CN104596941A - 复合式极大倾角光纤光栅生化传感器及其制作方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了复合式极大倾角光纤光栅生化传感器及其制作方法；复合式极大倾角光纤光栅生化传感器，包括光纤纤芯和光纤包层，其特点是：所述光纤纤芯的前段设置第一倾斜光纤光栅，该第一倾斜光纤光栅的倾斜光栅条纹与光纤纵向轴的夹角为45°；所述光纤纤芯中段的前半段设置第二倾斜光纤光栅，该第二倾斜光纤光栅的倾斜光栅条纹与光纤纵向轴的夹角为79°～84°；所述光纤纤芯中段的后半段设置光纤Bragg光栅；在所述光纤包层前段和后段的外表面涂覆有光纤保护涂覆层；在所述光纤包层中段的外表面吸附有硅烷层；所述硅烷层的外表面设置有适体层，该适体层对目标生物分子或待测化学成分具有选择性吸收或敏感的特性，可广泛应用于生物、化工、医学、生命科学等领域。

Description

复合式极大倾角光纤光栅生化传感器及其制作方法

技术领域

本发明涉及光纤传感器，具体涉及复合式极大倾角光纤光栅生化传感器及其制作方法。

背景技术

随着众多生物医学、生命科学应用的快速发展，光学及其技术已经进入一个重要的交叉领域——生物光学。这个庞大交叉领域中的一个焦点——光学传感器正经历一个新的变革，即研究开发新型结构的光纤生化信息传感器。由于这个交叉领域的快速发展，具有极高生物灵敏度和选择性的光纤生化信息传感器是可行的，并有可能代替传统的溶液化验的方法应用于基因、营养、药物的探索和发现，同样用于食品工业、国家安全和环境监测中。

在过去的十年中，光纤光栅以其微型尺寸、抗干扰能力强、高灵敏度、高精度、实时性好、绝对测量等优点，为光学传感器家族在航空、航海和民用工程结构监测、海下油田以及许多其他领域的应用提供了基础。同样，通过开发对外部介质折射率敏感的光纤光栅生化信息传感器已成为这个交叉领域的研究热点之一，如，使用它测量气/液相浓度或监测生物活性膜厚度、抗体-抗原反应和DNA反应中参数的变化，来实现对生物医学、生命科学等领域中各种现象的分析。以上光纤光栅生化信息传感器的基本原理都是通过测量外部介质折射率的微小变化量，间接的估算被测参量的值或评估生化过程参量的状态信息。

光纤光栅包括光纤Bragg光栅和长周期光纤光栅两种基本类型。其中，和长周期光纤光栅的谐振是由纤芯模到同向包层模的耦合形成的，而包层模的倏逝场可渗透至外部液相介质中，因此长周期光纤光栅本质上不需要经过任何处理即可实现折射率的传感，但是，长周期光纤光栅不仅对折射率十分的敏感，而且对温度、应变等物理参数也十分的敏感，因此当将其应用于生化方面的传感时，会存在严重的交叉敏感问题。而光纤Bragg光栅是同向纤芯基模到反向纤芯基模的耦合，其倏逝场的能量仅仅局限于纤芯的内部，因此它本质上对折射率不敏感，仅对温度和应变敏感。

2006年英国Aston大学光子技术研究中心提出了一种极大倾角(79°～84°)光纤光栅，能将纤芯模耦合到同向包层模中，因此其对外部介质的折射率也非常敏感。该类光栅的周期～32μm，介于普通长周期光纤光栅(～550μm)和光纤Bragg光栅(0.5μm)之间，因此，极大倾角(79°～84°)光纤光栅可近似的看成周期很短的长周期光纤光栅。更重要的是，由于极大倾斜条纹的引入大大的增强了光纤的双折射效应，因此极大倾角(79°～84°)光纤光栅体现出很强的偏振相关性，研究表明：其在1200nm～1700nm的透射谱中，存在一系列间距40nm～70nm的偏振相关谐振峰，其中长波和短波谐振峰分别对应高阶和低阶包层模，且每个谐振峰内的双峰间距为4nm～7nm，这两种波长间距都具有模式相关性，随包层模阶数的增大而增大。另外，实验还表明：不同谐振峰的温度和折射率灵敏度均具有模式相关性，随包层模阶数的增大，温度灵敏度由～3.0pm/℃增大到～7.0pm/℃，折射率灵敏度由～150nm/RIU增大到～380nm/RIU(外部介质折射率为～1.33时)，可见其折射率灵敏度较长周期光纤光栅的高5～6倍。此外，由于其谐振峰的3dB带宽仅4nm～7nm，而长周期光纤光栅的3dB带宽一般>20nm，因此，极大倾角(79°～84°)光纤光栅用于外部介质折射率的测量，将比长周期光纤光栅具有高5～6倍灵敏度和几倍的测量精度(即，具有高几倍的Q值)。

