CN204964384U - 基于双环谐振腔辅助的马赫-曾德尔干涉仪光学生物传感器 - Google Patents
基于双环谐振腔辅助的马赫-曾德尔干涉仪光学生物传感器 Download PDFInfo
- Publication number
- CN204964384U CN204964384U CN201520664794.1U CN201520664794U CN204964384U CN 204964384 U CN204964384 U CN 204964384U CN 201520664794 U CN201520664794 U CN 201520664794U CN 204964384 U CN204964384 U CN 204964384U
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- horse
- conspicuous
- ring resonator
- deer interferometer
- ring
- 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.)
- Withdrawn - After Issue
Links
- 241000282994 Cervidae Species 0.000 title abstract 5
- 239000000427 antigen Substances 0.000 claims abstract description 23
- 102000036639 antigens Human genes 0.000 claims abstract description 23
- 108091007433 antigens Proteins 0.000 claims abstract description 23
- 238000010521 absorption reaction Methods 0.000 claims abstract description 5
- 239000012530 fluid Substances 0.000 claims description 16
- 230000003287 optical effect Effects 0.000 claims description 14
- 238000001179 sorption measurement Methods 0.000 claims description 7
- 230000010354 integration Effects 0.000 claims description 5
- 239000013307 optical fiber Substances 0.000 claims description 2
- 239000007788 liquid Substances 0.000 abstract 2
- 239000010410 layer Substances 0.000 description 9
- 239000012792 core layer Substances 0.000 description 7
- 230000035945 sensitivity Effects 0.000 description 5
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 4
- 230000005540 biological transmission Effects 0.000 description 3
- 230000008878 coupling Effects 0.000 description 2
- 238000010168 coupling process Methods 0.000 description 2
- 238000005859 coupling reaction Methods 0.000 description 2
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 2
- 230000005684 electric field Effects 0.000 description 2
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 2
- 238000010606 normalization Methods 0.000 description 2
- 230000001154 acute effect Effects 0.000 description 1
- 230000009286 beneficial effect Effects 0.000 description 1
- 238000013461 design Methods 0.000 description 1
- 239000003814 drug Substances 0.000 description 1
- 230000007613 environmental effect Effects 0.000 description 1
- 230000004907 flux Effects 0.000 description 1
- 235000021393 food security Nutrition 0.000 description 1
- 239000000463 material Substances 0.000 description 1
