CN110398620B - 一种基于蛋白质液芯回音壁模共振的毛细管微腔电流传感器 - Google Patents
一种基于蛋白质液芯回音壁模共振的毛细管微腔电流传感器 Download PDFInfo
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Abstract
本发明揭示了一种基于蛋白质液芯回音壁模共振的毛细管微腔电流传感器，该毛细管微腔电流传感器包括扫频激光器、偏振控制器、毛细管微腔‑锥形光纤耦合单元、光电探测器和反馈单元，扫频激光器、偏振控制器、毛细管微腔‑锥形光纤耦合单元、光电探测器通过光纤熔接的方式相连接，反馈单元将光电探测器测得的光功率和扫频激光器的光功率进行运算输出回音壁模式共振谱。该传感器利用灌注微量蛋白质溶液的高Q值毛细管微腔作为传感单元，利用液芯蛋白质分子的导电特性增强回音壁模共振对外加电场的感知能力，实现电场的快速、高灵敏度测试，具有体积微小、结构紧凑、集成度高、响应快、稳定性好、成本低等特性。
Description
技术领域
本发明涉及一种基于蛋白质液芯回音壁模共振的毛细管微腔电流传感器及传感方法，可用于传感器技术领域。
背景技术
光纤电流传感器(OCT)由于其良好的电气绝缘性能、耐腐蚀性、快速响应等特性成为近年来电流传感器的优选。其主要分为电光-磁光型OCT和辐射内调制型OCT，前者的特征是制作简单且适用于多种应用场合，但是由于受到光纤本身的限制，电光-磁光型OCT容易受到环境噪声的影响；辐射内调制型OCT改善了高压绝缘性能，但是仍然有传统电磁式电流互感器的缺点。
微腔由于其高Q值、模式体积小、腔内光子寿命长，光场与物质互作用强等特性，目前已被广泛应用于各种生物、化学、温度、应力等物理参数的传感测试。相比于一般的光纤传感器，微腔传感器具有结构稳定、更紧凑、响应速度快、成本更低等优势。
Tindaro L，Ulas A等人提出了基于实心球形微腔的电流传感器，利用形态依赖共振的方法(即为回音壁模式WGM)，实现了快速响应、低成本、微小体积的电流传感测试，其电场传感灵敏度为1.7pm/(kv/m)。特别的，该方案需要对微球腔传感器进行高压电场极化方法，利用聚合物材料对微球腔的表面进行功能化，以确保其传感灵敏度，制备方法相对复杂。
发明内容
本发明的目的就是为了解决现有技术中存在的上述问题，提出一种基于蛋白质液芯回音壁模共振的毛细管微腔电流传感器及传感方法。
本发明的目的将通过以下技术方案得以实现：一种基于蛋白质液芯回音壁模共振的毛细管微腔电流传感器，包括扫频激光器、偏振控制器、毛细管微腔-锥形光纤耦合单元、光电探测器和反馈单元，其中，扫频激光器、偏振控制器、毛细管微腔-锥形光纤耦合单元、光电探测器通过光纤熔接的方式相连接，所述反馈单元分别与扫频激光器和光电探测器电性连接，反馈单元将光电探测器测得的光功率和扫频激光器的光功率进行运算输出回音壁模式共振谱；毛细管微腔-锥形光纤耦合单元用于灌注微量蛋白质溶液，所述毛细管微腔-锥形光纤耦合单元包括毛细管微腔和锥形光纤，毛细管微腔和锥形光纤垂直耦合激发回音壁模式共振，向毛细管微腔中灌入蛋白质溶液，改变回音壁模式共振特性随电场变化的灵敏度，通过偏振控制器调整毛细管微腔内的光场共振模式，由光电探测器探测回音壁模式共振谱。
优选地，所述毛细管微腔-锥形光纤耦合单元由锥形光纤与毛细管微腔通过位移平台精确垂直耦合构成。
优选地，所述毛细管微腔-锥形光纤耦合单元内的蛋白质溶液通过虹吸效应被灌注入毛细管微腔内，蛋白质溶液的体积为微升级别，所述蛋白质溶液的浓度为0.2mg/ml～1.0 mg/ml。
优选地，所述毛细管微腔的壁厚为2～3μm，毛细管微腔的内径大小为50～100μm。
优选地，所述光电探测器为特定波长的光电探测器，所述光电探测器的波长为红外波段。
优选地，所述锥形光纤通过拉锥机熔融拉锥而成，锥形光纤的锥区直径为2～3μm。
本发明采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：利用灌注微量蛋白质溶液的高Q值毛细管微腔作为传感单元，由于毛细管微腔液芯溶液中蛋白质分子的导电特性，在变化的电场中会在微腔内壁表面发生定向移动，从而明显改变微腔液芯部分的有效折射率，进一步引起回音壁模式共振谱的漂移，提高了回音壁模式共振对电场的灵敏度，实现一种具有高灵敏度、快速检测、结构紧凑、集成度高、响应快、成本低的电流传感器。本发明在解决电场强度测试实际问题中具有潜在的、巨大的应用价值。