考虑到普通光纤Bragg光栅的温度灵敏度～10pm/℃，因此，如果能将光纤Bragg光栅和极大倾角(79°～84°)光纤光栅级联起来，并在极大倾角(79°～84°)光纤光栅的表面固定一层生物或化学分子敏感膜，将构成一种对相应的目标生物或化学分子十分灵敏的、具有温度补偿功能的新型复合式光纤光栅生化传感器。

目前已报道的各类具有温度补偿功能的复合式光纤光栅生化传感器，大多都是基于光纤Bragg和长周期光纤光栅的复合，而将光纤Bragg光栅和极大倾角(79°～84°)光纤光栅级联的复合式生化传感器，国内外上尚无相关报道。

发明内容

针对上述已有技术存在的缺陷，本发明所要解决的技术问题在于提供复合式极大倾角光纤光栅生化传感器及其制作方法。

为了解决上述技术问题，根据本发明的第一个技术方案，复合式极大倾角光纤光栅生化传感器，包括光纤纤芯和包裹光纤纤芯的光纤包层，其特点是：所述光纤纤芯的前段设置第一倾斜光纤光栅，该第一倾斜光纤光栅的倾斜光栅条纹与光纤纵向轴的夹角为45°；该第一倾斜光纤光栅作为复合式生化传感器的起偏器；所述光纤纤芯中段的前半段设置第二倾斜光纤光栅，该第二倾斜光纤光栅作为光纤纤芯和光纤包层的光共振耦合器；该第二倾斜光纤光栅的倾斜光栅条纹与光纤纵向轴的夹角为79°～84°；所述第一倾斜光纤光栅的快轴和慢轴分别与所述第二倾斜光纤光栅的快轴和慢轴平行；所述光纤纤芯中段的后半段设置光纤Bragg光栅；在所述光纤包层前段和后段的外表面涂覆有光纤保护涂覆层；在所述光纤包层中段的外表面吸附有硅烷层；所述硅烷层的外表面设置有适体层，该适体层对目标生物分子或待测化学成分具有选择性吸收或敏感的特性。

本发明对第二倾斜光纤光栅和光纤Bragg光栅的表面吸附一层对生物分子或化学成分敏感的适体层，利用光纤Bragg光栅，作为温度补偿传感器件，这就构成一种对相应的目标生物或化学分子十分灵敏的、具有温度补偿功能的新型复合式光纤光栅生化传感器，利用光纤包层的倏逝波、光纤Bragg光栅和极大倾角(79°～84°)光纤光栅的谐振波长漂移特性来测量或定量/定性分析生物分子、化学成分的浓度以及生化过程的温度变化。

本发明将传感器所需要的光纤起偏器件即第一倾斜光纤光栅、极大倾角光纤光栅传感器即第二倾斜光纤光栅、生物或化学分子敏感膜即第二倾斜光纤光栅和光纤Bragg光栅表面的适体层、温度补偿单元即光纤Bragg光栅都集成在一段光纤上，使整个传感器完全光纤化、微型化，且结构简单、体积小，环境适应能力强，不需恒温控制，精确确定该极大倾角(79°～84°)光纤光栅和光纤Bragg光栅的耦合波长的漂移，测试结果稳定可靠。

