CN110441257A - 基于光子晶体光纤的生物双参量传感器 - Google Patents

基于光子晶体光纤的生物双参量传感器 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于光子晶体光纤的生物双参量传感器，包括D型光子晶体光纤、单模光纤，单模光纤熔接在D型光子晶体光纤的两端。D型光子晶体光纤包括光子晶体光纤，光子晶体光纤的一侧为抛磨面，抛磨面上镀有金属层，光子晶体光纤内设有若干空气孔，空气孔贯穿光子晶体光纤的两端面，温敏介质填充在任一空气孔内。利用镀膜金表面等离子体共振效应作为折射率传感机制，利用D型光子晶体光纤的定向耦合效应和温敏效应作为温度传感机制，在光纤的输出光谱中产生两个彼此分离的共振损耗峰，实现待测生物液体的浓度和温度的高灵敏度双参量传感。通过优化光子晶体光纤的空气孔层数和孔径、镀膜金厚度，使得传感器具有更高的灵敏度。

Description

基于光子晶体光纤的生物双参量传感器
技术领域
本发明属于生物传感技术领域，具体涉及一种基于光子晶体光纤的生物双参量传感器。
背景技术
光子晶体光纤(PCF)又被称为微结构光纤(MSF)，近年来引起广泛关注，根据其导光机制可分为折射率导光型(TIR)光子晶体光纤和光子带隙导光型(PBG)光子晶体光纤。其通常由空气孔与介质柱周期性排列构成，PCF中周期结构使其呈现出许多普通光纤难以实现的特性，如无截止单模传输、高非线性、大模面积、色散可调、低损耗、高双折射等特性。
传感器是一种检测装置，能感受到被测量的信息，并能将感受到的信息，按一定规律变换成为光电信号或其他所需形式的信息输出，以满足信息的传输、处理、存储、显示、记录和控制等要求。而生物传感器是利用生物物质(酶、细胞组织、抗原、抗体、生物膜等)作为识别元件，将生化反应转变成可定量的物理化学信号，从而能进行生命物质的检测和监控。
在医学和药物发展领域中，需要通过测定人类生物组织的数量、浓度等参量来初步预判人体的健康与否，所以直接提取人类体液检验在一定程度上减少了医学检测的复杂程度，同时也能更加直观地发现潜在的健康问题。现有的生物传感器大部分都存在着检测参量单一、灵敏度低等问题。
发明内容
本发明提供了一种基于光子晶体光纤的生物双参量传感器，解决了生物传感器检测参量单一、灵敏度低的技术问题。
为了解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：一种基于光子晶体光纤的生物双参量传感器，其特征在于，包括D型光子晶体光纤、单模光纤，单模光纤熔接在D型光子晶体光纤的两端；所述D型光子晶体光纤包括光子晶体光纤，光子晶体光纤的一侧为抛磨面，抛磨面上镀有金属层，金属层用于滴覆待测生物液体；所述光子晶体光纤内设有若干空气孔，空气孔贯穿光子晶体光纤的两端面，温敏介质填充在任一空气孔内。
进一步地，所述空气孔呈三角晶格周期性排列，分为内层、中层和外层，由内向外每层的空气孔孔径逐渐增大。
进一步地，所述温敏介质填充在中层任一空气孔内。
进一步地，所述光子晶体光纤为圆柱形，由SiO2制成。
进一步地，所述金属层为镀膜金。
进一步地，所述镀膜金的厚度为30nm～50nm。
进一步地，所述温敏介质为甲苯。
进一步地，所述生物液体为人血清白蛋白(HSA)。
进一步地，所述D型光子晶体光纤两端熔接的单模光纤分别与宽带光源、光谱仪连接。
本发明所达到的有益效果：
(1)本发明是利用镀膜金表面等离子体共振效应作为折射率传感机制，利用D型光子晶体光纤的定向耦合效应和温敏效应作为温度传感机制，在光纤的输出光谱中产生两个彼此分离的共振损耗峰，实现待测生物液体的浓度和温度的高灵敏度双参量传感，满足了实际运用中生物传感器对于生物液体浓度和温度同时检测的应用。
