CN111457950B - 一种法布里珀罗谐振腔光学微泡传感器及其制备方法 - Google Patents
一种法布里珀罗谐振腔光学微泡传感器及其制备方法 Download PDFInfo
- Publication number
- CN111457950B CN111457950B CN202010164600.7A CN202010164600A CN111457950B CN 111457950 B CN111457950 B CN 111457950B CN 202010164600 A CN202010164600 A CN 202010164600A CN 111457950 B CN111457950 B CN 111457950B
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- microbubble
- sensor
- fabry
- quartz
- resonant cavity
- 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.)
- Active
Links
- 230000003287 optical effect Effects 0.000 title claims abstract description 37
- 238000002360 preparation method Methods 0.000 title abstract description 8
- VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N silicon dioxide Inorganic materials O=[Si]=O VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 51
- 239000010453 quartz Substances 0.000 claims abstract description 46
- 238000001514 detection method Methods 0.000 claims abstract description 21
- 238000002310 reflectometry Methods 0.000 claims abstract description 19
- 239000002184 metal Substances 0.000 claims abstract description 14
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 claims abstract description 6
- 239000013307 optical fiber Substances 0.000 claims description 16
- 239000004809 Teflon Substances 0.000 claims description 15
- 229920006362 Teflon® Polymers 0.000 claims description 15
- 239000012491 analyte Substances 0.000 claims description 14
- 238000003466 welding Methods 0.000 claims description 10
- 230000008859 change Effects 0.000 claims description 9
- 239000000523 sample Substances 0.000 claims description 9
- 238000003860 storage Methods 0.000 claims description 7
- 230000004927 fusion Effects 0.000 claims description 6
- 238000002347 injection Methods 0.000 claims description 6
- 239000007924 injection Substances 0.000 claims description 6
- 239000011248 coating agent Substances 0.000 claims description 5
- 238000000576 coating method Methods 0.000 claims description 5
- 238000001228 spectrum Methods 0.000 claims description 5
- 239000000835 fiber Substances 0.000 claims description 4
- 238000011895 specific detection Methods 0.000 claims description 4
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 claims description 3
- 230000008878 coupling Effects 0.000 claims description 2
- 238000010168 coupling process Methods 0.000 claims description 2
- 238000005859 coupling reaction Methods 0.000 claims description 2
- 238000000605 extraction Methods 0.000 claims description 2
- 239000011521 glass Substances 0.000 claims description 2
- 238000007789 sealing Methods 0.000 claims description 2
- 239000012528 membrane Substances 0.000 claims 1
- 239000000126 substance Substances 0.000 abstract description 14
- 238000007306 functionalization reaction Methods 0.000 abstract description 5
- 239000003153 chemical reaction reagent Substances 0.000 abstract description 3
- 238000013461 design Methods 0.000 abstract description 2
- 238000006884 silylation reaction Methods 0.000 abstract 1
