CN107131896A - 一种光纤光栅谐振生物传感器 - Google Patents
一种光纤光栅谐振生物传感器 Download PDFInfo
- Publication number
- CN107131896A CN107131896A CN201610136305.4A CN201610136305A CN107131896A CN 107131896 A CN107131896 A CN 107131896A CN 201610136305 A CN201610136305 A CN 201610136305A CN 107131896 A CN107131896 A CN 107131896A
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- grating
- fiber
- fiber grating
- optical
- bio
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Pending
Links
- 239000000835 fiber Substances 0.000 title claims abstract description 61
- 239000013307 optical fiber Substances 0.000 claims abstract description 24
- 239000000523 sample Substances 0.000 claims abstract description 16
- 238000012544 monitoring process Methods 0.000 claims abstract description 12
- 239000011248 coating agent Substances 0.000 claims abstract description 10
- 238000000576 coating method Methods 0.000 claims abstract description 10
- 238000001514 detection method Methods 0.000 claims abstract description 10
- 238000010276 construction Methods 0.000 claims abstract description 8
- 239000012530 fluid Substances 0.000 claims abstract description 7
- 239000002184 metal Substances 0.000 claims abstract description 4
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 claims abstract description 4
- 230000003287 optical effect Effects 0.000 claims description 17
- 239000000463 material Substances 0.000 claims description 7
- 238000000034 method Methods 0.000 claims description 6
- PCHJSUWPFVWCPO-UHFFFAOYSA-N gold Chemical compound [Au] PCHJSUWPFVWCPO-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 3
- 239000010931 gold Substances 0.000 claims description 3
- 229910052737 gold Inorganic materials 0.000 claims description 3
- 238000007654 immersion Methods 0.000 claims description 3
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 abstract description 9
- 239000000126 substance Substances 0.000 abstract description 2
- 230000008878 coupling Effects 0.000 description 2
- 238000010168 coupling process Methods 0.000 description 2
- 238000005859 coupling reaction Methods 0.000 description 2
- 230000005518 electrochemistry Effects 0.000 description 2
- 230000005284 excitation Effects 0.000 description 2
- 230000008054 signal transmission Effects 0.000 description 2
- 239000000427 antigen Substances 0.000 description 1
