CN105334190A - 光纤纤芯与包层交界面的Bragg光栅生化传感器及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了光纤纤芯与包层交界面的Bragg光栅生化传感器及方法，光纤纤芯与包层交界面的Bragg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，其特征在于：所述光纤纤芯的前段设置长周期光纤光栅，在光纤的中段位于光纤纤芯和光纤包层的交界面设置光纤纤芯与包层交界面的Bragg光栅；该光纤纤芯与包层交界面的Bragg光栅由若干条线状沟槽构成或者由若干个点状凹槽构成；所述线状沟槽或点状凹槽沿光纤的轴向呈现周期性的分布；该光纤纤芯与包层交界面的Bragg光栅对应的光纤包层的外表面吸附有硅烷层；本发明可广泛应用于生物、化工、医学、生命科学等领域。

Description

光纤纤芯与包层交界面的Bragg光栅生化传感器及方法

技术领域

本发明涉及光纤传感器，具体涉及光纤纤芯与包层交界面的Bragg光栅生化传感器及其制作方法。

背景技术

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，长周期光纤光栅是将纤芯模到同向包层模，包层模的倏逝场能够受到外部待测介质的影响导致其谐振波长或强度的变化进行测量。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；此外，长周期光纤光栅的3dB谐振带宽一般>20nm，因此理论上其对外部参量的检测精度较低。

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、应变或压力敏感，但是光纤Bragg光栅的3dB谐振带宽很窄(0.1nm～0.5nm)，因此，理论上其对外部参量的检测精度很高；此外，光纤Bragg光栅的温度/应变灵敏度较长周期的温度/应变灵敏度低得多，因此其交叉敏感效应很小。过去十多年，为了使得传统光纤Bragg光栅对外部介质折射率敏感，许多人采用化学溶液腐蚀或侧面研磨的方法去除光纤Bragg光栅的全部包层或大部分包层，形成微米直径量级的Bragg光栅(直径3μm～15μm、长度1mm～20mm)，于是可使其纤芯模的倏逝场透射到外部待测介质中，则光纤Bragg光栅将对外部介质折射率的变化将十分敏感，从而可将其应用于生物化学、医学、生命科学等相关领域的各种参量和检测。但化学腐蚀或侧面研磨光纤Bragg光栅包层的方法存在许多的缺点。

2007年，英国Aston大学的I.Bennion等使用800nm的飞秒激光器在单模光纤的纤芯内成功的写入了一阶、二阶和四阶的Bragg光栅，该方法能够直接造成光纤纤芯内部或表面的周期性结构性损坏点，所构成的纤芯Bragg光栅具有许多特点，比如：1)对光纤材料没有特殊的要求，不要求光纤具有光敏性，也不需要载氢处理等复杂耗时的处理过程；2)可以方便快捷的写入所需的任何周期的Bragg光栅；3)由于是属于结构性的损坏且写入的周期性结构不处于光纤的圆对称中心轴位置，因此写入的Bragg光栅具有很高的纤芯双折射效应；4)由于光栅是纤芯内部的结构性损坏形式，因此引入的平均折射率变化幅度较传统的紫外曝光法写入的光栅大得多，所以仅制作很少的光栅周期即可获得很高的光谱反射率。飞秒激光器刻写的这类光纤Bragg光栅具有一些特殊的传感特性，比如：可在极高的温度(800℃)以上保持良好的温度线性特性。但是，由于光纤中的光大部分是局限在纤芯内传播，无法到达包层表面，因此，飞秒激光刻写在纤芯的内部的Bragg光栅，仍然与传统的紫外曝光的相位掩膜板法写入纤芯的光纤Bragg光栅一样，本质上对外部介质折射率不敏感。