本发明具有一般光纤传感器的优越性，不易受电磁干扰，传感器尺寸小、轻，无毒绝缘，无电流，适于强酸、强碱、高温高压、易燃易爆等恶劣环境，尤其在生物医学领域用于药物、病原体等原位测量时具有高度安全性。另外，与传统的光纤光栅生化传感器比较而言，本发明还有很多独特的优点，包括：本传感器结构独特巧妙，45°倾斜光纤光栅作为一个全光纤的起偏器，且它的快轴和慢轴分别与极大倾角(79°～84°)光纤光栅的快轴和慢轴完全平行，保证了以极高的效率激发高阶包层模的P偏振模的倏逝场。使用极大倾角(79°～84°)光纤光栅作为生化信息的敏感单元，其温度灵敏度在3.0pm/℃到7.0pm/℃之间，比长周期光纤光栅的温度灵敏度低两个数量级，与光纤Bragg光栅的温度灵敏度相当，因此，其测量过程中的交叉敏感效应非常的小，当使用光纤Bragg光栅作为温度补偿单元，最后得到的计算温度及折射率的二维矩阵的健康程度非常良好；而其折射率灵敏度在～150nm/RIU到～380nm/RIU之间，比长周期光纤光栅的折射率灵敏度高5～6；此外，极大倾角(79°～84°)光纤光栅的其谐振峰的3dB带宽仅4nm～7nm，比长周期光纤光栅的3dB带宽低几倍以上，因此，其对外部介质折射率的测量精度将比长周期光纤光栅的高几倍以上，即具有很高的信噪比和Q值系数。本发明与基于小角度<11°的倾斜光纤光栅的方案相比具有更明显的偏振相关效应和高得多的折射率灵敏度；与基于腐蚀型或研磨型光纤Bragg光栅的方案相比可不需对包层处理，保持了传感器的鲁棒性和可靠性；此外，其尺寸和温度交叉敏感效应比以上三类光栅的都小；因此具有良好应用前景。

总之，本传感器结构独特，微型化，光纤化，第二倾斜光纤光栅是极大倾角(79°～84°)光纤光栅，利用极大倾角光纤光栅的高阶包层模的谐振波长及强度特性来测量生物分子或化学成分，利用光纤Bragg光栅作为温度补偿传感单元，在一段光纤上实现了一个完整的具有极强偏振相关性的高折射率灵敏度、高折射率分辨率、高Q值和性能十分稳定的新型复合式极大倾角光纤光栅生化传感器。

根据本发明所述的复合式极大倾角光纤光栅生化传感器的一个优选方案，在适体层外设置有保护套，该保护套上设置有分子孔筛，以使目标生物或化学分子能够渗透分子孔筛，与传感器的适体层接触。

根据本发明所述的复合式极大倾角光纤光栅生化传感器的一个优选方案，第一倾斜光纤光栅的长度为20～30mm，第二倾斜光纤光栅的长度为10～30mm，第一倾斜光纤光栅与第二倾斜光纤光栅之间的光纤长度为20～30mm；第二倾斜光纤光栅与光纤Bragg光栅之间的光纤长度为20～30mm，光纤Bragg光栅的长度2～10mm。

复合式极大倾角光纤光栅生化传感器的制作方法，其特征在于：包括如下步骤：

第一步：取一根单模裸光纤，该单模裸光纤只具有光纤纤芯以及包裹光纤纤芯的光纤包层，对该单模裸光纤进行载氢处理；

第二步：制作第一倾斜光纤光栅(4)：用双频Ar⁺激光器作为光源，使用扫描幅度掩膜法在单模裸光纤的光纤纤芯前段上制作第一倾斜光纤光栅；设置幅度掩膜板的干涉条纹与光纤水平轴的夹角为33.7°，得到的第一倾斜光纤光栅的倾斜光栅条纹与光纤纵向轴的夹角为45°；该第一倾斜光纤光栅作为复合式生化传感器的起偏器；

