本發(fā)明涉及一種光學(xué)傳感器，尤其涉及一種基于可調(diào)濾波器和邁克爾遜干涉儀級(jí)聯(lián)的光學(xué)生物傳感器。

背景技術(shù)：

生物傳感器在生物檢測(cè)，化學(xué)分析和環(huán)境監(jiān)測(cè)領(lǐng)域有十分重要的應(yīng)用。低成本、高靈敏度和實(shí)時(shí)在線(xiàn)測(cè)量是生物傳感的幾個(gè)技術(shù)難點(diǎn)。目前，大部分的生物傳感器都將生物濃度的變化轉(zhuǎn)換為電信號(hào)進(jìn)行檢測(cè)，檢測(cè)時(shí)間較長(zhǎng)，不能實(shí)時(shí)在線(xiàn)測(cè)量。無(wú)標(biāo)記光學(xué)生物傳感器是唯一能夠直接檢測(cè)生物分子反應(yīng)的儀器，可以快速、實(shí)時(shí)地監(jiān)控反應(yīng)過(guò)程，具有靈敏度高、抗電磁干擾能力強(qiáng)等一系列優(yōu)勢(shì)。目前，基于光學(xué)的生物傳感技術(shù)大量涌現(xiàn)，例如：熒光光譜技術(shù)、拉曼散射光譜技術(shù)、吸收光譜技術(shù)以及基于倏逝波的折射率探測(cè)技術(shù)。然而，目前大部分商品化的光學(xué)生物傳感的缺點(diǎn)在于器件體積大，價(jià)格昂貴，所需樣品量也大。

本發(fā)明提供的基于可調(diào)周期性濾波器和邁克爾遜干涉儀級(jí)聯(lián)的無(wú)標(biāo)記光學(xué)生物傳感器由可調(diào)周期性濾波器與和邁克爾遜干涉儀構(gòu)成，在玻璃基板或者光纖端面直接制作生物分子膜，無(wú)需鍍膜，制作簡(jiǎn)單，成本低廉。本發(fā)明無(wú)需測(cè)試透過(guò)待測(cè)溶液的信號(hào)，因此可以測(cè)試吸收大，甚至是不透明的液體。同時(shí)因?yàn)橄辔恍畔母缮嫘盘?hào)中提取，不受光源的波動(dòng)和探測(cè)器靈敏度的影響，且不受到待測(cè)溶液折射率的影響。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明的目的是提供一種成本低廉、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、靈敏度高的基于可調(diào)周期性濾波器和邁克爾遜干涉儀級(jí)聯(lián)的無(wú)標(biāo)記光學(xué)生物傳感器的技術(shù)方案。本發(fā)明使用低成本的寬帶光源和濾波器的組合作為輸入光源，探測(cè)器作為輸出光的接收器。當(dāng)待測(cè)溶液中被測(cè)物質(zhì)吸附在生物分子膜后，引起生物分子膜增厚，導(dǎo)致邁克爾遜干涉儀的測(cè)量臂光程增加。記錄被測(cè)物質(zhì)吸附前后，探測(cè)器接收到的干涉光功率隨可調(diào)濾波器光譜掃描變化的信息，經(jīng)過(guò)傅里葉變換后，可以得到相位變化信息，推算出生物分子膜的厚度變化，從而獲取待測(cè)溶液中被測(cè)物質(zhì)含量信息。

本發(fā)明解決其技術(shù)問(wèn)題采用的技術(shù)方案是：一種基于可調(diào)濾波器和邁克爾遜干涉儀級(jí)聯(lián)的光學(xué)生物傳感器，包括寬帶光源、可調(diào)周期性濾波器、邁克爾遜干涉儀和探測(cè)器；寬帶光源的光經(jīng)過(guò)可調(diào)周期性濾波器后進(jìn)入邁克爾遜干涉儀；所述邁克爾遜干涉儀的其中一個(gè)臂的反射端面修飾可以吸附待測(cè)溶液中被測(cè)物質(zhì)的生物分子膜，且與待測(cè)溶液接觸，作為測(cè)量臂；另外一個(gè)臂的反射端面不修飾生物分子膜，且與待測(cè)溶液接觸，作為參考臂；邁克爾遜干涉儀的輸出端與探測(cè)器相連接。

進(jìn)一步地，所述生物分子膜材料的折射率與被修飾的反射端面材料的折射率相同。

進(jìn)一步地，通過(guò)調(diào)整所述邁克爾遜干涉儀的兩個(gè)臂長(zhǎng)，使得邁克遜干涉儀輸出譜線(xiàn)的自由光譜范圍與可調(diào)周期性濾波器輸出光譜的自由光譜范圍相同；當(dāng)待測(cè)溶液中被測(cè)物質(zhì)吸附在生物分子膜后，引起生物分子膜增厚，導(dǎo)致邁克爾遜干涉儀的測(cè)量臂光程增加。

