正交偏振光纖生物折射率傳感器及其檢測(cè)方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了正交偏振光纖生物折射率傳感器及其檢測(cè)方法，包括通過光纖依次連接的寬帶光源、起偏器、偏振控制器、傳感器探頭和正交偏振解調(diào)處理單元；傳感器探頭包括用于微量生物溶液注入和排出控制的微流控芯片，及置于微流控芯片的微流通道內(nèi)的傾斜光纖光柵；正交偏振解調(diào)處理單元包括光纖偏振分束器、第一光譜探測(cè)器、第二光譜探測(cè)器及光譜差分模塊；傳感器探頭通過光纖偏振分束器分別與第一光譜探測(cè)器和第二光譜探測(cè)器的輸入端連接，所述第一光譜探測(cè)器和第二光譜探測(cè)器的輸出端與光譜差分模塊連接。本發(fā)明的折射率傳感器具有折射率測(cè)量精度高和能夠?qū)崿F(xiàn)環(huán)境溫度同時(shí)測(cè)量的優(yōu)點(diǎn)。
【專利說明】正交偏振光纖生物折射率傳感器及其檢測(cè)方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及光纖折射率傳感器，特別涉及一種正交偏振光纖生物折射率傳感器及 其檢測(cè)方法。
【背景技術(shù)】
[0002]隨著人類對(duì)生命本質(zhì)、生命過程、生命體與其生存環(huán)境信息交流認(rèn)識(shí)的不斷深入， 生物信息學(xué)得到了迅速發(fā)展。生物信息獲取的重要手段依賴于作為信息科學(xué)三大技術(shù)之一 的傳感技術(shù)，智能化和微型化是未來生物傳感器發(fā)展的方向。在不增加陣列規(guī)模、甚至單個(gè) 傳感探頭的情況下，顯著提高對(duì)復(fù)雜體系中生物信息的獲取量，以期更加準(zhǔn)確、真實(shí)的反映 生命體特征，實(shí)現(xiàn)對(duì)微量生物試劑的單細(xì)胞、單分子層面上的高靈敏度檢測(cè)與分析。
[0003]光纖傳感技術(shù)以光纖為物理媒質(zhì)，以光波為信息載體，具有結(jié)構(gòu)小巧、靈敏度高、 抗電磁干擾、絕緣性好、耐腐蝕、本質(zhì)安全以及便于多點(diǎn)組網(wǎng)和遠(yuǎn)距離遙測(cè)等優(yōu)點(diǎn)，非常適 合于應(yīng)用在一些傳統(tǒng)傳感器受到限制的領(lǐng)域，成為近十年來發(fā)展最為迅速的生物傳感技術(shù) 之一。
[0004]經(jīng)過近30年的發(fā)展，光纖生物傳感技術(shù)取得了較快的發(fā)展。光纖生物傳感技術(shù)的 最主要方式是對(duì)光纖周圍待測(cè)生物介質(zhì)(溶液、組織、細(xì)胞、蛋白質(zhì)、DNA等)的折射率測(cè)量。 由于生物微顆?；铙w作用引起的折射率變化量非常小(小于10-4RIU，RIU折射率單位)，因 此要求光纖傳感探針具有極高的折射率響應(yīng)靈敏度。此外，生物檢測(cè)過程中，環(huán)境溫度對(duì)測(cè) 量結(jié)果影響極大，僅I?2度的溫度變化就可淹沒生物活體作用引起的有用信號(hào)。因此，高 靈敏度的生物傳感器必須同時(shí)具有對(duì)整個(gè)測(cè)量過程中環(huán)境溫度實(shí)時(shí)監(jiān)控的能力，從而消除 溫變干擾。綜上所述，光纖生物傳感探針要求同時(shí)具備對(duì)待測(cè)生物樣品的高靈敏度折射率 測(cè)量和溫變自校準(zhǔn)兩個(gè)功能。
[0005]在光纖生物傳感研究的相關(guān)報(bào)道中，傾斜光纖光柵成為近些年的研究熱點(diǎn)。傾斜 光纖光柵由于柵格相對(duì)于光纖軸向相對(duì)傾角的引入，從而可沿著光纖入射光的反向在光纖 包層內(nèi)產(chǎn)生大量的包層模式。這些包層模對(duì)光纖周圍的折射率變化極為敏感，其特點(diǎn)是，越 是高階包層模越對(duì)低折射率敏感。與此同時(shí)，由于光纖纖芯模對(duì)周圍環(huán)境折射率不敏感，可 同時(shí)監(jiān)測(cè)環(huán)境溫度變化。因此，傾斜光纖光柵是實(shí)現(xiàn)折射率和溫度同時(shí)檢測(cè)的重要手段。