- 239000010408 film Substances 0.000 description 47
- 235000012239 silicon dioxide Nutrition 0.000 description 31
- 230000005540 biological transmission Effects 0.000 description 12
- 238000012360 testing method Methods 0.000 description 9
- 108090000623 proteins and genes Proteins 0.000 description 8
- 102000004169 proteins and genes Human genes 0.000 description 8
- 230000035945 sensitivity Effects 0.000 description 7
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 4
- 238000000034 method Methods 0.000 description 4
- 238000010521 absorption reaction Methods 0.000 description 3
- 239000008055 phosphate buffer solution Substances 0.000 description 3
- 238000002444 silanisation Methods 0.000 description 3
- YBJHBAHKTGYVGT-ZKWXMUAHSA-N (+)-Biotin Chemical compound N1C(=O)N[C@@H]2[C@H](CCCCC(=O)O)SC[C@@H]21 YBJHBAHKTGYVGT-ZKWXMUAHSA-N 0.000 description 2
- 108091003079 Bovine Serum Albumin Proteins 0.000 description 2
- LFQSCWFLJHTTHZ-UHFFFAOYSA-N Ethanol Chemical compound CCO LFQSCWFLJHTTHZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 229940098773 bovine serum albumin Drugs 0.000 description 2
- 125000002887 hydroxy group Chemical group [H]O* 0.000 description 2
- 239000007788 liquid Substances 0.000 description 2
- 239000000463 material Substances 0.000 description 2
- 230000000737 periodic effect Effects 0.000 description 2
- 125000002924 primary amino group Chemical group [H]N([H])* 0.000 description 2
- 239000012460 protein solution Substances 0.000 description 2
- 239000000377 silicon dioxide Substances 0.000 description 2
- 239000000243 solution Substances 0.000 description 2
- 229910000831 Steel Inorganic materials 0.000 description 1
- 241000700605 Viruses Species 0.000 description 1
- 230000009471 action Effects 0.000 description 1
- 239000012670 alkaline solution Substances 0.000 description 1
- 239000012472 biological sample Substances 0.000 description 1
- 229960002685 biotin Drugs 0.000 description 1
- 235000020958 biotin Nutrition 0.000 description 1
- 239000011616 biotin Substances 0.000 description 1
- 238000004364 calculation method Methods 0.000 description 1
- 230000001066 destructive effect Effects 0.000 description 1
- LOKCTEFSRHRXRJ-UHFFFAOYSA-I dipotassium trisodium dihydrogen phosphate hydrogen phosphate dichloride Chemical compound P(=O)(O)(O)[O-].[K+].P(=O)(O)([O-])[O-].[Na+].[Na+].[Cl-].[K+].[Cl-].[Na+] LOKCTEFSRHRXRJ-UHFFFAOYSA-I 0.000 description 1
- 238000009826 distribution Methods 0.000 description 1
- 230000005672 electromagnetic field Effects 0.000 description 1
- 125000003700 epoxy group Chemical group 0.000 description 1
- 238000002474 experimental method Methods 0.000 description 1
- 230000002349 favourable effect Effects 0.000 description 1
- 239000007888 film coating Substances 0.000 description 1
- 238000009501 film coating Methods 0.000 description 1
- 230000003993 interaction Effects 0.000 description 1
- 230000000670 limiting effect Effects 0.000 description 1
- 238000005259 measurement Methods 0.000 description 1
