CN109342327A - 新型微纳高双折射Sagnac光纤生物传感器 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种新型微纳高双折射Sagnac光纤生物传感器。本发明以微纳高双折射Sagnac型光纤进行生物传感器研究开发，该传感器包括两个级联Sagnac干涉环，其中一个Sagnac干涉环是由熊猫保偏光纤作为滤波器组成的滤波器环，另一个Sagnac干涉环是由微纳高双折射光纤上涂覆的氧化石墨烯薄膜构成的传感器环。本发明基于级联效应及Sagnac干涉的光纤生物传感器，与传统单环的Sagnac干涉仪相比，级联的两个Sagnac干涉环可以提高传感器的灵敏度和探测极限，最终输出具有游标效应的光谱，且灵敏度高、成本低、制作简便、温度变化敏感度低、稳定好。
Description
技术领域
本发明属于光纤传感技术，涉及光纤Sagnac干涉仪的传感器，具体涉及一种新型微纳高双折射Sagnac光纤生物传感器。
背景技术
相位调制类光纤传感器是常见的光纤传感技术，具有高精度和高灵敏度等优点，且系统的灵敏度可通过改变传感光纤的长度来调节，如果采用相位调制类光纤传感器，由于光波的频率通常都在1014赫兹以上，使用传统的仪器来直接测量光的相位变化是不可能的，此时用到干涉的方法把光的相位变化转换为强度的变化，因此系统中相位的解调需要通过干涉仪来实现，常用的干涉结构有四种：Michelson型、Mach-Zehnder型、Fabry-Pérot型和Sagnac型。
实现光的干涉需要满足干涉的三个条件：两叠加光波相位差固定不变、两叠加光波的频率相同和振动方向相同的两列相干光相遇叠加，在叠加区域某些点或者区域光波的振动始终加强，某些点或区域光波的振动始终减弱，即在干涉区域内光波的振动强度具有稳定的空间分布。在实验中光在光纤中传输，因此对于两束光的叠加，只有输出光的功率的变化。同时两束光在光纤中干涉叠加，它们之间的夹角为零。设两束光的光强分别为P1和P2，相位差为则两束光在耦合器处的叠加的光强P为：
所以，由上式可得，当两束光相干涉时,干涉强度随相位差变变化，可以通过对光强的测量来完成对相位差的测量。
由光纤Sagnac干涉仪发展而来的Sagnac型光纤传感器具有很多优点：
(1)灵敏度范围极大，其灵敏度与外界干扰的频率和延时纤长度有关，可随着实际应用的要求通过改变光纤环中延时纤的长度加以调节；
(2)传感器系统中干涉的两路光光程差为零，系统噪声相比其余几类干涉型光纤传感器更小；
(3)传感器为环路结构，通过偏振控制器即可控制偏振对系统的影响；
(4)可通过改善结构，变成线性结构，应用更加广泛。
理想情况下，当一束偏振光在单模光纤中传播时，两个相互垂直的极化模的传播系数相同，因此它们简并后输出光应一直保留原来的偏振态。但事实上，相互垂直的极化模的传播系数因光纤双折射作用而不相同，导致输出光的偏振态发生了改变。
微纳高双折射光纤是一种特殊的微纳光纤，是在传统保偏光纤和微纳光纤的研究基础上发展出来的，具有独特的双折射效应和大倏逝场效应，强大的倏逝场效应可以使光纤感受到外界折射率的变化，独特的双折射效应可以保证传输光的偏振态，利用微纳高双折射光纤在不同偏振态的倏逝场效应和对周围介质折射率的不同响应,可研制出高灵敏度的光纤传感器。
发明内容
本发明以微纳高双折射Sagnac型光纤进行生物传感器研究开发，设计出一种灵敏度高、成本低、制作简便、稳定好、对温度变化敏感度低，且具有游标效应的新型微纳高双折射Sagnac光纤生物传感器。本发明包括两个级联Sagnac干涉环，其中一个Sagnac干涉环是由熊猫保偏光纤作为滤波器组成的滤波器环，另一个Sagnac干涉环是由微纳高双折射光纤上涂覆的氧化石墨烯薄膜构成的传感器环。与传统单环的Sagnac干涉仪相比，本发明具有更高的灵敏度。