[0006]在此領(lǐng)域，加拿大卡爾頓大學(xué)提出了基于光纖表面鍍金膜激發(fā)表面等離子體共振 波(SPR)，實(shí)現(xiàn)生物樣品高靈敏度檢測(cè)的方法。此后比利時(shí)科學(xué)家也在此領(lǐng)域發(fā)表相關(guān)成 果。此方法成功的將高靈敏度表面等離子體共振技術(shù)由傳統(tǒng)三角棱鏡(大體積)轉(zhuǎn)移至百微 米量級(jí)的光纖探針(小體積)，實(shí)現(xiàn)了傳感探頭的小型化。但此方法探頭制作工藝較為復(fù)雜， 需要高精度離子濺射鍍膜機(jī)實(shí)現(xiàn)光纖表面納米量級(jí)金鍍膜，增加了設(shè)備制作成本。與此同 時(shí)，基于表面等離子體共振的光纖傳感系統(tǒng)僅能得到單一偏振態(tài)下(平行于光柵寫制方向) 的SPR激發(fā)，而在另一個(gè)與之正交的偏振態(tài)無法實(shí)現(xiàn)SPR激發(fā)，因此不能同時(shí)利用兩組相互 正交的偏振態(tài)能量信息，測(cè)量精度不夠。
【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)的缺點(diǎn)與不足，提供一種折射率測(cè)量精度高的正交偏振光纖生物折射率傳感器，該傳感器能夠同時(shí)得到兩組相互正交的偏振態(tài)能量光譜信
肩、O
[0008]本發(fā)明的另一目的是提供一種上述光纖生物折射率傳感器的檢測(cè)方法。
[0009]本發(fā)明的第一目的通過下述技術(shù)方案實(shí)現(xiàn):正交偏振光纖生物折射率傳感器，包括通過光纖依次連接的寬帶光源、起偏器、偏振控制器和傳感器探頭，還包括正交偏振解調(diào)處理單元；
[0010]所述傳感器探頭包括用于微量生物溶液注入和排出控制的微流控芯片，及置于微流控芯片的微流通道內(nèi)的傾斜光纖光柵；
[0011]所述正交偏振解調(diào)處理單元包括光纖偏振分束器、第一光譜探測(cè)器、第二光譜探測(cè)器及光譜差分模塊；所述傳感器探頭通過光纖偏振分束器分別與第一光譜探測(cè)器和第二光譜探測(cè)器的輸入端連接，所述第一光譜探測(cè)器和第二光譜探測(cè)器的輸出端分別與光譜差分模塊連接。
[0012]優(yōu)選的，所述寬帶光源輸出光譜為1500至1620nm，所述寬帶光源輸出光譜的范圍與傾斜光纖光柵光譜匹配。
[0013]優(yōu)選的，所述傾斜光纖光柵的傾角大于10度，軸向?yàn)殚L(zhǎng)度小于10mm。
[0014]優(yōu)選的，所述微流控芯片的微流通道長(zhǎng)為20mm，寬度和高度為150至1000 u m。
[0015]優(yōu)選的，所述微流控芯片中包括多個(gè)微流通道。
[0016]本發(fā)明的第二目的通過下述技術(shù)方案實(shí)現(xiàn):正交偏振光纖生物折射率傳感器的檢測(cè)方法，包括以下步驟:
[0017](I)傳感器探頭微流控芯片的微流通道內(nèi)注入生物溶液，傾斜光纖光柵感測(cè)生物溶液；
[0018](2)寬帶光源輸出入射光，入射光經(jīng)過起偏器后轉(zhuǎn)變成偏振光，偏振控制器將偏振光的偏振方向調(diào)節(jié)成與傾斜光纖光柵側(cè)向?qū)懭敕较蛞恢拢?br> [0019](3)與傾斜光纖光柵側(cè)向?qū)懭敕较蛞恢碌钠窆廨斎氲秸诟袦y(cè)生物溶液的傾斜光纖光柵，偏振光經(jīng)過傾斜光纖光柵后，形成具有兩個(gè)相互正交偏振態(tài)的透射偏振光，然后輸入到光纖偏振分束器；
[0020](4)光纖偏振分束器將接收到的透射偏振光的兩個(gè)正交偏振態(tài)分離開；
