CN1712930A - 光纤微Michelson干涉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Michelson干涉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长周期光纤光栅、光纤切断面上的反射膜、光纤包层和光纤芯形成一个Michelson干涉仪，以此干涉仪为基础构成一个光纤倏逝波化学与生物传感器。该传感器将Michelson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Michelson干涉倏逝波化学与生物传感器、宽带耦合器、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，不受杂散光的影响，测试结果稳定可靠。

Description

光纤微Michelson干涉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Michelson干涉倏逝波化学与生物传感器及其系统。

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成分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识别，再转换成各种光信息，如紫外、可见及红外光的吸收、反射、荧光、磷光、化学发光和生物发光、拉曼散射、光声和表面等离子体共振等信号输出，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的波导性质如张力、折射率等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，可以同时反映出多元成分的多维信息，达到复杂混合物中特定分析对象的监测。对电传感器和声传感器而言，这是望尘莫及的。(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(纳米至微米级)，这样微小的传感头便于分析装置的微型化，传感器轻巧、价廉、耐用。(3)传感信号是光信号，光纤与化学成分或生物样品之间无直接的电接触，不影响生物自身的电性质，比较安全，可直接插入活体组织、血管、细胞等中进行检测，尤其适于生物或人体活体或体内实时连续分析检测。(4)无电磁干扰，噪声低，电绝缘，可用于易燃易爆场合。(5)光纤的化学和热稳定性好，可适于大部分化学和生物环境；同时，光纤无毒，工作时不产生废气废液，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，避免了使用外参比和液接电位带来的麻烦，并使测定信号更加稳定可靠。(7)光纤具有仅次于超导材料的、低能量损耗的远距离传输能力，可实现远距离遥测。

根据光纤在光传感中的作用，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化学或生物分子敏感膜层，光纤仅仅作为传输介质，光纤中的光到达端面后与敏感膜层中的化学或生物分子作用，化学或生物分子吸收部分光能或吸收光能后发射荧光。通过检测吸收光强或发射的荧光强度来获取化学或生物分子的信息。第二类是，将包层腐蚀掉留下一小段纤芯，在被腐蚀后的纤芯上固化化学或生物敏感膜层，纤芯中的光传输到传感头时产生全反射，进而产生倏逝波。倏逝波穿过纤芯到达敏感膜层，被化学成分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。在腐蚀了光纤包层后的纤芯倏逝波基础上，再镀一层金属膜，可形成光纤等离子体共振化学与生物传感器。

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理论。即当一束光以适当角度进入光纤时，它会以全反射方式在光纤芯中传播，产生一种横贯光纤芯的波，在光纤芯与其它介质的交界处传出光纤芯并最终返回纤芯。这种波的强度随离开纤芯界面的传播距离快速衰减，称之为倏逝波。倏逝波光纤生物传感器就是将纤芯较大的多模光纤包层研磨或腐蚀掉，使一小段纤芯露出，再在露出的光纤芯表面固化上一层生物敏感膜(光纤探针)；被分析生物分子溶液中有荧光染料，利用倏逝波性质，倏逝波穿过敏感膜时，将激发荧光染了产生荧光信号或导致从倏逝波返回到光纤芯内光的强度、相位、频率发生改变。测量这些变化，即可获得生物敏感膜上生物分子的信息，实现生物传感。

由于穿透到待测生物分子的倏逝波场深度只有波长量级(亚微米量级)，所以光纤倏逝波生物传感器只能探测到结合于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，不受纤芯表面倏逝波场以外的生物分子的干扰；(2)操作简单，测量速度快，时间短，可以无需将光纤从被测溶液中取出和清洗；(3)可以对生物反应的动态过程进行现场检测，倏逝波与敏感物质反应过程中或完成后均可进行荧光检测；(4)整机可小型化，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很小；(5)适合微区和表面分析，及生物分子相互作用或反应过程的在线连续测试，也可进行分子结构分析。

