复合式极大倾角光纤光栅生化传感器及其制作方法技术

本发明专利技术公开了复合式极大倾角光纤光栅生化传感器及其制作方法；复合式极大倾角光纤光栅生化传感器，包括光纤纤芯和光纤包层，其特点是：所述光纤纤芯的前段设置第一倾斜光纤光栅，该第一倾斜光纤光栅的倾斜光栅条纹与光纤纵向轴的夹角为45°；所述光纤纤芯中段的前半段设置第二倾斜光纤光栅，该第二倾斜光纤光栅的倾斜光栅条纹与光纤纵向轴的夹角为79°～84°；所述光纤纤芯中段的后半段设置光纤Bragg光栅；在所述光纤包层前段和后段的外表面涂覆有光纤保护涂覆层；在所述光纤包层中段的外表面吸附有硅烷层；所述硅烷层的外表面设置有适体层，该适体层对目标生物分子或待测化学成分具有选择性吸收或敏感的特性，可广泛应用于生物、化工、医学、生命科学等领域。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及光纤传感器，具体涉及复合式极大倾角光纤光栅生化传感器及其制作方法。
技术介绍
随着众多生物医学、生命科学应用的快速发展，光学及其技术已经进入一个重要的交叉领域——生物光学。这个庞大交叉领域中的一个焦点——光学传感器正经历一个新的变革，即研究开发新型结构的光纤生化信息传感器。由于这个交叉领域的快速发展，具有极高生物灵敏度和选择性的光纤生化信息传感器是可行的，并有可能代替传统的溶液化验的方法应用于基因、营养、药物的探索和发现，同样用于食品工业、国家安全和环境监测中。在过去的十年中，光纤光栅以其微型尺寸、抗干扰能力强、高灵敏度、高精度、实时性好、绝对测量等优点，为光学传感器家族在航空、航海和民用工程结构监测、海下油田以及许多其他领域的应用提供了基础。同样，通过开发对外部介质折射率敏感的光纤光栅生化信息传感器已成为这个交叉领域的研究热点之一，如，使用它测量气/液相浓度或监测生物活性膜厚度、抗体-抗原反应和DNA反应中参数的变化，来实现对生物医学、生命科学等领域中各种现象的分析。以上光纤光栅生化信息传感器的基本原理都是通过测量外部介质折射率的微小变化量，间接的估算被测参量的值或评估生化过程参量的状态信息。光纤光栅包括光纤Bragg光栅和长周期光纤光栅两种基本类型。其中，和长周期光纤光栅的谐振是由纤芯模到同向包层模的耦合形成的，而包层模的倏逝场可渗透至外部液相介质中，因此长周期光纤光栅本质上不需要经过任何处理即可实现折射率的传感，但是，长周期光纤光栅不仅对折射率十分的敏感，而且对温度、应变等物理参数也十分的敏感，因此当将其应用于生化方面的传感时，会存在严重的交叉敏感问题。而光纤Bragg光栅是同向纤芯基模到反向纤芯基模的耦合，其倏逝场的能量仅仅局限于纤芯的内部，因此它本质上对折射率不敏感，仅对温度和应变敏感。2006年英国Aston大学光子技术研究中心提出了一种极大倾角(79°～84°)光纤光栅，能将纤芯模耦合到同向包层模中，因此其对外部介质的折射率也非常敏感。该类光栅的周期～32μm，介于普通长周期光纤光栅(～550μm)和光纤Bragg光栅(0.5μm)之间，因此，极大倾角(79°～84°)光纤光栅可近似的看成周期很短的长周期光纤光栅。更重要的是，由于极大倾斜条纹的引入大大的增强了光纤的双折射效应，因此极大倾角(79°～84°)光纤光栅体现出很强的偏振相关性，研究表明：其在1200nm～1700nm的透射谱中，存在一系列间距40nm～70nm的偏振相关谐振峰，其中长波和短波谐振峰分别对应高阶和低阶包层模，且每个谐振峰内的双峰间距为4nm～7nm，这两种波长间距都具有模式相关性，随包层模阶数的增大而增大。