为综合解决长周期光纤光栅或腐蚀/研磨型光纤Bragg光栅存在的问题，2010年M.Han等提出基于“长周期光纤光栅-光纤Bragg光栅”组合式的折射率-温度传感器，利用其中的光纤Bragg光栅的包层模实现折射率的传感，它的原理是：带宽光源发出的宽带光先经过长周期光纤光栅，然后再传输到光纤Bragg光栅；当光传输到长周期光纤光栅处，部分纤芯模的能量将耦合到包层模中传播，当这部分以包层模形式传输的光能量与余下纤芯模的能量传播到光纤Bragg光栅处时，分别满足光纤Bragg光栅的包层模和纤芯模谐振条件的波长的光能量将被反射回来；同样的，反射回来的包层模传输到长周期光纤光栅时，将部分耦合至纤芯中，反射回来的纤芯模传输到长周期光纤光栅时将部分能量耦合到包层中传输，剩余的纤芯模能量穿过长周期光纤光栅继续传输，于是在反射端可以检测到两个谐振峰，前者对温度与折射率均敏感，而后者仅对温度敏感，且有几乎相同的温度灵敏度。基于“长周期光纤光栅-光纤Bragg光栅”组合式的折射率-温度传感器的优点在于能够对折射率和温度同时传感，并且保持了光纤Bragg光栅的窄带谐振峰的特点，提高了对折射率的传感精度，此外，不需要对光纤做任何处理，保持传感器的完整性和鲁棒性。但其缺点是：其中的光纤Bragg光栅采用的是传统的紫外曝光相位掩膜法制作，且需要使用具有对光子敏感的包层的特种光纤材料来制作光纤Bragg光栅，以保证在写入纤芯Bragg光栅的同时，在包层和纤芯的交界面附近形成包层内部的Bragg光栅，但该方法形成的包层内部的Bragg光栅的强度很小，因此包层模谐振的反射强度十分低，而且包层模和纤芯模的Bragg波长经过长周期光纤光栅的两次能量耦合，因此在反射端检测到的反射包层模和纤芯模的谐振强度也十分微弱。

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光纤纤芯和包层交界面的Bragg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，光纤纤芯与包层交界面的Bragg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，其特征在于：所述光纤纤芯的前段设置长周期光纤光栅，该长周期光纤光栅作为光纤纤芯和光纤包层的光共振耦合器，用于将纤芯模耦合到同向包层模或将包层模耦合到纤芯模；在光纤的中段位于光纤纤芯和光纤包层的交界面设置光纤纤芯与包层交界面的Bragg光栅；该光纤纤芯与包层交界面的Bragg光栅由若干条线状沟槽构成或者由若干个点状凹槽构成；所述线状沟槽或点状凹槽沿光纤的轴向呈现周期性的分布，并对光纤纤芯外表面和包层内表面均进行结构性损坏；所述线状沟槽的槽道沿光纤纤芯的圆周方向延伸，所有线状沟槽的轴对称线在一条直线上，且该直线与光纤中心轴平行；所有点状凹槽的中心点位于一条直线上，且该直线与光纤中心轴平行；该光纤纤芯与包层交界面的Bragg光栅同时作为光纤低阶包层模谐振与纤芯模谐振的反射器件；该光纤纤芯与包层交界面的Bragg光栅对应的光纤包层的外表面吸附有硅烷层，其余光纤包层的外表面涂覆有光纤保护涂覆层；所述硅烷层的表面固定有适体层，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。

本传感器结构独特之处在于采用在光纤纤芯与包层交界面设置光纤纤芯与包层交界面的Bragg光栅，作为外部介质折射率和温度同时测量的传感单元，该光纤纤芯与包层交界面的Bragg光栅的低阶包层模的反射谐振对折射率和温度都敏感，特别对折射率很敏感，同时保持了Bragg光栅结构的窄谐振带宽特性，因此具有很高的Q值因子，对折射率的测量精度远高于长周期光纤光栅，而其纤芯基模的谐振仅对温度敏感；其次，在光纤纤芯和包层交界面设置的光纤纤芯与包层交界面的Bragg光栅还保留了传统光纤Bragg光栅相对于长周期光纤光栅低得多的温度、应变灵敏系数，因此，光纤纤芯与包层交界面的Bragg光栅较长周期光纤光栅具有低得多的温度/应变交叉敏感效应。由于传感单元是由飞秒激光器在其纤芯和包层的交界面写入的点状凹槽或线状沟槽，点状凹槽或线状沟槽对纤芯外表面和包层内表面均进行结构性损坏，能够在纤芯和包层的内部造成很强的折射率条纹调制。因此，相比于M.Han等提出基于“长周期光纤光栅-光纤Bragg光栅”组合式的折射率-温度传感器，本发明可在光纤的包层和纤芯内部均获得很强的谐振。最后，光纤纤芯与包层交界面的Bragg光栅生化传感器不需要对光纤包层做腐蚀或研磨处理，保持了传感器的完整性和鲁棒性。整个传感器所需要的光纤共振耦合器即长周期光纤光栅、光纤纤芯与包层交界面的Bragg光栅以及硅烷层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，精确确定该光纤纤芯与包层交界面的Bragg光栅的包层模和纤芯基模的反射谐振波长的漂移，测试结果稳定可靠。

