專利名稱：光纖微Michelson干涉倏逝波化學(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Michelson干涉倏逝波化學(xué)與生物傳感器及其系統(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)，該種傳感器是將對化學(xué)成分或生物分子具有識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，對樣品中的待測物質(zhì)進(jìn)行選擇性的識別，再轉(zhuǎn)換成各種光信息，如紫外、可見及紅外光的吸收、反射、熒光、磷光、化學(xué)發(fā)光和生物發(fā)光、拉曼散射、光聲和表面等離子體共振等信號輸出，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物質(zhì)直接影響光纖的波導(dǎo)性質(zhì)如張力、折射率等的變化來進(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是(1)具有很高的傳輸信息容量，可以同時反映出多元成分的多維信息，達(dá)到復(fù)雜混合物中特定分析對象的監(jiān)測。對電傳感器和聲傳感器而言，這是望塵莫及的。(2)傳感器的光纖探頭直徑可以小到與其傳播的光波波長屬同一數(shù)量級(納米至微米級)，這樣微小的傳感頭便于分析裝置的微型化，傳感器輕巧、價廉、耐用。(3)傳感信號是光信號，光纖與化學(xué)成分或生物樣品之間無直接的電接觸，不影響生物自身的電性質(zhì)，比較安全，可直接插入活體組織、血管、細(xì)胞等中進(jìn)行檢測，尤其適于生物或人體活體或體內(nèi)實時連續(xù)分析檢測。(4)無電磁干擾，噪聲低，電絕緣，可用于易燃易爆場合。(5)光纖的化學(xué)和熱穩(wěn)定性好，可適于大部分化學(xué)和生物環(huán)境；同時，光纖無毒，工作時不產(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)，避免了使用外參比和液接電位帶來的麻煩，并使測定信號更加穩(wěn)定可靠。(7)光纖具有僅次于超導(dǎo)材料的、低能量損耗的遠(yuǎn)距離傳輸能力，可實現(xiàn)遠(yuǎn)距離遙測。
根據(jù)光纖在光傳感中的作用，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化學(xué)或生物分子敏感膜層，光纖僅僅作為傳輸介質(zhì)，光纖中的光到達(dá)端面后與敏感膜層中的化學(xué)或生物分子作用，化學(xué)或生物分子吸收部分光能或吸收光能后發(fā)射熒光。通過檢測吸收光強或發(fā)射的熒光強度來獲取化學(xué)或生物分子的信息。第二類是，將包層腐蝕掉留下一小段纖芯，在被腐蝕后的纖芯上固化化學(xué)或生物敏感膜層，纖芯中的光傳輸?shù)絺鞲蓄^時產(chǎn)生全反射，進(jìn)而產(chǎn)生倏逝波。倏逝波穿過纖芯到達(dá)敏感膜層，被化學(xué)成分或生物分子吸收或產(chǎn)生熒光，通過測量光的吸收或熒光強度來測試化學(xué)或生物信息。在腐蝕了光纖包層后的纖芯倏逝波基礎(chǔ)上，再鍍一層金屬膜，可形成光纖等離子體共振化學(xué)與生物傳感器。