- 239000004005 microsphere Substances 0.000 description 1
- 230000010355 oscillation Effects 0.000 description 1
- 239000002953 phosphate buffered saline Substances 0.000 description 1
- 230000008569 process Effects 0.000 description 1
- 238000011160 research Methods 0.000 description 1
- 230000004044 response Effects 0.000 description 1
- 230000003595 spectral effect Effects 0.000 description 1
- 239000010959 steel Substances 0.000 description 1
- 239000000758 substrate Substances 0.000 description 1
- 230000003746 surface roughness Effects 0.000 description 1
- 238000010998 test method Methods 0.000 description 1
- 239000010409 thin film Substances 0.000 description 1
- 238000000411 transmission spectrum Methods 0.000 description 1
- HQYALQRYBUJWDH-UHFFFAOYSA-N trimethoxy(propyl)silane Chemical compound CCC[Si](OC)(OC)OC HQYALQRYBUJWDH-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
Images
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
- G01D5/32—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 with attenuation or whole or partial obturation of beams of light
- G01D5/34—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 with attenuation or whole or partial obturation of beams of light the beams of light being detected by photocells
- G01D5/353—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 with attenuation or whole or partial obturation of beams of light the beams of light being detected by photocells influencing the transmission properties of an optical fibre
- G01D5/35306—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 with attenuation or whole or partial obturation of beams of light the beams of light being detected by photocells influencing the transmission properties of an optical fibre using an interferometer arrangement
- G01D5/35309—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 with attenuation or whole or partial obturation of beams of light the beams of light being detected by photocells influencing the transmission properties of an optical fibre using an interferometer arrangement using multiple waves interferometer
- G01D5/35312—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 with attenuation or whole or partial obturation of beams of light the beams of light being detected by photocells influencing the transmission properties of an optical fibre using an interferometer arrangement using multiple waves interferometer using a Fabry Perot
Landscapes
- Physics & Mathematics (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Investigating Or Analysing Materials By Optical Means (AREA)
Abstract
本发明属于光学检测技术领域，具体为法布里珀罗谐振腔光学微泡传感器及其制备方法。本发明的传感器为一个空心的石英微泡，微泡上、下半泡外表面分别镀有不同反射率的金属薄膜或多层高低折射率周期性交叉排列的介质薄膜，形成法布里珀罗结构的谐振腔；微泡的两端具有开口，用于与检测系统连接。在进行检测时，根据检测对象的生物化学分子特性，在微泡内表面进行硅烷化处理和官能化处理，使生物化学分子与其结合，以实现对生物分子特异性检测功能。本发明还包括基于光学微泡传感器的检测系统。本发明微泡传感器具有超高的品质因数，可以实现对超低微量浓度、超小物理量的化学生物试剂的检测；此微泡传感器制作方便，操作简单，整体设计成本较低。
Description
技术领域
本发明属于光学检测技术领域，具体涉及法布里珀罗谐振腔光学微泡传感器及其制备方法。
背景技术