目前，国内研究与光纤倏逝波相关的生物传感器的单位有中科院上海光学精密机械研究所。它与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包层，留下纤芯，在纤芯的表面固化生物分子选择性识别物质，光纤传感头约30～50cm长。其实现系统是将光源的光通过透镜系统和一个半透半反镜耦合进光纤中，光经过几厘米的光程后到达光纤传感头敏感部分。光在传感头的纤芯与生物分子敏感物质的交界面处发生全反射。由于光全反射的倏逝波效应，光将透过界面进入生物分子敏感物质层，激发荧光染料产生波长较长能量较低的荧光。荧光又进入纤芯，部分荧光回到入射端，另有部分荧光经端面的反射镜也反射回入射端。反射回的荧光经过半透半反镜和聚焦系统进入光电倍增管，光电倍增管的信号经放大、整形处理和数字转换后进入计算机系统，得到荧光强度值。生物分子浓度与被激发的荧光强度成正相关关系，即生物分子越多，被激发的荧光强度就越大。这种关系一般是非线性关系，通过实验数据线性化处理而确定。根据得到的经验公式或标定的数据对荧光数据进行分析计算，从而得到生物分子的信息。

目前，光纤倏逝波化学与生物传感器还存在很多的缺点和不足，主要有：(1)传感头的制作比较繁琐且很困难：光纤传感头需要通过化学腐蚀或机械磨蚀方法去除包层，包层的去除位置或尺寸难于精确控制；另外，化学腐蚀或机械磨蚀包层后，难以得到平滑的纤芯光学表面，会出现粗糙的交界面，从而影响光在交界面处的全反射特性或其它光学性能。(2)测量精度较低：由于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影响很大，如驱动电路的不稳定、光源的老化或飘移、光纤的弯曲、光路环境的波动变化、探测系统的漂移和不稳定都会降低测量数据的可靠性和准确性。这种影响在现有的单光路强度检测系统中是难于消除和不可避免的，影响了分析精度和可靠性。同时，单纯的强度测量方法所能到达的分辨率也是非常低的，难于实现更高精度的生物分子测量和分析。(3)杂散光或其它干扰的影响大：光纤芯外的杂光也可以激发荧光，该荧光也可以进入光纤芯和探测器。当外界杂散光变化时，必然使探测器得到的荧光信号发生变化，从而影响探测精度。(4)数据没有容错能力：现有方法可获得的荧光信息主要有强度和时间，并且是简单的数据，没有冗余信息，数据信息量少。分析结果仅仅取决于所获取的单一数据。当采集的一个或一组数据出现较大的干扰和差错时，会严重影响测试或分析结果的准确性。因此该方法没有容错能力。(5)无遥测能力：该方法及其系统所用光纤是外径1mm的多模光纤，其模式损耗很大，光纤外径较大，不能弯曲，没有用光纤作为传输介质，难于远距离传输光信号，仅仅是利用了一小段(约几十厘米)的光纤作为传感头，难于充分利用光纤的优越性。(6)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。光源采用分离光学元件和常规的半透半反镜耦合到光纤，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。另外，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，需要光屏蔽系统；同时对信号处理系统的稳定性和抗干扰的能力要求很高。达到这种要求的光电探测和处理系统结构很复杂，而且很庞大。

这些不足和缺陷有待新的技术和方法加以克服或改进，使这一好的化学与生物传感技术得以更好地推广应用。

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Michelson(迈克尔逊)干涉倏逝波化学与生物传感器及其系统，将Michelson干涉仪需要的所有器件、光路、化学成分或生物分子敏感膜层都集成在一段外径约125μm的光纤上，使整个传感器完全光纤化，提高检测精度和灵敏度，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。