與本申請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理論。即當(dāng)一束光以適當(dāng)角度進(jìn)入光纖時，它會以全反射方式在光纖芯中傳播，產(chǎn)生一種橫貫光纖芯的波，在光纖芯與其它介質(zhì)的交界處傳出光纖芯并最終返回纖芯。這種波的強度隨離開纖芯界面的傳播距離快速衰減，稱之為倏逝波。倏逝波光纖生物傳感器就是將纖芯較大的多模光纖包層研磨或腐蝕掉，使一小段纖芯露出，再在露出的光纖芯表面固化上一層生物敏感膜(光纖探針)；被分析生物分子溶液中有熒光染料，利用倏逝波性質(zhì)，倏逝波穿過敏感膜時，將激發(fā)熒光染了產(chǎn)生熒光信號或?qū)е聫馁渴挪ǚ祷氐焦饫w芯內(nèi)光的強度、相位、頻率發(fā)生改變。測量這些變化，即可獲得生物敏感膜上生物分子的信息，實現(xiàn)生物傳感。
由于穿透到待測生物分子的倏逝波場深度只有波長量級(亞微米量級)，所以光纖倏逝波生物傳感器只能探測到結(jié)合于倏逝波場范圍內(nèi)的熒光染料發(fā)出的熒光，而溶液中游離的熒光染料對測量結(jié)果無貢獻(xiàn)。因此，與其它生物檢測手段相比，光纖倏逝波生物傳感器具有如下優(yōu)點(1)靈敏度高，生物特異性強，不受纖芯表面倏逝波場以外的生物分子的干擾；(2)操作簡單，測量速度快，時間短，可以無需將光纖從被測溶液中取出和清洗；(3)可以對生物反應(yīng)的動態(tài)過程進(jìn)行現(xiàn)場檢測，倏逝波與敏感物質(zhì)反應(yīng)過程中或完成后均可進(jìn)行熒光檢測；(4)整機可小型化，相對其它生物傳感系統(tǒng)來說，基于倏逝波的生物傳感系統(tǒng)可以做得很小；(5)適合微區(qū)和表面分析，及生物分子相互作用或反應(yīng)過程的在線連續(xù)測試，也可進(jìn)行分子結(jié)構(gòu)分析。
目前，國內(nèi)研究與光纖倏逝波相關(guān)的生物傳感器的單位有中科院上海光學(xué)精密機械研究所。它與軍事醫(yī)學(xué)科學(xué)院合作研制了光纖倏逝波生物傳感系統(tǒng)，申請了國家專利。該專利所設(shè)計的光纖傳感頭是在直徑約1mm的光纖一端，通過化學(xué)腐蝕方法去除包層，留下纖芯，在纖芯的表面固化生物分子選擇性識別物質(zhì)，光纖傳感頭約30～50cm長。其實現(xiàn)系統(tǒng)是將光源的光通過透鏡系統(tǒng)和一個半透半反鏡耦合進(jìn)光纖中，光經(jīng)過幾厘米的光程后到達(dá)光纖傳感頭敏感部分。光在傳感頭的纖芯與生物分子敏感物質(zhì)的交界面處發(fā)生全反射。由于光全反射的倏逝波效應(yīng)，光將透過界面進(jìn)入生物分子敏感物質(zhì)層，激發(fā)熒光染料產(chǎn)生波長較長能量較低的熒光。熒光又進(jìn)入纖芯，部分熒光回到入射端，另有部分熒光經(jīng)端面的反射鏡也反射回入射端。反射回的熒光經(jīng)過半透半反鏡和聚焦系統(tǒng)進(jìn)入光電倍增管，光電倍增管的信號經(jīng)放大、整形處理和數(shù)字轉(zhuǎn)換后進(jìn)入計算機系統(tǒng)，得到熒光強度值。生物分子濃度與被激發(fā)的熒光強度成正相關(guān)關(guān)系，即生物分子越多，被激發(fā)的熒光強度就越大。這種關(guān)系一般是非線性關(guān)系，通過實驗數(shù)據(jù)線性化處理而確定。根據(jù)得到的經(jīng)驗公式或標(biāo)定的數(shù)據(jù)對熒光數(shù)據(jù)進(jìn)行分析計算，從而得到生物分子的信息。
