CN1712929A - 光纤微结构mz干涉式倏逝波化学与生物传感器及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种光纤微结构MZ干涉式倏逝波化学与生物传感器及系统，传感器是由一根光纤上的两个长周期光纤光栅、光纤芯和光纤包层形成一个MZ干涉仪，在光纤包层表面有一层对化学或生物分子敏感的吸收或敏感膜层，构成一个光纤MZ干涉仪结构的倏逝波传感器。该传感器将MZ干涉仪所需的功能器件和光路、化学或生物分子敏感膜层都集成在一段光纤上，整个传感器完全光纤化，微型化，体积小。传感系统是由宽带光源、光纤、光纤微结构MZ干涉式倏逝波化学与生物传感器、光纤光谱仪和计算机组成。该系统可基于光纤链路实现遥测，系统结构简单，调试方便，不受杂散光的影响，测试结果稳定可靠。

Description

光纤微结构MZ干涉式倏逝波化学与生物传感器及系统

技术领域

本发明属于光纤传感、生物及化学技术领域，具体涉及一种光纤微结构MZ干涉式倏逝波化学与生物传感器及系统。

背景技术

光纤化学与生物传感器是1970年代中期才诞生的一种新型传感技术，该种传感器是将对化学或生物分子具有识别和换能作用的指示济染料、酶、辅酶、生物受体、抗原、抗体、核酸、DNA、动植物组织或细胞、微生物、高分子材料等的敏感膜、溶凝胶或其本身，吸附、固化或安装在光纤、平面光波导、毛细管波导上，对样品中的待测物质进行选择性的化学或生物分子识别，再转换成各种光信息，从而获得化学与生物信息。在大多数传感器中，光纤起光的传输作用，也有部分传感器是基于被测物质直接影响光纤波导性质的变化来进行化学和生物传感的。

光纤化学与生物传感器的主要特点是：(1)具有很高的传输信息容量，达到复杂混合物中特定分析对象的监测。(2)传感器的光纤探头直径可以小到与其传播的光波波长属同一数量级，传感器便于微型化、轻巧、价廉、耐用。(3)传感信号是光信号，与化学成分或生物样品溶液之间无直接的电接触，比较安全，尤其适于生物活体的实时连续分析检测。(4)无电磁干扰，噪声低，电绝缘，可用于易燃易爆场合。(5)光纤无毒，不产生废气废液，不需高压大电流，不产生电磁辐射，无噪声，对环保和生物医学尤其适合。(6)光纤传感器具有内参比效应，信号稳定可靠。(7)光纤具有仅次于超导材料的低能量损耗，可实现远距离遥测。

根据光纤在传感中的作用，光纤化学与生物传感器可分为两类，一类是在光纤端面固化生物分子敏感膜层，光纤中的光到达端面后，化学成分或生物分子吸收部分光能或发射荧光。通过检测吸收光强或荧光强度来获取化学与生物信息。第二类是，腐蚀掉光纤包层而留下一段光纤芯，在该段光纤芯上固化对化学或生物具有选择性的敏感物质层，光纤芯中的光传输到去除了光纤包层的光纤芯时产生倏逝波，并被化学或生物分子吸收或产生荧光，通过测量光的吸收或荧光强度来测试化学或生物信息。

与本申请专利相近的光纤传感器是倏逝波光纤光学生物传感器，其基本原理是全反射倏逝波激发荧光。它是将光纤芯较大的多模光纤包层研磨或腐蚀掉，露出一段光纤芯，在露出的光纤芯表面固化上一层生物或化学敏感膜以形成光纤探针，该光纤探针置于有荧光染料的化学或生物分子溶液中。当光以适当角度进入光纤时，将以全反射方式在光纤芯中传播。当它到达去除了光纤包层的光纤芯时，将产生倏逝波并进入光纤芯外的敏感膜层。该倏逝波作用于生物敏感膜中的荧光染料而产生荧光信号，通过测量返回到光纤芯内的荧光强度即可获得生物敏感膜外的生物分子信息。