- 102000036639 antigens Human genes 0.000 description 1
- 108091007433 antigens Proteins 0.000 description 1
- 230000000975 bioactive effect Effects 0.000 description 1
- 230000005540 biological transmission Effects 0.000 description 1
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 description 1
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 description 1
- 230000007797 corrosion Effects 0.000 description 1
- 238000005260 corrosion Methods 0.000 description 1
- 230000007812 deficiency Effects 0.000 description 1
- 238000013461 design Methods 0.000 description 1
- 238000003745 diagnosis Methods 0.000 description 1
- 201000010099 disease Diseases 0.000 description 1
- 208000037265 diseases, disorders, signs and symptoms Diseases 0.000 description 1
- 238000005538 encapsulation Methods 0.000 description 1
- 239000000446 fuel Substances 0.000 description 1
- 238000007689 inspection Methods 0.000 description 1
- 230000010354 integration Effects 0.000 description 1
- 238000001459 lithography Methods 0.000 description 1
- 238000004806 packaging method and process Methods 0.000 description 1
- 230000002265 prevention Effects 0.000 description 1
- 238000012545 processing Methods 0.000 description 1
- 238000011160 research Methods 0.000 description 1
- 230000035945 sensitivity Effects 0.000 description 1
- 238000000992 sputter etching Methods 0.000 description 1
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01D—MEASURING NOT SPECIALLY ADAPTED FOR A SPECIFIC VARIABLE; ARRANGEMENTS FOR MEASURING TWO OR MORE VARIABLES NOT COVERED IN A SINGLE OTHER SUBCLASS; TARIFF METERING APPARATUS; MEASURING OR TESTING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- G01D5/00—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable
- G01D5/26—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable characterised by optical transfer means, i.e. using infrared, visible, or ultraviolet light
- G01D5/268—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable characterised by optical transfer means, i.e. using infrared, visible, or ultraviolet light using optical fibres
Landscapes
- Physics & Mathematics (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Investigating Or Analysing Materials By Optical Means (AREA)
Abstract