另外，实验还表明：不同谐振峰的温度和折射率灵敏度均具有模式相关性，随包层模阶数的增大，温度灵敏度由～3.0pm/℃增大到～7.0pm/℃，折射率灵敏度由～150nm/RIU增大到～380nm/RIU(外部介质折射率为～1.33时)，可见其折射率灵敏度较长周期光纤光栅的高5～6倍。此外，由于其谐振峰的3dB带宽仅4nm～7nm，而长周期光纤光栅的3dB带宽一般>20nm，因此，极大倾角(79°～84°)光纤光栅用于外部介质折射率的测量，将比长周期光纤光栅具有高5～6倍灵敏度和几倍的测量精度(即，具有高几倍的Q值)。考虑到普通光纤Bragg光栅的温度灵敏度～10pm/℃，因此，如果能将光纤Bragg光栅和极大倾角(79°～84°)光纤光栅级联起来，并在极大倾角(79°～84°)光纤光栅的表面固定一层生物或化学分子敏感膜，将构成一种对相应的目标生物或化学分子十分灵敏的、具有温度补偿功能的新型复合式光纤光栅生化传感器。目前已报道的各类具有温度补偿功能的复合式光纤光栅生化传感器，大多都是基于光纤Bragg和长周期光纤光栅的复合，而将光纤Bragg光栅和极大倾角(79°～84°)光纤光栅级联的复合式生化传感器，国内外上尚无相关报道。
技术实现思路
针对上述已有技术存在的缺陷，本专利技术所要解决的技术问题在于提供复合式极大倾角光纤光栅生化传感器及其制作方法。为了解决上述技术问题，根据本专利技术的第一个技术方案，复合式极大倾角光纤光栅生化传感器，包括光纤纤芯和包裹光纤纤芯的光纤包层，其特点是：所述光纤纤芯的前段设置第一倾斜光纤光栅，该第一倾斜光纤光栅的倾斜光栅条纹与光纤纵向轴的夹角为45°；该第一倾斜光纤光栅作为复合式生化传感器的起偏器；所述光纤纤芯中段的前半段设置第二倾斜光纤光栅，该第二倾斜光纤光栅作为光纤纤芯和光纤包层的光共振耦合器；该第二倾斜光纤光栅的倾斜光栅条纹与光纤纵向轴的夹角为79°～84°；所述第一倾斜光纤光栅的快轴和慢轴分别与所述第二倾斜光纤光栅的快轴和慢轴平行；所述光纤纤芯中段的后半段设置光纤Bragg光栅；在所述光纤包层前段和后段的外表面涂覆有光纤保护涂覆层；在所述光纤包层中段的外表面吸附有硅烷层；所述硅烷层的外表面设置有适体层，该适体层对目标生物分子或待测化学成分具有选择性吸收或敏感的特性。本专利技术对第二倾斜光纤光栅和光纤Bragg光栅的表面吸附一层对生物分子或化学成分敏感的适体层，利用光纤Bragg光栅，作为温度补偿传感器件，这就构成一种对相应的目标生物或化学分子十分灵敏的、具有温度补偿功能的新型复合式光纤光栅生化传感器，利用光纤包层的倏逝波、光纤Bragg光栅和极大倾角(79°～84°)光纤光栅的谐振波长漂移特性来测量或定量/定性分析生物分子、化学成分的浓度以及生化过程的温度变化。本专利技术将传感器所需要的光纤起偏器件即第一倾斜光纤光栅、极大倾角光纤光栅传感器即第二倾斜光纤光栅、生物或化学分子敏感膜即第二倾斜光纤光栅和光纤Bragg光栅表面的适体层、温度补偿单元即光纤Bragg光栅都集成在一段光纤上，使整个传感器完全光纤化、微型化，且结构简单、体积小，环境适应能力强，不需恒温控制，精确确定该极大倾角(79°～84°)光纤光栅和光纤Bragg光栅的耦合波长的漂移，测试结果稳定可靠。本专利技术具有一般光纤传感器的优越性，不易受电磁干扰，传感器尺寸小、轻，无毒绝缘，无电流，适于强酸、强碱、高温高压、易燃易爆等恶劣环境，尤其在生物医学领域用于药物、病原体等原位测量时具有高度安全性。另外，与传统的光纤光栅生化传感器比较而言，本专利技术还有很多独特的优点，包括：本传感器结构独特巧妙，45°倾斜光纤光栅作为一个全本文档来自技高网...