進(jìn)一步地，所述可調(diào)周期性濾波器可以是法布里-珀羅諧振腔；或者是馬赫-曾德干涉儀；或者是環(huán)形諧振腔；或者微盤(pán)諧振腔；所述可調(diào)周期性濾波器輸出譜線(xiàn)諧振峰的位置可以通過(guò)改變?yōu)V波器的諧振腔長(zhǎng)度進(jìn)行移動(dòng)。

進(jìn)一步地，所述邁克爾遜干涉儀可以是由基于空間光學(xué)的分立器件構(gòu)成；或者是基于光纖的結(jié)構(gòu)構(gòu)成；或者是基于集成光波導(dǎo)器件構(gòu)成。

本發(fā)明具有的有益效果是：本發(fā)明光學(xué)生物傳感器可利用寬帶光源，無(wú)需測(cè)試光譜信息，不需要光譜儀，可以減小傳感器的體積。在玻璃片、波導(dǎo)或者光纖端面修飾生物分子膜，無(wú)需在傳感器的傳感區(qū)域鍍金屬或者介質(zhì)膜，大大降低了傳感器的成本。測(cè)試信號(hào)是傳感區(qū)域的反射光干涉信號(hào)，因此不用考慮光在待測(cè)液體中的吸收。通過(guò)測(cè)試邁克遜干涉儀傳感臂的相位變化，獲取生物分子膜厚度變化信息。因?yàn)橄辔恍畔母缮嫘盘?hào)中提取，不受光源的波動(dòng)和探測(cè)器靈敏度的影響，且不受到待測(cè)溶液折射率的影響。

附圖說(shuō)明

圖1為本發(fā)明中基于可調(diào)濾波器和邁克爾遜干涉儀級(jí)聯(lián)的光學(xué)生物傳感器的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2為可調(diào)濾波器在初始位置δL＝0以及δL＝534.5nm的輸出譜線(xiàn)圖；

圖3為邁克爾遜干涉儀在吸附待測(cè)物質(zhì)前δh＝0以及吸附待測(cè)物質(zhì)后δh＝267.2nm的輸出譜線(xiàn)圖；

圖4為在可調(diào)周期性濾波器諧振腔長(zhǎng)度為初始位置δL＝0時(shí)，待測(cè)物質(zhì)吸附前后可調(diào)濾波器和邁克爾遜干涉儀級(jí)聯(lián)后輸出譜線(xiàn)圖；

圖5為待測(cè)物質(zhì)吸附前后探測(cè)器接收到的光功率隨可調(diào)濾波器諧振腔長(zhǎng)度變化曲線(xiàn)。

圖6(a)為探測(cè)器接收到的干涉光信號(hào)傅里葉變換的頻譜圖。

圖6(b)為探測(cè)器接收到的干涉光信號(hào)傅里葉變換的相位圖。

圖7為傅里葉變換得到的相位信息隨生物分子膜厚度變化圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的說(shuō)明。

圖1是本發(fā)明的第一個(gè)實(shí)施方式示意圖。它包括：一個(gè)寬帶光源(1)、一個(gè)可調(diào)周期性濾波器(2)、一個(gè)邁克爾遜干涉儀(3)、一個(gè)探測(cè)器(5)。所述邁克爾遜干涉儀(3)的其中一個(gè)臂(31)的反射端面(32)修飾了可以吸附待測(cè)溶液(4)中被測(cè)物質(zhì)的生物分子膜(6)，且與待測(cè)溶液(4)接觸，作為測(cè)量臂(31)；另外一個(gè)臂(33)的反射端面(34)不修飾生物分子膜，且與待測(cè)溶液(4)接觸，作為參考臂；邁克爾遜干涉儀的輸出端(35)與探測(cè)器(5)相連接。

假設(shè)寬帶光源(1)在1.53μm-1.57μm光譜是平坦的，每個(gè)波長(zhǎng)對(duì)應(yīng)的光場(chǎng)強(qiáng)度均為單位1。設(shè)可調(diào)周期性濾波器(2)由集成光波導(dǎo)環(huán)形諧振腔構(gòu)成，輸入和輸出直波導(dǎo)與環(huán)形諧振腔的交叉耦合系數(shù)均為0.5，諧振腔長(zhǎng)度為L(zhǎng)＝400μm，諧振腔的有效折射率n₁為1.45。在諧振腔在初始位置δL＝0以及δL＝534.5nm時(shí)可調(diào)周期性濾波器(2)的透射率曲線(xiàn)T₁如圖2所示。從圖2中可見(jiàn)，因?yàn)橹C振腔比較長(zhǎng)，所以當(dāng)諧振腔長(zhǎng)度發(fā)生變化時(shí)，諧振腔的自由光譜范圍沒(méi)有發(fā)生明顯變化，但是諧振波長(zhǎng)位置發(fā)生了顯著移動(dòng)。

