CN105241844A - 基于多环辅助的马赫‐曾德尔干涉仪光学生物传感器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于多环辅助的马赫‐曾德尔干涉仪光学生物传感器，包括激光光源、马赫‐曾德尔干涉仪、两组环形波导谐振腔和两个探测器；第一组环形谐振腔与马赫‐曾德尔干涉仪的一个臂耦合系数均小于临界值；第二组环形谐振腔与马赫‐曾德尔干涉仪的一个臂耦合系数均大于临界值；所有环形谐振腔的芯层表面修饰有特异性吸附功能的生物抗体；本发明利用由于被测液体中待检测抗原与生物抗体结合后，引起环形波导谐振腔的有效折射率增大，从而第一组环形波导谐振腔的相位减小，而第二组环形谐振腔的相位增大，导致两组环形波导谐振腔内光的相位差增大，从而获得被测液体中待检测抗原的含量，大大降低了对光源功率稳定性的要求。

Description

基于多环辅助的马赫‐曾德尔干涉仪光学生物传感器

技术领域

本发明涉及一种光学生物传感器，尤其涉及一种基于多环辅助的马赫‐曾德尔干涉仪光学生物传感器。

背景技术

信息技术和生物工程技术快速发展的今天，生物传感器也得到了迅猛发展。生物传感器广泛应用于医学领域，生命科学、食品工程和环境监测等领域。利用倏逝波传感的光学传感器，可以结合生物化学表面修饰技术，实现生物化学检测，因此获得了广泛的研究。

光的频率在环形谐振腔的谐振频率位置时，其相位随谐振腔的有效折射率变化剧烈，通过多环串联可以大大增加相位变化。当环形谐振腔与直波导的耦合系数小于临界值时，相位随有效折射率的增大而减小；当环形谐振腔与直波导的耦合系数大于临界值时，相位随有效折射率的增加而增加。马赫‐曾德尔干涉仪常被用于检测光的相位变化，因此将二者结合，通过合理优化设计结构参数，能够得到高灵敏度的光学传感器。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于多环辅助的马赫‐曾德尔干涉仪光学生物传感器，选取合适的结构参数，使马赫‐曾德尔干涉仪两个臂上的两组环形波导谐振腔具有某一个共同的谐振频率。当被测液体中抗原与环形波导谐振腔表面的生物抗体结合时，吸附在波导芯层表面，引起环形波导谐振腔的有效折射率增大，导致经过第一组环形谐振腔的光相位减小，经过第二组环形波导谐振腔的光的相位增加，通过优化设计马赫‐曾德尔干涉仪输入和输出耦合器的分光比，减小两组环形波导谐振腔内光的振幅差异，获得最优的干涉效果。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：一种基于多环辅助的马赫‐曾德尔干涉仪光学生物传感器，包括激光光源、马赫‐曾德尔干涉仪、第一组形环谐振腔、第二组环形谐振腔、第一探测器和第二探测器；所述马赫‐曾德尔干涉仪的输入耦合器的输入端与激光光源连接，两个输出端分别与所述马赫‐曾德尔干涉仪的上臂的一端和下臂的一端相连接；所述第一组环形谐振腔通过马赫‐曾德尔干涉仪的上臂相互串联；所述第二组环形谐振腔通过马赫‐曾德尔干涉仪的下臂相互串联；所述马赫‐曾德尔干涉仪的上臂的另一端和下臂的另一端分别与输出耦合器的两个输入端相连接；所述输出耦合器的第一输出端和第二输出端分别与第一探测器和第二探测器相连接；所述第一组环形谐振腔和所述第二组环形谐振腔的芯层表面修饰有特异性吸附功能的生物抗体；所述第一组环形谐振腔和所述第二组环形谐振腔均与被测液体接触。