本发明是一种光纤光栅谐振生物传感器，它属于光纤传感器技术领域。它包括LD光源、光纤定向耦合器、Labview监测平台、光纤光栅解调仪、匹配液、生物传感探头、生物分子膜、梯形金属镀膜、F‑P谐振腔、微加工的光纤光栅。本发明通过生物分子膜与待测物质反应，影响光纤光栅生物谐振传感器的品质因数进而影响光纤光栅锥形悬臂梁的谐振幅度，最终改变光纤光栅谐振生物传感器的反射中心波长，通过F‑P谐振腔对反射信号进行匹配和温度补偿提高检测的准确性。本发明结构简单，满足生物检测微型化的需求，能在实现实时检测。
Description
技术领域
本发明属于光纤传感器技术领域，特别涉及一种光纤光栅(FBG：Fiber BraggGrating)谐振生物传感器。
背景技术
生物传感器不仅促进了生物技术的突飞猛进，而且为人类的疾病诊断、治疗及预防提供了高效便捷的方法，但同时也面临全新的挑战。生物传感器按照基于电化学或光学传感的原理，可分为电化学和光学两大类，传统生物传感器基本为分立器件结构、体积大、结构复杂、稳定性和抗干扰性差，同时灵敏度较差。如何对组织、细胞、生活活性分子提供即时、在线、准确和全面的分析已经成为生物传感技术领域的热点问题。
光学传感器是当分子识别元件与待测物特异结合后，能产生输出特征光学信号(荧光、颜色变化等)。其中，光纤传感器因其检测物质以光纤作为传导介质并收集信号来进行检测，能够适应极端恶劣环境，不受电磁干扰，耐腐蚀，传输信号安全，损耗低，体积小，在物理、化学、生物医学和生命科学等多个研究领域具有广泛的应用前景，因此设计一种全光穿输的光纤光栅谐振生物传感器具有迫切的技术求。
本发明直接在在单模光纤的光栅结构基础上制作谐振生物传感器，将信号传输光路和生物检测传感器集成与光纤上，降低了传感器的体积以及封装难度，并且这种一体化封装结构提高了检测稳定性和精度。
发明内容
本发明针对现有生物传感器技术的不足，设计了一种光纤光栅谐振生物传感器。
本发明所采取的传感器技术方案为：
一种光纤光栅谐振生物传感器，包括LD光源(1)、光纤定向耦合器(2)、Labview监测平台(3)、光纤光栅解调仪(4)、匹配液(5)、生物传感探头(6)、生物分子膜(7)、梯形金属镀膜(8)、F-P谐振腔(9)、微加工的光纤光栅(10)；所述的LD光源(1)与光纤定向耦合器的一个端口连接，定向耦合器的另一个个端口连接光纤光栅解调仪(4)，Labview监测平台(3)连接光纤光栅解调仪(4)的另一端，光纤定向耦合器的第三个端口与生物传感探头(6)连接，光纤定向耦合器的第四个端口浸入匹配液(5)组成完整的生物检测系统。
所述的生物传感探头在单模光纤的光栅结构基础上，直接去除顶端包层，形成锥形谐振悬臂梁结构，然后在锥形谐振悬臂梁上微加工写入光栅，形成光纤光栅谐振器件；锥形谐振悬臂梁结构长度为0.4mm至3.5mm，如图2所示。
所述的生物传感探头上表面涂覆生物分子膜，生物分子膜根据检测物质选择，下表面镀有梯形金属薄膜，镀膜材料为金。
所述的微加工的光纤光栅与光纤原有光栅构成F-P谐振腔，对反射光信号进行匹配和温度补偿。
所述的Labview监测平台由Labview2013软件编写，由实时显示模块、报警模块、自动生成报表模块。
所述的光纤光栅谐振生物传感器为全光纤结构，光路和器件都由光纤集成。
本发明相对于现有技术具有以下有益效果：
(1)本发明直接在单模光纤的光栅结构基础上制作光纤光栅谐振生物传感器，使传感器的尺寸满足了微型化的需求，能在细胞内实时检测、对细胞无损伤或微损伤。
(2)本发明信号传输光路和光纤光栅谐振生物传感器采用光纤一体结构，不需要考虑光耦合校准问题，结构简单，传感器稳定性高。
(3)本发明光纤光栅谐振生物传感器为全光器件，采用光激励的方式，抗电磁干扰能力强，不需要参比电极，精度高，可靠性强。
附图说明
图1为本发明系统结构示意图；
图2为本发明光纤光栅谐振生物传感器结构示意图；
具体实施方式
以下结合附图对本发明作进一步说明：
如图1所示，一种光纤光栅谐振生物传感器，包括LD光源(1)、光纤定向耦合器(2)、Labview监测平台(3)、光纤光栅解调仪(4)、匹配液(5)、生物传感探头(6)、生物分子膜(7)、梯形金属镀膜(8)、F-P谐振腔(9)、微加工的光纤光栅(10)；所述的LD光源(1)与光纤定向耦合器的一个端口连接，定向耦合器的另一个端口连接光纤光栅解调仪(4)，Labview监测平台(3)连接光纤光栅解调仪(4)的另一端，光纤定向耦合器的第三个端口与生物传感探头(6)连接，光纤定向耦合器的第四个端口浸入匹配液(5)组成完整的生物检测系统。
如图2所示，生物传感探头直接在单模光纤的光栅结构基础上，采用反应离子刻蚀技术腐蚀掉顶端的部分包层形成锥形谐振悬臂梁结构(长度为0.4mm至3.5mm)，然后在谐振悬臂梁结构上采用微加工技术写入光栅，与单模光纤上的原有光栅构成本征F-P谐振腔；所述的生物传感探头上表面涂覆生物分子膜，生物分子膜根据检测物质选择，下表面镀有梯形金属薄膜，镀膜材料为金，使锥形的光纤光栅结构偏离传感器轴心位置，当激励光通过光纤耦合进传感器，激励锥形悬臂谐振器件时，生物传感探头振动方向被控制，不会左右谐振；采用灰度光刻技术将生物传感器探头顶端的纤芯加工成三角形。
所述的微加工的光纤光栅与光纤原有光栅构成F-P谐振腔，能够对锥形悬臂梁谐振结构上的微加工光纤光栅的发射光进行匹配和温度补偿。
所述的光纤光栅谐振生物传感器为全光纤结构，光路和器件都由光纤集成，采用光激励的方式，抗电磁干扰能力强，不需要参比电极，精度高，可靠性强。
所述的Labview监测平台由Labview2013软件编写，由实时显示模块、报警模块和自动生成报表模块组成。
本发明提出的一种光纤光栅谐振生物传感器检测抗体、抗原、DNA等免疫生物时，主要考虑振幅A和锥形悬臂梁的品质因数Q。品质因数Q取决于固有频率f0(谐振频率)和生物分子膜厚度d。
