[發明專利]正交偏振光纖生物折射率傳感器及其檢測方法

有效

• 申請號: 201310638328.1
• 申請日: 2013-12-02
• 公開（公告）號: CN103604777A
• 公開（公告）日: 2014-02-26
• 發明（設計）人: 郭團;關柏鷗;劉譽;劉甫
• 申請（專利權）人: 暨南大學
• 主分類號: G01N21/41
• 分類號: G01N21/41
• 代理公司: 廣州市華學知識產權代理有限公司 44245
• 代理人: 陳燕嫻

技術領域

本發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方法。

背景技術

隨著人類對生命本質、生命過程、生命體與其生存環境信息交流認識的不斷深入，生物信息學得到了迅速發展。生物信息獲取的重要手段依賴于作為信息科學三大技術之一的傳感技術，智能化和微型化是未來生物傳感器發展的方向。在不增加陣列規模、甚至單個傳感探頭的情況下，顯著提高對復雜體系中生物信息的獲取量，以期更加準確、真實的反映生命體特征，實現對微量生物試劑的單細胞、單分子層面上的高靈敏度檢測與分析。

光纖傳感技術以光纖為物理媒質，以光波為信息載體，具有結構小巧、靈敏度高、抗電磁干擾、絕緣性好、耐腐蝕、本質安全以及便于多點組網和遠距離遙測等優點，非常適合于應用在一些傳統傳感器受到限制的領域，成為近十年來發展最為迅速的生物傳感技術之一。

經過近30年的發展，光纖生物傳感技術取得了較快的發展。光纖生物傳感技術的最主要方式是對光纖周圍待測生物介質（溶液、組織、細胞、蛋白質、DNA等）的折射率測量。由于生物微顆粒活體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靈敏度。此外，生物檢測過程中，環境溫度對測量結果影響極大，僅1～2度的溫度變化就可淹沒生物活體作用引起的有用信號。因此，高靈敏度的生物傳感器必須同時具有對整個測量過程中環境溫度實時監控的能力，從而消除溫變干擾。綜上所述，光纖生物傳感探針要求同時具備對待測生物樣品的高靈敏度折射率測量和溫變自校準兩個功能。

在光纖生物傳感研究的相關報道中，傾斜光纖光柵成為近些年的研究熱點。傾斜光纖光柵由于柵格相對于光纖軸向相對傾角的引入，從而可沿著光纖入射光的反向在光纖包層內產生大量的包層模式。這些包層模對光纖周圍的折射率變化極為敏感，其特點是，越是高階包層模越對低折射率敏感。與此同時，由于光纖纖芯模對周圍環境折射率不敏感，可同時監測環境溫度變化。因此，傾斜光纖光柵是實現折射率和溫度同時檢測的重要手段。

在此領域，加拿大卡爾頓大學提出了基于光纖表面鍍金膜激發表面等離子體共振波（SPR），實現生物樣品高靈敏度檢測的方法。此后比利時科學家也在此領域發表相關成果。此方法成功的將高靈敏度表面等離子體共振技術由傳統三角棱鏡（大體積）轉移至百微米量級的光纖探針（小體積），實現了傳感探頭的小型化。但此方法探頭制作工藝較為復雜，需要高精度離子濺射鍍膜機實現光纖表面納米量級金鍍膜，增加了設備制作成本。與此同時，基于表面等離子體共振的光纖傳感系統僅能得到單一偏振態下（平行于光柵寫制方向）的SPR激發，而在另一個與之正交的偏振態無法實現SPR激發，因此不能同時利用兩組相互正交的偏振態能量信息，測量精度不夠。

發明內容

本發明的目的在于克服現有技術的缺點與不足，提供一種折射率測量精度高的正交偏振光纖生物折射率傳感器，該傳感器能夠同時得到兩組相互正交的偏振態能量光譜信息。

本發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方法。

本發明的第一目的通過下述技術方案實現：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的傾斜光纖光柵；

所述正交偏振解調處理單元包括光纖偏振分束器、第一光譜探測器、第二光譜探測器及光譜差分模塊；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器和第二光譜探測器的輸入端連接，所述第一光譜探測器和第二光譜探測器的輸出端分別與光譜差分模塊連接。

優選的，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。

優選的，所述傾斜光纖光柵的傾角大于10度，軸向為長度小于10mm。

優選的，所述微流控芯片的微流通道長為20mm，寬度和高度為150至1000μm。

優選的，所述微流控芯片中包括多個微流通道。

本發明的第二目的通過下述技術方案實現：正交偏振光纖生物折射率傳感器的檢測方法，包括以下步驟：

（1）傳感器探頭微流控芯片的微流通道內注入生物溶液，傾斜光纖光柵感測生物溶液；

（2）寬帶光源輸出入射光，入射光經過起偏器后轉變成偏振光，偏振控制器將偏振光的偏振方向調節成與傾斜光纖光柵側向寫入方向一致；