进一步地，所述第一组环形谐振腔可以是一个或多个环形谐振腔，且结构参数均相同；所述第二组环形谐振腔可以是一个或多个环形谐振腔，且结构参数均相同。

进一步地，所述修饰生物抗体的第一组环形谐振腔与修饰生物抗体的第二组环形谐振腔至少有一个相同的谐振频率。

进一步地，所述激光光源的频率为第一组环形谐振腔与第二组环形谐振腔的一个共同谐振频率。

进一步地，所述第一组环形谐振腔与马赫‐曾德尔干涉仪的上臂耦合系数均小于临界值，所述第一组环形谐振腔的芯层表面生物抗体吸附被测液体中的抗原后，光的相位减小；第二组环形谐振腔与马赫‐曾德尔干涉仪的下臂耦合系数均大于临界值，所述第二组环形谐振腔的芯层表面生物抗体吸附被测液体中的抗原后，光的相位增大。

进一步地，所述临界值定义为a为光在环形谐振腔内传播一周的振幅透射系数。

进一步地，所述马赫‐曾德尔干涉仪、第一组环形谐振腔和第二组环形谐振腔可采用平面集成光波导，或者分立光学元件，或者光纤构成。

本发明具有的有益效果是：本发明使用廉价的单波长激光器作为光源，功率计作为探测器，无需测量光谱信息的可调谐光源或者高分辨率光谱仪，大大降低传感器成本；在两组光学谐振腔内芯层表面修饰相同的有特异性吸附功能的生物表面膜，使传感器表面修饰更加简化和便利的同时，增加了光与被测液体的相互作用；利用两组环形谐振腔的芯层表面生物抗体在吸附被测液体中抗原后，引起经过第一组环形波导谐振腔的光相位减少，而经过第二组环形谐振腔的光相位增大，导致两组环形波导谐振腔内光的相位差增大，通过设计输出入和输出耦合器的分光比，获得马赫‐曾德尔干涉仪最优的干涉效果，从而使传感器的灵敏度获得显著提升；利用马赫‐曾德尔干涉仪两个输出端口的功率比值测量环形谐振腔有效折射率的变化，大大降低了传感系统对光源稳定性的要求。

附图说明

图1为一种基于多环辅助的马赫‐曾德尔干涉仪光学生物传感器示意图；

图2为环形波导谐振腔的端面示意图；

图3为第一组环形谐振腔有效折射率变化δn时，其透射率和相位变化示意图；

图4为第二组环形谐振腔有效折射率变化δn时，其透射率和相位变化示意图；

图5为环形波导谐振腔有效折射率变化δn，两个探测器接收到的归一化功率变化示意图；

图6为两个探测器接收到光功率比值和环形波导谐振腔有效折射率变化δn关系示意图；

图中，激光光源1、马赫‐曾德尔干涉仪2、第一组环形谐振腔3、第二组环形谐振腔4、第一探测器5、第二探测器6、马赫‐曾德尔干涉仪2的输入波导21、输入耦合器22、马赫‐曾德尔干涉仪2的上臂23、马赫‐曾德尔干涉仪2的下臂24、输出耦合器25、马赫‐曾德尔干涉仪2的第一输出端26、马赫‐曾德尔干涉仪2的第二输出端27、环形谐振腔内芯层31、生物抗体32、被测液体7、待检测抗原8。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明。

实施例

如图1所示，本发明一种基于多环辅助的马赫‐曾德尔干涉仪光学生物传感器，包括激光光源1、马赫‐曾德尔干涉仪2、第一组环形谐振腔3、第二组环形谐振腔4、第一探测器5和第二探测器6；所述马赫‐曾德尔干涉仪2的输入耦合器22的输入端21与激光光源1连接，所述输入耦合器22的两个输出端分别与所述马赫‐曾德尔干涉仪2的上臂23的一端和下臂24的一端相连接；所述第一组环形谐振腔3通过马赫‐曾德尔干涉仪2的上臂23相互串联；所述第二组环形谐振腔4通过马赫‐曾德尔干涉仪2的下臂24相互串联；所述马赫‐曾德尔干涉仪2的上臂23的另一端和下臂24的另外一端分别与输出耦合器25的两个输入端相连接；所述输出耦合器25的第一输出端26和第二输出端27分别与第一探测器5和第二探测器6相连接。