为实现本发明目的，采用了以下技术方案：

本光纤微Michelson干涉倏逝波化学与生物传感器是，在一根光纤上写有一个长周期光纤光栅，作为耦合器，该长周期光纤光栅的谐振中心波长处的耦合效率为2-10dB；在离该长周期光纤光栅约2-35cm距离的光纤上有一个光滑的切断面，在该切断面上有反射膜(如金属银膜)，以形成两个微反射镜；在该长周期光纤光栅和光纤切断面之间的光纤有光纤芯和光纤芯之外的光纤包层，以这段光纤的光纤包层和光纤芯作为两条光路径；由该光纤上的长周期光纤光栅、光纤切断面上的反射膜及其之间的光纤包层、光纤芯构成一个Michelson干涉仪。在该光纤Michelson干涉仪中，长周期光纤光栅和切断面之间的整段或部分段光纤只有光纤芯和光纤包层，被去除了光纤包层外的保护涂层，作为传感器的敏感段；只有光纤芯和光纤包层的这部分光纤的总长度约为2-35cm。这样就以光纤Michelson干涉仪为基础构成了本倏逝波化学与生物传感器。

进一步，为了提高传感器对特定化学成分或生物分子的选择性(特异性)和灵敏度，还可在只有光纤芯和光纤包层的这部分光纤的光纤包层上固化一层对生物分子或化学成分具有选择性特性的吸收或敏感膜层，该吸收或敏感膜层的厚度大于3nm，吸收或敏感膜层的折射率小于光纤包层的折射率。该传感器的整个外径约125～1000微米。

本传感器的传感原理是利用光纤Michelson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)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)光纤包层光在包层与敏感膜层的界面处发生全反射并产生倏逝波，其倏逝波穿过该界面进入化学与生物分子的敏感膜层或其气体或其溶液的一个微小区域，并作用于生物分子或化学成分。(3)在倏逝波的作用过程中，化学成分或生物分子的浓度影响光纤包层外敏感膜层或溶液或气体的折射率，从而改变倏逝波的能量吸收和相位。(4)相位和能量发生了变化的倏逝波又返回光纤包层，在其它点产生全反射和倏逝波，并继续受化学成分或生物分子浓度的影响。当到达光纤末端切断面的反射膜时，光纤包层和光纤芯中的光分别反射回光纤包层和光纤芯传输。(5)反射回的光纤包层光继续在光纤包层和敏感膜层的界面处产生全反射和倏逝波，并受外界化学成分或生物分子的影响；再次到达长周期光纤光栅时又被部分地耦合到光纤芯中去，与一直在光纤芯中传输的部分光合束并产生干涉。(6)在产生干涉的两束光中，光纤芯中的光不受外界化学或生物分子的影响，而光纤包层光受外界化学或生物分子浓度的影响，它们之间的变化关系是确定的。这种变化将表现在干涉条纹信号的变化上。通过测量干涉条纹参数的变化，就可测量化学成分浓度或生物分子的数量，实现化学与生物传感。

利用本传感器可以形成这样一个传感系统：它包括宽带光源、光纤、光纤微Michelson干涉倏逝波化学与生物传感器、宽带耦合器、光纤光谱仪和计算机。其中，宽带光源通过光纤与宽带耦合器的一个输入端连接，宽带耦合器的一个输出端通过光纤同本光纤微Michelson干涉倏逝波化学与生物传感器连接；光纤微Michelson干涉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，传感器中的干涉光信号经过光纤返回到宽带耦合器，被耦合到宽带耦合器的另一个输入端，宽带耦合器的该输入端通过光纤与光纤光谱仪连接；光纤光谱仪通过数据接口(如USB或RS232或GPIB等)与计算机连接，计算机从获取的干涉信号光谱数据中得到并显示被测化学成分或生物分子的浓度信息。

由上述传感系统得到的干涉光信号数据具有多种信息参数及其分布，如幅值、附加相位、干涉条纹及其分布等，都可由计算机进行分析计算。这些不同的信息参数受生物分子或化学成分的影响是不一样的，具有不同的响应形式和关联性，是多维信息，用其中的任意一维信息都可以测量化学成分或生物分子。在数据采集、传输和处理过程中，丢失部分数据仍然可以正确地获得测量结果，传感系统具有一定的容错能力。