根据本发明所述的光纤纤芯与包层交界面的光纤Bragg光栅生化传感器的一个优选方案，所述光纤Bragg光栅的表面吸附有硅烷层，所述硅烷层的表面固定有适体层，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。

根据本发明所述的光纤纤芯与包层交界面的光纤Bragg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。

根据本发明所述的光纤纤芯与包层交界面的光纤Bragg光栅生化传感器的一个优选方案，所述长周期光纤光栅的长度为20mm～50mm；该长周期光纤光栅在1500nm～1600nm之间具有带宽大于10nm的谐振损耗峰，损耗峰的耦合强度大于10dB；光纤纤芯与包层交界面的Bragg光栅的长度为10mm～20mm，点状凹槽或线状沟槽的槽深度小于0.5μm，槽宽度小于光纤纤芯与包层交界面的Bragg光栅周期的一半；光纤纤芯与包层交界面的Bragg光栅的某个低阶包层模的谐振波长处于长周期光纤光栅在1500nm～1600nm之间的谐振带的中心位置附近；该光纤纤芯与包层交界面的Bragg光栅的纤芯基模的谐振波长处于长周期光纤光栅的谐振带内；所述长周期光纤光栅的后端与光纤纤芯与包层交界面的Bragg光栅的前端的距离为10mm～30mm。

光纤纤芯与包层交界面的光纤Bragg光栅生化传感器制作方法，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；将该单模裸光纤进行载氢处理；

第二步：制作长周期光纤光栅：采用紫外光通过振幅掩膜板曝光方法在光纤纤芯的前段写入长周期光纤光栅；

第三步：制作光纤纤芯与包层交界面的Bragg光栅：用飞秒激光器发射激光脉冲，通过衰减可控的半波片和格兰氏棱镜形成线偏振光，再用光束分束片对光束进行分束，最后通过倒置的显微物镜6将激光光束聚焦到光纤中段的光纤纤芯与光纤包层的交界面，逐点写入若干个点状凹槽或者逐线写入若干条线状沟槽；所述线状沟槽或点状凹槽沿光纤的轴向呈现周期性的分布，并对光纤纤芯外表面和包层内表面均进行结构性损坏；所述线状沟槽的槽道沿光纤纤芯的圆周方向延伸，所有线状沟槽的轴对称线在一条直线上，且该直线与光纤中心轴平行；所有点状凹槽的中心点位于一条直线上，且该直线与光纤中心轴平行；

第四步：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；

第五步：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纤芯与包层交界面的Bragg光栅对应的光纤包层的外表面进行硅烷化处理，在其外表面形成硅烷层。

第六步：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。

根据本发明所述的光纤纤芯与包层交界面的光纤Bragg光栅生化传感器制作方法的优选方案，该方法还包括第七步：在适体层外设置保护套；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。

本发明所述的光纤纤芯与包层交界面的Bragg光栅生化传感器及方法的有益效果是，本发明长周期光纤光栅作为光纤纤芯和光纤包层的光共振耦合器，利用光纤纤芯与包层交界面的Bragg光栅同时在纤芯的外表面和包层的内表面造成很强的折射率条纹调制，分别形成对光纤低阶包层模谐振与纤芯模谐振的反射，可作为同时测量外部介质折射率和温度的传感单元；并且整个传感器所需要的光纤共振耦合器即长周期光纤光栅、光纤纤芯与包层交界面的Bragg光栅以及硅烷层都集成在一段光纤上；本发明结构简单、体积小，整个传感器完全光纤化、微型化，环境适应能力强，测试结果稳定可靠，可广泛应用于生物、化工、医学、生命科学等领域。