[0021](5)正交偏振解調(diào)處理單元中的第一光譜探測(cè)器、第二光譜探測(cè)器分別探測(cè)偏振光的兩個(gè)偏振態(tài)的透射譜信息，然后通過光譜差分模塊對(duì)兩個(gè)偏振態(tài)的透射譜信息進(jìn)行光譜差分，得到兩個(gè)正交偏振態(tài)的差分譜，通過差分譜的最高階包層模和纖芯模分別得出生物溶液的折射率和溫度變化信息。
[0022]優(yōu)選的，所述步驟(I)中生物溶液注入到微流控芯片微流通道內(nèi)的流速通過微流泵控制。
[0023]優(yōu)選的，所述偏振光兩個(gè)正交的偏振態(tài)指的P偏振態(tài)和S偏振態(tài)；所述P偏振態(tài)指的是平行于光柵寫入方向的偏振光分量，S偏振態(tài)指的是垂直于光柵寫入方向的偏振光分量。
[0024]優(yōu)選的，所述步驟(5)中兩個(gè)正交偏振態(tài)的差分譜中包括折射率和溫度信息；所述折射率信息為兩個(gè)正交的偏振態(tài)的差分譜的最高階包層模的強(qiáng)度變化信息；溫度信息為 兩個(gè)正交的偏振態(tài)的差分譜的纖芯模波長(zhǎng)變化信息。
[0025]優(yōu)選的，所述步驟(2)中入射偏振光平行或垂直于傾斜光纖光柵寫入方向的偏振 方向根據(jù)傾斜光纖光柵透射譜的包層模峰值譜形來判斷；當(dāng)無偏振光注入傾斜光纖光柵 時(shí)，其透射譜每個(gè)包層模譜形呈現(xiàn)為兩個(gè)鈍化的峰值，當(dāng)偏振光注入，傾斜光柵透射譜的每 個(gè)包層模譜形則呈現(xiàn)為單一峰值光譜；通過調(diào)節(jié)入射偏振光平行或垂直于光纖光柵寫入的 方向，將傾斜光纖光柵包層模透射譜從一側(cè)單峰極值調(diào)制為另一位置的單峰極值，當(dāng)包層 模透射譜從一側(cè)單峰極值調(diào)制為另一位置的單峰極值，偏振方向調(diào)制完成。
[0026]本發(fā)明相對(duì)于現(xiàn)有技術(shù)具有如下的優(yōu)點(diǎn)及效果:
[0027](I)本發(fā)明正交偏振光纖生物折射率傳感器以傾斜光纖光柵作為傳感單元，然后 將傾斜光纖光柵輸出的兩個(gè)相互正交的偏振態(tài)分離開來，以得到兩個(gè)相互正交偏振態(tài)的差 分譜圖，通過兩個(gè)相互正交偏振態(tài)差分譜的最高階包層模和纖芯模分析得到出生物溶液的 折射率和溫度信息。由于本發(fā)明同時(shí)利用了兩個(gè)正交偏振態(tài)的透射譜信息，因此能夠精確 測(cè)量出生物溶液的折射率，具有折射率測(cè)量精度高的優(yōu)點(diǎn)。而且本發(fā)明折射率傳感器的傾 斜光纖光柵在纖芯模位置差分譜光強(qiáng)趨于零，能夠較好消除環(huán)境溫度變化的影響，得到單 一的生物溶液折射率信息。另外本發(fā)明光纖生物折射率傳感器的組成結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，采用全光 纖結(jié)構(gòu)，具有集成度高、穩(wěn)定性好和制作成本低的優(yōu)點(diǎn)。
[0028]( 2 )本發(fā)明正交偏振光纖生物折射率傳感器可以實(shí)現(xiàn)折射率和溫度信息的同時(shí)測(cè) 量，即通過傾斜光纖光柵傳輸于光纖包層的高階包層模實(shí)現(xiàn)折射率測(cè)量，同時(shí)通過傳輸于 光纖纖芯的纖芯模實(shí)現(xiàn)溫度測(cè)量，由于纖芯模對(duì)環(huán)境折射率不敏感，因此本發(fā)明的折射率 傳感器可以消除折射率和溫度的交叉敏感問題。另外本發(fā)明經(jīng)過偏振控制器控制的偏振 光，使得傾斜光纖光柵輸出的透射偏振光的透射譜中的兩個(gè)正交偏振峰具有極高的消光比 (高于30dB)，因此能夠確保本發(fā)明傳感器在高Q值(品質(zhì)因數(shù))下具有高的靈敏度測(cè)量折射 率。