如图2所示，环形谐振腔的芯层31表面修饰有特异性吸附功能的生物抗体32，且与被测液体7接触。

激光光源1发出的光通过马赫‐曾德尔干涉仪2的输入端21分为两路，一路进入马赫‐曾德尔干涉仪2的上臂23与第一组环形谐振腔3相耦合；另外一路进入马赫‐曾德尔干涉仪2的下臂24与第二组形波导谐振腔4相耦合；两路光干涉后一路从马赫‐曾德尔干涉仪2的第一输出端26进入第一探测器5；另外一路从马赫‐曾德尔干涉仪2的第二输出端27进入第二探测器6；被测液体7中待检测抗原8与两组环形谐振腔内芯层31表面修饰有特异性吸附功能的生物抗体32结合后，引起两组环形谐振腔的有效折射率增大δn，导致通过第一组环形谐振腔3的光相位减小，通过第二组环形谐振腔4的光相位增加；传感器中除两组环形谐振腔与被测液体7接触外，其他区域均不与被测液体7接触。

所述激光光源1的波长λ＝1.55μm，偏振态为TM模式。本实例中光学生物传感器的环形谐振腔有效折射率均为n＝1.95，第一组环形谐振腔3和第二组环形谐振腔4的光学长度均为L＝155μm；每个环形谐振腔内振幅透射系数的平方均为a²＝0.995。如果马赫‐曾德尔干涉仪2的两个臂的光振幅相差太大，会导致干涉效果不佳。通过优化设计两组环形谐振腔包含环形谐振腔的数目以及与马赫‐曾德尔干涉仪2的两个臂的耦合系数，使得光通过两组环形谐振腔后的振幅相似。本实例中第一组环形谐振腔3有九个环形谐振腔，且马赫‐曾德尔干涉仪2的上臂23与第一组环形谐振腔3的耦合系数平方均为k²＝0.0005；第二组环形谐振腔4有一个环形谐振腔，且马赫‐曾德尔干涉仪2的下臂24与第二组环形谐振腔4的耦合系数平方均为k²＝0.007。t₁和t₂分别为第一组环形谐振腔3和第二组环形谐振腔4的透射系数，表示为：

或者2(1)

其中，m_i为第一组环形谐振腔3或第二组环形谐振腔4包含环形谐振腔的个数，本实例中m₁＝9，m₂＝1。根据公式(1)，当环形谐振腔的有效折射率变化δn时，第一组环形谐振腔的透射率|t₁|²(实线)和透射相位arg(t₁)(虚线)的变化，如图3所示。在谐振位置附近，当环形波导谐振腔有效折射率增加时，相位减小，透射率增加。当环形谐振腔的有效折射率变化δn时，第二组环形谐振腔的透射率|t₂|²(实线)和透射相位arg(t₂)(虚线)的变化，如图4所示。当环形波导谐振腔有效折射率增加时，相位增加，透射率增加。对比图3和图4可知，两组环形谐振腔的透射率曲线差异不大，能够使马赫‐曾德尔干涉仪获得较好的干涉效果。

利用传输矩阵，得到传感器的输入\输出关系为：

公式(2)中E₂₁为传感器输入端21的电场强度；E₂₆和E₂₇分别为传感器第一输出端26和第二输出端27的电场强度；θ₁和θ₂分别为输入耦合器22和输出耦合器25的耦合角；φ为马赫‐曾德尔干涉仪2的上臂23和下臂24的光程差所引起的相移。本实例中假定：E₂₁＝1；φ为2π的整数倍；θ₁＝θ₂＝π/4。

根据公式(2)，可以得到当环形谐振腔3和4的有效折射率变化δn，与传感器第一输出端26相连接的第一探测器5接收到的归一化光强度和与第二输出端27相连接的第二探测器6接收到的归一化光强度如图5所示。被测液体7中待检测抗原8与两组环形谐振腔3和4内芯层31表面修饰有特异性吸附功能的生物抗体32结合后，引起两组环形谐振腔3和4的有效折射率增大δn。第一探测器5接收到的功率P₅随着δn的增加而降低，而第二探测器6接收到的功率P₆随着δn的增加而增加。所以可以根据P₅与P₆的功率比值变化，得到被测液体7中待检测抗原8的含量，同时消除激光光源1的功率不稳定性引起的测量误差，如图6所示。此实例中，在δn＝0～4×10^-6范围内，最高灵敏度达3.92×10⁸dB/RIU。如果最小可测得的功率变化为0.01dB，可探测的最小有效折射率变化为2.55×10^‐11。