目前，光纖倏逝波化學(xué)與生物傳感器還存在很多的缺點和不足，主要有(1)傳感頭的制作比較繁瑣且很困難光纖傳感頭需要通過化學(xué)腐蝕或機械磨蝕方法去除包層，包層的去除位置或尺寸難于精確控制；另外，化學(xué)腐蝕或機械磨蝕包層后，難以得到平滑的纖芯光學(xué)表面，會出現(xiàn)粗糙的交界面，從而影響光在交界面處的全反射特性或其它光學(xué)性能。(2)測量精度較低由于采用的是單光路強度測量方法，光源、光路和電路系統(tǒng)的波動和干擾對傳感系統(tǒng)的影響很大，如驅(qū)動電路的不穩(wěn)定、光源的老化或飄移、光纖的彎曲、光路環(huán)境的波動變化、探測系統(tǒng)的漂移和不穩(wěn)定都會降低測量數(shù)據(jù)的可靠性和準(zhǔn)確性。這種影響在現(xiàn)有的單光路強度檢測系統(tǒng)中是難于消除和不可避免的，影響了分析精度和可靠性。同時，單純的強度測量方法所能到達(dá)的分辨率也是非常低的，難于實現(xiàn)更高精度的生物分子測量和分析。(3)雜散光或其它干擾的影響大光纖芯外的雜光也可以激發(fā)熒光，該熒光也可以進(jìn)入光纖芯和探測器。當(dāng)外界雜散光變化時，必然使探測器得到的熒光信號發(fā)生變化，從而影響探測精度。(4)數(shù)據(jù)沒有容錯能力現(xiàn)有方法可獲得的熒光信息主要有強度和時間，并且是簡單的數(shù)據(jù)，沒有冗余信息，數(shù)據(jù)信息量少。分析結(jié)果僅僅取決于所獲取的單一數(shù)據(jù)。當(dāng)采集的一個或一組數(shù)據(jù)出現(xiàn)較大的干擾和差錯時，會嚴(yán)重影響測試或分析結(jié)果的準(zhǔn)確性。因此該方法沒有容錯能力。(5)無遙測能力該方法及其系統(tǒng)所用光纖是外徑1mm的多模光纖，其模式損耗很大，光纖外徑較大，不能彎曲，沒有用光纖作為傳輸介質(zhì)，難于遠(yuǎn)距離傳輸光信號，僅僅是利用了一小段(約幾十厘米)的光纖作為傳感頭，難于充分利用光纖的優(yōu)越性。(6)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)。光源采用分離光學(xué)元件和常規(guī)的半透半反鏡耦合到光纖，結(jié)構(gòu)復(fù)雜而龐大，對準(zhǔn)調(diào)試非常困難，受外界振動干擾的影響很大。另外，探測器采用強度敏感的光電倍增管。該探測系統(tǒng)需要高壓分壓系統(tǒng)和冷卻系統(tǒng)，信號的溫度漂移較大；對雜散光的變化非常敏感，需要光屏蔽系統(tǒng)；同時對信號處理系統(tǒng)的穩(wěn)定性和抗干擾的能力要求很高。達(dá)到這種要求的光電探測和處理系統(tǒng)結(jié)構(gòu)很復(fù)雜，而且很龐大。
這些不足和缺陷有待新的技術(shù)和方法加以克服或改進(jìn)，使這一好的化學(xué)與生物傳感技術(shù)得以更好地推廣應(yīng)用。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的就在于針對現(xiàn)有技術(shù)存在的上述不足，提供一種光纖微Michelson(邁克爾遜)干涉倏逝波化學(xué)與生物傳感器及其系統(tǒng)，將Michelson干涉儀需要的所有器件、光路、化學(xué)成分或生物分子敏感膜層都集成在一段外徑約125μm的光纖上，使整個傳感器完全光纖化，提高檢測精度和靈敏度，制作簡單，體積??；傳感系統(tǒng)可基于光纖鏈路實現(xiàn)遙測，結(jié)構(gòu)簡單，不受雜散光的影響，測試結(jié)果穩(wěn)定可靠。