[0029](3)本發(fā)明正交偏振光纖生物折射率傳感器的傳感器探頭中融入了微流控芯片， 可實(shí)現(xiàn)微升量級(jí)的生物溶液檢測(cè)，并通過外置微流泵靈活控制樣品流速，微流通道為光纖 光柵探針提供了穩(wěn)定可重復(fù)的測(cè)量環(huán)境，當(dāng)在微流控芯片中設(shè)置多個(gè)微流通道時(shí)，可實(shí)現(xiàn) 單芯片多通道同時(shí)測(cè)量，進(jìn)一步提高了測(cè)量的效率及精度。
[0030](4)本發(fā)明正交偏振光纖生物折射率傳感器的正交偏振解調(diào)處理單元集光纖偏振 分束器、高靈敏度光譜探測(cè)器和光譜差分模塊于一體，采用歸一化的光強(qiáng)解調(diào)，即同時(shí)得到 兩個(gè)相互正交偏振態(tài)的透射光譜信息后，光譜差分模塊對(duì)其進(jìn)行歸一化處理，克服了光源 抖動(dòng)和光路損耗帶來的系統(tǒng)誤差，從而使得監(jiān)測(cè)到的結(jié)果更加穩(wěn)定可靠。
[0031](5)本發(fā)明正交偏振光纖生物折射率傳感器中所使用的傾斜光纖光柵的傾斜角度 大于10度，因此能夠激發(fā)數(shù)百個(gè)包層模，包層模間光譜程梳狀分立，其中的高階包層模有 效折射率低于1.33，在水溶液中具有極高的倏逝效率，可實(shí)現(xiàn)對(duì)生物樣品溶液的高靈敏度 測(cè)量。本發(fā)明所使用的傾斜光纖光柵軸向長(zhǎng)度小于10_，因此本發(fā)明傳感器的體積非常小， 非常適合嵌入式的檢測(cè)。
[0032](6)本發(fā)明正交偏振光纖生物折射率傳感器與傳統(tǒng)電類傳感器相比，由于其采用 了光纖技術(shù)，所以具有不受電磁干擾、耐腐蝕性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，并且無電火花等安全隱患?！緦＠綀D】

【附圖說明】
[0033]圖1是本發(fā)明光纖生物折射率傳感器的結(jié)構(gòu)框圖。
[0034]圖2是本發(fā)明光纖生物折射率傳感器的工作原理圖。
[0035]圖3a至3d是本發(fā)明光纖生物折射率傳感器傾斜光纖光柵輸出的透射譜圖。
[0036]圖4是本發(fā)明光纖生物折射率傳感器在檢測(cè)四種不同生物溶液時(shí)，分別得到的兩個(gè)正交偏振態(tài)的差分譜。
[0037]圖5是圖4中最高階包層模(截止前包層模)部分的差分譜放大圖。
[0038]圖6是本發(fā)明光纖生物折射率傳感器在檢測(cè)四種不同生物溶液時(shí)，得到的兩個(gè)正交偏振態(tài)差分光譜的實(shí)時(shí)波長(zhǎng)輸出圖。
[0039]圖7是本發(fā)明光纖生物折射率傳感器在檢測(cè)四種不同生物溶液時(shí)，得到的兩個(gè)正交偏振態(tài)差分光譜的光強(qiáng)響應(yīng)靈敏度及線性度。
【具體實(shí)施方式】
[0040]下面結(jié)合實(shí)施例及附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)的描述，但本發(fā)明的實(shí)施方式不限于此。
[0041]實(shí)施例
[0042]如圖1所示，本實(shí)施例公開了正交偏振光纖生物折射率傳感器，包括通過光纖4依次連接的寬帶光源1、起偏器2、偏振控制器3、傳感器探頭和正交偏振解調(diào)處理單元。
[0043]其中傳感器探頭包括用于微量生物溶液注入和排出控制的微流控芯片6，及置于微流控芯片6的微流通道內(nèi)的傾斜光纖光柵5 ;傾斜光纖光柵5兩端固定,光柵中間柵區(qū)部分感測(cè)生物溶液。本實(shí)施例的微流控芯片6包含有多個(gè)微流通道。
[0044]其中正交偏振解調(diào)處理單元包括光纖偏振分束器7、第一光譜探測(cè)器8、第二光譜探測(cè)器9及光譜差分模塊10 ;傳感器探頭通過光纖偏振分束器7分別與第一光譜探測(cè)器8、第二光譜探測(cè)器9連接，第一光譜探測(cè)器8和第二光譜探測(cè)器9的輸出端分別與光譜差分模塊10連接。