光学方法很早就被用来进行生物化学物理样品的分析，基于光学方法的谐振腔，具有高品质因子（高Q值），很小的模式体积，非破坏性无侵害测量，不受电磁干扰，高灵敏度，高响应速度等优点，已经在诸多医疗领域进行应用。基于自集成法布里珀罗谐振的光学微泡传感器能够产生高品质因子（104）的共振光，实现更长的作用量程。这些特点使得法布里珀罗谐振的光学微泡传感器可以测量很微小的共振波长变化，因此这类传感器被广泛应用于生物传感领域。
通常，FP谐振腔（即法布里珀罗（Fabry–Pérot resonance，FP）谐振腔）腔由两块保持高度平行的平面反射镜组成，其中两块平面反射镜之间的间距 L为微腔腔长。当光束在微腔内来回传播时，只有满足谐振条件（neffL=mλ）的光可以形成驻波。其中n eff 为微腔内介质的有效折射率，L为微腔腔长，m为正整数，λ为微腔的谐振波长。反射镜的表面一般为镀有高低折射率薄介电质膜的周期布拉格结构，从而形成具有高反射率的薄膜，其中透射镜支持部分透射从而保证激光输出。
法布里帕罗微腔在本质上实用且方便，主要表现在：泵浦激光通过第一面高反射镜后，进入微泡并激发微泡中的增益介质，通过微泡的曲面及两块高度平行的平面反射镜的双重限制作用，可以达到很好的选模效果，容易产生单模激光。由于法布里帕罗微腔传感器中产生的激光光场与待测物质之间相互作用，可以实现待测物质的微量变化输出较为明显的光谱变化，使其在物理化学生物等检测中有较高的灵敏度。
现有的法布里帕罗微腔仅仅是依靠两块的平面反射镜组成[1,2],而保持两片平面反射镜的高度平行是非常困难的，即法布里珀罗谐振腔对其两个平面反射镜的平行性要求苛刻，在实际传感器制备中很难实现两块平面反射镜完全平行，最终无法产生激光或是产生高阶模式，导致实际样品探测中灵敏度下降。经过理论计算，发现由于两块反射镜无法保持高度平行而导致法布里帕罗微腔传感器的Q值下降，从而使法布里帕罗微腔传感器的品质因数下降；因此，在实际生物样品检测中不得不提高泵浦光的能量以实现比较明显的信号变化。但输入泵浦光能量增大，又会对生物化学样品结构产生破坏，尤其是活体生物或有机化学材料，在实际难以实用。
同时，双平面镜的法布里帕罗微腔对模式的选择效果不如双凹面镜。在实际应用中直接制作凹面镜，特别是制作具有低表面粗糙度和清晰几何结构的微米级凹面镜，仍然是一项复杂而昂贵的工作。
发明内容
本发明的目的在于提供一种能够保持高灵敏、又有高Q值的法布里珀罗谐振腔光学微泡传感器及其制备方法。
本发明提供的法布里珀罗谐振腔光学微泡传感器，为一个空心的石英微泡（即为中空石英微球），该石英微泡上、下半泡的外表面分别镀有不同反射率的金属薄膜或多层高低折射率周期性交叉排列的介质薄膜，形成法布里珀罗结构的谐振腔；石英微泡的两端具有开口；该两端开口用于与检测系统连接。
本发明中，石英微泡的几何尺寸为直径不超过1mm，壁厚不超过10μm。
本发明中，所述石英微泡上、下半泡的表面分别镀有不同的高反射率的金属膜或介质膜，其中，一面为反射率99-100%的全反射膜，另一面为1-5%透射率的部分反射膜。
本发明中，所述高反膜的反射波长范围为1500 nm - 1700 nm，部分透射膜的透射波长为1500nm -1700 nm。
本发明中，所述全反射膜的厚度为50nm至60nm。
本发明中，所述部分反射膜的厚度为30-40nm。
本发明中，所述石英微泡的两端具有开口，两端开口分别可以连接特氟龙软管，其中一条特氟龙软管作为分析物流入管道，另一条特氟龙软管作为分析物流出管道。
本发明所述传感器可用于物理量、化学量、气液体、生物分子等分析物传感检测。
在进行具体检测时，根据检测对象的生物化学分子，在石英微泡内表面进行硅烷化处理和官能化处理，使生物化学分子（探针蛋白或抗体蛋白）与其结合，将生物化学分子固定在石英微泡传感器内表面，形成针对探针位点，以实现对无标记的生物分子特异性检测功能。
本发明提供的法布里珀罗谐振腔光学微泡传感器的制备方法，具体步骤为：
（1）选取一段毛细石英管，用光纤熔接机将毛细石英管一端熔融封闭；这时光纤熔接机焊接参数可设置为：焊接电流为12-14mA，放电时间为 2-3s；
（2）在熔接机高压放电的条件下，用注射器往毛细石英管内打气增大内部压强，受热熔融状态下的毛细石英管由于压强增大而发生一定幅度的膨胀；这时光纤熔接机的焊接参数可设置为：焊接电流为7-8mA，放电时间为 1s-2 s；
（3）多次重复步骤2，直至形成所需尺寸的石英微泡结构；
（4）将多个微泡并排在一个“口”字形的玻璃支架上，固定微泡两端的毛细石英管；
（5）采用镀膜技术，在微泡的上下半泡的外表面镀上不同反射率的金属薄膜或多层高低折射率周期性交叉排列的介质薄膜，获得所述的法布里珀罗谐振腔光学微泡传感器。
本发明还提供一种基于上述法布里珀罗谐振腔光学微泡传感器的检测系统，包括：可调谐激光器，单模光纤，光纤耦合器，FP谐振腔传感器，注射器，注射泵，光电探测器，信号发生器，示波器，储物瓶；其中：
所述可调谐激光器，用于发出出射激光；
所述单模光纤，用于将所述激光器出射激光传输到光纤耦合器；
所述光纤耦合器，用于将传输的激光耦合到FP谐振腔内，并将FP谐振腔出射的光信号收集回传，经由另一端出射；
所述FP谐振腔传感器，为一个石英微泡，其两端具有开口，两端开口分别连接特氟龙软管，其中一条特氟龙软管作为分析物流入管道，另一条特氟龙软管作为分析物流出管道；
所述注射器，连接一特氟龙软管，抽取分析物至石英微泡泡中；
所述注射泵：用于为注射器提供抽取动力；
所述光电探测器，用于接收所述出射激光，并收集所述出射激光的光谱；
所述信号发生器，用于产生调制信号，控制可调谐激光器，产生随信号变化而变化的激光波长；
所述示波器，用于显示光电探测器收集到的出射光信号，显示为光谱；
所述储物瓶，用于储存检测分析物，分析物可以是物理量、化学量、气液体、生物分子等成分。
本发明检测系统适于检测分析物浓度。
本发明检测系统的工作流程为：
开启可调谐激光器，发出出射光；利用注射器抽取待测分析物，通过石英微泡一端开口注射入石英微泡中；然后，采用光电探测器收集信号并用示波器显示。
本发明的技术原理为：本发明中高法布里珀罗（FP）谐振腔微泡传感器是通过镀膜技术在微泡外表面镀上高反射率的金属膜或介质膜，利用微泡外表面的反射膜来形成法布里珀罗（FP）谐振腔，因此降低调整法布里珀罗（FP）谐振腔两个反射镜平行度的难度。
本发明的传感器为微米量级的中通结构微泡，外表面镀有特定波长、特定反射率的介质膜（金属膜），介质膜包括高反膜和部分透射膜，镀在微泡表面充当一个凹面反射镜，可以将光场能量尽可能多的集中在微泡中，使得微泡对入射激光的损耗（吸收损耗、散射损耗等）尽可能小，从而提供一个较高的Q值；另一方面，在微泡表面镀膜可以避免平行平面法布里帕罗谐振腔无法保持高度平行而造成无法产生激光或是产生高阶激光模式，从而可以提高生物化学样品探测传感的灵敏度，避免探测生物化学样品时，信号变化不明显。
本发明提供的传感器能够同时具备高Q值和高灵敏度特性，从而提高了传感器的品质因数（品质因数=Q*灵敏度），使得品质因数至少高于传统的平行平面法布里帕罗微腔一个数量级。
本发明具有下述特点：