為實現(xiàn)本發(fā)明目的，采用了以下技術(shù)方案本光纖微Michelson干涉倏逝波化學(xué)與生物傳感器是，在一根光纖上寫有一個長周期光纖光柵，作為耦合器，該長周期光纖光柵的諧振中心波長處的耦合效率為2-10dB；在離該長周期光纖光柵約2-35cm距離的光纖上有一個光滑的切斷面，在該切斷面上有反射膜(如金屬銀膜)，以形成兩個微反射鏡；在該長周期光纖光柵和光纖切斷面之間的光纖有光纖芯和光纖芯之外的光纖包層，以這段光纖的光纖包層和光纖芯作為兩條光路徑；由該光纖上的長周期光纖光柵、光纖切斷面上的反射膜及其之間的光纖包層、光纖芯構(gòu)成一個Michelson干涉儀。在該光纖Michelson干涉儀中，長周期光纖光柵和切斷面之間的整段或部分段光纖只有光纖芯和光纖包層，被去除了光纖包層外的保護(hù)涂層，作為傳感器的敏感段；只有光纖芯和光纖包層的這部分光纖的總長度約為2-35cm。這樣就以光纖Michelson干涉儀為基礎(chǔ)構(gòu)成了本倏逝波化學(xué)與生物傳感器。
進(jìn)一步，為了提高傳感器對特定化學(xué)成分或生物分子的選擇性(特異性)和靈敏度，還可在只有光纖芯和光纖包層的這部分光纖的光纖包層上固化一層對生物分子或化學(xué)成分具有選擇性特性的吸收或敏感膜層，該吸收或敏感膜層的厚度大于3nm，吸收或敏感膜層的折射率小于光纖包層的折射率。該傳感器的整個外徑約125～1000微米。
本傳感器的傳感原理是利用光纖Michelson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)光纖纖芯中傳輸?shù)墓獾竭_(dá)長周期光纖光柵時，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)光纖包層光在包層與敏感膜層的界面處發(fā)生全反射并產(chǎn)生倏逝波，其倏逝波穿過該界面進(jìn)入化學(xué)與生物分子的敏感膜層或其氣體或其溶液的一個微小區(qū)域，并作用于生物分子或化學(xué)成分。(3)在倏逝波的作用過程中，化學(xué)成分或生物分子的濃度影響光纖包層外敏感膜層或溶液或氣體的折射率，從而改變倏逝波的能量吸收和相位。(4)相位和能量發(fā)生了變化的倏逝波又返回光纖包層，在其它點產(chǎn)生全反射和倏逝波，并繼續(xù)受化學(xué)成分或生物分子濃度的影響。當(dāng)?shù)竭_(dá)光纖末端切斷面的反射膜時，光纖包層和光纖芯中的光分別反射回光纖包層和光纖芯傳輸。(5)反射回的光纖包層光繼續(xù)在光纖包層和敏感膜層的界面處產(chǎn)生全反射和倏逝波，并受外界化學(xué)成分或生物分子的影響；再次到達(dá)長周期光纖光柵時又被部分地耦合到光纖芯中去，與一直在光纖芯中傳輸?shù)牟糠止夂鲜a(chǎn)生干涉。(6)在產(chǎn)生干涉的兩束光中，光纖芯中的光不受外界化學(xué)或生物分子的影響，而光纖包層光受外界化學(xué)或生物分子濃度的影響，它們之間的變化關(guān)系是確定的。這種變化將表現(xiàn)在干涉條紋信號的變化上。通過測量干涉條紋參數(shù)的變化，就可測量化學(xué)成分濃度或生物分子的數(shù)量，實現(xiàn)化學(xué)與生物傳感。
利用本傳感器可以形成這樣一個傳感系統(tǒng)它包括寬帶光源、光纖、光纖微Michelson干涉倏逝波化學(xué)與生物傳感器、寬帶耦合器、光纖光譜儀和計算機。其中，寬帶光源通過光纖與寬帶耦合器的一個輸入端連接，寬帶耦合器的一個輸出端通過光纖同本光纖微Michelson干涉倏逝波化學(xué)與生物傳感器連接；光纖微Michelson干涉倏逝波化學(xué)與生物傳感器置于被測氣體、化學(xué)成分或生物分子溶液中，傳感器中的干涉光信號經(jīng)過光纖返回到寬帶耦合器，被耦合到寬帶耦合器的另一個輸入端，寬帶耦合器的該輸入端通過光纖與光纖光譜儀連接；光纖光譜儀通過數(shù)據(jù)接口(如USB或RS232或GPIB等)與計算機連接，計算機從獲取的干涉信號光譜數(shù)據(jù)中得到并顯示被測化學(xué)成分或生物分子的濃度信息。