第三步：制作第二倾斜光纤光栅(5)：用双频Ar⁺激光器作为光源，使用扫描幅度掩膜法，在该单模裸光纤的光纤纤芯中段的前半段制作第二倾斜光纤光栅；设置幅度掩膜板的干涉条纹与光纤水平轴向的夹角为78°～80°，得到的第二倾斜光纤光栅的倾斜光栅条纹与光纤纵向轴的夹角为79°～84°；该第二倾斜光纤光栅作为光纤纤芯和光纤包层的光共振耦合器；

第四步：制作光纤Bragg光栅：用双频Ar⁺激光器作为光源，使用相位掩膜法，在该单模光纤纤芯中段的后半段制作光纤Bragg光栅；

第五步：使用光纤涂覆机，在光纤包层的前段和后段表面上涂覆上一层多聚物光纤保护涂覆层；

第六步：使用浓度为5％～8％的硝酸清洁光纤表面，利用硅烷偶联剂溶液对光纤包层中段的外表面进行硅烷化处理，在其外表面形成硅烷层。

根据本发明所述的复合式极大倾角光纤光栅生化传感器制作方法的优选方案，为了提高传感器对特定生物或化学分子的选择性、特异性和灵敏度，该方法还包括第七步：在硅烷层的表面固定适体层，该适体层对目标生物分子或待测化学成分具有选择性吸收或敏感的特性，可测量或分析生物分子及化学成分。

第八步：在第二倾斜光纤光栅和光纤Bragg光栅的识别层外设置保护套；该保护套上设置有分子孔筛，以使目标生物分子或待测化学分子能够渗透分子孔筛，与传感器的适体层接触。

根据本发明所述的复合式极大倾角光纤光栅生化传感器制作方法的优选方案，第一倾斜光纤光栅的长度为20～30mm，第二倾斜光纤光栅的长度为10～30mm，光纤Bragg光栅的长度2mm～10mm；第一倾斜光纤光栅与第二倾斜光纤光栅之间的光纤长度为20～30mm；第二倾斜光纤光栅与光纤Bragg光栅之间的光纤长度为20mm～30mm。

本发明所述的复合式极大倾角光纤光栅生化传感器及其制作方法的有益效果是，本发明将传感器所需要的光纤起偏器件即第一倾斜光纤光栅、极大倾角光纤光栅传感器即第二倾斜光纤光栅、生物或化学分子敏感膜即第二倾斜光纤光栅和光纤Bragg光栅表面的适体层、温度补偿单元即光纤Bragg光栅都集成在一段光纤上，结构独特，制作方法简单，微型化，光纤化；利用极大倾角光纤光栅的高阶包层模的谐振波长及强度特性来测量生物分子或化学成分，利用光纤Bragg光栅作为温度补偿传感单元，在一段光纤上实现了一个完整的具有极强偏振相关性的高折射率灵敏度、高折射率分辨率和高Q值的新型复合式极大倾角光纤光栅生化传感器，可广泛应用于生物、化工、医学、生命科学等行业。

