CN108051377A - 基于飞秒激光刻写的长周期光纤光栅的葡萄糖浓度检测方法 - Google Patents
基于飞秒激光刻写的长周期光纤光栅的葡萄糖浓度检测方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明提供了一种基于飞秒激光刻写的长周期光纤光栅的葡萄糖浓度检测方法，本发明为了实现葡萄糖的浓度检测，设计搭建了基于长周期光纤光栅多次可重复测量葡萄糖浓度的光学系统，利用飞秒激光刻写得到的长周期光纤光栅来测量葡萄糖的浓度，与传统测试方法相比较该种方法灵敏度高、能测微量变化、可实时监测、检测过程简单。其中长周期光纤光栅为使用800nm的飞秒激光来刻写完成的，通过调整激光可以刻写出不同的周期光栅。
Description
技术领域
本发明涉及生物医学检测技术，特别涉及一种基于飞秒激光刻写的长周期光纤光栅的葡萄糖浓度检测方法。
背景技术
在日常生活中，获取葡萄糖的含量信息对人体的健康水平的评断以及疾病的预防具有重要的意义。血糖是提供人体能量的主要物质，对于人体血糖浓度的检测，在生物医疗方面的临床检测中就显得至关重要，因为血糖的偏高和偏低都反应出人体代谢方面出现了问题。葡萄糖是生物体内新陈代谢不可缺少的营养物质。它的氧化反应放出的热量是人类生命活动所需能量的重要来源。在食品、医药工业上可直接使用，在印染制革工业中作还原剂，在制镜工业和热水瓶胆镀银工艺中常用葡萄糖作还原剂。工业上还大量用葡萄糖为原料合成维生素C(抗坏血酸)。
目前用光纤光栅测量温度、应变、位移的传感器比较成熟，而用来测量生物医学方面的应用较少，大多数采用特种光栅测量，用长周期光纤光栅测葡萄糖浓度国内的偏少，国外的有一些，但都是通过镀膜来实现葡萄糖浓度的测量。2012年，SaurabhManiTripathia采用长周期光纤光栅被用来进行大肠杆菌的传感测量，也采用长周期光纤光栅用来进行葡萄糖的传感。这两篇文章中都是将光纤光栅表面修饰后，固定特殊的抗体来实现对目标的选择性探测，2016年Lu,Bingyu采用侧面抛光光纤SPR传感器用于连续葡萄糖监测，该传感器具有具有温度自补偿功能，也是在纤芯镀上铬和金属沉积一层石墨烯来修饰光栅表面。2017年Abdulyezir A.Badmos采用80m直径的包层利用长周期光纤光栅的双峰结构来测量折射率和葡萄糖浓度，该传感器在长周期光栅上进行硅烷共价结合的方法将酶官能团固定在光纤光栅上与葡萄糖分子进行反应，最终来测得葡萄糖浓度，该传感器的折射率和葡萄糖浓度的灵敏度分别为4298.20nm/RIU和4.6696nm/％。这些传感器要么设计特殊结构要么在光栅上镀一层膜，能对葡萄糖浓度进行测量，但在经济成本方面都比较贵，并且是采用的酶反应，反应不可逆，更加加大成本，也不利于市场的形成。
因此，需要一种能有效地能够重复多次测量葡萄糖浓度及其它生物分子浓度的方法。
发明内容
为了解决上述技术问题，本发明提供一种基于飞秒激光刻写的长周期光纤光栅的葡萄糖浓度检测方法，包括以下步骤：
步骤一：利用飞秒激光器的飞秒激光在单模光纤上逐点刻写长周期光纤光栅；
步骤二：在刻写好的长周期光纤光栅上分别滴上不同浓度的葡萄糖溶液；
步骤三：采用宽带光源作为光源，当宽带光源进入长周期光纤光栅时，长周期光纤光栅由于结构的原因会产生透射谱，光谱仪采集并分析所述长周期光纤光栅的透射谱，从而实现葡萄糖浓度的测量。
在步骤一中，所述飞秒激光中心波长为800nm，脉冲宽度为200fs，最大能量为4μJ，脉冲重复频率为250kHz。通过调整激光可以刻写出不同的长周期光纤光栅。
优选地，所述飞秒激光采用美国IMRA公司Femtolite系列激光器。
其中，所述长周期光纤光栅的灵敏度可以通过控制光栅的周期来得到。具体地，通过设置光纤的曝光时间和移动速度可得到周期和光栅长度不同的光纤光栅，进而得到不同的折射率灵敏度。
其中，所述单模光纤采用美国康宁SMF28单模光纤。
在步骤三中，采用宽带光源照射所述长周期光纤光栅，宽带光源进入长周期光纤光栅，根据长周期光纤光栅对光源的透射特性，可以得出所述长周期光纤光栅的透射谱图。