本實(shí)例中邁克爾遜干涉儀是由2×2的光纖耦合器構(gòu)成(分光比為50％：50％)，可調(diào)周期性濾波器(2)與光纖耦合器的一個(gè)輸入端口相連接，邁克爾遜干涉儀的兩個(gè)臂(31)和(33)分別為光纖耦合器的兩個(gè)輸出光纖，所以反射端面(32)和(34)是光纖端面，光纖耦合器的另外一個(gè)輸入端與探測(cè)器(5)相連接。假設(shè)光纖等效折射率以及生物分子膜的折射率n₁均為1.45；待測(cè)溶液的折射率n₂為1.33。

在光纖端面或生物分子膜表面與待測(cè)溶液的反射率為R

因?yàn)檫~克爾遜干涉儀的兩個(gè)臂的端面反射率相同，所以邁克爾遜干涉儀的輸出譜線(xiàn)為T(mén)₂

其中h為邁克爾遜干涉儀(3)兩臂的光程差，為使邁克遜干涉儀(3)輸出譜線(xiàn)的自由光譜范圍與可調(diào)周期性濾波器(2)輸出光譜的自由光譜范圍相同h＝800μm，δh為生物分子膜吸附被測(cè)物質(zhì)后引起的生物分子膜厚度變化，λ為入射光波長(zhǎng)。圖3給出了邁克爾遜干涉儀在吸附前δh＝0以及吸附后δh＝267.2nm的輸出譜線(xiàn)T₂。因?yàn)閮蓚€(gè)臂的反射率相同，所以透射率的最小值可以等于0。從圖3中可見(jiàn)，因?yàn)檫~克爾遜干涉儀兩臂的光程差比較長(zhǎng)，所以當(dāng)待測(cè)物質(zhì)發(fā)生吸附時(shí)，邁克爾遜干涉儀的自由光譜范圍沒(méi)有發(fā)生明顯變化，但是干涉極值波長(zhǎng)位置發(fā)生了顯著移動(dòng)。

圖4為在可調(diào)濾波器諧振腔長(zhǎng)度為初始位置δL＝0時(shí)，待測(cè)物質(zhì)被吸附前后可調(diào)周期性濾波器和邁克爾遜干涉儀級(jí)聯(lián)后輸出譜線(xiàn)圖。在待測(cè)物質(zhì)被吸附前，可調(diào)周期性濾波器和邁克爾遜干涉儀的極大值和極小值位置均重合，此時(shí)級(jí)聯(lián)后透射率最大；在待測(cè)物質(zhì)被吸附后δh＝267.2nm，可調(diào)周期性濾波器的極大值和邁克爾遜干涉儀的極小值位置重合，可調(diào)周期性濾波器的極小值和邁克爾遜干涉儀的極大值位置重合，此時(shí)級(jí)聯(lián)后透射率最小。

當(dāng)可調(diào)周期性濾波器的諧振腔變化范圍從-6μm到6μm時(shí)(假設(shè)掃描一個(gè)周期用12ms)，在待測(cè)物質(zhì)被吸附前后，探測(cè)接收到的光功率變化如圖5所示?？梢?jiàn)當(dāng)待測(cè)物質(zhì)被吸附時(shí)，光功率變化曲線(xiàn)發(fā)生了移動(dòng)，將光功率變化曲線(xiàn)進(jìn)行傅里葉變換，計(jì)算主頻的相位變化信息，就可測(cè)出吸附待測(cè)物質(zhì)后生物分子膜厚度變化。

圖6是待測(cè)物質(zhì)被吸附前后，探測(cè)器接收到的光功率變化曲線(xiàn)的傅里葉變換信息。當(dāng)待測(cè)物質(zhì)被吸附前后，其主頻率的位置不變(均在916.6Hz)，但是相位隨著生物分子膜吸附待測(cè)物質(zhì)的厚度變化而變化。如圖7所示，相位從π到π/2，再到0，分別對(duì)應(yīng)吸附厚度從初始狀態(tài)0nm，到133.6nm，到267.2nm。生物分子膜的厚度每增加1nm，相位減少0.0118rad。當(dāng)入射光源的功率發(fā)生變化，或者被測(cè)樣品折射率發(fā)生變化時(shí)，影響的僅僅是探測(cè)器接收到的功率的波動(dòng)，但是其相位并不受到影響，因此仍然可以測(cè)出被測(cè)物質(zhì)含量。

上述實(shí)施例用來(lái)解釋說(shuō)明本發(fā)明，而不是對(duì)本發(fā)明進(jìn)行限制。在本發(fā)明的精神和權(quán)利要求的保護(hù)范圍內(nèi)，對(duì)本發(fā)明作出的任何修改和改變，都落入本發(fā)明的保護(hù)范圍。