附图说明

下面结合附图对本发明作详细说明。

图1复合式极大倾角光纤光栅生化传感器的结构图。

图2是第一倾斜光纤光栅4与第二倾斜光纤光栅5的快慢轴方向及偏振光传输光路示意图。

图3是复合式极大倾角光纤光栅生化传感器系统的结构示意图。

图4是复合式极大倾角光纤光栅生化传感器系统中计算机获取的信号光谱图。

图5是第一倾斜光纤光栅4的纤芯栅区显微实物图示例。

图6是第二倾斜光纤光栅5的纤芯栅区显微实物图示例。

具体实施方式

参见图1至图6，复合式极大倾角光纤光栅生化传感器，包括光纤纤芯3和包裹光纤纤芯3的光纤包层2，其特征在于：所述光纤纤芯3的前段设置第一倾斜光纤光栅4，该第一倾斜光纤光栅4的倾斜光栅条纹与光纤纵向轴的夹角θ为45°；该第一倾斜光纤光栅4作为复合式生化传感器的起偏器；所述光纤纤芯3中段的前半段设置第二倾斜光纤光栅5，该第二倾斜光纤光栅5作为光纤纤芯3和光纤包层2的光共振耦合器；该第二倾斜光纤光栅5的倾斜光栅条纹与光纤纵向轴的夹角δ为79°～84°；所述第一倾斜光纤光栅4的快轴和慢轴分别与所述第二倾斜光纤光栅5的快轴和慢轴平行；所述光纤纤芯3中段的后半段设置光纤Bragg光栅6；在所述光纤包层2前段和后段的外表面涂覆有光纤保护涂覆层1；在所述光纤包层2中段的外表面吸附有硅烷层7；所述硅烷层7的外表面设置有适体层8，该适体层8对目标生物分子或待测化学成分具有选择性吸收或敏感的特性；该适体层8的厚度大于3nm。光纤Bragg光栅6作为温度补偿传感器件。

在适体层8外设置有保护套9，该保护套9上设置有分子孔筛，以使目标生物分子或待测化学分子渗透分子孔筛，与传感器的适体层接触。

第一倾斜光纤光栅的长度为20～30mm，第二倾斜光纤光栅的长度为10～30mm，光纤Bragg光栅的长度2～10mm；第一倾斜光纤光栅与第二倾斜光纤光栅之间的光纤长度为20～30mm；第二倾斜光纤光栅与光纤Bragg光栅之间的光纤长度为20～30mm。第一倾斜光纤光栅偏振相关传输损耗谱的半带宽约200nm，在约1550nm的谐振中心波长处的偏振相关损耗>25dB；第二倾斜光纤光栅的光栅周期约32μm，在波长约1550nm处具有一组偏振相关谐振峰，其两个相互垂直的偏振相关谐振峰的最大耦合效率>10dB。

复合式极大倾角光纤光栅生化传感器的制作方法，包括如下步骤：

包括如下步骤：

第一步：取一根单模裸光纤，该单模裸光纤只具有光纤纤芯3以及包裹光纤纤芯3的光纤包层2；

第二步：制作第一倾斜光纤光栅4：用双频Ar⁺激光器作为光源，使用扫描幅度掩膜法在单模裸光纤的光纤纤芯3前段上制作第一倾斜光纤光栅；设置幅度掩膜板的干涉条纹与光纤水平轴Z的夹角为33.7°，得到的第一倾斜光纤光栅的倾斜光栅条纹与光纤纵向轴的夹角θ为45°；该第一倾斜光纤光栅4作为复合式生化传感器的起偏器；

第三步：制作第二倾斜光纤光栅5：用双频Ar⁺激光器作为光源，使用扫描幅度掩膜法，在该单模裸光纤的光纤纤芯3中段的前半段制作第二倾斜光纤光栅；设置幅度掩膜板的干涉条纹与光纤水平轴Z的夹角为78°～80°，且双频Ar⁺激光器的激光入射方向与第二步中写入第一倾斜光纤光栅4时的激光入射方向相同，从而可以保证第一倾斜光纤光栅4的快、慢轴即X₁、Y₁方向与第二倾斜光纤光栅的快、慢轴即X₂、Y₂方向完全一致，得到的第二倾斜光纤光栅的倾斜光栅条纹与光纤纵向轴的夹角δ为79°～84°；该第二倾斜光纤光栅5作为光纤纤芯3和光纤包层2的光共振耦合器；

第四步：制作光纤Bragg光栅6：用双频Ar⁺激光器作为光源，使用相位掩膜法，在该单模光纤纤芯中段的后半段制作光纤Bragg光栅6；

第五步：使用光纤涂覆机，在光纤包层2的前段和后段表面上涂覆上一层多聚物光纤保护涂覆层；

第六步：使用浓度为5％～8％的硝酸清洁光纤表面，利用硅烷偶联剂溶液APTES或APTMS对光纤包层中段的外表面进行硅烷化处理，在其外表面形成硅烷层7。

第七步：在硅烷层7的表面固定适体层8，该适体层8对目标生物分子或待测化学成分具有选择性吸收或敏感的特性。适体层8提高传感器对特定生物分子或化学的选择性、特异性和灵敏度。