1、本发明与一般的法布里珀罗谐振腔结构有所区别。本发明中法布里珀罗谐振腔的两个反射镜镀在微泡的外表面，传输分析物的通道是微泡自身的中通结构，不同于一般法布里珀罗谐振腔需要单独的两片反射镜；
2、此传感器的制备方法中，并不需要对两片反射镜平行度进行精确控制，只需要利用微泡外表面的正反两面镀上不同反射率的反射膜，作为反射镜即可，极大的降低了对制作工艺的要求；
3、此传感器的传输通道为微泡自身，不需要额外制作传输通道；
4、此微泡传感器内表面为石英（即二氧化硅），有利于在二氧化硅表面进行硅烷化处理和官能化处理，实现对无标记的生物分子特异性检测功能；
5、本发明微泡传感器具有超高的品质因数，可以实现对超低微量浓度的化学生物试剂（DNA，蛋白，病毒等）、超小的物理量（折射率，温度，气压等）的检测；
6、此微泡传感器对测试系统及其测试设备的要求不高，有利于推广应用；
7、此微泡传感器易于制作，操作简单，整体设计成本较低。
附图说明
图1是本发明法布里珀罗谐振腔光学微泡传感器（石英微泡）结构图示。
图2是基于本发明法布里珀罗谐振腔光学微泡传感器的测试系统图示。
图3是本发明法布里珀罗谐振腔光学微泡传感器外表面介质膜的反射率图。
图4是本发明法布里珀罗谐振腔微泡传感器的透射谱图。
图中标号：1为石英微泡，2为全反射膜，3为透射膜，4为可调谐激光器，5为信号源，6为光纤耦合器，7为光电探测器，8为示波器，9为注射器，10为注射泵，11为储物瓶，12为特氟龙软管。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进一步详细说明，但本发明不限于这些实施例。
实施例1
本实施例中，一种基于自集成法布里珀罗谐振腔的微泡传感器（见图1）具体包括：一种中通的透明石英微泡，透明微泡外表面有镀有高反射率的金属膜或介质膜，微泡外表面中的一面是透射面，透射率在1-5%；另一面为全反射面，反射率为99-100%。
所述透明石英微泡为石英材质，其折射率n4=1.45。微泡的直径不超过1 mm，壁厚不超过10 μm；多层高低折射率周期性交叉排列的结构周期分布布拉格介质薄膜（金属膜），位于所述中通结构的微泡表面，所述的周期分布布拉格介质膜（金属膜）包括高反膜和部分透射膜，所述高反膜的反射波长范围为1500 nm - 1700 nm，反射率为99%-100%，部分透射膜的透射波长为1500nm -1700 nm，透射率为1% - 5%。
本装置中法布里珀罗共振效应的产生，法布里珀罗微腔由石英微泡上下两外表面的介质薄膜（金属膜）构成法布里珀罗谐振腔的两个反射镜，光束被限制在两个反射镜之间不断与分析物介质进行相互作用。所述的法布里珀罗微腔的反射镜主要为石英玻璃上镀金属薄膜的金属反射镜和镀多层高低折射率周期性交叉排列的介电质薄膜的分布布拉格反射镜。
谐振腔内电磁场的谐振模式主要由麦克斯韦方程组和该谐振腔的边界条件确定，所以当一个谐振腔的大小确定后，其模场分布随之也就确定了。当光束在其中传播时，只有沿着轴向方向平行传播的光束才能不断地在腔内被反射形成谐振，而与光轴有一定夹角的光束将被不断地反射，最终被谐振腔反射出微腔而无法形成谐振。在法布里珀罗微腔内满足振荡条件自由传播的光束会因为干涉形成驻波场，其形成驻波条件为：
其中，L为腔长，n为腔内的有效折射率，q为正整数，谐振波长为：
其中，λ q 为光在介质中的波长。对于同一谐振模式：
其中，λ q 为该光波带宽的中心波长。当外界环境折射率n发生变化时，通过上述关系发现会其共振波长λ q 也会发生变化，从而实现传感。
腔的损耗是研究法布里珀罗谐振腔必须考虑的一个因素，一般光学微腔损耗包括几何损耗、谐振腔中的材料吸收损耗和散射损耗、衍射损耗、腔镜的不完全反射引起的损耗等。损耗大小为品质因子Q的倒数，Q值的大小定义为：
其中，r 1和r 2为谐振腔两个平面之间的反射率。
分布布拉格反射镜为石英微泡外表面镀有多层高低折射率周期性交叉排列的结构。设膜层高折射率n h ，则膜层厚度为λ/(4n h )，膜层低折射率n l ，则膜层厚度为λ/(4n l )，整个膜层镀在折射率为n s 的基底上，一般高反膜为2N层，且最外层为折射率高的介质膜。
对于光学厚度为λ/(4n)介质膜，如果忽略介质吸收损耗，正入射（θ=0）情况下，对于膜层数为(2N+1)和2N的分布布拉格反射镜，其反射率为：
其中，n a 为空气折射率。
实施例2
本实施例中，基于实施例1的参数，包括对于石英微泡内表面进行硅烷化处理和官能化处理，具体步骤为：
（1）对石英微泡内通入碱性溶液，使得光栅表面吸附一定的羟基；
（2）将含有1%的3-(2,3-环氧丙氧)丙基三甲氧基硅烷（GOPTS）的乙醇溶液通入微腔内，并静置孵化两小时。这一步的目的是利用GOPTS与步骤（1）中处理后的微泡内表面的羟基发生反应结合，GOPTS又能与接下来的含有活性氨基或环氧基的生物化学分子（探针蛋白或是抗体蛋白）结合，将生物化学分子固定在传感芯片表面，形成针对探针位点；
（3）通入探针蛋白或是抗体蛋白溶液，孵化两小时；
（4）通入磷酸盐缓冲液（PBS），将残留的蛋白冲洗掉；
（5）通入高浓度牛血清白蛋白(BSA)溶液，将微泡内表面残存的氨基结合位点封闭，避免影响后续的检测实验；
（6）通入磷酸盐缓冲液（PBS），将残留的蛋白冲洗掉。
至此微泡内表面的化学官能化处理工作完成，只需通入不同浓度的分析物蛋白溶液即可进行特异性检测生物分子。生物素的折射率为1.37左右，当生物分子吸附到微泡内表面后，会形成一层折射率为1.37的薄膜。即可以看作是外界环境折射率的变化，从而导致法布里珀罗共振效应的共振峰发生变化，由此实现特异性识别传感。
1、建立测试系统
图2给出了本发明的测试系统结构。在图2中，可调谐激光器产生的激光（1550nm附近）连接到光纤耦合器A端口，激光经过耦合器后由C端口入射到FP腔内，再将光纤耦合器B端口接到光电探测器上，利用信号源产生的调制信号控制可调谐激光器的输出波长，通过光电探测器将光信号转化为电信号，输给示波器观察收集到的最终信号。上述测试系统构成测试本发明的测试系统。
2、测试方法
测试系统如图2所示。将微泡传感器与特氟龙管连接好并固定，特氟龙管一端连接注射器，注射器利用注射泵来控制速度；特氟龙管另一端与储物瓶连接，储物瓶内可以是存放化学生物试剂、气体钢瓶等待分析物。可调谐激光器用来产生出射激光，出射激光经过光纤耦合器A端口传输C端口输出到法布里珀罗谐振腔透射面，法布里珀罗谐振腔产生的共振光再经由透射面出射进入C端口，传输到B端口给光电探测器，光电探测器将光信号转换成电信号输给示波器。得到的反射光谱经过洛伦兹线性拟合得到共振峰的半高宽和中心波长（见图3），用中心波长除以线宽的值，就获得Q值等于4.14×104，见图4。
参考文献
1. X. Wu, Y Wang, Q. Chen, Y. Chen, X. Li, L. Tong, and X. Fan,“High-Q, low-mode-volume microsphere-integrated Fabry–Perot cavity foroptofluidic lasing applications”. Photonics Research, 2019, 7(1): 50-60.