为实现上述目的，本发明采用了以下技术方案：
新型微纳高双折射Sagnac光纤生物传感器，包括两个级联Sagnac干涉环，第一干涉环Ⅰ为滤波器环，第二干涉环Ⅱ为传感器环，其中：
所述的第一干涉环Ⅰ是由第一3dB耦合器1、第一偏振控制器2、熊猫保偏光纤3组成的滤波器环，滤波器环出入端口处设置有第一3dB耦合器1，第一3dB耦合器1、熊猫保偏光纤3和第一偏振控制器2通过单模光纤连接；
所述的第二干涉环Ⅱ是由第二3dB耦合器4、第二偏振控制器5、微纳高双折射光纤6组成的传感器环，传感器环出入端口处设置有第二3dB耦合器4，第二3dB耦合器4、微纳高双折射光纤6和第二偏振控制器5通过单模光纤连接，所述的微纳高双折射光纤6上涂覆有氧化石墨烯薄膜层。
进一步的，所述的滤波器环内的熊猫保偏光纤的长度为10cm～30cm。
进一步的，所述的传感器环内的微纳高双折射光纤的长度为10～30cm，直径为1～10μm。
进一步的，所述的传感器环内微纳高双折射光纤上涂覆的氧化石墨烯薄膜的厚度为0.1nm～0.5nm。
进一步的，所述的传感器环内的微纳高双折射光纤由熊猫保偏光纤拉锥制成。
本发明的原理如下：
本发明新型微纳高双折射Sagnac光纤生物传感器的游标效应增敏结构，采用的是级联两个Sagnac环结构，两个Sagnac环都有各自的干涉光谱，最终两个干涉谱进行叠加形成了具有游标效应的光谱，因此最终的光谱会有一个放大作用，同时具有一个放大倍数。与单个Sagnac环的传感器相比较，级联的两个Sagnac干涉环可以提高传感器的灵敏度和探测极限，最终输出具有游标效应的光谱。微纳高双折射光纤作为传感器的探头，当外界发生变化时，传感器环的光谱发生偏移，而熊猫保偏光纤所在的滤波器环的光谱却并未发生变化，光谱仪上的光谱为滤波器环的光谱和传感器环漂移后的光谱的叠加光谱，也就是具有游标效应放大的光谱，通过测得光谱的波长漂移进而得到外界的变化。
本发明与现有技术相比的有益效果是：
本发明基于级联效应及Sagnac干涉的光纤生物传感器，级联的两个Sagnac干涉环可以提高传感器的灵敏度和探测极限，最终输出具有游标效应的光谱。且本发明光纤生物传感器灵敏度高、成本低、制作简便，对温度变化敏感度低不易受温度变化影响，稳定性好。在氧化石墨烯表面修饰抗体可以进行生物溶液浓度的测量。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明新型微纳高双折射Sagnac光纤生物传感器的传感系统示意图；
图2为现有技术的单个Sagnac干涉环传感器测量液体折射率的光谱图；图2(a)为测量不同液体折射率的光谱图，图2(b)为光谱偏移量拟合曲线；
图3为本发明实施例1中新型微纳高双折射Sagnac光纤生物传感器测量液体折射率的光谱图；图2(a)为测量不同液体折射率的光谱图，图2(b)为光谱偏移量拟合曲线；
图4为本发明实施例2中新型微纳高双折射Sagnac光纤生物传感器测量牛血清蛋白溶液的光谱图，图4(a)为不同浓度牛血清蛋白溶液波长光谱图，图4(b)为光谱偏移量拟合曲线。
具体实施方式
需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本发明及其应用或使用的任何限制。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本发明的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置、数字表达式和数值不限制本发明的范围。同时，应当清楚，为了便于描述，附图中所示出的各个部分的尺寸并不是按照实际的比例关系绘制的。对于相关领域普通技术人员己知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术、方法和设备应当被视为授权说明书的一部分。在这里示出和讨论的所有示例中，任向具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制。因此，示例性实施例的其它示例可以具有不同的值。应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步讨论。