在步骤三中，所述光谱仪测量的波长1200～2400nm，分辨率可以到0.05nm。
优选地，所述光谱仪采用YOKOGAWA光谱分析仪，型号为AQ6375。
其中，在步骤三中，根据所述长周期光纤光栅的透射谱图得出葡萄糖浓度的具体过程如下：
长周期光纤光栅对于外界环境折射率的变化非常敏感，由长周期光纤光栅的波长耦合公式可知：
长周期光纤光栅的谐振波长取决于式中的纤芯有效折射率，包层模有效折射率和光栅的周期，在恒温的条件下，纤芯的有效折射率和光栅的周期基本不变，而包层的有效折射率却会随着外界环境物质的变化而发生显著的改变，所以长周期光纤光栅的谐振波长便与其所处的环境物质的折射率有某种对应关系，本发明通过检测长周期光纤光栅的谐振波长的漂移便能测算出环境折射率的变化。
谐振波长与折射率的关系可以用折射率灵敏度来表示为：
具体可化为：
随着葡萄糖浓度的变化，衰减峰的波长发生变化，通过实验的结果可以得到葡萄糖浓度和折射率的关系并求得折射率灵敏度。
根据本发明的另一个方面，本发明还提供一种采用飞秒激光刻写长周期光纤光栅的装置，包括飞秒激光器、光隔离器、衰减片、机械开关、显微成像观测系统、高精度三维移动平台、光纤、驱动控制系统、宽带连续光源和光谱分析仪；
所述显微成像观测系统包括反光镜、物镜和CCD，所述飞秒激光器的飞秒激光从左向右依次经过光隔离器、衰减片和机械开关，通过反光镜反射和物镜的聚焦，将飞秒激光聚焦到光纤上，通过纤性CCD找芯和观察长周期光纤光栅的刻写，光纤放置在高精度三维移动平台，所述宽带连续光源、光纤、和光谱分析仪从左到右依次连接，宽带连续光源发出光经过光纤到达光纤的长周期光纤光栅传感区域，通过所述光谱分析仪观察长周期光纤光栅的透射谱。
优选地，所述长周期光纤光栅为前向耦合，纤芯模耦合到包层，所述光谱分析仪可实时观察长周期光纤光栅的透射谱。
其中，所述驱动控制系统用于控制CCD和移动平台来更好的找芯和精确的刻栅。所述驱动控制系统可以是电脑。
上述装置的具体工作流程为：将光纤夹到三维移动平台上，通过在电脑上观看CCD摄像头传回的图片，利用电脑控制三维移动平台的运动，将光纤的纤芯找到，并利用电脑控制机械开关打开与关闭来控制飞秒激光刻写长周期光栅。
本发明具有以下有益效果：
1、与传统测试方法相比较，本发明使用飞秒激光刻写的长周期光纤光栅测葡萄糖浓度灵敏度高、能测微量变化、可实时监测、检测过程简单。
2.与临床的酶电极葡萄糖传感器和生物芯片测葡萄糖浓度的方法相比，本发明的测量方法测量稳定可靠，一个光栅可以多次重复测量。
3、采用飞秒刻写的长周期光纤光栅，光栅参数可以严格控制，测量精度高。
4、本发明的测葡萄糖浓度的方法结构简单，没有进行表面修饰，制作成本较低，没有特殊结构制作工艺简单，有很大的市场潜力。
应当理解，前述大体的描述和后续详尽的描述均为示例性说明和解释，并不应当用作对本发明所要求保护内容的限制。
附图说明
参考随附的附图，本发明更多的目的、功能和优点将通过本发明实施方式的如下描述得以阐明，其中：
图1示出了本发明所采用的飞秒激光加工系统的结构示意图。
图2示出了测量葡萄糖浓度的系统结构示意图。
图3示出了本发明中根据长周期光纤光栅对光源的透射特性得出图2所述的系统在不同浓度葡萄糖溶液的透射谱图。
图4示出了葡萄糖浓度和长周期光纤光栅谐振波长的关系图。
具体实施方式
通过参考示范性实施例，本发明的目的和功能以及用于实现这些目的和功能的方法将得以阐明。然而，本发明并不受限于以下所公开的示范性实施例；可以通过不同形式来对其加以实现。说明书的实质仅仅是帮助相关领域技术人员综合理解本发明的具体细节。
在下文中，将参考附图描述本发明的实施例。在附图中，相同的附图标记代表相同或类似的部件，或者相同或类似的步骤。
参见图1、图2，本发明提供一种基于飞秒激光刻写的长周期光纤光栅的葡萄糖浓度检测方法，包括以下步骤：
步骤一：利用飞秒激光器100的飞秒激光在单模光纤300上逐点刻写长周期光纤光栅310；所述飞秒激光器100采用美国IMRA公司Femtolite系列激光器，中心波长为800nm，脉冲宽度为200fs，最大能量为4μJ，脉冲重复频率为250kHz。其中，所述长周期光纤光栅310的灵敏度可以通过控制光栅的周期来得到。具体地，通过设置单模光纤300的曝光时间和移动速度可得到周期和光栅长度不同的光纤光栅，进而得到不同的折射率灵敏度。所述单模光纤300采用美国康宁SMF28单模光纤。