由上述傳感系統(tǒng)得到的干涉光信號數(shù)據(jù)具有多種信息參數(shù)及其分布，如幅值、附加相位、干涉條紋及其分布等，都可由計算機進(jìn)行分析計算。這些不同的信息參數(shù)受生物分子或化學(xué)成分的影響是不一樣的，具有不同的響應(yīng)形式和關(guān)聯(lián)性，是多維信息，用其中的任意一維信息都可以測量化學(xué)成分或生物分子。在數(shù)據(jù)采集、傳輸和處理過程中，丟失部分?jǐn)?shù)據(jù)仍然可以正確地獲得測量結(jié)果，傳感系統(tǒng)具有一定的容錯能力。
本發(fā)明具有以下的優(yōu)點本傳感器及系統(tǒng)具有的一些獨特優(yōu)點是，(1)本發(fā)明的結(jié)構(gòu)巧妙，利用光纖上的一個長周期光纖光柵、普通光纖的光纖包層和光纖芯、光纖末端切斷面上的反射膜，不附加其它非光纖器件，就實現(xiàn)了光纖Michelson干涉儀。在外觀上，該干涉儀僅是一段普通光纖而已，應(yīng)用該干涉儀中光纖包層光的全反射和倏逝波實現(xiàn)化學(xué)和生物分子的傳感。整個傳感器完全光纖化，結(jié)構(gòu)微型化，體積小。這也是本傳感器的最大創(chuàng)新點。(2)本傳感系統(tǒng)不受雜散光的影響。傳感系統(tǒng)獲取的是光纖包層和光纖芯的干涉光信號。光纖芯中的光不受雜散光影響，光纖包層中的雜散光與光纖芯中的光不滿足相干條件，不影響干涉光信號的計算結(jié)果，系統(tǒng)穩(wěn)定可靠。(3)本傳感器的制作質(zhì)量可控性好。本傳感器不需要腐蝕或磨蝕光纖包層，其制作過程的每一步都是精確可控的。(4)本傳感系統(tǒng)可基于光纖鏈路實現(xiàn)遙測，系統(tǒng)裝配及其構(gòu)成簡單，簡化了系統(tǒng)的調(diào)試，系統(tǒng)的可靠性高。(5)本傳感系統(tǒng)可獲取多維數(shù)據(jù)和信息，具有一定的容錯能力。(6)同一個傳感器或其系統(tǒng)可分析多種不同的生物分子或化學(xué)成分。同一個長周期光纖光柵具有多個耦合諧振波長，可以耦合不同波長處的光。因此，選擇合適的光源、光纖光譜儀、計算機和長周期光纖光柵的參數(shù)，可以測試多種不同的生物分子或化學(xué)成分。(7)測量精度和靈敏度高。本傳感器的靈敏度比集成光纖微結(jié)構(gòu)的MZ干涉式倏逝波傳感器高一倍；光纖包層與敏感膜層或外界的界面是平滑的光學(xué)界面，傳感器噪聲干擾小，傳感精度高。
總之，本傳感器及其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)獨特，全光纖化，在一段普通光纖上實現(xiàn)了一個完整的Michelson干涉儀，應(yīng)用該干涉儀或其上的敏感膜層、光纖包層的全反射、倏逝波和干涉性，實現(xiàn)化學(xué)成分或生物分子濃度的測量，靈敏度和精度高，可靠性好。


圖1是光纖微Michelson干涉倏逝波化學(xué)與生物傳感器的結(jié)構(gòu)圖；圖2是光纖微Michelson干涉倏逝波化學(xué)與生物傳感系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖；圖3是本發(fā)明專利涉及的傳感系統(tǒng)中計算機獲取的干涉信號光譜圖。
具體實施例方式