比如，制作测试凝血酶蛋白生物分子的传感器时，使用凝血酶寡核苷酸适体对第二倾斜光纤光栅和光纤Bragg光栅进行孵化，在硅烷层7的表面形成厚度约几十nm的凝血酶寡核苷酸适体层。如，制作测试免疫球蛋白抗原的传感器时，使用免疫球蛋白抗体对第二光纤光栅和光纤Bragg光栅进行孵化，在硅烷层7的表面形成厚度约几十nm的免疫球蛋白抗体层；再如，制作测试血糖溶液的葡萄糖分子浓度的传感器时，使用葡萄糖氧化酶对第二倾斜光纤光栅和光纤Bragg光栅进行孵化，在硅烷层7的表面形成厚度约几十nm的葡萄糖氧化酶适体层；等等。

第八步：在第二倾斜光纤光栅和光纤Bragg光栅的适体层8外设置保护套9；该保护套9上设置有筛孔，以使目标生物分子或待测化学分子能够渗透分子孔筛，与传感器的适体层接触；在光纤的前段和后段外表面，安装过渡缓冲套10，以避免光纤被折断。

在具体实施例中，第一倾斜光纤光栅的长度为20～30mm，第二倾斜光纤光栅的长度为10～30mm，第一倾斜光纤光栅与第二倾斜光纤光栅之间的光纤长度为20～30mm；第二倾斜光纤光栅与光纤Bragg光栅6之间的光纤长度为20～30mm；光纤Bragg光栅的长度2～10mm；第一倾斜光纤光栅偏振相关传输损耗谱的半带宽约200nm，在约1550nm的谐振中心波长处的偏振相关损耗>25dB；第二倾斜光纤光栅的光栅周期约32μm，在波长约1550nm处具有一组偏振相关谐振峰，其两个相互垂直的偏振相关谐振峰的最大耦合效率>10dB。

本发明的传感原理是利用极大倾角光纤光栅将光纤纤芯模式耦合到同向的高阶包层模式，利用极大倾角光纤光栅的高阶包层模的谐振波长及强度特性来传感化学或生物信息，而光纤Bragg光栅起到的温度补偿的作用；第一倾斜光纤光栅4即45°倾斜光纤光栅具有起偏器的作用，而且是全光纤化器件，光纤纤芯中传输的光达到45°倾斜光纤光栅时，它可将入射光11的S偏振分量12反射到光纤之外，只让P偏振分量13通过。由于45°倾斜光纤光栅的快轴X₁和慢轴Y₁分别与极大倾角光纤光栅的快轴X₂和慢轴Y₂完全平行，P偏振线偏光通过光纤传输到极大倾角光纤光栅之后，将会作为纤芯其中的一个正交耦合模被耦合到包层的高阶包层模中，该高阶包层模的倏逝场穿过光纤包层，并作用于适体层8。在光纤包层光倏逝波的作用过程中，生物分子和化学成分的种类、数量或浓度的变化将影响适体层8的折射率，改变极大倾角光纤光栅谐振波长的匹配条件，从而影响极大倾角光纤光栅的光纤纤芯模耦合到包层模的耦合波长及耦合强度的大小，它们之间的变化关系是确定的。这些变化将直接表现在透射端传输谱的变化上。通过光谱分析仪可实时观测其透射端传输谱的谐振波长和谐振强度的变化，就可测量生物分子或化学成分的浓度、实现生物分子或化学成分的传感。

在极大倾角光纤光栅的包层外部的生化反应伴随的温度变化会影响对生物分子或化学成分的测量准确性，而光纤Bragg光栅仅对温度敏感，其在透射端的谐振波长的漂移，起到温度补偿的作用。

复合式极大倾角光纤光栅生化传感器对生化介质折射率和温度同时传感可以用下式表示：

$\left[\begin{array}{c}\mathrm{\&Delta;n}\\ \mathrm{\&Delta;T}\end{array}\right]={\left[\begin{array}{cc}\mathrm{\&alpha;}& \mathrm{\&gamma;}\\ & \mathrm{\&beta;}\end{array}\right]}^{-1}\&CenterDot;\left[\begin{array}{c}\mathrm{\&Delta;}{\mathrm{\&lambda;}}_E\\ \mathrm{\&Delta;}{\mathrm{\&lambda;}}_T\end{array}\right]$