图2为长周期光纤光栅310测葡萄糖浓度的实验装置，该装置包括从左到右依次连接的光源500、光纤300以及光谱仪600，所述光源500发出光经过光纤300到达光纤300的长周期光纤光栅310传感区域，所述长周期光纤光栅310为前向耦合，纤芯模耦合到包层，所述光谱仪600用于观察、分析所述长周期光纤光栅310的透射谱。
步骤二：在刻写好的长周期光纤光栅310上分别滴上不同浓度的葡萄糖溶液；
步骤三：采用宽带光源500照射长周期光纤光栅310，宽带光源500进入长周期光纤光栅310，光谱仪600接收并分析所述长周期光纤光栅310的透射谱，从而实现葡萄糖浓度的测量。
具体地，所述光谱仪测量的波长1200～2400nm，分辨率可以到0.05nm。所述光谱仪采用YOKOGAWA光谱分析仪，型号为AQ6375。
进一步地，根据所述长周期光纤光栅的透射谱图得出葡萄糖浓度的具体过程如下：
长周期光纤光栅对于外界环境折射率的变化非常敏感，由长周期光纤光栅的波长耦合公式可知：
长周期光纤光栅的谐振波长取决于式中的纤芯有效折射率，包层模有效折射率和光栅的周期，在恒温的条件下，纤芯的有效折射率和光栅的周期基本不变，而包层的有效折射率却会随着外界环境物质的变化而发生显著的改变，所以长周期光纤光栅的谐振波长便与其所处的环境物质的折射率有某种对应关系，本发明通过检测长周期光纤光栅的谐振波长的漂移便能测算出环境折射率的变化。
谐振波长与折射率的关系可以用折射率灵敏度来表示为：
具体可化为：
随着葡萄糖浓度的变化，衰减峰的波长发生变化，通过配置不同浓度的葡萄糖溶液，观察长周期光纤光栅在其溶液中的透射谱，最后找到溶液浓度与长周期光纤光栅谐振波长的关系即可直接测得葡萄糖溶液浓度。
参见图3，为所述长周期光纤光栅在不同浓度葡萄糖溶液中的透射谱图。由图可知：随着葡萄糖溶液浓度的增加，长周期光纤光栅的谐振波长向波长小的方向移动。
参见图4，为葡萄糖浓度和长周期光纤光栅的谐振波长的关系图，由图可知：通过对图3获取特定浓度对应的长周期光纤光栅的谐振波长，进行数据处理，可以拟合出葡萄糖溶液浓度与长周期光纤光栅谐振波长的关系，其拟合曲线的斜率即为长周期光纤光栅浓度灵敏度，得到的拟合曲线为：y＝-0.1816x+1587.0791，线性度为0.9881；通过测量未知浓度葡萄糖溶液的长周期光纤光栅透射谱的谐振波长，根据拟合曲线可以得到未知葡萄糖溶液的浓度。
综上，本发明的基于飞秒激光刻写的长周期光纤光栅的葡萄糖浓度检测方法可行，能够测量葡萄糖的浓度，与传统测试方法相比较该种方法灵敏度高、能测微量变化、可实时监测、检测过程简单。
参见图1，根据本发明的另一个方面，本发明还提供一种采用飞秒激光刻写长周期光纤光栅的装置，包括飞秒激光器100、光隔离器110、衰减片120、机械开关130、显微成像观测系统140、高精度三维移动平台200、光纤300、驱动控制系统400、宽带连续光源500和光谱分析仪600；其中，所述显微成像观测系统140包括反光镜141、物镜142以及CCD700，所述飞秒激光器100的飞秒激光从左向右依次经过光隔离器110、衰减片120和机械开关130，通过反光镜反射141和物镜142的聚焦，将飞秒激光聚焦到光纤300上，通过CCD700找芯和观察长周期光纤光栅310的刻写，光纤300放置在高精度三维移动平台200，左端连接宽带连续光源500，右端连接光谱分析仪600，随时监测长周期光纤光栅310的频谱特性，如图1所示。
其中，所述驱动控制系统400用于控制CCD700和高精度三维移动平台200来更好的找芯和精确的刻栅。所述驱动控制系统400可以是电脑。
上述装置的具体工作流程为：将光纤300夹到三维移动平台上，通过在电脑上观看CCD摄像头传回的电脑的图片，用电脑控制三维移动平台200的运动，将光纤300的纤芯找到，并利用电脑控制机械开关130打开与关闭来控制飞秒激光刻写长周期光栅。