上述实施例用来解释说明本发明，而不是对本发明进行限制。在本发明的精神和权利要求的保护范围内，对本发明作出的任何修改和改变，都落入本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种基于多环辅助的马赫‐曾德尔干涉仪光学生物传感器，其特征在于，包括激光光源(1)、马赫‐曾德尔干涉仪(2)、第一组形环谐振腔(3)、第二组环形谐振腔(4)、第一探测器(5)和第二探测器(6)；所述马赫‐曾德尔干涉仪(2)的输入耦合器(22)的输入端(21)与激光光源(1)连接，两个输出端分别与所述马赫‐曾德尔干涉仪(2)的上臂(23)的一端和下臂(24)的一端相连接；所述第一组环形谐振腔(3)通过马赫‐曾德尔干涉仪(2)的上臂(23)相互串联；所述第二组环形谐振腔(4)通过马赫‐曾德尔干涉仪(2)的下臂(24)相互串联；所述马赫‐曾德尔干涉仪(2)的上臂(23)的另一端和下臂(24)的另一端分别与输出耦合器(25)的两个输入端相连接；所述输出耦合器(25)的第一输出端(26)和第二输出端(27)分别与第一探测器(5)和第二探测器(6)相连接；所述第一组环形谐振腔(3)和所述第二组环形谐振腔(4)的芯层(31)表面修饰有特异性吸附功能的生物抗体(32)；所述第一组环形谐振腔(3)和所述第二组环形谐振腔(4)均与被测液体(7)接触。

2.根据权利要求1所述一种基于多环辅助的马赫‐曾德尔干涉仪光学生物传感器，其特征在于，所述第一组环形谐振腔(3)可以是一个或多个环形谐振腔，且结构参数均相同；所述第二组环形谐振腔(4)可以是一个或多个环形谐振腔，且结构参数均相同。

3.根据权利要求1所述一种基于多环辅助的马赫‐曾德尔干涉仪光学生物传感器，其特征在于，所述修饰生物抗体(32)的第一组环形谐振腔(3)与修饰生物抗体(32)的第二组环形谐振腔(4)至少有一个相同的谐振频率。

4.根据权利要求1所述一种基于多环辅助的马赫‐曾德尔干涉仪光学生物传感器，其特征在于，所述激光光源(1)的频率为第一组环形谐振腔(3)与第二组环形谐振腔(4)的一个共同谐振频率。

5.根据权利要求1所述一种基于多环辅助的马赫‐曾德尔干涉仪光学生物传感器，其特征在于，所述第一组环形谐振腔(3)与马赫‐曾德尔干涉仪的上臂(23)耦合系数均小于临界值，所述第一组环形谐振腔(3)的芯层(31)表面生物抗体(32)吸附被测液体(7)中的抗原(8)后，光的相位减小；第二组环形谐振腔(4)与马赫‐曾德尔干涉仪的下臂(24)耦合系数均大于临界值，所述第二组环形谐振腔(4)的芯层(31)表面生物抗体(32)吸附被测液体(7)中的抗原(8)后，光的相位增大。

6.根据权利要求5所述一种基于多环辅助的马赫‐曾德尔干涉仪光学生物传感器，其特征在于，所述临界值定义为a为光在环形谐振腔内传播一周的振幅透射系数。

7.根据权利要求1所述一种基于多环辅助的马赫‐曾德尔干涉仪光学生物传感器，其特征在于，所述马赫‐曾德尔干涉仪(2)、第一组环形谐振腔(3)和第二组环形谐振腔(4)可采用平面集成光波导，或者分立光学元件，或者光纤构成。