[0045]本實(shí)施例中采用的寬帶光源I輸出光譜為1500?1620nm，其輸出光譜的范圍與傾斜光纖光柵光譜匹配。傾斜光纖光柵的傾角大于10度，軸向?yàn)殚L(zhǎng)度小于10mm，能夠激發(fā)數(shù)百個(gè)包層模，包層模間光譜程梳狀分立，傾角大于10度的傾斜光纖光柵使得本實(shí)施例的高階包層模有效折射率低于1.33，能夠與待測(cè)生物溶液折射率匹配，進(jìn)而增強(qiáng)探測(cè)靈敏度。
[0046]本實(shí)施例的微流控芯片的微流通道長(zhǎng)為20mm，寬度和高度均為150?1000 y m。在本實(shí)施例中生物溶液通過微流控芯片的注入端進(jìn)入微流通道，光柵中間柵區(qū)部分充分感測(cè)生物溶液。通過微流控芯片的輸出端將微流通道中的生物溶液排出，生物溶液注入微流通道的流速可通過外部微流泵精確控制。
[0047]本實(shí)施例還公開了基于上述正交偏振光纖生物折射率傳感器的檢測(cè)方法，包括以下步驟:
[0048](I)傳感器探頭微流控芯片的微流通道內(nèi)注入生物溶液，傾斜光纖光柵感測(cè)生物溶液；其中生物溶液注入到微流控芯片微流通道內(nèi)的流速通過微流泵控制。
[0049](2)寬帶光源輸出入射光，入射光經(jīng)過起偏器后轉(zhuǎn)變成偏振光，偏振控制器將偏振光的偏振方向調(diào)節(jié)成與傾斜光纖光柵側(cè)向?qū)懭敕较蛞恢拢?br> [0050](3)與傾斜光纖光柵側(cè)向?qū)懭敕较蛞恢碌钠窆廨斎氲秸诟袦y(cè)生物溶液的傾斜 光纖光柵，偏振光經(jīng)過傾斜光纖光柵后，形成具有兩個(gè)相互正交偏振態(tài)的透射偏振光，然后 輸入到光纖偏振分束器7 ;其中偏振光兩個(gè)正交的偏振態(tài)指的P偏振態(tài)和S偏振態(tài)；P偏振 態(tài)指的是平行于光柵寫入方向的偏振光分量，S偏振態(tài)指的是垂直于光柵寫入方向的偏振 光分量。
[0051](4)光纖偏振分束器將接收到的透射偏振光的兩個(gè)正交偏振態(tài)分離開；
[0052](5)正交偏振解調(diào)處理單元中的第一光譜探測(cè)器、第二光譜探測(cè)器分別探測(cè)偏振 光的兩個(gè)偏振態(tài)的透射譜信息，然后通過光譜差分模塊對(duì)兩個(gè)偏振態(tài)的透射譜信息進(jìn)行光 譜差分，得到兩個(gè)正交偏振態(tài)的差分譜，通過差分譜的最高階包層模和纖芯模分別得出生 物溶液的折射率和溫度變化信息。其中兩個(gè)正交偏振態(tài)的差分譜中包括折射率和溫度信 息；折射率信息為兩個(gè)正交的偏振態(tài)的差分譜的最高階包層模的強(qiáng)度變化信息；溫度信息 為兩個(gè)正交的偏振態(tài)的差分譜的纖芯模波長(zhǎng)變化信息。
[0053]本實(shí)施例步驟(2)中入射偏振光平行或垂直于傾斜光纖光柵寫入方向的偏振方 向，可根據(jù)傾斜光纖光柵透射譜的包層模峰值譜形來判斷。當(dāng)無偏振光注入傾斜光纖光柵 時(shí)，其透射譜每個(gè)包層模譜形呈現(xiàn)為兩個(gè)鈍化的峰值，當(dāng)偏振光注入，傾斜光柵透射譜的每 個(gè)包層模譜形則呈現(xiàn)為單一峰值光譜。通過調(diào)節(jié)入射偏振光平行或垂直于光纖光柵寫入的 方向，實(shí)現(xiàn)將傾斜光纖光柵包層模透射譜從一側(cè)單峰極值調(diào)制為另一位置的單峰極值。在 本實(shí)施例中，當(dāng)包層模透射譜從一側(cè)單峰極值調(diào)制為另一位置的單峰極值，表明偏振方向 調(diào)制完成。
[0054]其中本實(shí)施例步驟(5)中光譜差分模塊兩個(gè)偏振態(tài)的透射譜信息進(jìn)行光譜差分過 程中，纖芯模位置差分譜光強(qiáng)趨于零，這樣能夠較好消除環(huán)境溫度變化的影響，得到單一的 生物溶液折射率信息。
