CN103323399A - 一种微纳光纤生物传感器 - Google Patents

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Abstract

一种微纳光纤生物传感器，涉及光学领域，具体涉及一种生物传感器。它是为了解决现有对生物体布里渊谱的实时活体测量设备的结构复杂、稳定性差、准确性低的问题。它的激光器发出的激光入射至耦合器，经耦合器分为一号光束和二号光束，采用单边带调制器对一号光束进行调制并经微纳光纤入射至环行器的一号光输入端；电光调制器对二号光束的强度进行调制，并经掺铒光纤放大器放大后入射至环行器的二号光输入端；环行器的光输出端出射的光入射至光电探测器的感光端；光电探测器的电信号经锁相放大器输出至示波器。本发明适用于对生物体布里渊谱的实时活体测量。

Description

一种微纳光纤生物传感器
技术领域
本发明涉及光学领域，具体涉及一种生物传感器。
背景技术
自发布里渊散射是一种非弹性散射过程，它起源于介质中非相干的密度起伏或声子。布里渊光谱反映了散射过程中的光谱变化，并直接给出与介质弹光特性相关的声子信息。由布里渊频移可直接算出声速，由声速可以算出弹性常数，由声速的变化可以得到关于声速的各向异性，弛豫过程和相变的信息。由布里渊线宽(需用高分辨装置)可以研究声子衰减过程，得到物质的粘滞特性。根据强度的测量可以研究声子和电子态的耦合等。在生物医学领域，布里渊光谱学已成功应用于体外样品的弹光特性测量，这包括胶原纤维、骨头、眼角膜和晶状体，以及血液流变参数等。
传统测量布里渊光谱的办法是对自发布里渊散射进行直接测量，然而该技术的难点在于如何区分自发布里渊散射光和起源于瑞利散射和Mie散射的弹性散射光。在大多数生物物质和溶液中，弹性光散射的强度会比布里渊散射高几个量级，这势必会影响自发布里渊散射谱的测量精度。此外，布里渊频移非常小(只有GHz量级)，使用传统的光谱仪无法分辨。相比之下，基于泵浦-探测技术的受激布里渊散射光谱可以显著提高光谱分辨率和信噪比，并且该技术对背景光辐射不敏感，即测量光谱的零频移处没有瑞利散射信号，而且可以忽略由于角度偏差引起的布里渊频移和线宽的测量误差。但如果在自由空间中采用泵浦-探测技术测量生物物质液体的布里渊谱，则需要将泵浦光和探测光严格对准，致使结构复杂、稳定性差；而且在自由空间中无法长距离的保持较小的光斑，因此降低了布里渊增益和信噪比，此外这种复杂结构也无法实现对生物体的实时活体测量。
微纳光纤是纳米光子学中的一个重要研究领域，它以其卓越的性能成为未来光器件微型化、集成化的一种可供选择的基本单元。当光在微纳光纤中传输时，一部分能量分布于微纳光纤之外，形成倏逝波，利用倏逝波对周围介质折射率的敏感特性，可实现多种类型的微纳光纤生物传感器。
发明内容
本发明是为了解决现有对生物体布里渊谱的实时活体测量设备的结构复杂、稳定性差、准确性低的问题，从而提供一种微纳光纤生物传感器。
一种微纳光纤生物传感器，它包括激光器1、耦合器2、微波源3、单边带调制器4、扰偏器5、储液设备6、微纳光纤7、环行器8、掺铒光纤放大器9、电光调制器10、函数发生器11、光电探测器12、锁相放大器13和示波器14，
储液设备6内部充入待测溶液；微纳光纤7位于储液设备6内的溶液中；
激光器1发出的激光入射至耦合器2，经耦合器2分为一号光束和二号光束，所述一号光束入射至单边带调制器4，微波源3驱动单边带调制器4对一号光束进行调制，获得探测光；所述探测光入射至微纳光纤7的一端；所述探测光在微纳光纤7的另一端射出并入射至环行器8的一号光输入端；
二号光束入射至电光调制器10，函数发生器11驱动电光调制器10对二号光束的强度进行调制，获得斩波的泵浦光，所述斩波的泵浦光经掺铒光纤放大器9放大后入射至环行器8的二号光输入端；
环行器8的光输出端出射的光入射至光电探测器12的感光端；所述光电探测器12的电信号输出端与锁相放大器13的探测信号输入端连接；所述锁相放大器13的参考信号输入端与函数发生器11的参考信号输出端连接；所述锁相放大器13的信号输出端与示波器14的信号输入端连接。
本发明的有益效果：
1、本发明利用微纳光纤束缚和传导泵浦光和探测光，使光场以倏逝波的形式大比例地渗透到其周围的液体介质中发生受激布里渊散射相互作用，然后再耦合到标准单模光纤中，全光纤的结构使***结构简单、操作灵活；
2、微纳光纤尺寸较小，可以很容易地埋入生物物质内部进行实时活体监测；
3、石英材料的微纳光纤具有无毒、结构稳定的特点，不会对生物物质造成污染和破坏。
附图说明
图1是本发明的结构示意图；
图2是微纳光纤在溶液中的截面示意图；其中标记15为溶液；
图3是溶液中的微纳光纤的结构示意图；其中标记A是绝热锥形区；标记B是均匀微纳光纤。
具体实施方式
具体实施方式一、结合图1至图3说明本具体实施方式，一种微纳光纤生物传感器，它包括激光器1、耦合器2、微波源3、单边带调制器4、扰偏器5、储液设备6、微纳光纤7、环行器8、掺铒光纤放大器9、电光调制器10、函数发生器11、光电探测器12、锁相放大器13和示波器14，
储液设备6内部充入待测溶液；微纳光纤7位于储液设备6内的溶液中；
激光器1发出的激光入射至耦合器2，经耦合器2分为一号光束和二号光束，所述一号光束入射至单边带调制器4，微波源3驱动单边带调制器4对一号光束进行调制，获得探测光；所述探测光入射至微纳光纤7的一端；所述探测光在微纳光纤7的另一端射出并入射至环行器8的一号光输入端；
二号光束入射至电光调制器10，函数发生器11驱动电光调制器10对二号光束的强度进行调制，获得斩波的泵浦光，所述斩波的泵浦光经掺铒光纤放大器9放大后入射至环行器8的二号光输入端；
环行器8的光输出端出射的光入射至光电探测器12的感光端；所述光电探测器12的电信号输出端与锁相放大器13的探测信号输入端连接；所述锁相放大器13的参考信号输入端与函数发生器11的参考信号输出端连接；所述锁相放大器13的信号输出端与示波器14的信号输入端连接。
具体实施方式二、本具体实施方式与具体实施方式一所述的一种微纳光纤生物传感器的区别在于，激光器1为窄线宽单频光纤激光器。
具体实施方式三、本具体实施方式与具体实施方式一或二所述的一种微纳光纤生物传感器的区别在于，耦合器2为50∶50耦合器。
具体实施方式四、本具体实施方式与具体实施方式三所述的一种微纳光纤生物传感器的区别在于，探测光的频率低于二号光束的频率一个布里渊频移。
具体实施方式五、本具体实施方式与具体实施方式一、二或四所述的一种微纳光纤生物传感器的区别在于，微纳光纤7的两端均为缓变的锥形结构。
工作原理：本发明采用窄线宽单频光纤激光器作为光源，输出波长为1550nm的连续光。泵浦-探测技术测量布里渊谱需要两个频率差锁定且可调的光源，为此把激光器输出的光分为两路，其中一路直接作为泵浦光，另一路经微波驱动单边带调制器调制后作为探测光，其频率比泵浦光频率低大约一个布里渊频移，通过改变微波源输出的微波频率可以方便地实现探测光频率的扫描。利用微波驱动单边带调制器获得探测光和泵浦光的方案除了具有调谐简单、结构紧凑的优点之外，由于泵浦光和探测光来自同一个光源，因此它们的频差本征稳定，不受激光频率漂移的影响，可以很好地解决二者之间的频差锁定问题。使用函数发生器驱动电光强度调制器对泵浦光进行强度调制获得斩波的泵浦光，同时函数发生器也为锁相放大器提供参考信号。函数发生器的型号为：泰克公司AFG3252。斩波后的泵浦光通过掺铒光纤放大器放大后再通过一个环行器进入微纳光纤区。由于布里渊放大过程的偏振相关性，泵浦光或探测光的偏振态变化会改变布里渊增益，为此使用一个光纤扰偏器随机地改变探测光的偏振态，用以避免偏振态变化导致的信噪比降低。放大后的探测光经光电探测器接收并转换，再经锁相放大器处理后提高信噪比，最后通过示波器记录放大信号。
本发明具有以下的优点：
1、本发明中利用微纳光纤束缚和传导泵浦光和探测光，使光场以倏逝波的形式大比例地渗透到其周围的液体介质中发生受激布里渊散射相互作用，然后再耦合到标准单模光纤中，全光纤的结构使***结构简单、操作灵活；
2、微纳光纤尺寸较小，可以很容易地埋入生物物质内部进行实时活体监测；
3、石英材料的微纳光纤具有无毒、结构稳定的特点，不会对生物物质造成污染和破坏。