(2)本发明器件体积小，传输信号安全，高灵敏度，稳定性好。通过优化光子晶体光纤的空气孔层数和孔径、镀膜金厚度，使得传感器具有更高的灵敏度。人血清白蛋白的浓度检测可以成为预判疾病的重要依据，且能够在一定的外界条件下同时实现双参量检测。
附图说明
图1为本发明的结构示意图；
图2为本发明D型光子晶体光纤的结构图；
图3为镀膜金表面等离子共振和光子晶体光纤纤芯定向耦合共振损耗曲线图；
图4为不同待测生物液体折射率下的纤芯导模损耗特性图；
图5为不同温度下的纤芯导模损耗特性图；
图6为共振波长随待测液体折射率变化关系图；
图7为共振波长随温度变化关系图。
图中：1-单模光纤；2-D型光子晶体光纤；3-光子晶体光纤；4-金属层；5-温敏介质；6- 生物液体；7-空气孔。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。
如图1所示，一种基于光子晶体光纤的生物双参量传感器，包括D型光子晶体光纤、单模光纤，单模光纤熔接在D型光子晶体光纤的两端，D型光子晶体光纤两端熔接的单模光纤分别与宽带光源、光谱仪连接。
如图2所示，D型光子晶体光纤包括光子晶体光纤3，光子晶体光纤3为圆柱形，由SiO2制成。光子晶体光纤3的一侧为抛磨面，抛磨面上镀有金属层4，金属层4用于滴覆待测生物液体6，金属层4优选为镀膜金，镀膜金的厚度为30nm～50nm。光子晶体光纤3内设有若干空气孔7，空气孔7贯穿光子晶体光纤3的两端面，温敏介质5填充在任一空气孔7内。本实施例中，温敏介质5为甲苯。空气孔7呈三角晶格周期性排列，分为内层、中层和外层，由内向外每层的空气孔7孔径逐渐增大。温敏介质5填充在中层任一空气孔7内。本实施例，填充温敏介质5的空气孔7优选位于中层空气孔层的左侧或右侧位置的空气孔7。
测生物液体为人血清白蛋白(HSA)。在医学领域上，由于人血清白蛋白(HSA)作为人体血浆的重要组成，在人体中的含量极高，其主要功能是维持血液的渗透并且参与各类蛋白质，脂肪酸等的运输。人血清白蛋白通常用于处理严重烧伤、休克等紧急救治中，亦可用于在意外或手术发生的大量血液流失中来补充血液防止体内血液过少，同时人血清白蛋白还可以用于增稠，使血浆的变的浓稠。当人身体异常时，人体血清白蛋白浓度就会表现异常。人血清白蛋白的浓度检测可以成为预判疾病的重要依据，且能够在一定的外界条件下同时实现双参量检测。
在抛磨D型光子晶体光纤上涂抹待测生物液体，D型光子晶体光纤两端与单模光纤熔接，两端的单模光纤分别连接宽带光源和光谱仪。温敏介质在D型光子晶体光纤中选择性填充，它区别于常规的光子晶体光纤传感器，同时由镀膜金表面等离子体共振和D型光子晶体光纤定向耦合的作用作为传感通道，在外界一定温度的条件下，利用镀膜金表面等离子体共振效应作为折射率传感机制，利用光子晶体光纤与填充了温敏介质的空气孔产生的定向耦合效应和温敏效应作为温度传感机制，入射光经光子晶体光纤传感结构后最终在光谱仪获取损耗谱，可以在光纤输出谱中可以看到两个彼此分离的共振损耗峰，从而通过数值分析实现对待测生物液体的浓度和温度的检测。
实施例一、
使用COMSOL Multiphysics仿真软件建立光子晶体光纤几何模型并进行数值模拟和模式分析，记录不同波长下纤芯模式的有效折射率neff，其虚部Im(neff)表征的损耗特性如图3所示，此时环境温度设定为20℃，待测生物液体的折射率为1.37，在输出谱中产生了两个相互分离的共振损耗峰W1和W2，其中损耗峰W1是涂抹了待测生物液体的镀膜金表面等离子体共振通道作用的结果，用于待测生物体液浓度的检测；损耗峰W2是填充温敏介质的光子晶体光纤纤芯定向耦合通道作用的结果，用于温度的检测。
