基于可调滤波器和迈克尔逊干涉仪级联的光学生物传感器

摘要

本发明公开了一种基于可调滤波器和迈克尔逊干涉仪级联的光学生物传感器，它包括宽带光源、可调周期性滤波器、迈克尔逊干涉仪和探测器；宽带光源的光经过可调滤波器后进入迈克尔逊干涉仪，迈克尔逊干涉仪的其中一个臂的反射端面修饰了可以吸附待测溶液中被测物质的生物分子膜，且与待测溶液接触，作为测量臂；另外一个臂的反射端面不修饰生物分子膜，且与待测溶液接触，作为参考臂；迈克尔逊干涉仪的输出端与探测器相连接。本发明采用低成本的宽带光源和周期性滤波器组合作为输入光源，无需高波长稳定性的激光器，生物分子膜修饰在玻璃基底上，结构简单，只需探测功率变化信息，无需测量波长信息，大大降低了传感器的制作成本。

权利要求

1.一种基于可调滤波器和迈克尔逊干涉仪级联的光学生物传感器，其特征在于，包括宽带光源（1）、可调周期性滤波器（2）、迈克尔逊干涉仪（3）和探测器（5）；宽带光源（1）的光经过可调周期性滤波器（2）后进入迈克尔逊干涉仪（3）；所述迈克尔逊干涉仪（3）的其中一个臂（31）的反射端面（32）修饰可以吸附待测溶液（4）中被测物质的生物分子膜（6），且与待测溶液（4）接触，作为测量臂（31）；另外一个臂（33）的反射端面（34）不修饰生物分子膜，且与待测溶液（4）接触，作为参考臂；迈克尔逊干涉仪（3）的输出端（35）与探测器（5）相连接。

2.根据权利要求1所述的一种基于可调滤波器和迈克尔逊干涉仪级联的光学生物传感器，其特征在于，所述生物分子膜（6）材料的折射率与被修饰的反射端面（32）材料的折射率相同。

3.根据权利要求1所述的一种基于可调滤波器和迈克尔逊干涉仪级联的光学生物传感器，其特征在于，通过调整所述迈克尔逊干涉仪（3）的两个臂长，使得迈克尔逊干涉仪（3）输出谱线的自由光谱范围与可调周期性滤波器（2）输出光谱的自由光谱范围相同；当待测溶液（4）中被测物质吸附在生物分子膜（6）后，引起生物分子膜增厚，导致迈克尔逊干涉仪（3）的测量臂光程增加。

4.根据权利要求1所述的一种基于可调滤波器和迈克尔逊干涉仪级联的光学生物传感器，其特征在于，所述可调周期性滤波器（2）可以是法布里-珀罗谐振腔；或者是马赫-曾德干涉仪；或者是环形谐振腔；或者微盘谐振腔；所述可调周期性滤波器（2）输出谱线谐振峰的位置可以通过改变滤波器的谐振腔长度进行移动。

5.根据权利要求1所述的一种基于可调滤波器和迈克尔逊干涉仪级联的光学生物传感器，其特征在于，所述迈克尔逊干涉仪（3）可以是由基于空间光学的分立器件构成；或者是基于光纤的结构构成；或者是基于集成光波导器件构成。

说明书

基于可调滤波器和迈克尔逊干涉仪级联的光学生物传感器

技术领域

[0001] 本发明涉及一种光学传感器，尤其涉及一种基于可调滤波器和迈克尔逊干涉仪级联的光学生物传感器。

背景技术

[0002] 生物传感器在生物检测，化学分析和环境监测领域有十分重要的应用。低成本、高灵敏度和实时在线测量是生物传感的几个技术难点。目前，大部分的生物传感器都将生物浓度的变化转换为电信号进行检测，检测时间较长，不能实时在线测量。无标记光学生物传感器是唯一能够直接检测生物分子反应的仪器，可以快速、实时地监控反应过程，具有灵敏度高、抗电磁干扰能力强等一系列优势。目前，基于光学的生物传感技术大量涌现，例如：荧光光谱技术、拉曼散射光谱技术、吸收光谱技术以及基于倏逝波的折射率探测技术。然而，目前大部分商品化的光学生物传感的缺点在于器件体积大，价格昂贵，所需样品量也大。

[0003] 本发明提供的基于可调周期性滤波器和迈克尔逊干涉仪级联的无标记光学生物传感器由可调周期性滤波器与和迈克尔逊干涉仪构成，在玻璃基板或者光纤端面直接制作生物分子膜，无需镀膜，制作简单，成本低廉。本发明无需测试透过待测溶液的信号，因此可以测试吸收大，甚至是不透明的液体。同时因为相位信息从干涉信号中提取，不受光源的波动和探测器灵敏度的影响，且不受到待测溶液折射率的影响。