2. Y. Chen, Q. Chen, T. Zhang, W. Wang, and X. Fan, “Versatile tissuelasers based on high-Q Fabry–Pérot microcavities”. Lab Chip, 2017, 17, 538。
Claims (7)
1.一种法布里珀罗谐振腔光学微泡传感器，其特征在于，为一个空心的石英微泡，该石英微泡上、下半泡的外表面分别镀有不同反射率的金属薄膜或多层高低折射率周期性交叉排列的介质薄膜，形成法布里珀罗结构的谐振腔；石英微泡的两端具有开口；该两端开口用于与检测系统连接。
2.根据权利要求1所述的法布里珀罗谐振腔光学微泡传感器，其特征在于，所述石英微泡的直径不超过1mm，壁厚不超过10μm。
3.根据权利要求1所述的法布里珀罗谐振腔光学微泡传感器，其特征在于，所述石英微泡上、下半泡的表面分别镀有不同的高反射率的金属膜或介质膜，其中，一面为反射率99-100%的全反射膜，另一面为1-5%透射率的部分反射膜。
4.根据权利要求3所述的法布里珀罗谐振腔光学微泡传感器，其特征在于，所述全反射膜的厚度为50nm至60nm；所述部分反射膜的厚度为30-40nm。
5.根据权利要求1-4之一所述法布里珀罗谐振腔光学微泡传感器，其特征在于，根据检测对象的生物化学分子特性，在石英微泡内表面进行硅烷化处理和官能化处理，使生物化学分子与其结合，将生物化学分子固定在石英微泡传感器内表面，形成针对探针位点，以实现对无标记的生物分子特异性检测功能。
6.一种如权利要求1-5之一所述的法布里珀罗谐振腔光学微泡传感器的制备方法，其特征在于，具体步骤为：
（1）选取一段毛细石英管，用光纤熔接机将毛细石英管一端熔融封闭；这时光纤熔接机焊接参数可设置为：焊接电流为12-14mA，放电时间为 2-3s；
（2）在熔接机高压放电的条件下，用注射器往毛细石英管内打气增大内部压强，受热熔融状态下的毛细石英管由于压强增大而发生一定幅度的膨胀；这时光纤熔接机的焊接参数可设置为：焊接电流为7-8mA，放电时间为 1s-2 s；
（3）多次重复步骤2，直至形成所需尺寸的石英微泡结构；
（4）将多个微泡并排在一个“口”字形的玻璃支架上，固定微泡两端的毛细石英管；
（5）采用镀膜技术，在微泡的上下半泡的外表面镀上不同反射率的金属薄膜或多层高低折射率周期性交叉排列的介质薄膜，获得所述的法布里珀罗谐振腔光学微泡传感器。
7.一种基于权利要求1-5之一所述法布里珀罗谐振腔光学微泡传感器的检测系统，其特征在于，包括：可调谐激光器，单模光纤，光纤耦合器，FP谐振腔传感器，注射器，注射泵，光电探测器，信号发生器，示波器，储物瓶；其中：
所述可调谐激光器，用于发出出射激光；
所述单模光纤，用于将所述激光器出射激光传输到光纤耦合器；
所述光纤耦合器，用于将传输的激光耦合到FP谐振腔内，并将FP谐振腔出射的光信号收集回传，经由另一端出射；
所述FP谐振腔传感器，为一个石英微泡，其两端具有开口，两端开口分别连接特氟龙软管，其中一条特氟龙软管作为分析物流入管道，另一条特氟龙软管作为分析物流出管道；
所述注射器，连接一特氟龙软管，抽取分析物至石英微泡中；
所述注射泵：用于为注射器提供抽取动力；
所述光电探测器，用于接收所述出射激光，并收集所述出射激光的光谱；
所述信号发生器，用于产生调制信号，控制可调谐激光器，产生随信号变化而变化的激光波长；
所述示波器，用于显示光电探测器收集到的出射光信号，显示为光谱；
所述储物瓶，用于储存检测分析物。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202010164600.7A CN111457950B (zh) | 2020-03-11 | 2020-03-11 | 一种法布里珀罗谐振腔光学微泡传感器及其制备方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202010164600.7A CN111457950B (zh) | 2020-03-11 | 2020-03-11 | 一种法布里珀罗谐振腔光学微泡传感器及其制备方法 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN111457950A CN111457950A (zh) | 2020-07-28 |
| CN111457950B true CN111457950B (zh) | 2021-08-20 |
Family
ID=71676634
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN202010164600.7A Active CN111457950B (zh) | 2020-03-11 | 2020-03-11 | 一种法布里珀罗谐振腔光学微泡传感器及其制备方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN111457950B (zh) |
Families Citing this family (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN114935417B (zh) * | 2022-04-18 | 2023-09-05 | 深圳大学 | 一种采用二氧化碳激光制备微泡探针的方法、微泡探针及压力检测系统 |
Citations (22)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPS57188426A (en) * | 1981-05-15 | 1982-11-19 | Fujitsu Ltd | Manufacture of optical fiber |
| JPS6267409A (ja) * | 1985-09-20 | 1987-03-27 | Tamagawa Seiki Kk | 光フアイバを用いたエンコ−ダ |
| JPS6270777A (ja) * | 1985-09-25 | 1987-04-01 | Fujikura Ltd | 光フアイバ磁界センサ |
| EP1317034A2 (en) * | 2001-11-01 | 2003-06-04 | The Furukawa Electric Co., Ltd. | Semiconductor laser comprising low reflectivity coatings |
| JP2003215333A (ja) * | 2001-11-15 | 2003-07-30 | Hitachi Metals Ltd | 光学式膜厚モニター、これを装着した成膜装置、多層膜光学フィルターおよび光合分波器 |
| CN101349600A (zh) * | 2008-09-08 | 2009-01-21 | 合肥正阳光电科技有限责任公司 | 基于光纤光栅的红外和微波辐射测温传感器 |