其中，Δn和ΔT分别表示生化介质折射率和环境温度的变化大小，Δλ_E和Δλ_T分别表示极大倾角79°～84°光纤光栅某个高阶包层模和光纤Bragg光栅的谐振中心波长的漂移量，α,γ分别表示极大倾角79°～84°光纤光栅某个高阶包层模的折射率灵敏度和温度灵敏度，β表示光纤Bragg光栅的温度灵敏度。

在具体运用时，可将上述复合式极大倾角光纤光栅生化传感器构成传感系统，该系统包括：带宽光源21、复合式极大倾角光纤光栅生化传感器22、光纤光谱仪23和计算机24；带宽光源21可使用中心波长1550nm、带宽>100nm的ASE光源；带宽光源21通过光纤连接到复合式极大倾角光纤光栅生化传感器22中的第一倾斜光纤光栅4，第一倾斜光纤光栅为45°倾斜光纤光栅；第一倾斜光纤光栅4通过光纤连接到第二倾斜光纤光栅5，第二倾斜光纤光栅5为极大倾角79°～84°光纤光栅；第二倾斜光纤光栅5通过光纤连接到光纤Bragg光栅6，光纤Bragg光栅6通过光纤连接到光纤光谱仪23，光纤光谱仪23通过数据接口与计算机24连接。

下面以测试测血糖溶液的葡萄糖分子浓度为例进行说明；

由于第一倾斜光纤光栅4有光纤涂覆层，不受外界折射率变化的影响；第二倾斜光纤光栅5表面的葡萄糖氧化酶适体层对血糖溶液的葡萄糖分子的浓度敏感，血糖溶液的葡萄糖分子浓度的变化及环境温度的变化将引起第二倾斜光纤光栅的谐振条件变化，从而导致第二倾斜光纤光栅的谐振波长和谐振强度的变化，该变化的光谱信息通过光纤传输到高精度光纤光谱仪。于是，光纤中的光经过第一倾斜光纤光栅4变成P偏振线偏光后，再经过第二倾斜光纤光栅5耦合到高阶包层模在光纤包层表面形成倏逝场，倏逝场将作用于葡萄糖氧化酶适体层，当传感器暴露于血糖溶液环境下时，血糖溶液的葡萄糖分子将和葡萄糖氧化酶适体层相结合反应，从而改变第二倾斜光纤光栅的的谐振条件，反映在透射端传输谱的谐振波长和谐振强度的变化上。而环境温度的变化也会同时影响光纤Bragg光栅的谐振条件，也反映在透射端传输谱上；光纤光谱仪23获取的光谱信号数据通过数据接口送到计算机24，计算机获取的信号光谱如图4。计算机24处理光谱数据并显示葡萄糖氧化酶溶液的浓度和环境温度。测量时，本传感器放在被测血糖溶液中，传感系统中的计算机实时获取传输光谱的变化数据，并根据标定的敏感系数计算得到被测血糖溶液的葡萄糖分子溶液的浓度和环境温度，从而实现对血糖溶液的葡萄糖分子和环境温度的传感。

Claims (7)

1.复合式极大倾角光纤光栅生化传感器，包括光纤纤芯(3)和包裹光纤纤芯(3)的光纤包层(2)，其特征在于：所述光纤纤芯(3)的前段设置第一倾斜光纤光栅(4)，该第一倾斜光纤光栅(4)的倾斜光栅条纹与光纤纵向轴的夹角为45°；该第一倾斜光纤光栅(4)作为复合式生化传感器的起偏器；所述光纤纤芯(3)中段的前半段设置第二倾斜光纤光栅(5)，该第二倾斜光纤光栅(5)作为光纤纤芯(3)和光纤包层(2)的光共振耦合器；该第二倾斜光纤光栅(5)的倾斜光栅条纹与与光纤纵向轴的夹角为79°～84°；所述第一倾斜光纤光栅(4)的快轴和慢轴分别与所述第二倾斜光纤光栅(5)的快轴和慢轴平行；所述光纤纤芯(3)中段的后半段设置光纤Bragg光栅(6)；在所述光纤包层(2)前段和后段的外表面涂覆有光纤保护涂覆层(1)；在所述光纤包层(2)中段的外表面吸附有硅烷层(7)；所述硅烷层(7)的外表面设置有适体层(8)，该适体层(8)对目标生物分子或待测化学成分具有选择性吸收或敏感的特性。