- 239000011159 matrix material Substances 0.000 description 1
- 238000012544 monitoring process Methods 0.000 description 1
- 230000010363 phase shift Effects 0.000 description 1
- 230000010287 polarization Effects 0.000 description 1
- 238000012827 research and development Methods 0.000 description 1
- 238000001228 spectrum Methods 0.000 description 1
- 238000012360 testing method Methods 0.000 description 1
Landscapes
- Investigating Or Analysing Materials By Optical Means (AREA)
Abstract
本实用新型公开了一种基于双环谐振腔辅助的马赫‐曾德尔干涉仪光学生物传感器，包括激光光源、马赫‐曾德尔干涉仪、两个环形波导谐振腔和两个探测器；第一环形谐振腔的芯层表面修饰有特异性吸附功能的生物抗体；第二环形谐振腔的芯层表面修饰有吸附生物抗体的竞争抗原；本实用新型利用由于被测液体中待检测抗原与生物抗体结合后，引起第一环形波导谐振腔的有效折射率增大，而第二环形波导谐振腔的有效折射率减小，导致两个环形波导谐振腔内光的相位差增大，通过马赫‐曾德尔干涉仪将相位差的变化转换为输出功率的变化，通过测量马赫‐曾德尔干涉仪两个端口输出功率的比值，获得被测液体中待检测抗原的含量，大大降低了对光源功率稳定性的要求。
Description
技术领域
本实用新型涉及一种光学生物传感器，尤其涉及一种基于双环谐振腔辅助的马赫‐曾德尔干涉仪光学生物传感器。
背景技术
光学生物传感器因其在生物医学诊断，药物研发，环境监测和食品安全等领域的广泛应用而取得了快速的发展。其中基于光学技术的生物传感器有很多优点：超高的灵敏度，较强的抗电磁干扰能力，高可靠性、高集成度和多参量，因此获得了广泛的关注。
双环谐振腔辅助的马赫‐曾德尔干涉仪光学生物传感器仅需要测量强度信息，无需高分辨率的光谱仪或者可调谐的激光器测量光谱信息，提高传感器灵敏度的同时，大大降低传感器的成本。当入射光的频率在谐振腔的谐振频率附近时，光的相位变化随谐振腔的光学长度变化非常灵敏，马赫‐曾德尔干涉仪可将相位变化的信息转变为输出光强的变化信息，所以此传感器灵敏度非常高。然而在谐振腔的谐振频率附近，谐振腔光学长度的改变引起光相位剧烈变化的同时，振幅也会随之变化。如果马赫‐曾德尔干涉仪的两个臂的光振幅不等，会导致干涉效果不佳。
发明内容
本实用新型的目的在于提供一种基于双环谐振腔辅助的马赫‐曾德尔干涉仪光学生物传感器，选取合适的生物表面修饰材料，使马赫‐曾德尔干涉仪两个臂上的环形波导谐振腔具有某一个共同的谐振频率。当被测液体中抗原与第一个环形波导谐振腔表面的生物抗体结合时，吸附在波导芯层表面，引起第一个环形波导谐振腔的有效折射率增大；而当被测液体中抗原与第二个环形波导谐振腔表面的生物抗体结合时，使生物抗体脱离了波导芯层表面，引起第二个环形波导谐振腔有效折射率减小相同的数值，导致两个环形波导谐振腔内光的相位差增大，但是两个环形波导谐振腔内光的振幅变化相同。
本实用新型的目的是通过以下技术方案来实现的：一种基于双环谐振腔辅助的马赫‐曾德尔干涉仪光学生物传感器，包括激光光源、马赫‐曾德尔干涉仪、第一环形谐振腔、第二环形谐振腔、第一探测器和第二探测器等；所述马赫‐曾德尔干涉仪的输入耦合器的输入端与激光光源连接，两个输出端分别与所述马赫‐曾德尔干涉仪的上臂的一端和下臂的一端相连接；所述马赫‐曾德尔干涉仪的上臂和下臂分别与第一环形谐振腔和第二环形谐振腔相耦合；所述马赫‐曾德尔干涉仪的上臂的另一端和下臂的另一端分别与输出耦合器的两个输入端相连接；所述输出耦合器的第一输出端和第二输出端分别与第一探测器和第二探测器相连接；所述第一环形谐振腔的芯层表面修饰有特异性吸附功能的生物抗体；所述第二环形谐振腔的芯层表面修饰有吸附生物抗体的竞争抗原；所述第一环形谐振腔和所述第二环形谐振腔均与被测液体接触。
进一步地，所述修饰生物抗体的第一环形谐振腔与修饰竞争抗原的第二环形谐振腔至少有一个相同的谐振频率。
进一步地，所述激光光源的频率为第一环形谐振腔与第二环形谐振腔的一个共同谐振频率。
进一步地，所述竞争抗原对生物抗体的亲和力小于被测液体中待检测抗原对生物抗体的亲和力。
进一步地，所述马赫‐曾德尔干涉仪、第一环形谐振腔和第二环形谐振腔可采用平面集成光波导，或者分立光学元件，或者光纤构成。
本实用新型具有的有益效果是：本实用新型使用输入光源为单一波长激光光源，降低传感器成本；可以采用集成光波导结构，使传感器集成度高，体积小，便于高通量、多参数测量的实现；在光学谐振腔内芯层表面修饰有特异性吸附功能的生物表面膜，使传感器针对特定待测物质具有选择性吸附功能；利用被测液体中抗原与第一个环形波导谐振腔表面的生物抗体结合时引起第一个环形波导谐振腔的有效折射率增大，而与第二个环形波导谐振腔表面的生物抗体结合时，使生物抗体脱离了波导芯层表面，引起第二个环形波导谐振腔有效折射率减小相同的数值，导致两个环形波导谐振腔内光的相位差增大，但是两个环形波导谐振腔内光的振幅变化相同，保证了马赫‐曾德尔干涉仪的干涉效果，从而大大提高了传感器的灵敏度。
附图说明