[0055]如圖2所示，將偏振光經(jīng)過傾斜光纖光柵5后，形成具有兩個(gè)相互正交偏振態(tài)的透 射偏振光，透射偏振光輸入到光纖偏振分束器7，光纖偏振分束器7將接收到的透射偏振光 的兩個(gè)正交偏振態(tài)分離開來，得到如圖2所示的兩個(gè)偏振態(tài)；通過圖2可以看出，P偏振態(tài) 平行于光柵寫入方向的偏振光分量，S偏振態(tài)垂直于光柵寫入方向的偏振光分量。
[0056]如圖3a所不為在不同的偏振光(0?90度)下，圖2所不的傾斜光纖光柵輸出的 透射光譜圖，該光譜圖中包含泄漏模、截止模52、包層模和纖芯模53部分的光譜圖。其中 A段波長(zhǎng)部分表示的是泄漏模的光譜圖，B段波長(zhǎng)部分表示的是包層模的光譜圖，其中圖3b 是該傾斜光纖光柵泄漏模部分放大的光譜圖，圖3c是該傾斜光纖光柵包層模部分的放大 光譜圖，當(dāng)偏振態(tài)從0度調(diào)制到90度時(shí)(即兩個(gè)相互正交的偏振態(tài))，可以看出截止模式從 一個(gè)峰值過渡到另一個(gè)峰值，因此本實(shí)施例經(jīng)過偏振控制器控制的偏振光，使得傾斜光纖 光柵輸出的透射偏振光的透射譜中的兩個(gè)正交偏振峰具有極高的消光比(高于30dB)，確保 了本實(shí)施例傳感器在高Q值(品質(zhì)因數(shù))下具有高的靈敏度測(cè)量折射率。圖3d是該傾斜光 纖光柵纖芯模部分的放大光譜圖。
[0057]圖4是圖3為兩正交偏振態(tài)下(0度和90度)所對(duì)應(yīng)的測(cè)量生物溶液的光強(qiáng)差分 譜，當(dāng)生物溶液為生理鹽水、生物樣品S40、S50和S60時(shí)，通過本實(shí)施例傳感器和檢測(cè)方法 得到的兩個(gè)正交偏振態(tài)(P和S偏振態(tài))的差分譜變化如圖4所示。生物樣品S40、S50和S60指的是不同生理細(xì)胞密度的人類急性白血病細(xì)胞株溶液。其中生物溶液為生理鹽水時(shí)，得到兩個(gè)正交偏振態(tài)的差分譜變化如圖4中的點(diǎn)劃線所示，生物溶液為生物樣品S40時(shí)，得到兩個(gè)正交偏振態(tài)的差分譜變化如圖4中的點(diǎn)線所示，生物溶液為生物樣品S50時(shí)，得到兩個(gè)正交偏振態(tài)的差分譜變化如圖4中的虛線所示，生物溶液為生物樣品S60時(shí)，得到兩個(gè)正交偏振態(tài)的差分譜變化如圖4中的橫線所示。從該光譜圖中可以得出截止模11的差分譜部分和纖芯模12的差分譜部分。在本實(shí)施例中纖芯模12位置的差分譜光強(qiáng)大概為±0.2dB，其光強(qiáng)非常小，因此本實(shí)施例的檢測(cè)方法過程中受環(huán)境溫度變化的影響非常小。在折射率檢測(cè)過程中要保證穩(wěn)定的重要基礎(chǔ)，是環(huán)境溫度變化引入的干擾要去除，這一點(diǎn)可通過纖芯模12位置的微小差分光強(qiáng)得到保證。
[0058]圖5是圖4的局部放大圖，為最高階包層模(截止前包層模)部分的差分譜曲線圖。當(dāng)生物溶液為生理鹽水時(shí)，最高階包層模出現(xiàn)在波長(zhǎng)為1530.58nm時(shí)；當(dāng)生物溶液為生物樣品S40時(shí)，最高階包層模出現(xiàn)在波長(zhǎng)為1530.6Inm時(shí)；當(dāng)生物溶液為生物樣品S50時(shí)，最高階包層模出現(xiàn)在波長(zhǎng)為1530.62nm時(shí)；當(dāng)生物溶液為生物樣品S60時(shí)，最高階包層模出現(xiàn)在波長(zhǎng)為1530.64nm時(shí)；通過該差分譜曲線圖可以獲知生物溶液的最高階包層模的強(qiáng)度變化信息。