本发明为了实现葡萄糖的浓度检测，设计搭建了基于长周期光纤光栅多次可重复测量葡萄糖浓度的光学系统，利用飞秒激光刻写得到的长周期光纤光栅来测量葡萄糖的浓度，与传统测试方法相比较该种方法灵敏度高、能测微量变化、可实时监测、检测过程简单。测量稳定可靠，一个光栅可以多次重复测量。本发明的测葡萄糖浓度的方法结构简单，没有进行表面修饰，制作成本较低，没有特殊结构制作工艺简单，有很大的市场潜力。
结合这里披露的本发明的说明和实践，本发明的其他实施例对于本领域技术人员都是易于想到和理解的。说明和实施例仅被认为是示例性的，本发明的真正范围和主旨均由权利要求所限定。
Claims (10)
1.一种基于飞秒激光刻写的长周期光纤光栅的葡萄糖浓度检测方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一：利用飞秒激光器的飞秒激光在单模光纤上逐点刻写长周期光纤光栅；
步骤二：在刻写好的长周期光纤光栅上分别滴上不同浓度的葡萄糖溶液；
步骤三：采用宽带光源作为光源，当宽带光源进入长周期光纤光栅时，长周期光纤光栅由于结构的原因会产生透射谱，光谱仪采集并分析所述长周期光纤光栅的透射谱，从而实现葡萄糖浓度的测量。
2.根据权利要求1所述的葡萄糖浓度检测方法，其特征在于，在步骤一中，所述飞秒激光中心波长为800nm，脉冲宽度为200fs，最大能量为4μJ，脉冲重复频率为250kHz，调整激光可刻写出不同的长周期光纤光栅。
3.根据权利要求1或2所述的葡萄糖浓度检测方法，其特征在于，所述飞秒激光采用美国IMRA公司Femtolite系列激光器。
4.根据权利要求1所述的葡萄糖浓度检测方法，其特征在于，在步骤一中，所述长周期光纤光栅可通过设置光纤的曝光时间和移动速度来改变周期和光栅长度。
5.根据权利要求1所述的葡萄糖浓度检测方法，其特征在于，在步骤一中，所述单模光纤采用美国康宁SMF28单模光纤。
6.根据权利要求1所述的葡萄糖浓度检测方法，其特征在于，在步骤三中，所述光谱仪测量的波长1200～2400nm，分辨率可以到0.05nm。
7.根据权利要求1所述的葡萄糖浓度检测方法，其特征在于，在步骤三中，所述光谱仪采用YOKOGAWA光谱分析仪，型号为AQ6375。
8.根据权利要求1所述的葡萄糖浓度检测方法，其特征在于，在步骤三中，根据所述长周期光纤光栅的透射谱图得出葡萄糖浓度的具体过程如下：
长周期光纤光栅对于外界环境折射率的变化非常敏感，由长周期光纤光栅的波长耦合公式可知：
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长周期光纤光栅的谐振波长取决于式中的纤芯有效折射率，包层模有效折射率和光栅的周期，在恒温的条件下，纤芯的有效折射率和光栅的周期基本不变，而包层的有效折射率却会随着外界环境物质的变化而发生显著的改变，所以长周期光纤光栅的谐振波长便与其所处的环境物质的折射率有某种对应关系，本发明通过检测长周期光纤光栅的谐振波长的漂移便能测算出环境折射率的变化；
谐振波长与折射率的关系可以用折射率灵敏度来表示为：
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9.一种采用飞秒激光刻写长周期光纤光栅的装置，其特征在于，包括飞秒激光器、光隔离器、衰减片、机械开关、显微成像观测系统、高精度三维移动平台、光纤、驱动控制系统、宽带连续光源和光谱分析仪；
所述显微成像观测系统包括反光镜、物镜和CCD，所述飞秒激光器的飞秒激光从左向右依次经过光隔离器、衰减片和机械开关，通过反光镜反射和物镜的聚焦，将飞秒激光聚焦到光纤上，通过纤性CCD找芯和观察长周期光纤光栅的刻写，所述光纤放置在高精度三维移动平台，所述宽带连续光源、光纤、和光谱分析仪从左到右依次连接，宽带连续光源发出光经过光纤到达光纤的长周期光纤光栅传感区域，通过所述光谱分析仪观察长周期光纤光栅的透射谱。
10.根据权利要求9所述的刻写长周期光纤光栅的装置，其特征在于，所述驱动控制系统用于控制CCD和移动平台来更好的找芯和精确的刻栅。
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