2.根据权利要求1所述的复合式极大倾角光纤光栅生化传感器，其特征在于：在适体层(8)外设置有保护套(9)，该保护套(9)上设置有分子孔筛。

3.根据权利要求1或2所述的复合式极大倾角光纤光栅生化传感器，其特征在于：第一倾斜光纤光栅的长度为20～30mm，第二倾斜光纤光栅的长度为10～30mm，第一倾斜光纤光栅与第二倾斜光纤光栅之间的光纤长度为20～30mm；第二倾斜光纤光栅与光纤Bragg光栅(6)之间的光纤长度为20mm～30mm。

4.复合式极大倾角光纤光栅生化传感器的制作方法，其特征在于：包括如下步骤：

第一步：取一根单模裸光纤，该单模裸光纤只具有光纤纤芯(3)以及包裹光纤纤芯(3)的光纤包层(2)；对该单模裸光纤进行载氢处理；

第二步：制作第一倾斜光纤光栅(4)：用双频Ar⁺激光器作为光源，使用扫描幅度掩膜法在单模裸光纤的光纤纤芯(3)前段上制作第一倾斜光纤光栅；设置幅度掩膜板的干涉条纹与光纤水平轴的夹角为33.7°，得到的第一倾斜光纤光栅的倾斜光栅条纹与光纤纵向轴的夹角为45°；该第一倾斜光纤光栅(4)作为复合式生化传感器的起偏器；

第三步：制作第二倾斜光纤光栅(5)：用双频Ar⁺激光器作为光源，使用扫描幅度掩膜法，在该单模裸光纤的光纤纤芯(3)中段的前半段制作第二倾斜光纤光栅；设置幅度掩膜板的干涉条纹与光纤水平轴的夹角为78°～80°，得到的第二倾斜光纤光栅的倾斜光栅条纹与光纤纵向轴的夹角为79°～84°；该第二倾斜光纤光栅(5)作为光纤纤芯(3)和光纤包层(2)的光共振耦合器；

第四步：制作光纤Bragg光栅(6)：用双频Ar⁺激光器作为光源，使用相位掩膜法，在该单模光纤纤芯中段的后半段制作光纤Bragg光栅(6)；

第五步：使用光纤涂覆机，在光纤包层(2)的前段和后段表面上涂覆上一层多聚物光纤保护涂覆层；

第六步：使用浓度为5％～8％的硝酸清洁光纤表面，利用硅烷偶联剂溶液对光纤包层中段的外表面进行硅烷化处理，在其外表面形成硅烷层(7)。

5.根据权利要求4所述的复合式极大倾角光纤光栅生化传感器的制作方法，其特征在于：该方法还包括第七步：在硅烷层(7)的表面固定适体层(8)，该适体层(8)对目标生物分子或待测化学成分具有选择性吸收或敏感的特性。

6.根据权利要求4或5所述的复合式极大倾角光纤光栅生化传感器的制作方法，其特征在于：该方法还包括

第八步：在适体层(8)外设置保护套(9)；该保护套(9)上设置有分子孔筛，以使目标生物分子或待测化学分子能够渗透分子孔筛。

7.根据权利要求6所述的复合式极大倾角光纤光栅生化传感器的制作方法，其特征在于：

第一倾斜光纤光栅的长度为20～30mm，第二倾斜光纤光栅的长度为10～30mm，第一倾斜光纤光栅与第二倾斜光纤光栅之间的光纤长度为20～30mm；第二倾斜光纤光栅与光纤Bragg光栅(6)之间的光纤长度为20mm～30mm，该光纤Bragg光栅的长度2mm～10mm。