附图说明

下面结合附图对本发明作详细说明。

图1光纤纤芯和包层交界面的Bragg光栅生化传感器结构图(一)：Bragg光栅为点状凹槽型结构。

图2光纤纤芯和包层交界面的Bragg光栅生化传感器结构图(二):Bragg光栅为线状沟槽型结构。

图3光纤纤芯和包层交界面的点状凹槽型Bragg光栅结构的示意图。

图4光纤纤芯和包层交界面的线状沟槽型Bragg光栅结构的示意图。

图5光纤纤芯和包层交界面的Bragg光栅生化传感器的光波耦合光路简易示意图。

图6飞秒激光器制作光纤纤芯和包层交界面的Bragg光栅的示意图。

图7光纤纤芯和包层交界面的Bragg光栅生化传感器系统图。

图8光纤纤芯和包层交界面的Bragg光栅生化传感器的反射光谱信号图。

具体实施方式

参见图1至图6，光纤纤芯与包层交界面的Bragg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的前段设置长周期光纤光栅4，该长周期光纤光栅4作为光纤纤芯3和光纤包层2的光共振耦合器，用于将纤芯模耦合到同向包层模或将包层模耦合到纤芯模；在光纤的中段位于光纤纤芯3和光纤包层2的交界面设置光纤纤芯与包层交界面的Bragg光栅5；该光纤纤芯与包层交界面的Bragg光栅5由若干条线状沟槽构成或者由若干个点状凹槽构成；所述线状沟槽或点状凹槽沿光纤的轴向呈现周期性的分布，并对光纤纤芯外表面和包层内表面均进行结构性损坏；所述线状沟槽的槽道沿光纤纤芯的圆周方向延伸，所有线状沟槽的轴对称线在一条直线上，且该直线与光纤中心轴平行；所有点状凹槽的中心点位于一条直线上，且该直线与光纤中心轴平行；该光纤纤芯与包层交界面的Bragg光栅5同时作为光纤低阶包层模谐振与纤芯模谐振的反射器件；该光纤纤芯与包层交界面的Bragg光栅5对应的光纤包层的外表面吸附有硅烷层6，其余光纤包层的外表面涂覆有光纤保护涂覆层1；所述硅烷层6的表面固定有适体层7，该适体层7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。

在具体实施例中，所述长周期光纤光栅4的长度为20mm～50mm；该长周期光纤光栅4在1500nm～1600nm之间具有带宽大于10nm的谐振损耗峰，损耗峰的耦合强度大于10dB；光纤纤芯与包层交界面的Bragg光栅5的长度为10mm～20mm，点状凹槽或线状沟槽的槽深度小于0.5μm，槽宽度小于光纤纤芯与包层交界面的Bragg光栅5周期的一半；光纤纤芯与包层交界面的Bragg光栅5的某个低阶包层模的谐振波长处于长周期光纤光栅4在1500nm～1600nm之间的谐振带的中心位置附近；该光纤纤芯与包层交界面的Bragg光栅5的纤芯基模的谐振波长处于长周期光纤光栅4的谐振带内；所述长周期光纤光栅4的后端与光纤纤芯与包层交界面的Bragg光栅5的前端的距离为10mm～30mm。所采用的光纤为单模光纤。