实例二：
如图4所示，在外界温度为20℃时，记录了同一待测生物液体不同折射率下的纤芯导模的损耗随波长的变化规律。对比发现，当待测液体折射率从1.34变化至1.37时，共振损耗峰随折射率的增大向短波长方向移动，发生蓝移，且损耗峰值略有增加，图中A、B、C、D、E分别表示同一待测液体不同折射率下的共振峰。共振损耗峰对应的共振波长λr对待测液体折射率的变化较为敏感，因此利用这一特性即可通过比较λr的漂移来分析待测液体折射率的改变，进而检测待测液体浓度的变化，实现折射率传感。
实例三：
图6显示了共振波长与待测液体折射率的变化关系，可以发现涂抹待测液体的镀膜金表面等离子体共振时的共振波长和待测液体的折射率呈良好的线性度和灵敏度，在1.34～1.37 的折射率变化范围内灵敏度最高可达
式中SRIU为折射率条件下的灵敏度，λ为波长，RIU为折射率。
实例四：
图5是外界温度从20℃变化至45℃时纤芯导模损耗随波长的变化关系，可以发现共振损耗峰随着温度的增大向短波长方向移动，发生蓝移，且损耗峰略有减小，图中T1、T2、T3、 T4分别表示不同温度下同一待测生物液体同一折射率的共振峰。
实例五：
图7为共振波长和温度变化的关系图，可以发现基于光子晶体光纤定向耦合效应的填充温敏介质光子晶体光纤温度传感同样也具有良好的线性度和灵敏度，在20℃～45℃的外界温度变化范围内灵敏度最高可达式中S℃为温度变化下的灵敏度，λ为波长，℃为温度。
综上所述，本发明是利用镀膜金表面等离子体共振效应作为折射率传感机制，利用光子晶体光纤与填充了温敏介质的空气孔产生的定向耦合效应和填充温敏介质的温敏效应作为温度传感机制，会在输出光谱中产生两个彼此分离的共振损耗峰，实现折射率和温度的高灵敏度双参量传感，满足了实际运用中对光子晶体光纤传感器的需求。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种基于光子晶体光纤的生物双参量传感器，其特征在于，包括D型光子晶体光纤、单模光纤，单模光纤熔接在D型光子晶体光纤的两端；
所述D型光子晶体光纤包括光子晶体光纤，光子晶体光纤的一侧为抛磨面，抛磨面上镀有金属层，金属层用于滴覆待测生物液体；
所述光子晶体光纤内设有若干空气孔，空气孔贯穿光子晶体光纤的两端面，温敏介质填充在任一空气孔内。
2.根据权利要求1所述的基于光子晶体光纤的生物双参量传感器，其特征在于，所述空气孔呈三角晶格周期性排列，分为内层、中层和外层，由内向外每层的空气孔孔径逐渐增大。
3.根据权利要求2所述的基于光子晶体光纤的生物双参量传感器，其特征在于，所述温敏介质填充在中层任一空气孔内。
4.根据权利要求1所述的基于光子晶体光纤的生物双参量传感器，其特征在于，所述光子晶体光纤为圆柱形，由SiO2制成。
5.根据权利要求1所述的基于光子晶体光纤的生物双参量传感器，其特征在于，所述金属层为镀膜金。
6.根据权利要求5所述的基于光子晶体光纤的生物双参量传感器，其特征在于，所述镀膜金的厚度为30nm~50nm。
7.根据权利要求1所述的基于光子晶体光纤的生物双参量传感器，其特征在于，所述温敏介质为甲苯。
8.根据权利要求1所述的基于光子晶体光纤的生物双参量传感器，其特征在于，所述生物液体为人血清白蛋白（HSA）。
9.根据权利要求1所述的基于光子晶体光纤的生物双参量传感器，其特征在于，所述D型光子晶体光纤两端熔接的单模光纤分别与宽带光源、光谱仪连接。
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