图1为基于双环谐振腔辅助的马赫‐曾德尔干涉仪光学生物传感器示意图；
图2为第一环形波导谐振腔的端面示意图；
图3为第二环形波导谐振腔的端面示意图；
图4为第一环形波导谐振腔有效折射率变化δn时其透射率和相位变化示意图；
图5为第一环形波导谐振腔有效折射率变化δn，第二环形波导谐振腔有效折射率变化-δn时，两个探测器接收到的归一化功率变化示意图；
图6为两个探测器接收到光功率比值和环形波导谐振腔有效折射率变化δn关系示意图；
图中，激光光源1、马赫‐曾德尔干涉仪2、第一环形波导谐振腔3、第二环形波导谐振腔4、第一探测器5、第二探测器6、马赫‐曾德尔干涉仪2的输入波导21、输入耦合器22、马赫‐曾德尔干涉仪2的上臂23、马赫‐曾德尔干涉仪2的下臂24、输出耦合器25、马赫‐曾德尔干涉仪2的第一输出波导26、马赫‐曾德尔干涉仪2的第二输出波导27、第一环形波导谐振腔3内波导芯层31、生物抗体32、第二环形波导谐振腔4内波导芯层41、竞争抗原42、被测液体7、待检测抗原8。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本实用新型作进一步的说明。
如图1所示，本实用新型一种基于双环谐振腔辅助的马赫‐曾德尔干涉仪光学生物传感器，包括激光光源1、马赫‐曾德尔干涉仪2、第一环形谐振腔3、第二环形谐振腔4、第一探测器5和第二探测器6；所述马赫‐曾德尔干涉仪2的输入耦合器22的输入端21与激光光源1连接，所述输入耦合器22的两个输出端分别与所述马赫‐曾德尔干涉仪2的上臂23的一端和下臂24的一端相连接；所述马赫‐曾德尔干涉仪2的上臂23和下臂24分别与第一环形谐振腔3和第二环形谐振腔4相耦合；所述马赫‐曾德尔干涉仪2的上臂23的另一端和下臂24的另外一端分别与输出耦合器25的两个输入端相连接；所述输出耦合器25的第一输出端26和第二输出端27分别与第一探测器5和第二探测器6相连接。
如图2所示，第一环形波导谐振腔3内波导芯层31表面修饰有特异性吸附功能的生物抗体32。所述第一环形波导谐振腔3的生物抗体32与被测液体7接触；
如图3所示，第二环形波导谐振腔4内波导芯层41表面修饰有吸附生物抗体32的竞争抗原42；所述第二环形波导谐振腔4的吸附生物抗体32的竞争抗原42与被测液体7接触。
激光光源1发出的光通过马赫‐曾德尔干涉仪2的输入波导21分为两路，一路进入马赫‐曾德尔干涉仪2的上臂23与第一环形波导谐振腔3相耦合；另外一路进入马赫‐曾德尔干涉仪2的下臂24与第二环形波导谐振腔4相耦合；两路光干涉后一路从马赫‐曾德尔干涉仪2的第一输出波导26进入第一探测器5；另外一路从马赫‐曾德尔干涉仪2的第二输出波导27进入第二探测器6；被测液体7中待检测抗原8与所述第一环形波导谐振腔3内波导芯层31表面修饰有特异性吸附功能的生物抗体32结合后，引起第一环形波导谐振腔3的有效折射率增大δn；同时，被测液体7中待检测抗原8与所述第二环形波导谐振腔4内波导芯层41表面修饰有吸附生物抗体32的竞争抗原42相互作用后，使生物抗体32脱离了波导芯层41表面，引起第二环形波导谐振腔4有效折射率减小δn。传感器中除两个环形波导谐振腔与被测液体7接触外，其他区域均有上包层覆盖，不与被测液体7接触。
所述激光光源1的波长λ＝1.55μm，偏振态为TM模式。本实例中光学生物传感器的设计均选择平面集成光波导结构，其有效折射率n＝1.95，第一环形波导谐振腔3和第二环形波导谐振腔4的长度L＝155μm，且与马赫‐曾德尔干涉仪2的两个臂耦合系数k＝0.3，两个环形波导谐振腔内振幅传输系数a＝0.9975。t1和t2分别为第一环形波导谐振腔3和第二环形波导谐振腔4的透射系数，表示为：
或者2(1)
其中，根据公式(1)，当环形波导谐振腔的有效折射率变化δn时，环形波导谐振腔的透射率|t|2(实线)和相位arg(t)(虚线)的变化，如图4所示。在谐振位置附近，当环形波导谐振腔有效折射率增加时，相位增加，透射率增加；当环形波导谐振腔有效折射率减少时，相位减少，透射率增加。
利用传输矩阵，得到传感器的输入\输出关系为：
公式(2)中E21为传感器输入波导21的电场强度；E26和E27分别为传感器第一输出波导26和第二输出波导27的电场强度；θ1和θ2分别为输入耦合器22和输出耦合器25的耦合角；φ为马赫‐曾德尔干涉仪2的上臂23和下臂24之差所引起的相移。本实例中假定：E21＝1；φ为2π的整数倍；θ1＝θ2＝π/4。
根据公式(2)，可以得到当第一环形波导谐振腔3的有效折射率变化δn，同时第二环形波导谐振腔4的有效折射率变化-δn时，与传感器第一输出波导26相连接的第一探测器5接收到的归一化光强度和与第二输出波导27相连接的第二探测器6接收到的归一化光强度如图5所示。被测液体7中待检测抗原8与所述第一环形波导谐振腔3内波导芯层31表面修饰有特异性吸附功能的生物抗体32结合后，引起第一环形波导谐振腔3的有效折射率增大δn；同时，被测液体7中待检测抗原8与所述第二环形波导谐振腔4内波导芯层41表面修饰有吸附生物抗体32的竞争抗原42相互作用后，使生物抗体32脱离了波导芯层41表面，引起第二环形波导谐振腔4有效折射率减小δn。第一探测器5接收到的功率P5随着δn的增加而增加，而第二探测器6接收到的功率P6随着δn的增加而减少。所以可以根据P5与P6的功率比值变化，得到被测液体7中待检测抗原8的含量，同时消除激光光源1的功率不稳定性引起的测量误差，如图6所示。此实例中，在线性区域范围内δn＝10-5～6×10-5，最高灵敏度达2.07×106dB/RIU。如果最小可测得的功率变化为0.01dB，可探测的最小有效折射率变化为4.8×10‐9。
上述实施例用来解释说明本实用新型，而不是对本实用新型进行限制。在本实用新型的精神和权利要求的保护范围内，对本实用新型作出的任何修改和改变，都落入本实用新型的保护范围。
Claims (4)
1.一种基于双环谐振腔辅助的马赫‐曾德尔干涉仪光学生物传感器，其特征在于，包括激光光源(1)、马赫‐曾德尔干涉仪(2)、第一环形谐振腔(3)、第二环形谐振腔(4)、第一探测器(5)和第二探测器(6)；所述马赫‐曾德尔干涉仪(2)的输入耦合器(22)的输入端(21)与激光光源(1)连接，两个输出端分别与所述马赫‐曾德尔干涉仪(2)的上臂(23)的一端和下臂(24)的一端相连接；所述马赫‐曾德尔干涉仪(2)的上臂(23)和下臂(24)分别与第一环形谐振腔(3)和第二环形谐振腔(4)相耦合；所述马赫‐曾德尔干涉仪(2)的上臂(23)的另一端和下臂(24)的另一端分别与输出耦合器(25)的两个输入端相连接；所述输出耦合器(25)的第一输出端(26)和第二输出端(27)分别与第一探测器(5)和第二探测器(6)相连接；所述第一环形谐振腔(3)的芯层(31)表面修饰有特异性吸附功能的生物抗体(32)；所述第二环形谐振腔(4)的芯层(41)表面修饰有吸附生物抗体(32)的竞争抗原(42)；所述第一环形谐振腔(3)和所述第二环形谐振腔(4)均与被测液体(7)接触。
2.根据权利要求1所述一种基于双环谐振腔辅助的马赫‐曾德尔干涉仪光学生物传感器，其特征在于，所述修饰生物抗体(32)的第一环形谐振腔(3)与修饰竞争抗原(42)的第二环形谐振腔(4)至少有一个相同的谐振频率。
3.根据权利要求1所述一种基于双环谐振腔辅助的马赫‐曾德尔干涉仪光学生物传感器，其特征在于，所述激光光源(1)的频率为第一环形谐振腔(3)与第二环形谐振腔(4)的一个共同谐振频率。
4.根据权利要求1所述一种基于双环谐振腔辅助的马赫‐曾德尔干涉仪光学生物传感器，其特征在于，所述马赫‐曾德尔干涉仪(2)、第一环形谐振腔(3)和第二环形谐振腔(4)可采用平面集成光波导，或者分立光学元件，或者光纤构成。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN201520664794.1U CN204964384U (zh) | 2015-08-31 | 2015-08-31 | 基于双环谐振腔辅助的马赫-曾德尔干涉仪光学生物传感器 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN201520664794.1U CN204964384U (zh) | 2015-08-31 | 2015-08-31 | 基于双环谐振腔辅助的马赫-曾德尔干涉仪光学生物传感器 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN204964384U true CN204964384U (zh) | 2016-01-13 |
Family
ID=55059440
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN201520664794.1U Withdrawn - After Issue CN204964384U (zh) | 2015-08-31 | 2015-08-31 | 基于双环谐振腔辅助的马赫-曾德尔干涉仪光学生物传感器 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN204964384U (zh) |
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN105092531A (zh) * | 2015-08-31 | 2015-11-25 | 浙江大学 | 基于双环谐振腔辅助的马赫-曾德尔干涉仪光学生物传感器 |
| CN112113556A (zh) * | 2020-08-28 | 2020-12-22 | 哈尔滨工程大学 | 一种基于自注入锁频的高灵敏度谐振式微光学陀螺及其检测方法 |
| CN117470806A (zh) * | 2023-12-21 | 2024-01-30 | 天津工业大学 | 一种基于马赫曾德尔结构的聚合物葡萄糖传感器 |
-
2015
- 2015-08-31 CN CN201520664794.1U patent/CN204964384U/zh not_active Withdrawn - After Issue
Cited By (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN105092531A (zh) * | 2015-08-31 | 2015-11-25 | 浙江大学 | 基于双环谐振腔辅助的马赫-曾德尔干涉仪光学生物传感器 |
| CN112113556A (zh) * | 2020-08-28 | 2020-12-22 | 哈尔滨工程大学 | 一种基于自注入锁频的高灵敏度谐振式微光学陀螺及其检测方法 |
| CN112113556B (zh) * | 2020-08-28 | 2022-06-24 | 哈尔滨工程大学 | 一种基于自注入锁频的高灵敏度谐振式微光学陀螺及其检测方法 |
| CN117470806A (zh) * | 2023-12-21 | 2024-01-30 | 天津工业大学 | 一种基于马赫曾德尔结构的聚合物葡萄糖传感器 |
