本發(fā)明屬于光纖傳感器技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種光纖光柵(fbg：fiberbragggrating)諧振生物傳感器。

背景技術(shù)：

生物傳感器不僅促進(jìn)了生物技術(shù)的突飛猛進(jìn)，而且為人類的疾病診斷、治療及預(yù)防提供了高效便捷的方法，但同時(shí)也面臨全新的挑戰(zhàn)。生物傳感器按照基于電化學(xué)或光學(xué)傳感的原理，可分為電化學(xué)和光學(xué)兩大類，傳統(tǒng)生物傳感器基本為分立器件結(jié)構(gòu)、體積大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、穩(wěn)定性和抗干擾性差，同時(shí)靈敏度較差。如何對組織、細(xì)胞、生活活性分子提供即時(shí)、在線、準(zhǔn)確和全面的分析已經(jīng)成為生物傳感技術(shù)領(lǐng)域的熱點(diǎn)問題。

光學(xué)傳感器是當(dāng)分子識別元件與待測物特異結(jié)合后，能產(chǎn)生輸出特征光學(xué)信號(熒光、顏色變化等)。其中，光纖傳感器因其檢測物質(zhì)以光纖作為傳導(dǎo)介質(zhì)并收集信號來進(jìn)行檢測，能夠適應(yīng)極端惡劣環(huán)境，不受電磁干擾，耐腐蝕，傳輸信號安全，損耗低，體積小，在物理、化學(xué)、生物醫(yī)學(xué)和生命科學(xué)等多個(gè)研究領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景，因此設(shè)計(jì)一種全光穿輸?shù)墓饫w光柵諧振生物傳感器具有迫切的技術(shù)求。

本發(fā)明直接在在單模光纖的光柵結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上制作諧振生物傳感器，將信號傳輸光路和生物檢測傳感器集成與光纖上，降低了傳感器的體積以及封裝難度，并且這種一體化封裝結(jié)構(gòu)提高了檢測穩(wěn)定性和精度。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明針對現(xiàn)有生物傳感器技術(shù)的不足，設(shè)計(jì)了一種光纖光柵諧振生物傳感器。

本發(fā)明所采取的傳感器技術(shù)方案為：

一種光纖光柵諧振生物傳感器，包括ld光源(1)、光纖定向耦合器(2)、 labview監(jiān)測平臺(3)、光纖光柵解調(diào)儀(4)、匹配液(5)、生物傳感探頭(6)、生物分子膜(7)、梯形金屬鍍膜(8)、f-p諧振腔(9)、微加工的光纖光柵(10)；所述的ld光源(1)與光纖定向耦合器的一個(gè)端口連接，定向耦合器的另一個(gè)個(gè)端口連接光纖光柵解調(diào)儀(4)，labview監(jiān)測平臺(3)連接光纖光柵解調(diào)儀(4)的另一端，光纖定向耦合器的第三個(gè)端口與生物傳感探頭(6)連接，光纖定向耦合器的第四個(gè)端口浸入匹配液(5)組成完整的生物檢測系統(tǒng)。

所述的生物傳感探頭在單模光纖的光柵結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上，直接去除頂端包層，形成錐形諧振懸臂梁結(jié)構(gòu)，然后在錐形諧振懸臂梁上微加工寫入光柵，形成光纖光柵諧振器件；錐形諧振懸臂梁結(jié)構(gòu)長度為0.4mm至3.5mm，如圖2所示。

所述的生物傳感探頭上表面涂覆生物分子膜，生物分子膜根據(jù)檢測物質(zhì)選擇，下表面鍍有梯形金屬薄膜，鍍膜材料為金。

所述的微加工的光纖光柵與光纖原有光柵構(gòu)成f-p諧振腔，對反射光信號進(jìn)行匹配和溫度補(bǔ)償。

所述的labview監(jiān)測平臺由labview2013軟件編寫，由實(shí)時(shí)顯示模塊、報(bào)警模塊、自動(dòng)生成報(bào)表模塊。

所述的光纖光柵諧振生物傳感器為全光纖結(jié)構(gòu)，光路和器件都由光纖集成。

本發(fā)明相對于現(xiàn)有技術(shù)具有以下有益效果：

(1)本發(fā)明直接在單模光纖的光柵結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上制作光纖光柵諧振生物傳感器，使傳感器的尺寸滿足了微型化的需求，能在細(xì)胞內(nèi)實(shí)時(shí)檢測、對細(xì)胞無損傷或微損傷。

(2)本發(fā)明信號傳輸光路和光纖光柵諧振生物傳感器采用光纖一體結(jié)構(gòu)，不需要考慮光耦合校準(zhǔn)問題，結(jié)構(gòu)簡單，傳感器穩(wěn)定性高。

(3)本發(fā)明光纖光柵諧振生物傳感器為全光器件，采用光激勵(lì)的方式，抗電磁干擾能力強(qiáng)，不需要參比電極，精度高，可靠性強(qiáng)。

附圖說明

圖1為本發(fā)明系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2為本發(fā)明光纖光柵諧振生物傳感器結(jié)構(gòu)示意圖；