[0059]從圖4中可以得知，截止模11波長(zhǎng)左側(cè)曲線(泄露模部分)只有向下的幅度增長(zhǎng)，表明此部分沒有產(chǎn)生任何波長(zhǎng)漂移(每個(gè)泄露模波長(zhǎng)固定)，也就表明在不同生物溶液固有的不同折射率作用下，泄露模沒有任何波長(zhǎng)漂移，僅有微量的幅度變化，靈敏度不高。而與之不同的是，截止模11波長(zhǎng)右側(cè)曲線(包層模部分)表現(xiàn)為既有向下又有向上的幅度增長(zhǎng)，表明此部分每個(gè)模式在環(huán)境生物溶液折射率變化作用下引起了波長(zhǎng)漂移，每個(gè)包層模波長(zhǎng)從一側(cè)偏振極值過渡到另一偏振極值，這個(gè)微小的波長(zhǎng)漂移(由環(huán)境折射率引起的)，直觀看光譜漂移很難探測(cè)，但通過光強(qiáng)差分譜得到了充分的放大，因?yàn)槊總€(gè)包層模譜形具有很強(qiáng)的尖銳度(30dB深度)。因此通過最高階包層模的強(qiáng)度變化信息可以很方便且精確的檢測(cè)出生物溶液的折射率。其中本實(shí)施例中通過最高階包層模的強(qiáng)度變化信息得到的四種生物溶液所對(duì)應(yīng)的折射率分別為:生理鹽水:RI=1.33405，S40:RI=1.33422，S50:RI=1.33431，S60:RI=1.33438。
[0060]在檢測(cè)各中生物溶液時(shí)，通過本實(shí)施例檢測(cè)得到的兩個(gè)正交偏振態(tài)差分光譜的實(shí)時(shí)波長(zhǎng)輸出如圖6所示。其中S40、S50、S60和S分別指的是在生物溶液為生物樣品S40、S50、S60和生理鹽水時(shí)，檢測(cè)到的兩個(gè)正交偏振態(tài)差分光譜的實(shí)時(shí)波長(zhǎng)。由圖6可知，本實(shí)施例傳感器輸出的光譜波長(zhǎng)在檢測(cè)過程中發(fā)生了漂移，其中圓圈表示波長(zhǎng)的漂移量。
[0061]如圖7所示為本實(shí)施例光纖生物折射率傳感器在檢測(cè)四種不同生物溶液:生理鹽水S、生物樣品S40、S50和S60，得到的兩個(gè)正交偏振態(tài)差分光譜的光強(qiáng)響應(yīng)靈敏度及線性度。由該圖可知本實(shí)施例光纖生物折射率傳感器的響應(yīng)靈敏度達(dá)到了 -1.8X 104dB/RIU，其響應(yīng)線性度有99.64%。具有高響應(yīng)靈敏度和線性度的優(yōu)點(diǎn)。
[0062]上述實(shí)施例為本發(fā)明較佳的實(shí)施方式，但本發(fā)明的實(shí)施方式并不受上述實(shí)施例的限制，其他的任何未背離本發(fā)明的精神實(shí)質(zhì)與原理下所作的改變、修飾、替代、組合、簡(jiǎn)化，均應(yīng)為等效的置換方式，都包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。
【權(quán)利要求】
1.正交偏振光纖生物折射率傳感器，包括通過光纖依次連接的寬帶光源、起偏器、偏振控制器和傳感器探頭，其特征在于，還包括正交偏振解調(diào)處理單元；所述傳感器探頭包括用于微量生物溶液注入和排出控制的微流控芯片，及置于微流控芯片的微流通道內(nèi)的傾斜光纖光柵；所述正交偏振解調(diào)處理單元包括光纖偏振分束器、第一光譜探測(cè)器、第二光譜探測(cè)器及光譜差分模塊；所述傳感器探頭通過光纖偏振分束器分別與第一光譜探測(cè)器和第二光譜探測(cè)器的輸入端連接，所述第一光譜探測(cè)器和第二光譜探測(cè)器的輸出端分別與光譜差分模塊連接。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的正交偏振光纖生物折射率傳感器，其特征在于，所述寬帶光源輸出光譜為1500至1620nm,所述寬帶光源輸出光譜的范圍與傾斜光纖光柵光譜匹配。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的正交偏振光纖生物折射率傳感器，其特征在于，所述傾斜光纖光柵的傾角大于10度，軸向?yàn)殚L(zhǎng)度小于10mm。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的正交偏振光纖生物折射率傳感器，其特征在于，所述微流控芯片的微流通道長(zhǎng)為20mm，寬度和高度為150至1000 u m。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的正交偏振光纖生物折射率傳感器，其特征在于，所述微流控芯片中包括多個(gè)微流通道。