本发明具有以下的优点：

本传感器及系统具有的一些独特优点是，(1)本发明的结构巧妙，利用光纤上的一个长周期光纤光栅、普通光纤的光纤包层和光纤芯、光纤末端切断面上的反射膜，不附加其它非光纤器件，就实现了光纤Michelson干涉仪。在外观上，该干涉仪仅是一段普通光纤而已，应用该干涉仪中光纤包层光的全反射和倏逝波实现化学和生物分子的传感。整个传感器完全光纤化，结构微型化，体积小。这也是本传感器的最大创新点。(2)本传感系统不受杂散光的影响。传感系统获取的是光纤包层和光纤芯的干涉光信号。光纤芯中的光不受杂散光影响，光纤包层中的杂散光与光纤芯中的光不满足相干条件，不影响干涉光信号的计算结果，系统稳定可靠。(3)本传感器的制作质量可控性好。本传感器不需要腐蚀或磨蚀光纤包层，其制作过程的每一步都是精确可控的。(4)本传感系统可基于光纤链路实现遥测，系统装配及其构成简单，简化了系统的调试，系统的可靠性高。(5)本传感系统可获取多维数据和信息，具有一定的容错能力。(6)同一个传感器或其系统可分析多种不同的生物分子或化学成分。同一个长周期光纤光栅具有多个耦合谐振波长，可以耦合不同波长处的光。因此，选择合适的光源、光纤光谱仪、计算机和长周期光纤光栅的参数，可以测试多种不同的生物分子或化学成分。(7)测量精度和灵敏度高。本传感器的灵敏度比集成光纤微结构的MZ干涉式倏逝波传感器高一倍；光纤包层与敏感膜层或外界的界面是平滑的光学界面，传感器噪声干扰小，传感精度高。

总之，本传感器及其系统结构独特，全光纤化，在一段普通光纤上实现了一个完整的Michelson干涉仪，应用该干涉仪或其上的敏感膜层、光纤包层的全反射、倏逝波和干涉性，实现化学成分或生物分子浓度的测量，灵敏度和精度高，可靠性好。

附图说明

图1是光纤微Michelson干涉倏逝波化学与生物传感器的结构图；

图2是光纤微Michelson干涉倏逝波化学与生物传感系统的结构图；

图3是本发明专利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

下面以测量气体丙烷(C₃H₃)的浓度为例，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中的生物分子和化学成分的实施方法与之相似，不同之处只是在传感段光纤的光纤包层固化一层不同的化学或生物分子敏感膜层而已。丙烷分子的光谱吸收峰之一在1680nm处，带宽约10～20nm。

参见图1，本传感器的结构包括光纤涂覆层1、光纤包层2、光纤纤芯3、长周期光纤光栅LPFG 4、化学成分或生物分子的吸收或敏感膜层5、反射膜6、保护套7、端部固化胶8、固化胶9、过渡缓冲套10。其制作方法是：(1)将一根普通光纤(光纤材料是石英或塑料，其光纤芯径约9μm，光纤包层直径125μm)的一段保护涂层去除。(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波长而定)照射去除了塑料保护涂层的这段光纤表面，写入带宽约17nm、谐振中心波长为1680nm、耦合效率约4dB的长周期光纤光栅(也可用CO₂激光器来写入长周期光纤光栅)。(3)在离已写入的长周期光纤光栅约25cm处，切断光纤并保证切断面整齐光滑。(4)在长周期光纤光栅到切断面之间，及长周期光纤光栅位置处的光纤包层裸露部分都涂敷上塑料保护涂层。(5)清洁光纤切断面，在光纤切断面上镀上厚度大于1μm的金属银膜，作为微反射镜。(6)在长周期光纤光栅和光纤切断面之间的光纤上，去除一段长约23cm的塑料保护涂层，并清洁该段裸露的光纤包层；再在该段裸露的光纤包层上，固化对气体丙烷分子具有选择性的敏感膜层，也可不固化该敏感膜层。(7)将制作了长周期光纤光栅、光纤包层、反射膜和(或)丙烷分子敏感膜层等的这段光纤用固化胶粘贴到一个有孔保护套的内壁，固化胶的位置靠近保护套的两端部。(8)在保护套的光纤引出端，装上一个塑料过渡缓冲套，以避免光纤被折断，即可制作完毕。该保护套能够渗透气体丙烷，并能使丙烷与传感器的光纤包层或敏感膜接触。该保护套也可不用，直接将本传感器放在丙烷气体中，也可实现传感。