| CN101451959A (zh) * | 2008-12-30 | 2009-06-10 | 清华大学 | 一种氢气传感器及钯膜氢敏感系统 |
| CN101552170A (zh) * | 2008-04-02 | 2009-10-07 | 甘国工 | 等离子显示器滤光片及使用该滤光片的等离子显示器 |
| CN101586967A (zh) * | 2009-07-08 | 2009-11-25 | 电子科技大学 | 光纤波导光栅传感器及其制造方法 |
| CN102486551A (zh) * | 2010-12-05 | 2012-06-06 | 西安金和光学科技有限公司 | 光纤型光反射装置的制作方法 |
| CN102841054A (zh) * | 2012-09-27 | 2012-12-26 | 复旦大学 | 一种耦合微腔光子分子的生物化学传感器 |
| CN205015271U (zh) * | 2015-09-29 | 2016-02-03 | 日芯光伏科技有限公司 | 光学玻璃小球透镜透过率的测试装置 |
| CN105890799A (zh) * | 2016-06-23 | 2016-08-24 | 山西大学 | 基于级联π相移光纤布拉格光栅的高灵敏度温度传感器 |
| CN106052727A (zh) * | 2016-05-26 | 2016-10-26 | 中国计量大学 | 一种基于光纤微型法布里‑珀罗腔的传感器装置 |
| CN106643830A (zh) * | 2016-09-30 | 2017-05-10 | 电子科技大学 | 光纤微泡法珀传感器及其传感方法 |
| CN106785849A (zh) * | 2016-12-25 | 2017-05-31 | 复旦大学 | 超微小法布里‑珀罗型微腔液体激光器 |
| CN106998031A (zh) * | 2017-05-17 | 2017-08-01 | 中国兵器装备研究院 | 一种高功率石英端帽的制造方法 |
| JP2018028499A (ja) * | 2016-08-19 | 2018-02-22 | シチズンファインデバイス株式会社 | 磁界センサ素子及び磁界センサ装置 |
| CN207036130U (zh) * | 2017-05-11 | 2018-02-23 | 复旦大学 | 可保留径向高阶模式的封装型光微流微腔生化传感器 |
| CN107941390A (zh) * | 2017-11-13 | 2018-04-20 | 中北大学 | 光纤法珀传感器及其制造方法 |
| CN109950791A (zh) * | 2019-03-14 | 2019-06-28 | 中国科学院西安光学精密机械研究所 | 基于微环谐振腔的负反馈窄线宽半导体激光器 |
| CN110207846A (zh) * | 2019-06-26 | 2019-09-06 | 哈尔滨工程大学 | 一种毛细管光纤温度传感器 |
-
2020
- 2020-03-11 CN CN202010164600.7A patent/CN111457950B/zh active Active
Patent Citations (22)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPS57188426A (en) * | 1981-05-15 | 1982-11-19 | Fujitsu Ltd | Manufacture of optical fiber |
| JPS6267409A (ja) * | 1985-09-20 | 1987-03-27 | Tamagawa Seiki Kk | 光フアイバを用いたエンコ−ダ |
| JPS6270777A (ja) * | 1985-09-25 | 1987-04-01 | Fujikura Ltd | 光フアイバ磁界センサ |
| EP1317034A2 (en) * | 2001-11-01 | 2003-06-04 | The Furukawa Electric Co., Ltd. | Semiconductor laser comprising low reflectivity coatings |
| JP2003215333A (ja) * | 2001-11-15 | 2003-07-30 | Hitachi Metals Ltd | 光学式膜厚モニター、これを装着した成膜装置、多層膜光学フィルターおよび光合分波器 |
| CN101552170A (zh) * | 2008-04-02 | 2009-10-07 | 甘国工 | 等离子显示器滤光片及使用该滤光片的等离子显示器 |
| CN101349600A (zh) * | 2008-09-08 | 2009-01-21 | 合肥正阳光电科技有限责任公司 | 基于光纤光栅的红外和微波辐射测温传感器 |
| CN101451959A (zh) * | 2008-12-30 | 2009-06-10 | 清华大学 | 一种氢气传感器及钯膜氢敏感系统 |
| CN101586967A (zh) * | 2009-07-08 | 2009-11-25 | 电子科技大学 | 光纤波导光栅传感器及其制造方法 |
| CN102486551A (zh) * | 2010-12-05 | 2012-06-06 | 西安金和光学科技有限公司 | 光纤型光反射装置的制作方法 |
| CN102841054A (zh) * | 2012-09-27 | 2012-12-26 | 复旦大学 | 一种耦合微腔光子分子的生物化学传感器 |
| CN205015271U (zh) * | 2015-09-29 | 2016-02-03 | 日芯光伏科技有限公司 | 光学玻璃小球透镜透过率的测试装置 |
| CN106052727A (zh) * | 2016-05-26 | 2016-10-26 | 中国计量大学 | 一种基于光纤微型法布里‑珀罗腔的传感器装置 |
| CN105890799A (zh) * | 2016-06-23 | 2016-08-24 | 山西大学 | 基于级联π相移光纤布拉格光栅的高灵敏度温度传感器 |
| JP2018028499A (ja) * | 2016-08-19 | 2018-02-22 | シチズンファインデバイス株式会社 | 磁界センサ素子及び磁界センサ装置 |
| CN106643830A (zh) * | 2016-09-30 | 2017-05-10 | 电子科技大学 | 光纤微泡法珀传感器及其传感方法 |
| CN106785849A (zh) * | 2016-12-25 | 2017-05-31 | 复旦大学 | 超微小法布里‑珀罗型微腔液体激光器 |
| CN207036130U (zh) * | 2017-05-11 | 2018-02-23 | 复旦大学 | 可保留径向高阶模式的封装型光微流微腔生化传感器 |
| CN106998031A (zh) * | 2017-05-17 | 2017-08-01 | 中国兵器装备研究院 | 一种高功率石英端帽的制造方法 |