6.基于權(quán)利要求1至5中任一項(xiàng)所述的正交偏振光纖生物折射率傳感器的檢測(cè)方法， 其特征在于，包括以下步驟:(1)傳感器探頭微流控芯片的微流通道內(nèi)注入生物溶液，傾斜光纖光柵感測(cè)生物溶液；(2)寬帶光源輸出入射光,入射光經(jīng)過起偏 器后轉(zhuǎn)變成偏振光，偏振控制器將偏振光的偏振方向調(diào)節(jié)成與傾斜光纖光柵側(cè)向?qū)懭敕较蛞恢拢?3)與傾斜光纖光柵側(cè)向?qū)懭敕较蛞恢碌钠窆廨斎氲秸诟袦y(cè)生物溶液的傾斜光纖光柵，偏振光經(jīng)過傾斜光纖光柵后，形成具有兩個(gè)相互正交偏振態(tài)的透射偏振光，然后輸入到光纖偏振分束器；(4)光纖偏振分束器將接收到的透射偏振光的兩個(gè)正交偏振態(tài)分尚開；(5)正交偏振解調(diào)處理單元中的第一光譜探測(cè)器、第二光譜探測(cè)器分別探測(cè)偏振光的兩個(gè)偏振態(tài)的透射譜信息，然后通過光譜差分模塊對(duì)兩個(gè)偏振態(tài)的透射譜信息進(jìn)行光譜差分，得到兩個(gè)正交偏振態(tài)的差分譜，通過差分譜的最高階包層模和纖芯模分別得出生物溶液的折射率和溫度變化信息。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的正交偏振光纖生物折射率傳感器的檢測(cè)方法，其特征在于， 所述步驟(1)中生物溶液注入到微流控芯片微流通道內(nèi)的流速通過微流泵控制。
8.根據(jù)權(quán)利要求6所述的正交偏振光纖生物折射率傳感器的檢測(cè)方法，其特征在于， 所述偏振光兩個(gè)正交的偏振態(tài)指的P偏振態(tài)和S偏振態(tài)；所述P偏振態(tài)指的是平行于光柵寫入方向的偏振光分量，S偏振態(tài)指的是垂直于光柵寫入方向的偏振光分量。
9.根據(jù)權(quán)利要求6所述的正交偏振光纖生物折射率傳感器的檢測(cè)方法，其特征在于， 所述步驟(5)中兩個(gè)正交偏振態(tài)的差分譜中包括折射率和溫度信息；所述折射率信息為兩個(gè)正交的偏振態(tài)的差分譜的最高階包層模的強(qiáng)度變化信息；溫度信息為兩個(gè)正交的偏振態(tài)的差分譜的纖芯模波長(zhǎng)變化信息。
10.根據(jù)權(quán)利要求6所述的正交偏振光纖生物折射率傳感器的檢測(cè)方法，其特征在于，所述步驟(2)中入射偏振光平行或垂直于傾斜光纖光柵寫入方向的偏振方向根據(jù)傾斜光纖光柵透射譜的包層模峰值譜形來判斷；當(dāng)無偏振光注入傾斜光纖光柵時(shí)，其透射譜每個(gè)包層模譜形呈現(xiàn)為兩個(gè)鈍化的峰值，當(dāng)偏振光注入，傾斜光柵透射譜的每個(gè)包層模譜形則呈現(xiàn)為單一峰值光譜；通過調(diào)節(jié)入射偏振光平行或垂直于光纖光柵寫入的方向，將傾斜光纖光柵包層模透射譜從一側(cè)單峰極值調(diào)制為另一位置的單峰極值，當(dāng)包層模透射譜從一側(cè)單峰極值調(diào)制為另一位置的 單峰極值，偏振方向調(diào)制完成。
【文檔編號(hào)】G01N21/41GK103604777SQ201310638328
【公開日】2014年2月26日 申請(qǐng)日期:2013年12月2日 優(yōu)先權(quán)日:2013年12月2日
【發(fā)明者】郭團(tuán), 關(guān)柏鷗, 劉譽(yù), 劉甫 申請(qǐng)人:暨南大學(xué)