发明内容

[0004] 针对现有技术的不足，本发明的目的是提供一种成本低廉、结构简单、灵敏度高的基于可调周期性滤波器和迈克尔逊干涉仪级联的无标记光学生物传感器的技术方案。本发明使用低成本的宽带光源和滤波器的组合作为输入光源，探测器作为输出光的接收器。当待测溶液中被测物质吸附在生物分子膜后，引起生物分子膜增厚，导致迈克尔逊干涉仪的测量臂光程增加。记录被测物质吸附前后，探测器接收到的干涉光功率随可调滤波器光谱扫描变化的信息，经过傅里叶变换后，可以得到相位变化信息，推算出生物分子膜的厚度变化，从而获取待测溶液中被测物质含量信息。

[0005] 本发明解决其技术问题采用的技术方案是：一种基于可调滤波器和迈克尔逊干涉仪级联的光学生物传感器，包括宽带光源、可调周期性滤波器、迈克尔逊干涉仪和探测器；宽带光源的光经过可调周期性滤波器后进入迈克尔逊干涉仪；所述迈克尔逊干涉仪的其中一个臂的反射端面修饰可以吸附待测溶液中被测物质的生物分子膜，且与待测溶液接触，作为测量臂；另外一个臂的反射端面不修饰生物分子膜，且与待测溶液接触，作为参考臂；
迈克尔逊干涉仪的输出端与探测器相连接。

[0006] 进一步地，所述生物分子膜材料的折射率与被修饰的反射端面材料的折射率相同。

[0007] 进一步地，通过调整所述迈克尔逊干涉仪的两个臂长，使得迈克逊干涉仪输出谱线的自由光谱范围与可调周期性滤波器输出光谱的自由光谱范围相同；当待测溶液中被测物质吸附在生物分子膜后，引起生物分子膜增厚，导致迈克尔逊干涉仪的测量臂光程增加。

[0008] 进一步地，所述可调周期性滤波器可以是法布里-珀罗谐振腔；或者是马赫-曾德干涉仪；或者是环形谐振腔；或者微盘谐振腔；所述可调周期性滤波器输出谱线谐振峰的位置可以通过改变滤波器的谐振腔长度进行移动。

[0009] 进一步地，所述迈克尔逊干涉仪可以是由基于空间光学的分立器件构成；或者是基于光纤的结构构成；或者是基于集成光波导器件构成。

[0010] 本发明具有的有益效果是：本发明光学生物传感器可利用宽带光源，无需测试光谱信息，不需要光谱仪，可以减小传感器的体积。在玻璃片、波导或者光纤端面修饰生物分子膜，无需在传感器的传感区域镀金属或者介质膜，大大降低了传感器的成本。测试信号是传感区域的反射光干涉信号，因此不用考虑光在待测液体中的吸收。通过测试迈克逊干涉仪传感臂的相位变化，获取生物分子膜厚度变化信息。因为相位信息从干涉信号中提取，不受光源的波动和探测器灵敏度的影响，且不受到待测溶液折射率的影响。

附图说明

[0011] 图1为本发明中基于可调滤波器和迈克尔逊干涉仪级联的光学生物传感器的结构示意图；

[0012] 图2为可调滤波器在初始位置δL＝0以及δL＝534.5nm的输出谱线图；

[0013] 图3为迈克尔逊干涉仪在吸附待测物质前δh＝0以及吸附待测物质后δh＝267.2nm的输出谱线图；

[0014] 图4为在可调周期性滤波器谐振腔长度为初始位置δL＝0时，待测物质吸附前后可调滤波器和迈克尔逊干涉仪级联后输出谱线图；

[0015] 图5为待测物质吸附前后探测器接收到的光功率随可调滤波器谐振腔长度变化曲线。

[0016] 图6(a)为探测器接收到的干涉光信号傅里叶变换的频谱图。

[0017] 图6(b)为探测器接收到的干涉光信号傅里叶变换的相位图。

[0018] 图7为傅里叶变换得到的相位信息随生物分子膜厚度变化图。

具体实施方式

[0019] 下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明。

[0020] 图1是本发明的第一个实施方式示意图。它包括：一个宽带光源(1)、一个可调周期性滤波器(2)、一个迈克尔逊干涉仪(3)、一个探测器(5)。所述迈克尔逊干涉仪(3)的其中一个臂(31)的反射端面(32)修饰了可以吸附待测溶液(4)中被测物质的生物分子膜(6)，且与待测溶液(4)接触，作为测量臂(31)；另外一个臂(33)的反射端面(34)不修饰生物分子膜，且与待测溶液(4)接触，作为参考臂；迈克尔逊干涉仪的输出端(35)与探测器(5)相连接。