锥形悬臂梁的品质因数Q与生物分子膜厚度d成反比和固有频率成正比；锥形悬臂梁的振幅A与品质因数Q成正比。
FBG中心波长定义：
λB＝2neffΛ
λB是光纤布拉格光栅反射回来的入射光在自由空间中的中心波长；neff为有效折射率；Λ为光纤布拉格光栅的周期。
经频率调制的红外激光由光纤定向耦合器的传输到光纤光栅谐振传感器中，锥形悬臂梁结构的光纤光栅谐振生物传感器探头由于镀有梯形金属薄膜将由于“双膜热效应”出现光热激励谐振，生物传感器探头发生谐振时，光纤光栅的中心波长由于光纤光栅周期变化而变化(光栅结构向下振动受到应力，向上振动受到拉力，周期发生变化)，被光纤光栅调制的反射信号沿光纤光路返回，F-P谐振腔会对反射的光信号进行匹配和温度补偿，然后通过光栅光纤定向耦合器入射到光纤光栅解调仪(4)，光纤光栅解调仪会将反射回来的光信号转化为电信号传输到Labview监测平台(3)。生物分子膜与待测生物物质反应越激烈，生物分子膜的厚度会越小，生物传感探头的锥形悬臂梁谐振的振幅越大，生物传感探头上的光栅栅距受到的拉伸和挤压程度越大，光栅受到到拉伸，光栅的周期Λ变化越大，反射信号的中心波长的变化范围越宽。反之，中心波长变化范围越窄。中心波长变化的反射信号经过F-P谐振腔的匹配和温度补偿入射到光纤光栅解调仪(4)，光纤光栅解调仪会将反射回来的光信号转化为电信号传输到Labview监测平台(3)。
Labview监测平台由Labview2013软件编写，由实时显示模块、报警模块和自动生成报表模块组成，会将传输来的信号解调出来并实时显示，当光纤光栅谐振传感器检测值超出预设阈值，报警模块就会自启动并生成报表。
Claims (4)
1.一种光纤光栅谐振生物传感器，包括LD光源(1)、光纤定向耦合器(2)、Labview监测平台(3)、光纤光栅解调仪(4)、匹配液(5)、生物传感探头(6)、生物分子膜(7)、梯形金属镀膜(8)、F-P谐振腔(9)、微加工的光纤光栅(10)；所述的LD光源(1)与光纤定向耦合器的一个端口连接，定向耦合器的另一个端口连接光纤光栅解调仪(4)，Labview监测平台(3)连接光纤光栅解调仪(4)的另一端，光纤定向耦合器的第三个端口与生物传感探头(6)连接，光纤定向耦合器的第四个端口浸入匹配液(5)组成完整的生物检测系统。
2.根据权利要求1所述的一种光纤光栅谐振生物传感器，其特征在于，所述的生物传感探头在单模光纤的光栅结构基础上，直接去除顶端包层，形成锥形谐振悬臂梁结构，然后在锥形谐振悬臂梁上微加工写入光栅，形成光纤光栅谐振器件。
3.根据权利要求1所述的一种光纤光栅谐振生物传感器，其特征在于，所述的生物传感探头上表面涂覆生物分子膜，生物分子膜根据检测物质选择，下表面镀有梯形金属薄膜，镀膜材料为金。
4.根据权利要求1所述的一种光纤光栅谐振生物传感器，其特征在于，所述的微加工的光纤光栅与光纤原有光栅构成F-P谐振腔，对反射光信号进行匹配和温度补偿。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN201610136305.4A CN107131896A (zh) | 2016-02-26 | 2016-02-26 | 一种光纤光栅谐振生物传感器 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN201610136305.4A CN107131896A (zh) | 2016-02-26 | 2016-02-26 | 一种光纤光栅谐振生物传感器 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN107131896A true CN107131896A (zh) | 2017-09-05 |
Family
ID=59720774
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN201610136305.4A Pending CN107131896A (zh) | 2016-02-26 | 2016-02-26 | 一种光纤光栅谐振生物传感器 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN107131896A (zh) |
Cited By (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN107607889A (zh) * | 2017-09-07 | 2018-01-19 | 于盟盟 | 一种基于Li‑Fi的全光传输磁场检测系统 |
| CN110584570A (zh) * | 2019-10-12 | 2019-12-20 | 深圳大学 | 一种全光检测的内窥光声成像系统 |
| CN111238684A (zh) * | 2020-03-27 | 2020-06-05 | 中天科技光纤有限公司 | 一种光纤温度传感器 |
| CN113720493A (zh) * | 2021-08-13 | 2021-11-30 | 武汉理工大学 | 基于光纤端面微纳谐振结构的传感器及其制备方法 |
| CN115575026A (zh) * | 2022-10-10 | 2023-01-06 | 深圳大学 | 一种光纤谐振器及其制备方法和真空度检测方法 |
-
2016
- 2016-02-26 CN CN201610136305.4A patent/CN107131896A/zh active Pending