在本发明的描述中，需要理解的是，方位词如“前、后、上、下、左、右”、“横向、竖向、垂直、水平”和“顶、底”等所指示的方位或位置关系通常是基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，在未作相反说明的情况下，这些方位词并不指示和暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位或者以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明保护范围的限制：方位词“内、外”是指相对于各部件本身的轮廓的内外。
为了便于描述，在这里可以使用空间相对术语，如“在……之上”、“在……上方”、“在……上表面”、“上面的”等，用来描述如在图中所示的一个器件或特征与其他器件或特征的空间位置关系。应当理解的是，空间相对术语旨在包含除了器件在图中所描述的方位之外的在使用或操作中的不同方位。例如，如果附图中的器件被倒置，则描述为“在其他器件或构造上方”或“在其他器件或构造之上”的器件之后将被定位为“在其他器件或构造下方”或“在其位器件或构造之下”。因而，示例性术语“在……上方”可以包括“在……上方”和“在……下方”两种方位。该器件也可以其他不同方式定位(旋转90度或处于其他方位)，并且对这里所使用的空间相对描述作出相应解释。
此外，需要说明的是，使用“第一”、“第二”等词语来限定零部件，仅仅是为了便于对相应零部件进行区别，如没有另行声明，上述词语并没有特殊含义，因此不能理解为对本发明保护范围的限制。
实施例1
如图1所示，新型微纳高双折射Sagnac光纤生物传感器，包括两个级联Sagnac干涉环，第一干涉环Ⅰ为滤波器环，第二干涉环Ⅱ为传感器环，其中：
所述的第一干涉环Ⅰ是由第一3dB耦合器1、第一偏振控制器2、熊猫保偏光纤3组成的滤波器环，滤波器环出入端口处设置有第一3dB耦合器1，第一3dB耦合器1、熊猫保偏光纤3和第一偏振控制器2通过单模光纤连接；滤波器环内的熊猫保偏光纤的长度为10cm～30cm。
所述的第二干涉环Ⅱ是由第二3dB耦合器4、第二偏振控制器5、微纳高双折射光纤6组成的传感器环，传感器环出入端口处设置有第二3dB耦合器4，第二3dB耦合器4、微纳高双折射光纤6和第二偏振控制器5通过单模光纤连接，传感器环内微纳高双折射光纤的长度为10～30cm，直径为1～10μm。所述的微纳高双折射光纤6上涂覆有氧化石墨烯薄膜层，氧化石墨烯薄膜层的厚度为0.1nm～0.5nm。微纳高双折射光纤由熊猫保偏光纤拉锥制成。
两个Sagnac环都有自己的干涉光谱，并且两个干涉光谱区域叠加形成具有游标效应的光谱。当周围溶液的折射率变化时，传感器环的光谱发生偏移，但是熊猫保偏光纤所做的滤波器环的频谱也不会发生偏移。光谱仪上的光谱是滤光环的光谱和传感器环的漂移。光谱的叠加光谱，即具有游标效应放大的光谱，通过测量光谱的波长偏移来测量外部折射率。因此，与单个Sagnac环形传感器相比，级联环路可以输出具有游标效应的光谱，从而提高传感器灵敏度并降低检测限。
根据Jones矩阵，级联的第一干涉环Ⅰ和第二干涉环Ⅱ的输出光谱的表达式为：
式中，θ1、θ2分别表示第一干涉环Ⅰ和第二干涉环Ⅱ内传输光与第一偏振控制器2和第二偏振控制器5的夹角，Δn1、Δn2分别表示第一干涉环Ⅰ和第二干涉环Ⅱ中的光纤有效折射率差，L1、L2分别表示第一干涉环Ⅰ和第二干涉环Ⅱ中的光纤长度。
