[發明專利]復合式極大傾角光纖光柵生化傳感器及其制作方法

在審

• 申請號: 201510027960.1
• 申請日: 2015-01-20
• 公開（公告）號: CN104596941A
• 公開（公告）日: 2015-05-06
• 發明（設計）人: 羅彬彬;趙明富;石勝輝;吳勝昔;全曉莉;鐘年丙;陳立功;肖漢光;周登義;汪治華
• 申請（專利權）人: 重慶理工大學
• 主分類號: G01N21/23
• 分類號: G01N21/23;G01K11/32
• 代理公司: 重慶市前沿專利事務所(普通合伙) 50211
• 代理人: 郭云

技術領域

本發明涉及光纖傳感器，具體涉及復合式極大傾角光纖光柵生化傳感器及其制作方法。

背景技術

隨著眾多生物醫學、生命科學應用的快速發展，光學及其技術已經進入一個重要的交叉領域——生物光學。這個龐大交叉領域中的一個焦點——光學傳感器正經歷一個新的變革，即研究開發新型結構的光纖生化信息傳感器。由于這個交叉領域的快速發展，具有極高生物靈敏度和選擇性的光纖生化信息傳感器是可行的，并有可能代替傳統的溶液化驗的方法應用于基因、營養、藥物的探索和發現，同樣用于食品工業、國家安全和環境監測中。

在過去的十年中，光纖光柵以其微型尺寸、抗干擾能力強、高靈敏度、高精度、實時性好、絕對測量等優點，為光學傳感器家族在航空、航海和民用工程結構監測、海下油田以及許多其他領域的應用提供了基礎。同樣，通過開發對外部介質折射率敏感的光纖光柵生化信息傳感器已成為這個交叉領域的研究熱點之一，如，使用它測量氣/液相濃度或監測生物活性膜厚度、抗體-抗原反應和DNA反應中參數的變化，來實現對生物醫學、生命科學等領域中各種現象的分析。以上光纖光柵生化信息傳感器的基本原理都是通過測量外部介質折射率的微小變化量，間接的估算被測參量的值或評估生化過程參量的狀態信息。

光纖光柵包括光纖Bragg光柵和長周期光纖光柵兩種基本類型。其中，和長周期光纖光柵的諧振是由纖芯模到同向包層模的耦合形成的，而包層模的倏逝場可滲透至外部液相介質中，因此長周期光纖光柵本質上不需要經過任何處理即可實現折射率的傳感，但是，長周期光纖光柵不僅對折射率十分的敏感，而且對溫度、應變等物理參數也十分的敏感，因此當將其應用于生化方面的傳感時，會存在嚴重的交叉敏感問題。而光纖Bragg光柵是同向纖芯基模到反向纖芯基模的耦合，其倏逝場的能量僅僅局限于纖芯的內部，因此它本質上對折射率不敏感，僅對溫度和應變敏感。

2006年英國Aston大學光子技術研究中心提出了一種極大傾角(79°～84°)光纖光柵，能將纖芯模耦合到同向包層模中，因此其對外部介質的折射率也非常敏感。該類光柵的周期～32μm，介于普通長周期光纖光柵(～550μm)和光纖Bragg光柵(0.5μm)之間，因此，極大傾角(79°～84°)光纖光柵可近似的看成周期很短的長周期光纖光柵。更重要的是，由于極大傾斜條紋的引入大大的增強了光纖的雙折射效應，因此極大傾角(79°～84°)光纖光柵體現出很強的偏振相關性，研究表明：其在1200nm～1700nm的透射譜中，存在一系列間距40nm～70nm的偏振相關諧振峰，其中長波和短波諧振峰分別對應高階和低階包層模，且每個諧振峰內的雙峰間距為4nm～7nm，這兩種波長間距都具有模式相關性，隨包層模階數的增大而增大。另外，實驗還表明：不同諧振峰的溫度和折射率靈敏度均具有模式相關性，隨包層模階數的增大，溫度靈敏度由～3.0pm/℃增大到～7.0pm/℃，折射率靈敏度由～150nm/RIU增大到～380nm/RIU(外部介質折射率為～1.33時)，可見其折射率靈敏度較長周期光纖光柵的高5～6倍。此外，由于其諧振峰的3dB帶寬僅4nm～7nm，而長周期光纖光柵的3dB帶寬一般>20nm，因此，極大傾角(79°～84°)光纖光柵用于外部介質折射率的測量，將比長周期光纖光柵具有高5～6倍靈敏度和幾倍的測量精度(即，具有高幾倍的Q值)。

考慮到普通光纖Bragg光柵的溫度靈敏度～10pm/℃，因此，如果能將光纖Bragg光柵和極大傾角(79°～84°)光纖光柵級聯起來，并在極大傾角(79°～84°)光纖光柵的表面固定一層生物或化學分子敏感膜，將構成一種對相應的目標生物或化學分子十分靈敏的、具有溫度補償功能的新型復合式光纖光柵生化傳感器。

目前已報道的各類具有溫度補償功能的復合式光纖光柵生化傳感器，大多都是基于光纖Bragg和長周期光纖光柵的復合，而將光纖Bragg光柵和極大傾角(79°～84°)光纖光柵級聯的復合式生化傳感器，國內外上尚無相關報道。

發明內容

針對上述已有技術存在的缺陷，本發明所要解決的技術問題在于提供復合式極大傾角光纖光柵生化傳感器及其制作方法。