下面以測量氣體丙烷(C3H3)的濃度為例，結(jié)合附圖進(jìn)一步來說明上述傳感器及傳感系統(tǒng)的實施，測量其它氣體或溶液中的生物分子和化學(xué)成分的實施方法與之相似，不同之處只是在傳感段光纖的光纖包層固化一層不同的化學(xué)或生物分子敏感膜層而已。丙烷分子的光譜吸收峰之一在1680nm處，帶寬約10～20nm。
參見圖1，本傳感器的結(jié)構(gòu)包括光纖涂覆層1、光纖包層2、光纖纖芯3、長周期光纖光柵LPFG 4、化學(xué)成分或生物分子的吸收或敏感膜層5、反射膜6、保護(hù)套7、端部固化膠8、固化膠9、過渡緩沖套10。其制作方法是(1)將一根普通光纖(光纖材料是石英或塑料，其光纖芯徑約9μm，光纖包層直徑125μm)的一段保護(hù)涂層去除。(2)用波長約240nm的激光器和長周期光纖光柵掩模板(掩模板的周期根據(jù)所需要的波長而定)照射去除了塑料保護(hù)涂層的這段光纖表面，寫入帶寬約17nm、諧振中心波長為1680nm、耦合效率約4dB的長周期光纖光柵(也可用CO2激光器來寫入長周期光纖光柵)。(3)在離已寫入的長周期光纖光柵約25cm處，切斷光纖并保證切斷面整齊光滑。(4)在長周期光纖光柵到切斷面之間，及長周期光纖光柵位置處的光纖包層裸露部分都涂敷上塑料保護(hù)涂層。(5)清潔光纖切斷面，在光纖切斷面上鍍上厚度大于1μm的金屬銀膜，作為微反射鏡。(6)在長周期光纖光柵和光纖切斷面之間的光纖上，去除一段長約23cm的塑料保護(hù)涂層，并清潔該段裸露的光纖包層；再在該段裸露的光纖包層上，固化對氣體丙烷分子具有選擇性的敏感膜層，也可不固化該敏感膜層。(7)將制作了長周期光纖光柵、光纖包層、反射膜和(或)丙烷分子敏感膜層等的這段光纖用固化膠粘貼到一個有孔保護(hù)套的內(nèi)壁，固化膠的位置靠近保護(hù)套的兩端部。(8)在保護(hù)套的光纖引出端，裝上一個塑料過渡緩沖套，以避免光纖被折斷，即可制作完畢。該保護(hù)套能夠滲透氣體丙烷，并能使丙烷與傳感器的光纖包層或敏感膜接觸。該保護(hù)套也可不用，直接將本傳感器放在丙烷氣體中，也可實現(xiàn)傳感。
本傳感系統(tǒng)的構(gòu)成如圖2所示，中心波長1680nm、帶寬約50nm的寬帶光源A經(jīng)光纖B1與一個2x2的寬帶耦合器C相連，寬帶耦合器C通過一段光纖B2與圖1所示的本化學(xué)與生物傳感器D連接，傳感器D被置于丙烷氣體中。在傳感器中，長周期光纖光柵LPFG將1680nm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，光纖包層和光纖芯的光在光纖切斷面的反射膜處被分別反射回光纖包層和光纖芯；光纖包層光在光纖包層的界面處產(chǎn)生倏逝波，并受外界丙烷氣體濃度的影響；反射回的部分光纖包層光和光纖芯光在長周期光纖光柵處又被耦合、合束并產(chǎn)生干涉。寬帶耦合器C又通過光纖B3與高精度的光纖光譜儀E連接，光纖光譜儀E通過數(shù)據(jù)接口GPIB與計算機F相連。光纖光譜儀E的波長分辨率為1pm，可測最小幅值為-65dBm。計算機F從光纖光譜儀E獲取并處理干涉信號光譜數(shù)據(jù)，從而計算得到并顯示出丙烷氣體濃度的測量值。計算機獲取的干涉信號光譜數(shù)據(jù)如圖3所示。其測量和計算過程是先標(biāo)定傳感器對丙烷氣體濃度的敏感系數(shù)，然后測試丙烷氣體的濃度。測試時，本傳感器放在被測丙烷氣體中，傳感系統(tǒng)中的計算機獲取干涉信號光譜數(shù)據(jù)，并根據(jù)標(biāo)定的敏感系數(shù)計算得到被測丙烷氣體的濃度，從而實現(xiàn)丙烷氣體的傳感。