应用现有技术的单个Sagnac干涉环传感器和本发明新型微纳高双折射Sagnac光纤生物传感器测量液体折射率，如图1所示，将新型微纳高双折射Sagnac光纤生物传感器的第一干涉环Ⅰ的入口端连接光源，将第二干涉环Ⅱ的出口端连接光谱仪；当外界折射率发生变化时，由图2和图3对比可知：本发明新型微纳高双折射Sagnac光纤生物传感器的波长偏移量大约为单个Sagnac环传感器偏移量的3倍，所以本发明和现有技术相比，传感器的灵敏度提高了三倍。
实施例2
下面以上述新型微纳高双折射Sagnac光纤生物传感器测量牛血清蛋白溶液实验，具体如下：
如图1所示，将新型微纳高双折射Sagnac光纤生物传感器的第一干涉环Ⅰ的入口端连接光源，将第二干涉环Ⅱ的出口端连接光谱仪；
配制好浓度分别为0.5mg/mL、1.0mg/mL、1.5mg/mL和2.0mg/mL的牛血清蛋白溶液；
注意每次向新型微纳高双折射Sagnac光纤生物传感器的第二干涉环Ⅱ的涂覆有氧化石墨烯薄膜层的微纳高双折射光纤6上，滴加牛血清蛋白溶液后，要用去离子水清洗微纳高双折射光纤6，确保微纳高双折射光纤6表面没有残留蛋白溶液。由于氧化石墨烯薄膜层需要吸附牛血清蛋白分子，所以在微纳高双折射光纤6表面滴加过溶液后，要等待1分钟左右，使光谱仪上光谱稳定后再保存数据。
数据采用Origin软件进行处理，将溶液浓度值与光谱的偏移值导入，根据数据的分布采用相应的拟合曲线，得出光谱偏移值与溶液浓度之间关系的表达式，进而求得本实验新型微纳高双折射Sagnac光纤生物传感器的最低检测限。
如图4(a)所示，随着牛血清蛋白溶液浓度的增大，光谱不断向长波段偏移，对实验所得光谱图的下包络进行拟合得到光谱的偏移量，再对光谱偏移量进行线性拟合，拟合曲线如图4(b)所示，检测灵敏度为9.55mg/(ml·nm)
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。
Claims (5)
1.新型微纳高双折射Sagnac光纤生物传感器，其特征在于，包括两个级联Sagnac干涉环，第一干涉环(Ⅰ)为滤波器环，第二干涉环(Ⅱ)为传感器环，其中：
所述的第一干涉环(Ⅰ)是由第一3dB耦合器(1)、第一偏振控制器(2)、熊猫保偏光纤(3)组成的滤波器环，滤波器环出入端口处设置有第一3dB耦合器(1)，第一3dB耦合器(1)、熊猫保偏光纤(3)和第一偏振控制器(2)通过单模光纤连接；
所述的第二干涉环(Ⅱ)是由第二3dB耦合器(4)、第二偏振控制器(5)、微纳高双折射光纤(6)组成的传感器环，传感器环出入端口处设置有第二3dB耦合器(4)，第二3dB耦合器(4)、微纳高双折射光纤(6)和第二偏振控制器(5)通过单模光纤连接，所述的微纳高双折射光纤(6)上涂覆有氧化石墨烯薄膜层。
2.根据权利要求1所述的新型微纳高双折射Sagnac光纤生物传感器，其特征在于，所述的滤波器环内的熊猫保偏光纤(6)的长度为10cm～30cm。
3.根据权利要求1所述的新型微纳高双折射Sagnac光纤生物传感器，其特征在于，所述的传感器环内的微纳高双折射光纤(6)的长度为10～30cm，直径为1～10μm。
4.根据权利要求1所述的新型微纳高双折射Sagnac光纤生物传感器，其特征在于，所述的传感器环内微纳高双折射光纤(6)上涂覆的氧化石墨烯薄膜层的厚度为0.1nm～0.5nm。
5.根据权利要求1所述的新型微纳高双折射Sagnac光纤生物传感器，其特征在于，所述的传感器环内的微纳高双折射光纤(6)由熊猫保偏光纤拉锥制成。
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