本传感器的传感原理是利用光纤纤芯与包层交界面的Bragg光栅5对包层中的低阶包层模形成的窄带反射谐振波长的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，而其纤芯基模的反射谐振波长的漂移，起到的温度补偿的作用。光路传输如图5所示：当宽带光λ传输到长周期光纤光栅处，部分纤芯模的能量将耦合到包层模中传播；当这部分以包层模形式传输的光能量与余下纤芯模的能量分别传播到光纤纤芯与包层交界面的Bragg光栅5时，分别满足低阶包层模和纤芯基模的谐振条件的光即和将被反射回来；其中，低阶包层模的倏逝场穿过光纤包层表面，并作用于生物分子或化学成分的溶液或气体或其敏感膜层的一个微小区域，倏逝波的作用过程中，生物分子或化学成分的种类、数量或浓度的变化将影响包层外生物或化学分子的敏感膜层或其溶液、气体等折射率，改变光纤纤芯与包层交界面的Bragg光栅低阶包层模式谐振的匹配条件，从而导致低阶包层模谐振波长的漂移，它们之间的变化关系是确定的。包层中被反射回来的光传播到达长周期光纤光栅时，部分能量将重新耦合到纤芯中，而纤芯中的反射光穿过长周期光纤光栅时部分能量又将耦合到包层中，剩余能量继续反向传输。于是，在反射端可以检测到两个谐振峰即和光纤纤芯与包层交界面的Bragg光栅的包层谐振峰对温度与折射率均敏感，特别对折射率很敏感，而纤芯基模的谐振峰仅对温度敏感。

光纤纤芯与包层交界面的Bragg光栅生化传感器制作方法，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；将该单模裸光纤进行载氢处理；

第二步：制作长周期光纤光栅4：采用紫外光，采用振幅掩膜板曝光方法在光纤纤芯3的前段写入长周期光纤光栅4；

第三步：制作光纤纤芯与包层交界面的Bragg光栅5：制作系统参见图6，用飞秒激光器11发射激光脉冲，电子开关12控制光路的通断，通过衰减可控的半波片13和格兰氏棱镜14形成线偏振光，再用光束分束片15对光束进行分束，最后通过倒置的显微物镜6将激光光束聚焦到光纤中段的光纤纤芯3与光纤包层2的交界面，逐点写入若干个点状凹槽或者逐线写入若干条线状沟槽；所述线状沟槽或点状凹槽沿光纤的轴向呈现周期性的分布，并对光纤纤芯外表面和包层内表面均进行结构性损坏；所述线状沟槽的槽道沿光纤纤芯的圆周方向延伸，所有线状沟槽的轴对称线在一条直线上，且该直线与光纤中心轴平行；所有点状凹槽的中心点位于一条直线上，且该直线与光纤中心轴平行；

第四步：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1；

第五步：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纤芯与包层交界面的Bragg光栅5对应的光纤包层的外表面进行硅烷化处理，在其外表面形成硅烷层6。

第六步：在硅烷层6的表面固定适体层7，该适体层7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7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光纤纤芯和包层交界面的Bragg光栅的表面进行孵化，在硅烷层6的表面形成厚度约几十nm的凝血酶寡核苷酸适体层。又如，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光纤纤芯和包层交界面的Bragg光栅的表面进行孵化，在硅烷层6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光纤纤芯和包层交界面的Bragg光栅的表面进行孵化，在硅烷层6的表面形成厚度约几十nm的葡萄糖氧化酶适体层；等等。

第七步：在适体层7外设置保护套8；该保护套8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。具体实施中，在光纤的前段和后段外表面，安装过渡缓冲套9，以避免光纤被折断。

在具体制作时，所述长周期光纤光栅4的长度为20mm～50mm；该长周期光纤光栅4在1500nm～1600nm之间具有带宽大于10nm的谐振损耗峰，损耗峰的耦合强度大于10dB；光纤纤芯与包层交界面的Bragg光栅5的长度为10mm～20mm，点状凹槽或线状沟槽的槽深度小于0.5μm，槽宽度小于光纤纤芯与包层交界面的Bragg光栅5周期的一半；光纤纤芯与包层交界面的Bragg光栅5的某个低阶包层模的谐振波长处于长周期光纤光栅4在1500nm～1600nm之间的谐振带的中心位置附近；该光纤纤芯与包层交界面的Bragg光栅5的纤芯基模的谐振波长处于长周期光纤光栅4的谐振带内；所述长周期光纤光栅4的后端与光纤纤芯与包层交界面的Bragg光栅5的前端的距离为10mm～30mm。