[0021] 假设宽带光源(1)在1.53μm-1.57μm光谱是平坦的，每个波长对应的光场强度均为单位1。设可调周期性滤波器(2)由集成光波导环形谐振腔构成，输入和输出直波导与环形谐振腔的交叉耦合系数均为0.5，谐振腔长度为L＝400μm，谐振腔的有效折射率n1为1.45。在谐振腔在初始位置δL＝0以及δL＝534.5nm时可调周期性滤波器(2)的透射率曲线T1如图
2所示。从图2中可见，因为谐振腔比较长，所以当谐振腔长度发生变化时，谐振腔的自由光谱范围没有发生明显变化，但是谐振波长位置发生了显著移动。

[0022] 本实例中迈克尔逊干涉仪是由2×2的光纤耦合器构成(分光比为50％：50％)，可调周期性滤波器(2)与光纤耦合器的一个输入端口相连接，迈克尔逊干涉仪的两个臂(31)和(33)分别为光纤耦合器的两个输出光纤，所以反射端面(32)和(34)是光纤端面，光纤耦合器的另外一个输入端与探测器(5)相连接。假设光纤等效折射率以及生物分子膜的折射率n1均为1.45；待测溶液的折射率n2为1.33。

[0023] 在光纤端面或生物分子膜表面与待测溶液的反射率为R

[0024]

[0025] 因为迈克尔逊干涉仪的两个臂的端面反射率相同，所以迈克尔逊干涉仪的输出谱线为T2

[0026]

[0027] 其中 h为迈克尔逊干涉仪(3)两臂的光程差，为使迈克逊干涉仪(3)输出谱线的自由光谱范围与可调周期性滤波器(2)输出光谱的自由光谱范围相同h＝800μm，δh为生物分子膜吸附被测物质后引起的生物分子膜厚度变化，λ为入射光波长。图3给出了迈克尔逊干涉仪在吸附前δh＝0以及吸附后δh＝267.2nm的输出谱线T2。因为两个臂的反射率相同，所以透射率的最小值可以等于0。从图3中可见，因为迈克尔逊干涉仪两臂的光程差比较长，所以当待测物质发生吸附时，迈克尔逊干涉仪的自由光谱范围没有发生明显变化，但是干涉极值波长位置发生了显著移动。

[0028] 图4为在可调滤波器谐振腔长度为初始位置δL＝0时，待测物质被吸附前后可调周期性滤波器和迈克尔逊干涉仪级联后输出谱线图。在待测物质被吸附前，可调周期性滤波器和迈克尔逊干涉仪的极大值和极小值位置均重合，此时级联后透射率最大；在待测物质被吸附后δh＝267.2nm，可调周期性滤波器的极大值和迈克尔逊干涉仪的极小值位置重合，可调周期性滤波器的极小值和迈克尔逊干涉仪的极大值位置重合，此时级联后透射率最小。

[0029] 当可调周期性滤波器的谐振腔变化范围从-6μm到6μm时(假设扫描一个周期用12ms)，在待测物质被吸附前后，探测接收到的光功率变化如图5所示。可见当待测物质被吸附时，光功率变化曲线发生了移动，将光功率变化曲线进行傅里叶变换，计算主频的相位变化信息，就可测出吸附待测物质后生物分子膜厚度变化。

[0030] 图6是待测物质被吸附前后，探测器接收到的光功率变化曲线的傅里叶变换信息。当待测物质被吸附前后，其主频率的位置不变(均在916.6Hz)，但是相位随着生物分子膜吸附待测物质的厚度变化而变化。如图7所示，相位从π到π/2，再到0，分别对应吸附厚度从初始状态0nm，到133.6nm，到267.2nm。生物分子膜的厚度每增加1nm，相位减少0.0118rad。当入射光源的功率发生变化，或者被测样品折射率发生变化时，影响的仅仅是探测器接收到的功率的波动，但是其相位并不受到影响，因此仍然可以测出被测物质含量。

[0031] 上述实施例用来解释说明本发明，而不是对本发明进行限制。在本发明的精神和权利要求的保护范围内，对本发明作出的任何修改和改变，都落入本发明的保护范围。