倏逝波场的穿透深度只有波长量级，光纤倏逝波生物传感器只探测到倏逝波场范围内的荧光染料发出的荧光，而溶液中游离的荧光染料对测量结果无贡献。因此，与其它生物检测手段相比，光纤倏逝波生物传感器具有如下优点：(1)灵敏度高，生物特异性强；(2)操作简单，测量速度快，无需取出和清洗传感段光纤；(3)可现场检测生物反应的动态过程，反应过程中或完成后均可检测；(4)相对其它生物传感系统来说，基于倏逝波的生物传感系统可以做得较小；(5)适合微区和表面分析，也可分析分子结构。该种传感器适于生物医学、食品、环境、生物战剂等的快速探测。

目前，国内的中科院上海光学精密机械研究所和军事医学科学院合作研制了光纤倏逝波生物传感系统，申请了国家专利。该专利所设计的光纤传感头是在直径约1mm的光纤一端，通过化学腐蚀方法去除光纤包层而留下光纤芯，在光纤芯的表面固化生物分子选择性识别物质，光纤传感头长约30～50cm。其传感系统是将光源的光通过透镜系统和一个半透半反镜耦合到光纤中，光经过几厘米的光纤后到达光纤传感段部分。光在传感光纤芯与生物分子敏感物质的界面处发生全反射并产生倏逝波，该倏逝波透过界面而被敏感识别膜层中的生物分子所吸收，生物分子吸收光能后产生荧光，部分荧光又进入光纤芯并返回到入射端。返回的荧光经半透半反镜和聚焦系统后进入光电倍增管，再经光电倍增管转换、信号放大、整形处理和数字转换后进入计算机系统。计算机根据荧光强度信号而得到生物分子的信息。

目前，该光纤倏逝波生物传感器还存在一些缺点：(1)传感器的制作繁琐且很困难，需要通过化学腐蚀或磨蚀方法去除光纤包层，而光纤包层的去除位置难于精确控制。同时，化学腐蚀或磨蚀光纤包层后的光纤芯表面是粗糙的非光学界面，影响界面处的光学性能，信号光的噪声很大，影响了测量精度。(2)传感系统采用的是单光路强度测量方法，光源、光路和电路系统的波动和干扰对传感系统的可靠性和准确性的影响很大，难于实现更高精度的生物分子测量和分析。(3)杂散光干扰的影响大，光纤芯外的杂散光也可以激发荧光，从而影响探测结果，因此需要屏蔽杂散光。(4)数据没有容错能力，传感系统无遥测能力。该方法及其系统所用光纤是长约40cm外径1mm的一段多模光纤，仅仅是用这段光纤作为传感头，没有用作为传输介质，没有充分利用光纤的优越性。(5)系统结构复杂：该传感系统没有采用现代光学的微型化和光纤化技术，而是采用了常规光学元器件来构成系统，系统结构复杂而庞大，对准调试非常困难，受外界振动干扰的影响很大。(6)光电探测器采用强度敏感的光电倍增管。该探测系统需要高压分压系统和冷却系统，信号的温度漂移较大，对杂散光的变化非常敏感。达到这种要求的光电探测和处理的系统结构复杂且庞大。这些不足和缺陷有待新的技术和方法加以克服与改进，以便更好地推广应用该生物传感技术。

发明内容

本发明的目的就在于针对现有技术存在的上述不足，提供一种光纤微结构MZ(Mach-Zehnder，马赫-曾德尔)干涉式倏逝波化学与生物传感器及系统，将MZ干涉仪需要的所有器件、光路，以及化学或生物分子敏感膜层都集成在一段外径约125～1000μm的光纤上。整个传感器完全光纤化、微型化，制作简单，体积小。传感系统可基于光纤链路实现遥测，结构简单，不受杂散光的影响，测试结果稳定可靠，精度和灵敏度高。