| CN107941390A (zh) * | 2017-11-13 | 2018-04-20 | 中北大学 | 光纤法珀传感器及其制造方法 |
| CN109950791A (zh) * | 2019-03-14 | 2019-06-28 | 中国科学院西安光学精密机械研究所 | 基于微环谐振腔的负反馈窄线宽半导体激光器 |
| CN110207846A (zh) * | 2019-06-26 | 2019-09-06 | 哈尔滨工程大学 | 一种毛细管光纤温度传感器 |
Non-Patent Citations (2)
| Title |
|---|
| High-Q, Low-Mode-Volume and Multiresonant Plasmonic Nanoslit Cavities Fabricated by Helium Ion Milling;Kai Chen等;《Nanoscale》;20180926;第10卷(第36期);全文 * |
| 光微流耦合回音壁模式微腔激光传感器的研究;任力强;《中国优秀硕士学位论文全文数据库（电子期刊）信息科技辑》;20150315(第3期);第1-36页 * |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN111457950A (zh) | 2020-07-28 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| Kim et al. | Towards next-generation label-free biosensors: recent advances in whispering gallery mode sensors | |
| White et al. | Refractometric sensors for lab-on-a-chip based on optical ring resonators | |
| Calcerrada et al. | Chemical and biochemical sensing applications of microstructured optical fiber‐based systems | |
| US20020097401A1 (en) | Optical sensing based on whispering-gallery-mode microcavity | |
| Guo et al. | Ultra-sensitive biomolecular detection by external referencing optofluidic microbubble resonators | |
| US20080218736A1 (en) | Evanescent Wave Sensing Apparatus and Methods Using Plasmons | |
| Van der Sneppen et al. | Liquid-phase and evanescent-wave cavity ring-down spectroscopy in analytical chemistry | |
| Rushworth et al. | Cavity-enhanced optical methods for online microfluidic analysis | |
| Gupta et al. | Absorption spectroscopy in microfluidic flow cells using a metal clad leaky waveguide device with a porous gel waveguide layer | |
| Mei et al. | Coiled optical nanofiber for optofluidic absorbance detection | |
| Yao et al. | Surface plasmon resonance biosensors and its application | |
| CN111103260A (zh) | 一种中红外全光纤光腔衰荡痕量气体检测系统和方法 | |
| CN111457950B (zh) | 一种法布里珀罗谐振腔光学微泡传感器及其制备方法 | |
| KR101299135B1 (ko) | 할로우 코어를 갖는 광섬유를 이용한 반사형 프로브 타입의 기체 검출 장치 및 기체 검출 방법 | |
| Zhang et al. | Review of different coupling methods with whispering gallery mode resonator cavities for sensing | |
| CN106404740A (zh) | 基于环形腔内倍频及空芯光纤的拉曼光谱液体探测方法 | |
| Wei et al. | All-fiber biological detection microfluidic chip based on space division and wavelength division multiplexing technologies | |
| CN116124745A (zh) | 一种基于二维反馈结构的光微流激光生物标志物检测仪 | |
| CN111190010B (zh) | 一种布里渊光机腔内微流生化传感器 | |
| Li et al. | Label free optofluidic DNA hybridization detection based on suspended core fiber whispering gallery mode resonator | |
| US20050238078A1 (en) | Optical resonator produced by optical contacting to join optical elements and use thereof, for example, for chemical and biochemical detection in liquids | |
| CN110554211B (zh) | 一种基于光微流微腔的流速计及测量方法 | |
| CN106370643A (zh) | 基于线形腔内倍频及空芯光纤的拉曼光谱液体探测方法 | |
| CN217542863U (zh) | 微泡集成型法布里帕罗结构谐振腔传感芯片 | |
| Zhao et al. | Highly sensitive, modification-free, and dynamic real-time stereo-optical immuno-sensor |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant |