專利名稱：光纖微結(jié)構(gòu)mz干涉式倏逝波化學(xué)與生物傳感器及系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于光纖傳感、生物及化學(xué)技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種光纖微結(jié)構(gòu)MZ干涉式倏逝波化學(xué)與生物傳感器及系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
光纖化學(xué)與生物傳感器是1970年代中期才誕生的一種新型傳感技術(shù)，該種傳感器是將對(duì)化學(xué)或生物分子具有識(shí)別和換能作用的指示濟(jì)染料、酶、輔酶、生物受體、抗原、抗體、核酸、DNA、動(dòng)植物組織或細(xì)胞、微生物、高分子材料等的敏感膜、溶凝膠或其本身，吸附、固化或安裝在光纖、平面光波導(dǎo)、毛細(xì)管波導(dǎo)上，對(duì)樣品中的待測(cè)物質(zhì)進(jìn)行選擇性的化學(xué)或生物分子識(shí)別，再轉(zhuǎn)換成各種光信息，從而獲得化學(xué)與生物信息。在大多數(shù)傳感器中，光纖起光的傳輸作用，也有部分傳感器是基于被測(cè)物質(zhì)直接影響光纖波導(dǎo)性質(zhì)的變化來進(jìn)行化學(xué)和生物傳感的。
光纖化學(xué)與生物傳感器的主要特點(diǎn)是(1)具有很高的傳輸信息容量，達(dá)到復(fù)雜混合物中特定分析對(duì)象的監(jiān)測(cè)。(2)傳感器的光纖探頭直徑可以小到與其傳播的光波波長(zhǎng)屬同一數(shù)量級(jí)，傳感器便于微型化、輕巧、價(jià)廉、耐用。(3)傳感信號(hào)是光信號(hào)，與化學(xué)成分或生物樣品溶液之間無直接的電接觸，比較安全，尤其適于生物活體的實(shí)時(shí)連續(xù)分析檢測(cè)。(4)無電磁干擾，噪聲低，電絕緣，可用于易燃易爆場(chǎng)合。(5)光纖無毒，不產(chǎn)生廢氣廢液，不需高壓大電流，不產(chǎn)生電磁輻射，無噪聲，對(duì)環(huán)保和生物醫(yī)學(xué)尤其適合。(6)光纖傳感器具有內(nèi)參比效應(yīng)，信號(hào)穩(wěn)定可靠。(7)光纖具有僅次于超導(dǎo)材料的低能量損耗，可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離遙測(cè)。
根據(jù)光纖在傳感中的作用，光纖化學(xué)與生物傳感器可分為兩類，一類是在光纖端面固化生物分子敏感膜層，光纖中的光到達(dá)端面后，化學(xué)成分或生物分子吸收部分光能或發(fā)射熒光。通過檢測(cè)吸收光強(qiáng)或熒光強(qiáng)度來獲取化學(xué)與生物信息。第二類是，腐蝕掉光纖包層而留下一段光纖芯，在該段光纖芯上固化對(duì)化學(xué)或生物具有選擇性的敏感物質(zhì)層，光纖芯中的光傳輸?shù)饺コ斯饫w包層的光纖芯時(shí)產(chǎn)生倏逝波，并被化學(xué)或生物分子吸收或產(chǎn)生熒光，通過測(cè)量光的吸收或熒光強(qiáng)度來測(cè)試化學(xué)或生物信息。
與本申請(qǐng)專利相近的光纖傳感器是倏逝波光纖光學(xué)生物傳感器，其基本原理是全反射倏逝波激發(fā)熒光。它是將光纖芯較大的多模光纖包層研磨或腐蝕掉，露出一段光纖芯，在露出的光纖芯表面固化上一層生物或化學(xué)敏感膜以形成光纖探針，該光纖探針置于有熒光染料的化學(xué)或生物分子溶液中。當(dāng)光以適當(dāng)角度進(jìn)入光纖時(shí)，將以全反射方式在光纖芯中傳播。當(dāng)它到達(dá)去除了光纖包層的光纖芯時(shí)，將產(chǎn)生倏逝波并進(jìn)入光纖芯外的敏感膜層。該倏逝波作用于生物敏感膜中的熒光染料而產(chǎn)生熒光信號(hào)，通過測(cè)量返回到光纖芯內(nèi)的熒光強(qiáng)度即可獲得生物敏感膜外的生物分子信息。
倏逝波場(chǎng)的穿透深度只有波長(zhǎng)量級(jí)，光纖倏逝波生物傳感器只探測(cè)到倏逝波場(chǎng)范圍內(nèi)的熒光染料發(fā)出的熒光，而溶液中游離的熒光染料對(duì)測(cè)量結(jié)果無貢獻(xiàn)。因此，與其它生物檢測(cè)手段相比，光纖倏逝波生物傳感器具有如下優(yōu)點(diǎn)(1)靈敏度高，生物特異性強(qiáng)；(2)操作簡(jiǎn)單，測(cè)量速度快，無需取出和清洗傳感段光纖；(3)可現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)生物反應(yīng)的動(dòng)態(tài)過程，反應(yīng)過程中或完成后均可檢測(cè)；(4)相對(duì)其它生物傳感系統(tǒng)來說，基于倏逝波的生物傳感系統(tǒng)可以做得較??；(5)適合微區(qū)和表面分析，也可分析分子結(jié)構(gòu)。該種傳感器適于生物醫(yī)學(xué)、食品、環(huán)境、生物戰(zhàn)劑等的快速探測(cè)。
目前，國(guó)內(nèi)的中科院上海光學(xué)精密機(jī)械研究所和軍事醫(yī)學(xué)科學(xué)院合作研制了光纖倏逝波生物傳感系統(tǒng)，申請(qǐng)了國(guó)家專利。該專利所設(shè)計(jì)的光纖傳感頭是在直徑約1mm的光纖一端，通過化學(xué)腐蝕方法去除光纖包層而留下光纖芯，在光纖芯的表面固化生物分子選擇性識(shí)別物質(zhì)，光纖傳感頭長(zhǎng)約30～50cm。其傳感系統(tǒng)是將光源的光通過透鏡系統(tǒng)和一個(gè)半透半反鏡耦合到光纖中，光經(jīng)過幾厘米的光纖后到達(dá)光纖傳感段部分。光在傳感光纖芯與生物分子敏感物質(zhì)的界面處發(fā)生全反射并產(chǎn)生倏逝波，該倏逝波透過界面而被敏感識(shí)別膜層中的生物分子所吸收，生物分子吸收光能后產(chǎn)生熒光，部分熒光又進(jìn)入光纖芯并返回到入射端。返回的熒光經(jīng)半透半反鏡和聚焦系統(tǒng)后進(jìn)入光電倍增管，再經(jīng)光電倍增管轉(zhuǎn)換、信號(hào)放大、整形處理和數(shù)字轉(zhuǎn)換后進(jìn)入計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。計(jì)算機(jī)根據(jù)熒光強(qiáng)度信號(hào)而得到生物分子的信息。
目前，該光纖倏逝波生物傳感器還存在一些缺點(diǎn)(1)傳感器的制作繁瑣且很困難，需要通過化學(xué)腐蝕或磨蝕方法去除光纖包層，而光纖包層的去除位置難于精確控制。同時(shí)，化學(xué)腐蝕或磨蝕光纖包層后的光纖芯表面是粗糙的非光學(xué)界面，影響界面處的光學(xué)性能，信號(hào)光的噪聲很大，影響了測(cè)量精度。(2)傳感系統(tǒng)采用的是單光路強(qiáng)度測(cè)量方法，光源、光路和電路系統(tǒng)的波動(dòng)和干擾對(duì)傳感系統(tǒng)的可靠性和準(zhǔn)確性的影響很大，難于實(shí)現(xiàn)更高精度的生物分子測(cè)量和分析。(3)雜散光干擾的影響大，光纖芯外的雜散光也可以激發(fā)熒光，從而影響探測(cè)結(jié)果，因此需要屏蔽雜散光。(4)數(shù)據(jù)沒有容錯(cuò)能力，傳感系統(tǒng)無遙測(cè)能力。該方法及其系統(tǒng)所用光纖是長(zhǎng)約40cm外徑1mm的一段多模光纖，僅僅是用這段光纖作為傳感頭，沒有用作為傳輸介質(zhì)，沒有充分利用光纖的優(yōu)越性。(5)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜該傳感系統(tǒng)沒有采用現(xiàn)代光學(xué)的微型化和光纖化技術(shù)，而是采用了常規(guī)光學(xué)元器件來構(gòu)成系統(tǒng)，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜而龐大，對(duì)準(zhǔn)調(diào)試非常困難，受外界振動(dòng)干擾的影響很大。(6)光電探測(cè)器采用強(qiáng)度敏感的光電倍增管。該探測(cè)系統(tǒng)需要高壓分壓系統(tǒng)和冷卻系統(tǒng)，信號(hào)的溫度漂移較大，對(duì)雜散光的變化非常敏感。達(dá)到這種要求的光電探測(cè)和處理的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜且龐大。這些不足和缺陷有待新的技術(shù)和方法加以克服與改進(jìn)，以便更好地推廣應(yīng)用該生物傳感技術(shù)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的就在于針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)存在的上述不足，提供一種光纖微結(jié)構(gòu)MZ(Mach-Zehnder，馬赫-曾德爾)干涉式倏逝波化學(xué)與生物傳感器及系統(tǒng)，將MZ干涉儀需要的所有器件、光路，以及化學(xué)或生物分子敏感膜層都集成在一段外徑約125～1000μm的光纖上。整個(gè)傳感器完全光纖化、微型化，制作簡(jiǎn)單，體積小。傳感系統(tǒng)可基于光纖鏈路實(shí)現(xiàn)遙測(cè)，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，不受雜散光的影響，測(cè)試結(jié)果穩(wěn)定可靠，精度和靈敏度高。
本發(fā)明的技術(shù)方案如下本光纖微結(jié)構(gòu)MZ干涉式倏逝波化學(xué)與生物傳感器，它是在一根光纖上相距一定距離寫有兩個(gè)長(zhǎng)周期光纖光柵，作為兩個(gè)耦合器，這兩個(gè)長(zhǎng)周期光纖光柵之間的距離約3-70cm；這兩個(gè)長(zhǎng)周期光纖光柵有相近的耦合波長(zhǎng)、帶寬和耦合效率，長(zhǎng)周期光纖光柵諧振中心波長(zhǎng)處的耦合效率約為2-10dB；在兩個(gè)長(zhǎng)周期光纖光柵之間的光纖有光纖芯和光纖芯之外的光纖包層，這兩個(gè)長(zhǎng)周期光纖光柵及其之間的光纖包層和光纖芯構(gòu)成一個(gè)MZ(Mach-Zehnder，馬赫—曾德爾)干涉儀。以該光纖MZ干涉儀為基礎(chǔ)，在兩個(gè)長(zhǎng)周期光纖光柵之間的整段或部分段光纖只有光纖芯和光纖包層，去除了光纖包層外的保護(hù)涂層；在只有光纖芯和光纖包層的這部分光纖的光纖包層表面固化有一層厚度大于3nm的吸收或敏感膜層，該吸收或敏感膜層對(duì)被測(cè)化學(xué)成分或生物分子具有選擇性，它的折射率小于光纖包層的折射率，其總長(zhǎng)度為3-70cm。整個(gè)傳感器的外徑約125～1000微米。這就構(gòu)成了光纖微結(jié)構(gòu)MZ干涉式倏逝波化學(xué)與生物傳感器，利用光纖包層的全反射、倏逝波和光干涉特性等來獲取生物分子及化學(xué)成分的信息。
本傳感器的傳感原理是利用光纖化MZ干涉儀中的光纖包層光在界面處的全反射、倏逝波和光干涉特性等來傳感化學(xué)或生物信息(1)在光纖纖芯中傳輸?shù)墓獾竭_(dá)長(zhǎng)周期光纖光柵時(shí)，一部分光繼續(xù)在纖芯中傳輸，另一部分光被耦合到光纖包層中傳輸。(2)光纖包層中的光在光纖包層與敏感膜層的界面處發(fā)生全反射和倏逝波。該倏逝波進(jìn)入生物分子或化學(xué)成分敏感膜層的一個(gè)微小區(qū)域，并被敏感膜層中的化學(xué)成分或生物分子吸收部分能量。(3)外界被測(cè)化學(xué)成分或生物分子的濃度與倏逝波的吸收光能大小有確定的關(guān)系，同時(shí)與敏感膜層的折射率變化有關(guān)，從而影響倏逝波的相位。相位和能量都發(fā)生了變化的倏逝波返回包層，繼續(xù)在其它點(diǎn)作用于敏感膜層。(4)當(dāng)光纖芯和光纖包層的光到達(dá)下一個(gè)長(zhǎng)周期光纖光柵時(shí)，光纖芯的一部分光繼續(xù)在光纖芯中傳輸，而光纖包層的一部分光又被耦合到光纖芯中傳輸，在光纖芯中傳輸?shù)倪@兩束光將合束并產(chǎn)生干涉。(5)在產(chǎn)生干涉的這兩束光中，一直在光纖芯中傳輸?shù)墓獠皇芡饨缟锓肿踊蚧瘜W(xué)成分的影響，但光纖包層中光的幅值和相位都受到敏感膜層中化學(xué)或生物分子的影響。通過測(cè)量干涉信號(hào)光的幅值或相位的變化即可測(cè)量化學(xué)成分或生物分子的濃度，實(shí)現(xiàn)化學(xué)與生物的傳感。
由上述光纖微結(jié)構(gòu)MZ干涉式倏逝波化學(xué)與生物傳感器形成的傳感系統(tǒng)包括有寬帶光源、光纖、光纖微結(jié)構(gòu)MZ干涉式倏逝波化學(xué)與生物傳感器、光纖光譜儀和計(jì)算機(jī)。其中，寬帶光源和光纖光譜儀分別通過光纖連接到光纖微結(jié)構(gòu)MZ干涉式倏逝波化學(xué)與生物傳感器的輸入端和輸出端，計(jì)算機(jī)通過數(shù)據(jù)接口與光纖光譜儀連接，傳感器置于被測(cè)氣體、化學(xué)成分或生物分子溶液中。這樣，光經(jīng)過長(zhǎng)周期光纖光柵的分光、光纖包層的全反射、吸收、相位變化等，到達(dá)下一個(gè)長(zhǎng)周期光纖光柵時(shí)再耦合合束形成干涉信號(hào)光。干涉信號(hào)光經(jīng)光纖被傳輸?shù)焦饫w光譜儀，光纖光譜儀獲取干涉信號(hào)光分布數(shù)據(jù)，并通過數(shù)據(jù)接口(如USB、RS232、GPIB等)將干涉信號(hào)光分布數(shù)據(jù)送到計(jì)算機(jī)，由計(jì)算機(jī)根據(jù)干涉信號(hào)光數(shù)據(jù)計(jì)算并顯示出化學(xué)成分或生物分子濃度的測(cè)量值。
計(jì)算機(jī)可從上述傳感系統(tǒng)得到的干涉信號(hào)光分布數(shù)據(jù)中獲取多種信息參數(shù)，如幅值、附加相位和干涉條紋等。這些信息參數(shù)受化學(xué)或生物分子的影響是不一樣的，具有不同的響應(yīng)形式關(guān)聯(lián)性，是多維信息，用其中的任意一維數(shù)據(jù)都可計(jì)算出化學(xué)成分濃度或生物分子數(shù)量。因此在數(shù)據(jù)采集和傳輸過程中，丟失部分?jǐn)?shù)據(jù)信息，仍可正確地獲得測(cè)量結(jié)果，傳感系統(tǒng)具有一定的容錯(cuò)能力。
本傳感器及傳感系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)本傳感器和傳感系統(tǒng)具有以下的獨(dú)特優(yōu)點(diǎn)(1)本發(fā)明的傳感器結(jié)構(gòu)巧妙，利用兩個(gè)長(zhǎng)周期光纖光柵和一段普通光纖，就實(shí)現(xiàn)了MZ干涉儀的分光、合光及干涉功能。在外觀上，該MZ干涉儀與一段普通的光纖沒有任何區(qū)別。傳感器所需要的MZ干涉儀、化學(xué)或生物分子敏感膜層都集成在一段外徑約125μm的普通光纖上，整個(gè)傳感器完全光纖化，結(jié)構(gòu)微型化，體積小。這是本傳感器的最大創(chuàng)新點(diǎn)。(2)傳感系統(tǒng)不受雜散光的影響。光纖芯中的光不受雜散光影響，而雜散光與光纖芯中的光不滿足相干條件，不影響從干涉信號(hào)光譜數(shù)據(jù)中得到的化學(xué)或生物分子的測(cè)量結(jié)果。(3)傳感器的制作質(zhì)量可控性好，制作本傳感器的每一步都是精確可控的，其制作過程不需要化學(xué)腐蝕或磨蝕光纖包層。光纖包層與敏感膜層的界面是平滑的光學(xué)界面，傳感信號(hào)的噪聲小，傳感器和傳感系統(tǒng)的測(cè)量精度和靈敏度高。(4)傳感系統(tǒng)可分析多種不同的生物分子或化學(xué)成分。長(zhǎng)周期光纖光柵具有多個(gè)耦合波長(zhǎng)，選擇合適的光源、光纖光譜儀和長(zhǎng)周期光纖光柵的參數(shù)，計(jì)算機(jī)可以獲取多種生物分子或化學(xué)成分的測(cè)量值。(5)整個(gè)傳感系統(tǒng)可基于光纖鏈路實(shí)現(xiàn)遙測(cè)，系統(tǒng)構(gòu)成及其裝配簡(jiǎn)單，簡(jiǎn)化了系統(tǒng)的調(diào)試，提高了系統(tǒng)的可靠性。
總之，本傳感器結(jié)構(gòu)獨(dú)特，全光纖化，在一段光纖上實(shí)現(xiàn)了一個(gè)完整的MZ干涉儀及其生物或化學(xué)傳感器，利用光纖包層的倏逝波和干涉特性來測(cè)量生物分子和化學(xué)成分，靈敏度和精度高，可靠性好。


圖1是光纖微結(jié)構(gòu)MZ干涉式倏逝波化學(xué)與生物傳感器的結(jié)構(gòu)圖；圖2是光纖微結(jié)構(gòu)MZ干涉式倏逝波化學(xué)與生物傳感系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖；圖3是本發(fā)明涉及的傳感系統(tǒng)中計(jì)算機(jī)獲取的干涉信號(hào)光譜圖。
具體實(shí)施例方式
下面以測(cè)量人IgG為例，結(jié)合附圖進(jìn)一步來說明上述傳感器及傳感系統(tǒng)的實(shí)施，測(cè)量其它氣體或溶液形式的化學(xué)成分或生物分子的實(shí)施方式與之相似，不同之處只是在光纖包層固化一層不同的生物分子或化學(xué)成分敏感膜層而已。
參見圖1，本傳感器的結(jié)構(gòu)有光纖涂覆層1、光纖包層2、光纖芯3、長(zhǎng)周期光纖光柵LPFG1 4、生物分子人IgG的敏感膜層5、長(zhǎng)周期光纖光柵LPFG2 6，保護(hù)套7，固化膠8，過渡緩沖套9。其制作方法是(1)將一根普通光纖(光纖材料是石英或塑料，其芯徑約9μm，包層直徑125μm)的一段塑料保護(hù)涂層去除。(2)用波長(zhǎng)約240nm的激光器和長(zhǎng)周期光纖光柵掩模板(掩模板的周期根據(jù)所需要的耦合波長(zhǎng)而定)照射去除了塑料保護(hù)涂層的光纖，寫入長(zhǎng)度約3cm的長(zhǎng)周期光纖光柵，在去除了塑料保護(hù)涂層的這段光纖上再涂敷上塑料保護(hù)涂層。(3)在離已寫入的長(zhǎng)周期光纖光柵約20cm處的光纖上，去除一段塑料保護(hù)涂層，并用相同的激光器和長(zhǎng)周期光纖光柵掩模板照射該段裸光纖，寫入長(zhǎng)度約3cm的另一個(gè)長(zhǎng)周期光纖光柵，在去除了塑料保護(hù)涂層的這段光纖上再涂敷上塑料保護(hù)涂層。這兩個(gè)長(zhǎng)周期光纖光柵的耦合中心波長(zhǎng)為1540nm，中心波長(zhǎng)處的耦合效率約3.5dB。(4)在兩個(gè)長(zhǎng)周期光纖光柵之間，去除一段長(zhǎng)約10cm的光纖塑料保護(hù)涂層，以裸露出光纖包層。(5)清潔兩個(gè)長(zhǎng)周期光纖光柵之間的去除了塑料保護(hù)涂層的光纖包層，并將這段去除了塑料保護(hù)涂層的光纖浸入濃度為100μg/ml純化羊抗人IgG抗體的溶液中，浸入時(shí)間約1小時(shí)，在光纖包層上形成約20nm厚的羊抗人IgG抗體膜層。(6)將制作了長(zhǎng)周期光纖光柵、光纖包層、純化羊抗人IgG抗體敏感膜的這段光纖用固化膠粘貼在有孔的保護(hù)套內(nèi)壁，在保護(hù)套兩端部分別裝上過渡緩沖套以避免光纖的折斷，再用膠封裝好兩端部即可制作完畢。該保護(hù)套能夠滲透被測(cè)的人IgG(即抗原)溶液，同時(shí)能使人IgG蛋白質(zhì)分子與傳感器光纖包層上的純化羊抗人IgG抗體敏感膜接觸。該保護(hù)套也可不用，而直接將傳感器的傳感段光纖與人IgG溶液接觸，也能實(shí)現(xiàn)檢測(cè)。
傳感系統(tǒng)的構(gòu)成如圖2所示。中心波長(zhǎng)1540nm、帶寬約40nm的寬帶光源A耦合到光纖B1，并經(jīng)光纖B1與本化學(xué)與生物傳感器C連接。傳感器C的另一個(gè)光纖引出端通過光纖B2與光纖光譜儀D連接，光纖光譜儀D通過數(shù)據(jù)接口GPIB與計(jì)算機(jī)E相連，本傳感器C置于被測(cè)的人IgG溶液中。在傳感器中，長(zhǎng)周期光纖光柵LPFG1將波長(zhǎng)1540nm附近的一部分光耦合到光纖包層中去，另一部分光在光纖芯中傳輸并不受外界人IgG蛋白質(zhì)分子的影響。光纖包層光在光纖包層與羊抗人IgG抗體敏感膜的界面處產(chǎn)生全反射和倏逝波，并作用于敏感膜層。當(dāng)光纖包層和光纖芯的光到達(dá)下一個(gè)長(zhǎng)周期光纖光柵時(shí)，兩束光的一部分光將在光纖芯中合束并產(chǎn)生干涉信號(hào)光。光纖光譜儀D獲取干涉信號(hào)光的譜分布數(shù)據(jù)，并將其送到計(jì)算機(jī)。計(jì)算機(jī)計(jì)算干涉信號(hào)光譜數(shù)據(jù)，得到并顯示出溶液中人IgG蛋白質(zhì)的濃度。計(jì)算機(jī)獲取的干涉信號(hào)光譜數(shù)據(jù)如圖3所示。其測(cè)量和計(jì)算過程是先標(biāo)定本傳感器對(duì)人IgG蛋白質(zhì)濃度的敏感系數(shù)，然后測(cè)試人IgG蛋白質(zhì)的濃度。測(cè)試時(shí)，本傳感器放在被測(cè)人IgG蛋白質(zhì)的溶液中，傳感系統(tǒng)中的計(jì)算機(jī)獲取干涉信號(hào)光譜數(shù)據(jù)，并根據(jù)標(biāo)定的敏感系數(shù)計(jì)算得到被測(cè)人IgG蛋白質(zhì)溶液的濃度，從而實(shí)現(xiàn)人IgG的傳感。
在本實(shí)施例中，光纖光譜儀的波長(zhǎng)分辨率為1pm，最小幅值測(cè)量值為-65dBm，干涉信號(hào)光譜條紋的間距為3.08nm，用附加相位計(jì)算法測(cè)量人IgG溶液濃度的分辨率小于2μg/ml。
權(quán)利要求
1.光纖微結(jié)構(gòu)MZ干涉式倏逝波化學(xué)與生物傳感器，其特征在于它在一根光纖上相距一定距離有兩個(gè)長(zhǎng)周期光纖光柵，這兩個(gè)長(zhǎng)周期光纖光柵有相近的耦合波長(zhǎng)、帶寬和耦合效率；在這兩個(gè)長(zhǎng)周期光纖光柵之間的這段光纖有光纖芯和光纖芯之外的光纖包層，這兩個(gè)長(zhǎng)周期光纖光柵及其間的光纖包層和光纖芯構(gòu)成一個(gè)MZ干涉儀；在這兩個(gè)長(zhǎng)周期光纖光柵之間的整段或部分段光纖的光纖包層表面有一層對(duì)被測(cè)化學(xué)成分或生物分子具有選擇性的吸收或敏感膜層，該吸收或敏感膜層的折射率小于光纖包層的折射率。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光纖微結(jié)構(gòu)MZ干涉式倏逝波傳感器，其特征在于兩個(gè)長(zhǎng)周期光纖光柵之間的距離約3-70cm；長(zhǎng)周期光纖光柵諧振中心波長(zhǎng)處的耦合效率為2-10dB；對(duì)化學(xué)成分或生物分子具有選擇性的吸收或敏感膜層的厚度大于3nm，該吸收或敏感膜的總長(zhǎng)度約3-70cm。
3.根據(jù)權(quán)利要求1、2所述的光纖微結(jié)構(gòu)MZ干涉式倏逝波傳感器，其特征在于在上述制作了兩個(gè)長(zhǎng)周期光纖光柵、光纖包層、化學(xué)與生物分子吸收或敏感膜層的這段光纖之外有一保護(hù)套，保護(hù)套上有小孔，保護(hù)套的兩端通過固化膠與該傳感器光纖粘貼在一起，在保護(hù)套的兩端部還有過渡緩沖套。
4.由權(quán)利要求1或2所述的傳感器形成的傳感系統(tǒng)，其特征在于它包括寬帶光源、光纖、光纖微結(jié)構(gòu)MZ干涉式倏逝波化學(xué)與生物傳感器、光纖光譜儀和計(jì)算機(jī)。其中，寬帶光源和光纖光譜儀分別通過光纖連接到光纖微結(jié)構(gòu)MZ干涉式倏逝波化學(xué)與生物傳感器的輸入端和輸出端，光纖微結(jié)構(gòu)MZ干涉式倏逝波化學(xué)與生物傳感器置于被測(cè)氣體、化學(xué)成分或生物分子溶液中，光纖光譜儀通過數(shù)據(jù)接口連接到計(jì)算機(jī)。
全文摘要
本發(fā)明公開一種光纖微結(jié)構(gòu)MZ干涉式倏逝波化學(xué)與生物傳感器及系統(tǒng)，傳感器是由一根光纖上的兩個(gè)長(zhǎng)周期光纖光柵、光纖芯和光纖包層形成一個(gè)MZ干涉儀，在光纖包層表面有一層對(duì)化學(xué)或生物分子敏感的吸收或敏感膜層，構(gòu)成一個(gè)光纖MZ干涉儀結(jié)構(gòu)的倏逝波傳感器。該傳感器將MZ干涉儀所需的功能器件和光路、化學(xué)或生物分子敏感膜層都集成在一段光纖上，整個(gè)傳感器完全光纖化，微型化，體積小。傳感系統(tǒng)是由寬帶光源、光纖、光纖微結(jié)構(gòu)MZ干涉式倏逝波化學(xué)與生物傳感器、光纖光譜儀和計(jì)算機(jī)組成。該系統(tǒng)可基于光纖鏈路實(shí)現(xiàn)遙測(cè)，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，調(diào)試方便，不受雜散光的影響，測(cè)試結(jié)果穩(wěn)定可靠。
文檔編號(hào)G01N21/17GK1712929SQ200510057149
公開日2005年12月28日 申請(qǐng)日期2005年7月1日 優(yōu)先權(quán)日2005年7月1日
發(fā)明者曾祥楷 申請(qǐng)人:重慶工學(xué)院