本发明的技术方案如下：

本光纤微结构MZ干涉式倏逝波化学与生物传感器，它是在一根光纤上相距一定距离写有两个长周期光纤光栅，作为两个耦合器，这两个长周期光纤光栅之间的距离约3-70cm；这两个长周期光纤光栅有相近的耦合波长、带宽和耦合效率，长周期光纤光栅谐振中心波长处的耦合效率约为2-10dB；在两个长周期光纤光栅之间的光纤有光纤芯和光纤芯之外的光纤包层，这两个长周期光纤光栅及其之间的光纤包层和光纤芯构成一个MZ(Mach-Zehnder，马赫—曾德尔)干涉仪。以该光纤MZ干涉仪为基础，在两个长周期光纤光栅之间的整段或部分段光纤只有光纤芯和光纤包层，去除了光纤包层外的保护涂层；在只有光纤芯和光纤包层的这部分光纤的光纤包层表面固化有一层厚度大于3nm的吸收或敏感膜层，该吸收或敏感膜层对被测化学成分或生物分子具有选择性，它的折射率小于光纤包层的折射率，其总长度为3-70cm。整个传感器的外径约125～1000微米。这就构成了光纤微结构MZ干涉式倏逝波化学与生物传感器，利用光纤包层的全反射、倏逝波和光干涉特性等来获取生物分子及化学成分的信息。

本传感器的传感原理是利用光纤化MZ干涉仪中的光纤包层光在界面处的全反射、倏逝波和光干涉特性等来传感化学或生物信息：(1)在光纤纤芯中传输的光到达长周期光纤光栅时，一部分光继续在纤芯中传输，另一部分光被耦合到光纤包层中传输。(2)光纤包层中的光在光纤包层与敏感膜层的界面处发生全反射和倏逝波。该倏逝波进入生物分子或化学成分敏感膜层的一个微小区域，并被敏感膜层中的化学成分或生物分子吸收部分能量。(3)外界被测化学成分或生物分子的浓度与倏逝波的吸收光能大小有确定的关系，同时与敏感膜层的折射率变化有关，从而影响倏逝波的相位。相位和能量都发生了变化的倏逝波返回包层，继续在其它点作用于敏感膜层。(4)当光纤芯和光纤包层的光到达下一个长周期光纤光栅时，光纤芯的一部分光继续在光纤芯中传输，而光纤包层的一部分光又被耦合到光纤芯中传输，在光纤芯中传输的这两束光将合束并产生干涉。(5)在产生干涉的这两束光中，一直在光纤芯中传输的光不受外界生物分子或化学成分的影响，但光纤包层中光的幅值和相位都受到敏感膜层中化学或生物分子的影响。通过测量干涉信号光的幅值或相位的变化即可测量化学成分或生物分子的浓度，实现化学与生物的传感。

由上述光纤微结构MZ干涉式倏逝波化学与生物传感器形成的传感系统包括有：宽带光源、光纤、光纤微结构MZ干涉式倏逝波化学与生物传感器、光纤光谱仪和计算机。其中，宽带光源和光纤光谱仪分别通过光纤连接到光纤微结构MZ干涉式倏逝波化学与生物传感器的输入端和输出端，计算机通过数据接口与光纤光谱仪连接，传感器置于被测气体、化学成分或生物分子溶液中。这样，光经过长周期光纤光栅的分光、光纤包层的全反射、吸收、相位变化等，到达下一个长周期光纤光栅时再耦合合束形成干涉信号光。干涉信号光经光纤被传输到光纤光谱仪，光纤光谱仪获取干涉信号光分布数据，并通过数据接口(如USB、RS232、GPIB等)将干涉信号光分布数据送到计算机，由计算机根据干涉信号光数据计算并显示出化学成分或生物分子浓度的测量值。

计算机可从上述传感系统得到的干涉信号光分布数据中获取多种信息参数，如幅值、附加相位和干涉条纹等。这些信息参数受化学或生物分子的影响是不一样的，具有不同的响应形式关联性，是多维信息，用其中的任意一维数据都可计算出化学成分浓度或生物分子数量。因此在数据采集和传输过程中，丢失部分数据信息，仍可正确地获得测量结果，传感系统具有一定的容错能力。