在本實施例中，傳感器產(chǎn)生的干涉信號光譜條紋的間距為1.344nm，傳感系統(tǒng)對丙烷氣體濃度的分辨率小于0.1％。若用附加相位法測量時，傳感系統(tǒng)對丙烷氣體濃度的分辨率還可提高約一個數(shù)量級。
權(quán)利要求
1.光纖微Michelson干涉倏逝波化學(xué)與生物傳感器，其特征在于它在一根光纖上有一個長周期光纖光柵，在離該長周期光纖光柵一段距離的光纖末端有光滑的切斷面，在該切斷面上有反射膜，在該長周期光纖光柵和光纖切斷面之間的光纖有光纖芯和光纖芯之外的光纖包層；由該長周期光纖光柵、光纖切斷面上的反射膜及其之間的光纖包層和光纖芯構(gòu)成了一個Michelson干涉儀；長周期光纖光柵和切斷面之間的整段或部分段光纖只有光纖芯和光纖包層。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光纖微Michelson干涉倏逝波化學(xué)與生物傳感器，其特征在于長周期光纖光柵與切斷面之間的距離約2-35cm，只有光纖芯和光纖包層的這部分光纖的總長度約為2-35cm。
3.根據(jù)權(quán)利要求1、2所述的光纖微Michelson干涉倏逝波化學(xué)與生物傳感器，其特征在于在只有光纖芯和光纖包層的這部分光纖的光纖包層上固化有對被測化學(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厚度大于3nm，其折射率小于光纖包層的折射率。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的光纖微Michelson干涉倏逝波化學(xué)與生物傳感器，其特征在于在上述制作了長周期光纖光柵、光纖包層、切斷面的反射膜、生物或化學(xué)成分吸收或敏感膜層的這段光纖之外套有一保護(hù)套，保護(hù)套上有小孔，在靠近保護(hù)套的兩端部有固化膠連接該傳感器光纖和保護(hù)套，在保護(hù)套的光纖引出端有一個過渡緩沖套。
5.由權(quán)利要求3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Michelson干涉倏逝波化學(xué)與生物傳感器、寬帶耦合器、光纖光譜儀和計算機，其中，寬帶光源通過光纖與寬帶耦合器的一個輸入端連接，寬帶耦合器的一個輸出端通過光纖同光纖微Michelson干涉倏逝波化學(xué)與生物傳感器連接，寬帶耦合器的另一個輸入端通過光纖與光纖光譜儀連接，光纖光譜儀通過數(shù)據(jù)接口與計算機連接，而本傳感器被置于被測氣體、生物分子或化學(xué)成分溶液中。
全文摘要
本發(fā)明公開一種光纖微Michelson干涉倏逝波化學(xué)與生物傳感器及系統(tǒng)，傳感器是由一根光纖上的長周期光纖光柵、光纖切斷面上的反射膜、光纖包層和光纖芯形成一個Michelson干涉儀，以此干涉儀為基礎(chǔ)構(gòu)成一個光纖倏逝波化學(xué)與生物傳感器。該傳感器將Michelson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Michelson干涉倏逝波化學(xué)與生物傳感器、寬帶耦合器、光纖光譜儀和計算機組成。該系統(tǒng)可基于光纖鏈路實現(xiàn)遙測，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，不受雜散光的影響，測試結(jié)果穩(wěn)定可靠。
文檔編號G01N21/17GK1712930SQ200510057150
公開日2005年12月28日 申請日期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 申請人:重慶工學(xué)院