在具体实施例中，具体实施中，光纤纤芯与包层交界面的Bragg光栅的某个低阶包层模谐振波长由下式确定：

${\mathrm{\λ}}_{Bragg}^{cl}=2n_{eff\_cl}\·\mathrm{\Λ}/m---1$

式中，m表示光纤纤芯和包层交界面的Bragg光栅的阶数，表示某个低阶包层模的谐振波长，n_{eff_cl}表示对应的包层模的有效折射率，Λ表示光纤纤芯与包层交界面的Bragg光栅的周期。因此，首先可根据已知的单模光纤的结构参数计算出某个低阶包层模的有效折射率n_{eff_cl}，并设置所需要的谐振波长光栅阶数m之后，由公式1即可计算出需要写入的光纤纤芯与包层交界面的Bragg光栅的周期大小Λ。

光纤纤芯与包层交界面的Bragg光栅5的周期大小Λ确定之后，其纤芯基模的谐振波长如下式确定：

${\mathrm{\λ}}_{Bragg}^{co}=2n_{eff\_co}\·\mathrm{\Λ}---2$

式中，表示光纤纤芯与包层交界面的Bragg光栅5的纤芯基模谐振波长，n_{eff_co}表示光纤纤芯的有效折射率，可根据已知的单模光纤的结构参数计算。

根据所述的传感原理，光纤纤芯与包层交界面的Bragg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：

$\left[\begin{array}{c}\mathrm{\Δ}n\\ \mathrm{\Δ}T\end{array}\right]={\left[\begin{array}{cc}\mathrm{\α}& \mathrm{\β}\\ & \mathrm{\γ}\end{array}\right]}^{-1}.\left[\begin{array}{c}\mathrm{\Δ}{\mathrm{\λ}}_{Bragg}^{cl}\\ {\mathrm{\Δ\λ}}_{Bragg}^{co}\end{array}\right]---3$

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，和分别表示光纤纤芯与包层交界面的Bragg光栅5的低阶包层模的谐振波长的漂移量和纤芯基模的谐振波长的漂移量。α,β分别光纤纤芯与包层交界面的Bragg光栅5的低阶包层模谐振波长的折射率灵敏度和温度灵敏度，γ表示光纤纤芯与包层交界面的Bragg光栅5的纤芯基模谐振波长的温度灵敏度。

在具体运用时，可将上述光纤纤芯与包层交界面的Bragg光栅生化传感器构成传感系统，如图7所示，该系统包括：带宽光源20、3dB耦合器21、光纤纤芯和包层交界面的Bragg光栅生化传感器22、光纤光谱仪23和计算机24；带宽光源20可使用中心波长1550nm、带宽>100nm的ASE光源；带宽光源20通过光纤连接到3dB耦合器21，3dB耦合器通过光纤连接到光纤纤芯与包层交界面的Bragg光栅生化传感器22中的长周期光纤光栅4的前端；3dB耦合器的另外一个端口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；

由于长周期光纤光栅4有光纤涂覆层1，不受外界折射率变化的影响；光纤纤芯与包层交界面的Bragg光栅5对应的光纤包层的外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光纤纤芯与包层交界面的Bragg光栅5的包层模和纤芯基模的谐振条件变化，从而导致光纤纤芯与包层交界面的Bragg光栅5的包层模和纤芯基模的谐振波长的变化，该变化的光谱信息通过光纤传输到光纤光谱仪23。于是，光纤中的光经过长周期光纤光栅4耦合到包层中并在光纤纤芯与包层交界面的Bragg光栅5的包层外表面处形成的倏逝场，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，从而改变光纤纤芯和包层交界面的Bragg光栅的包层模的谐振条件，反映在反射端光谱的谐振波长的变化上。而环境温度的变化也会同时影响光纤纤芯与包层交界面的Bragg光栅的包层模和纤芯基模的谐振条件，也反映在反射端光谱上；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8所示。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24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 (6)

1.一种光纤纤芯与包层交界面的Bragg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)的前段设置长周期光纤光栅(4)；在光纤的中段位于光纤纤芯(3)和光纤包层(2)的交界面设置光纤纤芯与包层交界面的Bragg光栅(5)；该光纤纤芯与包层交界面的Bragg光栅(5)由若干条线状沟槽构成或者由若干个点状凹槽构成；所述线状沟槽或点状凹槽沿光纤的轴向呈现周期性的分布；所述线状沟槽的槽道沿光纤纤芯圆周方向延伸，该光纤纤芯与包层交界面的Bragg光栅(5)对应的光纤包层的外表面吸附有硅烷层(6)，其余光纤包层的外表面涂覆有光纤保护涂覆层(1)；所述硅烷层(6)的表面固定有适体层(7)，该适体层(7)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所述的光纤纤芯与包层交界面的Bragg光栅生化传感器，其特征在于：在适体层(7)外设置有保护套(8)，该保护套(8)上设置有分子孔筛。

