前国内生产的SPR传感器也只能用于实验室，很难普及。商用SPR传感器也是依赖于进口。
在这种情况下，基于光纤的SPR传感器应运而生，光纤SPR传感器已经成为研究热门。光纤SPR传感器体积更小，质量更轻，结构更简单，制造水平要求更低。本发明提出利用镀金/生物吸附层的TFBG作为传感部位，相比于普通的光纤SPR传感器，精度更高，可探测的生物分子更小。这种倾斜一致的光纤光栅足够产生一系列与波长有关的包层模式，并以不同的入射角度射向金属膜。简单改变光源的波长，几乎可以产生以不同角度射向纤芯-包层的任何模式。
发明内容
本发明的目的在于提供一种高精度的基于M-Z干涉的倾斜光纤光栅表面等离子体共振生物传感器。该装置能够将待测生物溶液浓度的变化量转化为探测信号干涉条纹的改变量。具有结构简单、易于操作、灵敏度高等特点。
本发明通过以下技术方案实现：
基于M-Z干涉的倾斜光纤光栅表面等离子体共振生物传感器，其特征在于：由宽带光源(1)、偏振分束棱镜(2)、光隔离器(3)、1×2的3dB耦合器(4)、2×2的3dB耦合器(5)、第一镀金膜/生物吸附层的倾斜光纤光栅(6)、第二镀金膜/生物吸附层的倾斜光纤光栅(7)、反应池(8)、光谱分析仪(9)和折射率匹配液(10)组成；光纤依次连接宽带光源(1)、偏振分束棱镜(2)和光隔离器(3)，1×2的3dB耦合器(4)一端连接光隔离器(3)，另外两端分别连接第一镀金膜/生物吸附层的倾斜光纤光栅(6)和第二镀金膜/生物吸附层的倾斜光纤光栅(7)，第一镀金膜/生物吸附层的倾斜光纤光栅(6)置于反应池(8)中，2×2的3dB耦合器(5)一边端口分别连接第一镀金膜/生物吸附层的倾斜光纤光栅(6)和第二镀金膜/生物吸附层的倾斜光纤光栅(7)，另外两端分别连接光谱分析仪(9)和折射率匹配液(10)。
所述的基于M-Z干涉的倾斜光纤光栅表面等离子体共振生物传感器，其特征在于：装置所用光纤皆为单模通信光纤SM28；利用M-Z干涉光路获取透射光的干涉光谱图；引入镀金膜/生物吸附层的倾斜光纤光栅作为传感部位，长度为20mm，通过简单改变光源的波长，几乎可以产生以不同角度射向纤芯-包层的任何模式，共振峰值的改变量更加明显，探测精度得到了大幅的提高；可以探测到更小的生物分子。
本发明的工作原理是：
宽带光源(1)发出不同波长的光，经偏振分束棱镜(2)后产生P偏正光，光隔离器(3)的使用主要是用于消除反射光对光源的影响。经1×2的3dB耦合器(4)后，光进入用于探测待测生物溶液浓度变化的第一镀金膜/生物吸附层的倾斜光纤光栅(6)，会产生表面等离子体共振现象，第二镀金膜/生物吸附层的倾斜光纤光栅(7)则不作处理，两个光纤中的光经过2×2的3dB耦合器(5)时，会产生干涉条纹。输出的光强会因共振强度的大小而不同。输出的光强I为：
I∝(1+cosδ)            (1)
共振强度的变化引起输出光强I发生变化，相位差δ随之发生变化，干涉条纹发生改变，通过干涉光谱波长漂移量可以推算出待测溶液浓度的变化。
本发明的有益效果是：因待测液体浓度的变化，镀金膜/生物吸附层的倾斜光纤光栅(6)的传感部位会发生明显的表面等离子体共振，透射光强大幅降低，用于参考的镀金膜/生物吸附层的倾斜光纤光栅(7)不作处理，两段光纤中的透射光经2×2的3dB耦合器(5)时，产生干涉，且干涉光谱波长漂移量会发生明显的变化，所测得的数据准确性更高。干涉光谱微小的波长漂移量都能够通过光谱分析仪(9)监测到，因此，该装置的探测精度、灵敏度都得到了大幅提高；引入倾斜光纤光栅后，通过改变入射光的偏正方向，光谱可调节范围更大。
附图说明
图1是本发明的一种基于M-Z干涉的倾斜光纤光栅表面等离子体共振生物传感器特征装置示意图。
具体实施方式
下面结合附图及实施实例对本发明作进一步描述：
基于M-Z干涉的倾斜光纤光栅表面等离子体共振生物传感器，其特征在于：由宽带光源(1)、偏振分束棱镜(2)、光隔离器(3)、1×2的3dB耦合器(4)、2×2的3dB耦合器(5)、第一镀金膜/生物吸附层的倾斜光纤光栅(6)、第二镀金膜/生物吸附层的倾斜光纤光栅(7)、反应池(8)、光谱分析仪(9)和折射率匹配液(10)组成；光纤依次连接宽带光源(1)、偏振分束棱镜(2)和光隔离器(3)，1×2的3dB耦合器(4)一端连接光隔离器(3)，另外两端分别连接第一镀金膜/生物吸附层的倾斜光纤光栅(6)和第二镀金膜/生物吸附层的倾斜光纤光栅(7)，第一镀金膜/生物吸附层的倾斜光纤光栅(6)置于反应池(8)中，2×2的3dB耦合器(5)一边端口分别连接第一镀金膜/生物吸附层的倾斜光纤光栅(6)和第二镀金膜/生物吸附层的倾斜光纤光栅(7)，另外两端分别连接光谱分析仪(9)和折射率匹配液(10)。
第一镀金膜/生物吸附层的倾斜光纤光栅(6)和第二镀金膜/生物吸附层的倾斜光纤光栅(7)的金膜厚度为50nm，传感部位长度为20mm，生物吸附层为牛血清蛋白，厚度为500μm，装置中光纤均采用单模通信光纤SMF28。

Claims (2)

1.基于M-Z干涉的倾斜光纤光栅表面等离子体共振生物传感器，其特征在于：由宽带光源(1)、偏振分束棱镜(2)、光隔离器(3)、1×2的3dB耦合器(4)、2×2的3dB耦合器(5)、第一镀金膜/生物吸附层的倾斜光纤光栅(6)、第二镀金膜/生物吸附层的倾斜光纤光栅(7)、反应池(8)、光谱分析仪(9)和折射率匹配液(10)组成；光纤依次连接宽带光源(1)、偏振分束棱镜(2)和光隔离器(3)，1×2的3dB耦合器(4)一端连接光隔离器(3)，另外两端分别连接第一镀金膜/生物吸附层的倾斜光纤光栅(6)和第二镀金膜/生物吸附层的倾斜光纤光栅(7)，第一镀金膜/生物吸附层的倾斜光纤光栅(6)置于反应池(8)中，2×2的3dB耦合器(5)一边端口分别连接第一镀金膜/生物吸附层的倾斜光纤光栅(6)和第二镀金膜/生物吸附层的倾斜光纤光栅(7)，另外两端分别连接光谱分析仪(9)和折射率匹配液(10)。
2.根据权利要求1所述的基于M-Z干涉的倾斜光纤光栅表面等离子体共振生物传感器，其特征在于：第一镀金膜/生物吸附层的倾斜光纤光栅长度为20mm，金膜厚度为50nm，生物吸附层为牛血清蛋白，厚度为500μm。
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