具體實(shí)施方式

以下結(jié)合附圖對本發(fā)明作進(jìn)一步說明：

如圖1所示，一種光纖光柵諧振生物傳感器，包括ld光源(1)、光纖定向耦合器(2)、labview監(jiān)測平臺(3)、光纖光柵解調(diào)儀(4)、匹配液(5)、生物傳感探頭(6)、生物分子膜(7)、梯形金屬鍍膜(8)、f-p諧振腔(9)、微加工的光纖光柵(10)；所述的ld光源(1)與光纖定向耦合器的一個(gè)端口連接，定向耦合器的另一個(gè)端口連接光纖光柵解調(diào)儀(4)，labview監(jiān)測平臺(3)連接光纖光柵解調(diào)儀(4)的另一端，光纖定向耦合器的第三個(gè)端口與生物傳感探頭(6)連接，光纖定向耦合器的第四個(gè)端口浸入匹配液(5)組成完整的生物檢測系統(tǒng)。

如圖2所示，生物傳感探頭直接在單模光纖的光柵結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上，采用反應(yīng)離子刻蝕技術(shù)腐蝕掉頂端的部分包層形成錐形諧振懸臂梁結(jié)構(gòu)(長度為0.4mm至3.5mm)，然后在諧振懸臂梁結(jié)構(gòu)上采用微加工技術(shù)寫入光柵，與單模光纖上的原有光柵構(gòu)成本征f-p諧振腔；所述的生物傳感探頭上表面涂覆生物分子膜，生物分子膜根據(jù)檢測物質(zhì)選擇，下表面鍍有梯形金屬薄膜，鍍膜材料為金，使錐形的光纖光柵結(jié)構(gòu)偏離傳感器軸心位置，當(dāng)激勵(lì)光通過光纖耦合進(jìn)傳感器，激勵(lì)錐形懸臂諧振器件時(shí)，生物傳感探頭振動(dòng)方向被控制，不會(huì)左右諧振；采用灰度光刻技術(shù)將生物傳感器探頭頂端的纖芯加工成三角形。

所述的微加工的光纖光柵與光纖原有光柵構(gòu)成f-p諧振腔，能夠?qū)﹀F形懸臂梁諧振結(jié)構(gòu)上的微加工光纖光柵的發(fā)射光進(jìn)行匹配和溫度補(bǔ)償。

所述的光纖光柵諧振生物傳感器為全光纖結(jié)構(gòu)，光路和器件都由光纖集成，采用光激勵(lì)的方式，抗電磁干擾能力強(qiáng)，不需要參比電極，精度高，可靠性強(qiáng)。

所述的labview監(jiān)測平臺由labview2013軟件編寫，由實(shí)時(shí)顯示模塊、報(bào)警模塊和自動(dòng)生成報(bào)表模塊組成。

本發(fā)明提出的一種光纖光柵諧振生物傳感器檢測抗體、抗原、dna等免疫生物時(shí)，主要考慮振幅a和錐形懸臂梁的品質(zhì)因數(shù)q。品質(zhì)因數(shù)q取決于固有頻率 f0(諧振頻率)和生物分子膜厚度d。

錐形懸臂梁的品質(zhì)因數(shù)q與生物分子膜厚度d成反比和固有頻率成正比；錐形懸臂梁的振幅a與品質(zhì)因數(shù)q成正比。

fbg中心波長定義：

λb＝2neffλ

λb是光纖布拉格光柵反射回來的入射光在自由空間中的中心波長；neff為有效折射率；λ為光纖布拉格光柵的周期。

經(jīng)頻率調(diào)制的紅外激光由光纖定向耦合器的傳輸?shù)焦饫w光柵諧振傳感器中，錐形懸臂梁結(jié)構(gòu)的光纖光柵諧振生物傳感器探頭由于鍍有梯形金屬薄膜將由于“雙膜熱效應(yīng)”出現(xiàn)光熱激勵(lì)諧振，生物傳感器探頭發(fā)生諧振時(shí)，光纖光柵的中心波長由于光纖光柵周期變化而變化(光柵結(jié)構(gòu)向下振動(dòng)受到應(yīng)力，向上振動(dòng)受到拉力，周期發(fā)生變化)，被光纖光柵調(diào)制的反射信號沿光纖光路返回，f-p諧振腔會(huì)對反射的光信號進(jìn)行匹配和溫度補(bǔ)償，然后通過光柵光纖定向耦合器入射到光纖光柵解調(diào)儀(4)，光纖光柵解調(diào)儀會(huì)將反射回來的光信號轉(zhuǎn)化為電信號傳輸?shù)絣abview監(jiān)測平臺(3)。生物分子膜與待測生物物質(zhì)反應(yīng)越激烈，生物分子膜的厚度會(huì)越小，生物傳感探頭的錐形懸臂梁諧振的振幅越大，生物傳感探頭上的光柵柵距受到的拉伸和擠壓程度越大，光柵受到到拉伸，光柵的周期λ變化越大，反射信號的中心波長的變化范圍越寬。反之，中心波長變化范圍越窄。中心波長變化的反射信號經(jīng)過f-p諧振腔的匹配和溫度補(bǔ)償入射到光纖光柵解調(diào)儀(4)，光纖光柵解調(diào)儀會(huì)將反射回來的光信號轉(zhuǎn)化為電信號傳輸?shù)絣abview監(jiān)測平臺(3)。

labview監(jiān)測平臺由labview2013軟件編寫，由實(shí)時(shí)顯示模塊、報(bào)警模塊和自動(dòng)生成報(bào)表模塊組成，會(huì)將傳輸來的信號解調(diào)出來并實(shí)時(shí)顯示，當(dāng)光纖光柵諧振傳感器檢測值超出預(yù)設(shè)閾值，報(bào)警模塊就會(huì)自啟動(dòng)并生成報(bào)表。