3.根据权利要求1或2所述的光纤纤芯与包层交界面的Bragg光栅生化传感器，其特征在于：所述长周期光纤光栅(4)的长度为20mm～50mm；该长周期光纤光栅(4)在1500nm～1600nm之间具有带宽大于10nm的谐振损耗峰，损耗峰的耦合强度大于10dB；光纤纤芯与包层交界面的Bragg光栅(5)的长度为10mm～20mm，点状凹槽或线状沟槽的槽深度小于0.5μm，槽宽度小于光纤纤芯与包层交界面的Bragg光栅(5)周期的一半；光纤纤芯与包层交界面的Bragg光栅(5)的某个低阶包层模的谐振波长处于长周期光纤光栅(4)在1500nm～1600nm之间的谐振带的中心位置附近；该光纤纤芯与包层交界面的Bragg光栅(5)的纤芯基模的谐振波长处于长周期光纤光栅(4)的谐振带内；所述长周期光纤光栅(4)的后端与光纤纤芯与包层交界面的Bragg光栅(5)的前端的距离为10mm～30mm。

4.光纤纤芯与包层交界面的Bragg光栅生化传感器制作方法，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)；将该单模裸光纤进行载氢处理；

第二步：制作长周期光纤光栅(4)：采用紫外光通过振幅掩膜板曝光方法在光纤纤芯(3)的前段写入长周期光纤光栅(4)；

第三步：制作光纤纤芯与包层交界面的Bragg光栅(5)：用飞秒激光器(11)发射激光脉冲，电子开关(12)控制光路的通断，通过衰减可控的半波片(13)和格兰氏棱镜(14)形成线偏振光，再用光束分束片(15)对光束进行分束，最后通过倒置的显微物镜(16)将激光光束聚焦到光纤中段的光纤纤芯(3)与光纤包层(2)的交界面，逐点写入若干个点状凹槽或者逐线写入若干条线状沟槽；所述线状沟槽或点状凹槽沿光纤的轴向呈现周期性的分布；所述线状沟槽的槽道沿光纤纤芯圆周方向延伸；

第四步：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(1)；

第五步：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纤芯与包层交界面的Bragg光栅(5)对应的光纤包层的外表面进行硅烷化处理，在其外表面形成硅烷层(6)。

第六步：在硅烷层(6)的表面固定适体层(7)，该适体层(7)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。

5.根据权利要求4所述的光纤纤芯与包层交界面的Bragg光栅生化传感器制作方法，其特征在于：该方法还包括第七步：在适体层(7)外设置保护套(8)；该保护套(8)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。

6.根据权利要求4或5所述的光纤纤芯与包层交界面的Bragg光栅生化传感器制作方法，其特征在于：所述长周期光纤光栅(4)的长度为20mm～50mm；该长周期光纤光栅(4)在1500nm～1600nm之间具有带宽大于10nm的谐振损耗峰，损耗峰的耦合强度大于10dB；光纤纤芯与包层交界面的Bragg光栅(5)的长度为10mm～20mm，点状凹槽或线状沟槽的槽深度小于0.5μm，槽宽度小于光纤纤芯与包层交界面的Bragg光栅(5)周期的一半；光纤纤芯与包层交界面的Bragg光栅(5)的某个低阶包层模的谐振波长处于长周期光纤光栅(4)在1500nm～1600nm之间的谐振带的中心位置附近；该光纤纤芯与包层交界面的Bragg光栅(5)的纤芯基模的谐振波长处于长周期光纤光栅(4)的谐振带内；所述长周期光纤光栅(4)的后端与光纤纤芯与包层交界面的Bragg光栅(5)的前端的距离为10mm～30mm。