Cited By (8)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN107607889A (zh) * | 2017-09-07 | 2018-01-19 | 于盟盟 | 一种基于Li‑Fi的全光传输磁场检测系统 |
| CN110584570A (zh) * | 2019-10-12 | 2019-12-20 | 深圳大学 | 一种全光检测的内窥光声成像系统 |
| CN110584570B (zh) * | 2019-10-12 | 2022-11-08 | 深圳大学 | 一种全光检测的内窥光声成像系统 |
| CN111238684A (zh) * | 2020-03-27 | 2020-06-05 | 中天科技光纤有限公司 | 一种光纤温度传感器 |
| CN113720493A (zh) * | 2021-08-13 | 2021-11-30 | 武汉理工大学 | 基于光纤端面微纳谐振结构的传感器及其制备方法 |
| CN113720493B (zh) * | 2021-08-13 | 2022-08-09 | 武汉理工大学 | 基于光纤端面微纳谐振结构的传感器及其制备方法 |
| CN115575026A (zh) * | 2022-10-10 | 2023-01-06 | 深圳大学 | 一种光纤谐振器及其制备方法和真空度检测方法 |
| CN115575026B (zh) * | 2022-10-10 | 2024-01-30 | 深圳大学 | 一种光纤谐振器及其制备方法和真空度检测方法 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| CN107131896A (zh) | 一种光纤光栅谐振生物传感器 | |
| CA2072998C (en) | Optical immunoassay | |
| EP3761853B1 (en) | Sensor comprising a waveguide with optical resonator and sensing method | |
| US5061857A (en) | Waveguide-binding sensor for use with assays | |
| CN105092535B (zh) | 分布式表面等离子体共振光纤传感器 | |
| CN101413891B (zh) | 一种等离子体共振微结构光纤传感器 | |
| CN105891155A (zh) | 一种基于珐珀干涉的免标记光纤生物传感探针 | |
| CN108692751B (zh) | 基于光纤法布里玻罗腔的应变传感器及其制作方法 | |
| CN102095719A (zh) | 基于表面等离子共振和受激拉曼散射的光纤型传感系统 | |
| CN106066313A (zh) | 分布式表面等离子体共振光纤传感器及用于液体折射率测量的方法 | |
| CN104776954B (zh) | 一种光激励光纤光栅悬臂梁谐振子真空度传感器 | |
| CN106841121A (zh) | 一种基于脊形光波导的spr生化传感器 | |
| CN102175645B (zh) | 一种基于偏振光检测的高灵敏光子晶体光纤折射率传感器 | |
| CN111537445A (zh) | 基于倏逝波的环形谐振腔增强型液体组分及浓度传感器 | |
| Wang et al. | High sensitivity cascaded helical-core fiber SPR sensors | |
| CN2935132Y (zh) | 一种基于长周期光纤光栅的生物传感器 | |
| CN108801851A (zh) | 一种薄壁柱对称微腔微量液相浓度传感器 | |
| CN111928880B (zh) | 基于表面等离子体效应的马赫-曾德干涉光纤及其传感器 | |
| US10983049B2 (en) | Method for detecting a local change in refractive index of a dielectric medium located on the surface of an optical sensor | |
| KR101198259B1 (ko) | 다공 광섬유를 이용한 광 바이오 센서 및 바이오 물질 검출 방법 | |
| CN203745132U (zh) | 一种光激励光纤光栅悬臂梁谐振子真空度传感器 | |
| CN201955305U (zh) | 基于表面等离子共振和受激拉曼散射的光纤型传感系统 | |
| CN115825005B (zh) | 一种基于微流控芯片快速测算液体折射率的方法 | |
| CN115128729B (zh) | 一种超声传感器的制备方法、装置及一种超声传感器 | |
| CN114740525B (zh) | 一种基于双超短光纤光栅的悬芯超声传感器及其制作方法 |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication | ||
| WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication |
Application publication date: 20170905 |