本传感系统的构成如图2所示，中心波长1680nm、带宽约50nm的宽带光源A经光纤B1与一个2x2的宽带耦合器C相连，宽带耦合器C通过一段光纤B2与图1所示的本化学与生物传感器D连接，传感器D被置于丙烷气体中。在传感器中，长周期光纤光栅LPFG将1680nm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，光纤包层和光纤芯的光在光纤切断面的反射膜处被分别反射回光纤包层和光纤芯；光纤包层光在光纤包层的界面处产生倏逝波，并受外界丙烷气体浓度的影响；反射回的部分光纤包层光和光纤芯光在长周期光纤光栅处又被耦合、合束并产生干涉。宽带耦合器C又通过光纤B3与高精度的光纤光谱仪E连接，光纤光谱仪E通过数据接口GPIB与计算机F相连。光纤光谱仪E的波长分辨率为1pm，可测最小幅值为-65dBm。计算机F从光纤光谱仪E获取并处理干涉信号光谱数据，从而计算得到并显示出丙烷气体浓度的测量值。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传感器对丙烷气体浓度的敏感系数，然后测试丙烷气体的浓度。测试时，本传感器放在被测丙烷气体中，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丙烷气体的浓度，从而实现丙烷气体的传感。

在本实施例中，传感器产生的干涉信号光谱条纹的间距为1.344nm，传感系统对丙烷气体浓度的分辨率小于0.1％。若用附加相位法测量时，传感系统对丙烷气体浓度的分辨率还可提高约一个数量级。

Claims (5)

1、光纤微Michelson干涉倏逝波化学与生物传感器，其特征在于：它在一根光纤上有一个长周期光纤光栅，在离该长周期光纤光栅一段距离的光纤末端有光滑的切断面，在该切断面上有反射膜，在该长周期光纤光栅和光纤切断面之间的光纤有光纤芯和光纤芯之外的光纤包层；由该长周期光纤光栅、光纤切断面上的反射膜及其之间的光纤包层和光纤芯构成了一个Michelson干涉仪；长周期光纤光栅和切断面之间的整段或部分段光纤只有光纤芯和光纤包层。

2、根据权利要求1所述的光纤微Michelson干涉倏逝波化学与生物传感器，其特征在于：长周期光纤光栅与切断面之间的距离约2-35cm，只有光纤芯和光纤包层的这部分光纤的总长度约为2-35cm。

3、根据权利要求1、2所述的光纤微Michelson干涉倏逝波化学与生物传感器，其特征在于：在只有光纤芯和光纤包层的这部分光纤的光纤包层上固化有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厚度大于3nm，其折射率小于光纤包层的折射率。

4、根据权利要求3所述的光纤微Michelson干涉倏逝波化学与生物传感器，其特征在于：在上述制作了长周期光纤光栅、光纤包层、切断面的反射膜、生物或化学成分吸收或敏感膜层的这段光纤之外套有一保护套，保护套上有小孔，在靠近保护套的两端部有固化胶连接该传感器光纤和保护套，在保护套的光纤引出端有一个过渡缓冲套。

5、由权利要求3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Michelson干涉倏逝波化学与生物传感器、宽带耦合器、光纤光谱仪和计算机，其中，宽带光源通过光纤与宽带耦合器的一个输入端连接，宽带耦合器的一个输出端通过光纤同光纤微Michelson干涉倏逝波化学与生物传感器连接，宽带耦合器的另一个输入端通过光纤与光纤光谱仪连接，光纤光谱仪通过数据接口与计算机连接，而本传感器被置于被测气体、生物分子或化学成分溶液中。

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