【技术保护点】
复合式极大倾角光纤光栅生化传感器，包括光纤纤芯(3)和包裹光纤纤芯(3)的光纤包层(2)，其特征在于：所述光纤纤芯(3)的前段设置第一倾斜光纤光栅(4)，该第一倾斜光纤光栅(4)的倾斜光栅条纹与光纤纵向轴的夹角为45°；该第一倾斜光纤光栅(4)作为复合式生化传感器的起偏器；所述光纤纤芯(3)中段的前半段设置第二倾斜光纤光栅(5)，该第二倾斜光纤光栅(5)作为光纤纤芯(3)和光纤包层(2)的光共振耦合器；该第二倾斜光纤光栅(5)的倾斜光栅条纹与与光纤纵向轴的夹角为79°～84°；所述第一倾斜光纤光栅(4)的快轴和慢轴分别与所述第二倾斜光纤光栅(5)的快轴和慢轴平行；所述光纤纤芯(3)中段的后半段设置光纤Bragg光栅(6)；在所述光纤包层(2)前段和后段的外表面涂覆有光纤保护涂覆层(1)；在所述光纤包层(2)中段的外表面吸附有硅烷层(7)；所述硅烷层(7)的外表面设置有适体层(8)，该适体层(8)对目标生物分子或待测化学成分具有选择性吸收或敏感的特性。

【技术特征摘要】
1.复合式极大倾角光纤光栅生化传感器，包括光纤纤芯(3)和包
裹光纤纤芯(3)的光纤包层(2)，其特征在于：所述光纤纤芯(3)的
前段设置第一倾斜光纤光栅(4)，该第一倾斜光纤光栅(4)的倾斜光
栅条纹与光纤纵向轴的夹角为45°；该第一倾斜光纤光栅(4)作为复合
式生化传感器的起偏器；所述光纤纤芯(3)中段的前半段设置第二倾
斜光纤光栅(5)，该第二倾斜光纤光栅(5)作为光纤纤芯(3)和光纤
包层(2)的光共振耦合器；该第二倾斜光纤光栅(5)的倾斜光栅条纹
与与光纤纵向轴的夹角为79°～84°；所述第一倾斜光纤光栅(4)的快轴
和慢轴分别与所述第二倾斜光纤光栅(5)的快轴和慢轴平行；所述光
纤纤芯(3)中段的后半段设置光纤Bragg光栅(6)；在所述光纤包层
(2)前段和后段的外表面涂覆有光纤保护涂覆层(1)；在所述光纤包
层(2)中段的外表面吸附有硅烷层(7)；所述硅烷层(7)的外表面设
置有适体层(8)，该适体层(8)对目标生物分子或待测化学成分具有
选择性吸收或敏感的特性。
2.根据权利要求1所述的复合式极大倾角光纤光栅生化传感器，
其特征在于：在适体层(8)外设置有保护套(9)，该保护套(9)上设
置有分子孔筛。
3.根据权利要求1或2所述的复合式极大倾角光纤光栅生化传感
器，其特征在于：第一倾斜光纤光栅的长度为20～30mm，第二倾斜光纤
光栅的长度为10～30mm，第一倾斜光纤光栅与第二倾斜光纤光栅之间的

\t光纤长度为20～30mm；第二倾斜光纤光栅与光纤Bragg光栅(6)之间
的光纤长度为20mm～30mm。
4.复合式极大倾角光纤光栅生化传感器的制作方法，其特征在于：
包括如下步骤：
第一步：取一根单模裸光纤，该单模裸光纤只具有光纤纤芯(3)
以及包裹光纤纤芯(3)的光纤包层(2)；对该单模裸光纤进行载氢处
理；
第二步：制作第一倾斜光纤光栅(4)：用双频Ar+激光器作为光源，
使用扫描幅度掩膜法在单模裸光纤的光纤纤芯(3)前段上制作第一倾
斜光纤光栅；设置幅度掩膜板的干涉...

【专利技术属性】
技术研发人员：罗彬彬，赵明富，石胜辉，吴胜昔，全晓莉，钟年丙，陈立功，肖汉光，周登义，汪治华，白军，
申请(专利权)人：重庆理工大学，
类型：发明
国别省市：重庆;85