Claims (5)

1.一种微纳光纤生物传感器，其特征是：它包括激光器(1)、耦合器(2)、微波源(3)、单边带调制器(4)、扰偏器(5)、储液设备(6)、微纳光纤(7)、环行器(8)、掺铒光纤放大器(9)、电光调制器(10)、函数发生器(11)、光电探测器(12)、锁相放大器(13)和示波器(14)，
储液设备(6)内部充入待测溶液；微纳光纤(7)位于储液设备(6)内的溶液中；
激光器(1)发出的激光入射至耦合器(2)，经耦合器(2)分为一号光束和二号光束，所述一号光束入射至单边带调制器(4)，微波源(3)驱动单边带调制器(4)对一号光束进行调制，获得探测光；所述探测光入射至微纳光纤(7)的一端；所述探测光在微纳光纤(7)的另一端射出并入射至环行器(8)的一号光输入端；
二号光束入射至电光调制器(10)，函数发生器(11)驱动电光调制器(10)对二号光束的强度进行调制，获得斩波的泵浦光，所述斩波的泵浦光经掺铒光纤放大器(9)放大后入射至环行器(8)的二号光输入端；
环行器(8)的光输出端出射的光入射至光电探测器(12)的感光端；所述光电探测器(12)的电信号输出端与锁相放大器(13)的探测信号输入端连接；所述锁相放大器(13)的参考信号输入端与函数发生器(11)的参考信号输出端连接；所述锁相放大器(13)的信号输出端与示波器(14)的信号输入端连接。
2.根据权利要求1所述的一种微纳光纤生物传感器，其特征在于激光器(1)为窄线宽单频光纤激光器。
3.根据权利要求1或2所述的一种微纳光纤生物传感器，其特征在于耦合器(2)为50∶50耦合器。
4.根据权利要求3所述的一种微纳光纤生物传感器，其特征在于探测光的频率低于二号光束的频率一个布里渊频移。
5.根据权利要求1、2或4所述的一种微纳光纤生物传感器，其特征在于微纳光纤(7)的两端均为缓变的锥形结构。
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