本传感器及传感系统的优点：

本传感器和传感系统具有以下的独特优点：(1)本发明的传感器结构巧妙，利用两个长周期光纤光栅和一段普通光纤，就实现了MZ干涉仪的分光、合光及干涉功能。在外观上，该MZ干涉仪与一段普通的光纤没有任何区别。传感器所需要的MZ干涉仪、化学或生物分子敏感膜层都集成在一段外径约125μm的普通光纤上，整个传感器完全光纤化，结构微型化，体积小。这是本传感器的最大创新点。(2)传感系统不受杂散光的影响。光纤芯中的光不受杂散光影响，而杂散光与光纤芯中的光不满足相干条件，不影响从干涉信号光谱数据中得到的化学或生物分子的测量结果。(3)传感器的制作质量可控性好，制作本传感器的每一步都是精确可控的，其制作过程不需要化学腐蚀或磨蚀光纤包层。光纤包层与敏感膜层的界面是平滑的光学界面，传感信号的噪声小，传感器和传感系统的测量精度和灵敏度高。(4)传感系统可分析多种不同的生物分子或化学成分。长周期光纤光栅具有多个耦合波长，选择合适的光源、光纤光谱仪和长周期光纤光栅的参数，计算机可以获取多种生物分子或化学成分的测量值。(5)整个传感系统可基于光纤链路实现遥测，系统构成及其装配简单，简化了系统的调试，提高了系统的可靠性。

总之，本传感器结构独特，全光纤化，在一段光纤上实现了一个完整的MZ干涉仪及其生物或化学传感器，利用光纤包层的倏逝波和干涉特性来测量生物分子和化学成分，灵敏度和精度高，可靠性好。

附图说明

图1是光纤微结构MZ干涉式倏逝波化学与生物传感器的结构图；

图2是光纤微结构MZ干涉式倏逝波化学与生物传感系统的结构图；

图3是本发明涉及的传感系统中计算机获取的干涉信号光谱图。

具体实施方式

下面以测量人IgG为例，结合附图进一步来说明上述传感器及传感系统的实施，测量其它气体或溶液形式的化学成分或生物分子的实施方式与之相似，不同之处只是在光纤包层固化一层不同的生物分子或化学成分敏感膜层而已。

参见图1，本传感器的结构有：光纤涂覆层1、光纤包层2、光纤芯3、长周期光纤光栅LPFG1 4、生物分子人IgG的敏感膜层5、长周期光纤光栅LPFG2 6，保护套7，固化胶8，过渡缓冲套9。其制作方法是：(1)将一根普通光纤(光纤材料是石英或塑料，其芯径约9μm，包层直径125μm)的一段塑料保护涂层去除。(2)用波长约240nm的激光器和长周期光纤光栅掩模板(掩模板的周期根据所需要的耦合波长而定)照射去除了塑料保护涂层的光纤，写入长度约3cm的长周期光纤光栅，在去除了塑料保护涂层的这段光纤上再涂敷上塑料保护涂层。(3)在离已写入的长周期光纤光栅约20cm处的光纤上，去除一段塑料保护涂层，并用相同的激光器和长周期光纤光栅掩模板照射该段裸光纤，写入长度约3cm的另一个长周期光纤光栅，在去除了塑料保护涂层的这段光纤上再涂敷上塑料保护涂层。这两个长周期光纤光栅的耦合中心波长为1540nm，中心波长处的耦合效率约3.5dB。(4)在两个长周期光纤光栅之间，去除一段长约10cm的光纤塑料保护涂层，以裸露出光纤包层。(5)清洁两个长周期光纤光栅之间的去除了塑料保护涂层的光纤包层，并将这段去除了塑料保护涂层的光纤浸入浓度为100μg/ml纯化羊抗人IgG抗体的溶液中，浸入时间约1小时，在光纤包层上形成约20nm厚的羊抗人IgG抗体膜层。(6)将制作了长周期光纤光栅、光纤包层、纯化羊抗人IgG抗体敏感膜的这段光纤用固化胶粘贴在有孔的保护套内壁，在保护套两端部分别装上过渡缓冲套以避免光纤的折断，再用胶封装好两端部即可制作完毕。该保护套能够渗透被测的人IgG(即抗原)溶液，同时能使人IgG蛋白质分子与传感器光纤包层上的纯化羊抗人IgG抗体敏感膜接触。该保护套也可不用，而直接将传感器的传感段光纤与人IgG溶液接触，也能实现检测。