附图说明
图1为本发明的一种基于蛋白质液芯回音壁模共振的毛细管微腔电流传感器的结构示意图。
图2为本发明微腔内分别通入去离子水后实验测试得到的回音壁模式共振谱随电场的变化规律图。
图3为本发明微腔内分别通入8％NaCl溶液后实验测试得到的回音壁模式共振谱随电场的变化规律图。
图4为本发明微腔内分别通入16％NaCl溶液后实验测试得到的回音壁模式共振谱随电场的变化规律图。
图5为本发明微腔内蛋白质分子在电场作用下，由于导电特性产生定向移动过程示意图。
图6为本发明微腔内注入0.2mg/ml蛋白质溶液后得到的回音壁模式共振谱图。
图7为本发明微腔内注入0.2mg/ml蛋白质溶液后得到的回音壁模式共振谱图。
图8为本发明微腔内注入0.8mg/ml蛋白质溶液后得到的回音壁模式共振谱图。
图9为本发明微腔内注入0.8mg/ml蛋白质溶液后得到的回音壁模式共振谱图。
图10为本发明微腔内注入1mg/ml蛋白质溶液后得到的回音壁模式共振谱图。
图11为本发明微腔内注入1mg/ml蛋白质溶液后得到的回音壁模式共振谱图。
具体实施方式
本发明的目的、优点和特点，将通过下面优选实施例的非限制性说明进行图示和解释。这些实施例仅是应用本发明技术方案的典型范例，凡采取等同替换或者等效变换而形成的技术方案，均落在本发明要求保护的范围之内。
本发明揭示了一种基于蛋白质液芯回音壁模共振的毛细管微腔电流传感器，如图1 所示，该传感器结构包括扫频激光器1、偏振控制器2、灌注微量蛋白质溶液的毛细管微腔-锥形光纤耦合单元3、光电探测器4和反馈单元5，其中，扫频激光器1、偏振控制器 2、毛细管微腔-锥形光纤耦合单元3、光电探测器4通过光纤熔接的方式相连接。
所述反馈单元5分别与扫频激光器1和光电探测器4电性连接，反馈单元5将光电探测器4测得的光功率和扫频激光器1的光功率进行运算输出回音壁模式共振谱；毛细管微腔-锥形光纤耦合单元3用于灌注微量蛋白质溶液。所述毛细管微腔-锥形光纤耦合单元3包括毛细管微腔6和锥形光纤7，具体地，在本技术方案中，所述毛细管微腔-锥形光纤耦合单元3由锥形光纤7与毛细管微腔6通过位移平台精确垂直耦合构成。
毛细管微腔6和锥形光纤7垂直耦合激发回音壁模式共振，向毛细管微腔6中灌入蛋白质溶液8，改变回音壁模式共振特性随电场变化的灵敏度，通过偏振控制器2调整毛细管微腔内的光场共振模式，由光电探测器探测回音壁模式共振谱。
所述毛细管微腔-锥形光纤耦合单元3内的蛋白质溶液8通过虹吸效应被灌注入毛细管微腔6内，蛋白质溶液的体积为微升级别，所述蛋白质溶液的浓度为0.2mg/ml～1.0mg/ml。所述毛细管微腔的壁厚为2～3μm，毛细管微腔的内径大小为50～100μm。锥形光纤通过拉锥机熔融拉锥而成，锥区直径为2-3μm，毛细管微腔也是熔融拉锥制备而成，外径为90μm，壁厚2-3μm，该毛细管微腔具有高对称性、薄壁、体积微小等特点。
所述光电探测器为特定波长的光电探测器，在本技术方案中，所述光电探测器的波长优选为红外波段。
一种基于蛋白质液芯回音壁模共振的毛细管微腔电流传感器的传感方法，该方法包括以下步骤：
S1：产生加载到毛细管微腔上的变化的电场；
将两片2cm×2cm×1mm的黄铜板中心打出直径为1mm左右的孔后加入到毛细管微腔尾端的两侧以形成一个平行板电容器，在平行板电容器的两面分别焊上两根导线为搭建的电容器提供一个0-32V的直流电源，此时能够保证电场的方向与回音壁模电场分量平行同向或反向。
S2：制备毛细管微腔，灌注蛋白质溶液，耦合微腔激发回音壁模式共振谱；
采用熔融拉锥和气压控制的方法，制备内径为60～100μm，壁厚为2～3μm的毛细管微腔；向毛细管微腔内壁通过虹吸效应加入蛋白质分子溶液，静置一定时间后使毛细管微腔中的溶液与毛细管相对静止；毛细管微腔与锥形光纤通过位移平台精确垂直耦合激发回音壁模式共振，通过偏振控制器调整微腔内的共振模式，由光电探测器探测回音壁模式共振谱。
S3：改变直流源的供电电压，从0-30V每次递增10V并且隔2min的时间间隔记录回音壁模共振谱的变化，在测试完正向电场后调换电极顺序以相同方法测试负向电场的强度。
S4：改变毛细管微腔内的蛋白质浓度，重复S2-S4步骤。
在所述S2步骤中，将0.2mg/ml的蛋白质溶液通入微腔内测试获得的回音壁模式共振谱漂移随电压变化情况，在所述S4步骤中，分别改变加入毛细管微腔内的蛋白质溶液，具体地情况如下：
在所述S4步骤中，将0.2mg/ml的蛋白质溶液通入微腔内测试获得的回音壁模式共振谱漂移随电压变化情况，灵敏度达到2.21pm/(kV/m)。在所述S4步骤中，向微腔内通入含有0.8mg/ml的蛋白质溶液后不同电场测试获得的回音壁模式共振谱，在一定作用时间内，蛋白质分子在电场力作用下发生定向移动，回音壁模式共振谱发生漂移，灵敏度达到3.36pm/(kV/m)。在所述S4步骤中，向微腔内通入含有1mg/ml的蛋白质溶液后不同电场测试获得的回音壁模式共振谱，在一定作用时间内，蛋白质分子在电场力作用下发生定向移动，回音壁模式共振谱发生漂移，灵敏度达到19.43pm/(kV/m)。
灌注微量蛋白质溶液的毛细管微腔-锥形光纤耦合单元，当蛋白质分子溶于水后，基于其水合作用的增加，其稳态电导率σ与活化能E的关系表述为：
σ＝σ0exp(-E/kT). (1)
其中σ0为常数，k为玻尔兹曼常数，T为温度。Rosenberg开发的模型说明了水和蛋白的电导率，其表述为：
ΔE＝(I-P+)-(A+P-)， (2)
其中I和A是分离的蛋白质分子的电离能和电子亲和力。P+和P-表示所得周围正离子和负离子的介质的极化能量，其值为：P+＝P-＝q2(1-1/ε′)/8πε0R，R是带电区域的空腔半径，q是电荷量，ε’代表弱介电色散，ε0为真空介电常数。通过将参数I和A分配给适当的供体和受体能量水平并包括库仑效应描述任何电荷转移过程说明了蛋白质的稳态电导率和低频极化率可以作为水合作用的函数。式(1)、(2)表明蛋白质分子在溶液中具有增强的导电特性。该蛋白质液芯微腔电流传感器，其回音壁模式共振谱对外加变化电场的敏感特性受到灌注于微腔内的蛋白质分子溶液的浓度密切相关。
为了对比，首先通过实验测试了未加入蛋白质分子溶液，如图2为利用虹吸效应通入去离子水后在电场作用下测试得到的回音壁模式共振谱。图3为利用虹吸效应通入8％NaCl溶液后在电场作用下测试得到的回音壁模式共振谱。图4为利用虹吸效应通入16％NaCl溶液后在电场作用下测试得到的回音壁模式共振谱。
用NaCl溶液作为对电场敏感的物质是由于NaCl在水中以离子的形式存在，在确定的电场方向下其离子的运动方向是确定的。在微腔中充满上述三种溶液时光谱的漂移量分别为4.16pm(a)、1.19pm(b)、1.49pm(c)且偏移无明显的规律，这是因为离子的漂移是动态的过程，在其瞬间检测到光谱的漂移是无法实现的，在测试阶段离子的漂移运动已经达到了动态平衡。
图5为微腔内蛋白质在正向和负向电场作用下的运动，即蛋白质在正负电场下的运动原理图，6为毛细管微腔，7为锥形光纤，8为蛋白质分子。蛋白质分子在溶液环境下会具有导电性，在施加电场后带电的蛋白质分子会发生定向移动，这种运动改变微腔内液芯的有效折射率，从而引起回音壁模共振谱的漂移，漂移的量与被检测的蛋白质浓度成正比，实现特定电场值的感测。
图6是实施上述S2步骤后，即：将0.2mg/ml的蛋白质溶液通入微腔内测试获得的回音壁模式共振谱漂移随电压变化情况，在一定作用时间内，蛋白质分子在电场力作用下发生定向移动，由于电压增大，回音壁模式共振谱也发生漂移的现象。
图7是回音壁模式共振谱的波长漂移随电压的变化情况，将微腔-锥形光纤耦合系统置于间距为3.7cm的黄铜板之间。通过改变外加电场强度后，回音壁模式共振谱随着电场的变化实验测试结果。共振谱波长漂移了约3.56pm，即灵敏度达到2.21pm/(kV/m)。其中对外加电场的控制是通过改变板间电压来改变其大小，通过改变电极的顺序来改变其极性。
图8是实施上述S4步骤，向微腔内通入含有0.8mg/ml的蛋白质溶液后不同电场测试获得的回音壁模式共振谱，在一定作用时间内，蛋白质分子在电场力作用下发生定向移动，回音壁模式共振谱发生漂移。
图9是回音壁模式共振谱的波长漂移随电压的变化情况，通过改变板间电压以改变场强后，回音壁模式共振谱随着电场的变化，波长漂移了约3.03pm，即灵敏度达到3.36pm/(kV/m)。
图10是实施上述S4步骤，向微腔内通入含有1mg/ml的蛋白质溶液后不同电场测试获得的回音壁模式共振谱，在一定作用时间内，蛋白质分子在电场力作用下发生定向移动，回音壁模式共振谱发生漂移。
图11是回音壁模式共振谱的波长漂移随电压的变化情况，通过改变板间电压以改变场强后，回音壁模式共振谱随着电场的变化，波长漂移了约16.5pm，即灵敏度达到19.43pm/(kV/m)。
本发明利用液芯蛋白质分子的导电特性增强回音壁模共振对外加电场的感知能力，受电场力的蛋白质分子在匀强电场中发生定向移动从而改变液芯的有效折射率，引起回音壁模式共振谱的漂移，提高了系统对电场的灵敏度。采用虹吸效应将蛋白质溶液通入毛细管微腔中，形成了蛋白质溶液的全密闭、微量承载通道，蛋白质溶液的体积为微升级别。
该种基于蛋白质液芯回音壁模共振的毛细管微腔电流传感器，利用灌注微量蛋白质溶液的高Q值毛细管微腔作为传感单元，由蛋白质液芯修饰的毛细管微腔改变了内部中空区域的有效折射率，利用蛋白质分子的导电特性，使得回音壁模光场与在电场力作用下发生定向移动的蛋白质分子发生光学互作用，实现具有高灵敏度、快速检测、结构紧凑、集成度高、响应快、成本低的蛋白质液芯微腔电流传感器。
利用液芯蛋白质分子的导电特性增强回音壁模共振对外加电场的感知能力，受电场力的蛋白质分子在匀强电场中发生定向移动从而改变液芯的有效折射率，引起回音壁模式共振谱的漂移，提高了系统对电场变化感知的灵敏度。本发明在解决电场强度测试实际问题中具有潜在的、巨大的应用价值。
本发明尚有多种实施方式，凡采用等同变换或者等效变换而形成的所有技术方案，均落在本发明的保护范围之内。
Claims (4)
1.一种基于蛋白质液芯回音壁模共振的毛细管微腔电流传感器，其特征在于：包括扫频激光器（1）、偏振控制器（2）、毛细管微腔-锥形光纤耦合单元（3）、光电探测器（4）和反馈单元（5），其中，扫频激光器（1）、偏振控制器（2）、毛细管微腔-锥形光纤耦合单元（3）、光电探测器（4）通过光纤熔接的方式相连接，所述反馈单元（5）分别与扫频激光器（1）和光电探测器（4）电性连接，反馈单元（5）将光电探测器（4）测得的光功率和扫频激光器（1）的光功率进行运算输出回音壁模式共振谱；毛细管微腔-锥形光纤耦合单元（3）用于灌注微量蛋白质溶液，所述毛细管微腔-锥形光纤耦合单元（3）包括毛细管微腔（6）和锥形光纤（7），锥形光纤（7）与毛细管微腔（6）通过位移平台精确垂直耦合构成；毛细管微腔（6）和锥形光纤（7）垂直耦合激发回音壁模式共振，向毛细管微腔（6）中灌入蛋白质溶液（8），改变回音壁模式共振特性随电场变化的灵敏度，通过偏振控制器（2）调整毛细管微腔内的光场共振模式，由光电探测器探测回音壁模式共振谱；所述光电探测器为特定波长的光电探测器，所述光电探测器的波长为红外波段。
2.根据权利要求1所述的一种基于蛋白质液芯回音壁模共振的毛细管微腔电流传感器，其特征在于：所述毛细管微腔-锥形光纤耦合单元（3）内的蛋白质溶液（8）通过虹吸效应被灌注入毛细管微腔（6）内，蛋白质溶液的体积为微升级别，所述蛋白质溶液的浓度为0.2mg/ml~1.0 mg/ml。
3.根据权利要求1所述的一种基于蛋白质液芯回音壁模共振的毛细管微腔电流传感器，其特征在于：其特征在于：所述毛细管微腔的壁厚为2~3μm，毛细管微腔的内径大小为50~100μm。
4.根据权利要求1所述的一种基于蛋白质液芯回音壁模共振的毛细管微腔电流传感器， 其特征在于：所述锥形光纤通过拉锥机熔融拉锥而成，锥形光纤的锥区直径为2~3μm。
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| CN201910504571.1A CN110398620B (zh) | 2019-06-11 | 2019-06-11 | 一种基于蛋白质液芯回音壁模共振的毛细管微腔电流传感器 |
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| CN110398620A CN110398620A (zh) | 2019-11-01 |
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| CN201910504571.1A Active CN110398620B (zh) | 2019-06-11 | 2019-06-11 | 一种基于蛋白质液芯回音壁模共振的毛细管微腔电流传感器 |
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| CN (1) | CN110398620B (zh) |
Families Citing this family (1)
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|---|---|---|---|---|
| CN113267684B (zh) * | 2021-07-20 | 2021-10-01 | 奥罗科技(天津)有限公司 | 一种基于回音壁模式的光学电场传感器 |
Citations (6)
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|---|---|---|---|---|
| CN85205626U (zh) * | 1985-12-30 | 1986-08-13 | 清华大学 | 光纤交直流大电流传感器 |
| CA2114914A1 (en) * | 1993-02-17 | 1994-08-18 | Markus Meier | Sensor head for a fiber-optic current measuring device |
| CA2197385A1 (en) * | 1996-02-15 | 1997-08-16 | Karlheinz Hildenbrand | Electrochemical sensors having improved selectivity and enhanced sensitivity |
| CN103823125A (zh) * | 2014-03-10 | 2014-05-28 | 天津理工大学 | 一种基于细芯光纤和磁流体的电场传感器 |
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-
2019
- 2019-06-11 CN CN201910504571.1A patent/CN110398620B/zh active Active
Patent Citations (6)
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|---|---|---|---|---|
| CN85205626U (zh) * | 1985-12-30 | 1986-08-13 | 清华大学 | 光纤交直流大电流传感器 |
| CA2114914A1 (en) * | 1993-02-17 | 1994-08-18 | Markus Meier | Sensor head for a fiber-optic current measuring device |
| CA2197385A1 (en) * | 1996-02-15 | 1997-08-16 | Karlheinz Hildenbrand | Electrochemical sensors having improved selectivity and enhanced sensitivity |
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Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| 锥形光纤倏逝场激发微球腔高Q模式;严英占;吉喆; 王宝花;闫树斌;熊继军;马骏;;中国激光;20100710(07);全文 * |
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| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN110398620A (zh) | 2019-11-01 |
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