| CN117470806B (zh) * | 2023-12-21 | 2024-03-26 | 天津工业大学 | 一种基于马赫曾德尔结构的聚合物葡萄糖传感器 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| CN105092531B (zh) | 基于双环谐振腔辅助的马赫‑曾德尔干涉仪光学生物传感器 | |
| CN105241844B (zh) | 基于多环辅助的马赫‐曾德尔干涉仪光学生物传感器 | |
| CN108332876B (zh) | 一种光纤温度传感器 | |
| CN101696933B (zh) | 一种基于谐振干涉复合结构和游标效应的光波导传感器 | |
| CN204964384U (zh) | 基于双环谐振腔辅助的马赫-曾德尔干涉仪光学生物传感器 | |
| CN108414448A (zh) | 一种基于双谐振腔级联的光学传感器 | |
| CN101871886A (zh) | 一种折射率传感器制作方法及折射率传感装置 | |
| CN105928903B (zh) | 基于级联光学谐振腔光学传感器 | |
| Zhang et al. | Simultaneous measurement of refractive index and temperature by Mach–Zehnder cascaded with FBG sensor based on multi-core microfiber | |
| Kadhim et al. | Advances in surface plasmon resonance-based plastic optical fiber sensors | |
| Yao et al. | Research on optimization of magnetic field sensing characteristics of PCF sensor based on SPR | |
| CN103823194A (zh) | 一种基于无芯光纤和磁流体的磁场测量装置 | |
| CN107894394A (zh) | 一种基于双环谐振腔直通端级联的光学传感器 | |
| Vijayalakshmi et al. | Detection of blood glucose with hemoglobin content using compact photonic crystal fiber | |
| CN208537382U (zh) | 一种基于双谐振腔级联的光学传感器 | |
| Du et al. | High-sensitivity refractive index and temperature sensor based on cascading FBGs and droplet-like fiber interferometer | |
| CN103344608B (zh) | 非对称型高灵敏度双光纤环耦合m-z干涉仪折射率传感器 | |
| CN109253986B (zh) | 一种级联傅里叶变换光谱仪的双环光学传感器 | |
| Zeng et al. | An integrated-plasmonic chip of Bragg reflection and Mach-Zehnder interference based on metal-insulator-metal waveguide | |
| Zhu et al. | Highly sensitive dual-core photonic crystal fiber based on a surface plasmon resonance sensor with gold film | |
| Wang et al. | D-Shaped photonic crystal fiber with graphene coating for terahertz polarization filtering and sensing applications | |
| Wu et al. | High-q and high-sensitivity multi-hole slot microring resonator and its sensing performance | |
| CN205038159U (zh) | 一种基于多环辅助的马赫‐曾德尔干涉仪光学生物传感器 | |
| CN207571006U (zh) | 一种基于双环谐振腔直通端级联的光学传感器 | |
| Divya et al. | Silver-TiO2 coated D-shaped photonic crystal fiber based SPR sensor for ultrasensitive refractive index detection: design and FEM analysis |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C14 | Grant of patent or utility model | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| AV01 | Patent right actively abandoned | ||
| AV01 | Patent right actively abandoned |
Granted publication date: 20160113 Effective date of abandoning: 20171020 |