传感系统的构成如图2所示。中心波长1540nm、带宽约40nm的宽带光源A耦合到光纤B1，并经光纤B1与本化学与生物传感器C连接。传感器C的另一个光纤引出端通过光纤B2与光纤光谱仪D连接，光纤光谱仪D通过数据接口GPIB与计算机E相连，本传感器C置于被测的人IgG溶液中。在传感器中，长周期光纤光栅LPFG1将波长1540nm附近的一部分光耦合到光纤包层中去，另一部分光在光纤芯中传输并不受外界人IgG蛋白质分子的影响。光纤包层光在光纤包层与羊抗人IgG抗体敏感膜的界面处产生全反射和倏逝波，并作用于敏感膜层。当光纤包层和光纤芯的光到达下一个长周期光纤光栅时，两束光的一部分光将在光纤芯中合束并产生干涉信号光。光纤光谱仪D获取干涉信号光的谱分布数据，并将其送到计算机。计算机计算干涉信号光谱数据，得到并显示出溶液中人IgG蛋白质的浓度。计算机获取的干涉信号光谱数据如图3所示。其测量和计算过程是先标定本传感器对人IgG蛋白质浓度的敏感系数，然后测试人IgG蛋白质的浓度。测试时，本传感器放在被测人IgG蛋白质的溶液中，传感系统中的计算机获取干涉信号光谱数据，并根据标定的敏感系数计算得到被测人IgG蛋白质溶液的浓度，从而实现人IgG的传感。

在本实施例中，光纤光谱仪的波长分辨率为1pm，最小幅值测量值为-65dBm，干涉信号光谱条纹的间距为3.08nm，用附加相位计算法测量人IgG溶液浓度的分辨率小于2μg/ml。

Claims (4)

1、光纤微结构MZ干涉式倏逝波化学与生物传感器，其特征在于：它在一根光纤上相距一定距离有两个长周期光纤光栅，这两个长周期光纤光栅有相近的耦合波长、带宽和耦合效率；在这两个长周期光纤光栅之间的这段光纤有光纤芯和光纤芯之外的光纤包层，这两个长周期光纤光栅及其间的光纤包层和光纤芯构成一个MZ干涉仪；在这两个长周期光纤光栅之间的整段或部分段光纤的光纤包层表面有一层对被测化学成分或生物分子具有选择性的吸收或敏感膜层，该吸收或敏感膜层的折射率小于光纤包层的折射率。

2、根据权利要求1所述的光纤微结构MZ干涉式倏逝波传感器，其特征在于：两个长周期光纤光栅之间的距离约3-70cm；长周期光纤光栅谐振中心波长处的耦合效率为2-10dB；对化学成分或生物分子具有选择性的吸收或敏感膜层的厚度大于3nm，该吸收或敏感膜的总长度约3-70cm。

3、根据权利要求1、2所述的光纤微结构MZ干涉式倏逝波传感器，其特征在于：在上述制作了两个长周期光纤光栅、光纤包层、化学与生物分子吸收或敏感膜层的这段光纤之外有一保护套，保护套上有小孔，保护套的两端通过固化胶与该传感器光纤粘贴在一起，在保护套的两端部还有过渡缓冲套。

4、由权利要求1或2所述的传感器形成的传感系统，其特征在于：它包括宽带光源、光纤、光纤微结构MZ干涉式倏逝波化学与生物传感器、光纤光谱仪和计算机。其中，宽带光源和光纤光谱仪分别通过光纤连接到光纤微结构MZ干涉式倏逝波化学与生物传感器的输入端和输出端，光纤微结构MZ干涉式倏逝波化学与生物传感器置于被测气体、化学成分或生物分子溶液中，光纤光谱仪通过数据接口连接到计算机。

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