一种生物传感器、检测系统、检测方法技术方案

本发明专利技术公开了一种生物传感器、检测系统、检测方法，涉及光学生物传感技术领域；所述生物传感器包括依次连接的输入光纤、传感光纤及输出光纤，输入光纤将光脉冲信号传输至传感光纤，传感光纤产生中红外光源与马赫曾德干涉光谱，输出光纤将传感光纤产生的光谱输出。所述检测系统包括依次连接的泵浦光源模块、生物传感器及检测模块；泵浦光源模块提供光脉冲信号通过生物传感器，依次产生中红外光源与马赫曾德干涉光谱，传输到检测模块检测马赫曾德干涉光谱随生物分子浓度的波长，实现生物传感，应用在中红外波段，大大提高了传感器的灵敏度，减小对生物分子活性的损害，为开发新型的检测技术提供了思路。技术提供了思路。技术提供了思路。

【技术实现步骤摘要】
一种生物传感器、检测系统、检测方法


[0001]本专利技术涉及光学生物传感
，尤其涉及一种生物传感器、检测系统、检测方法。

技术介绍

[0002]中红外波段(2～16μm)覆盖了绝大部分有机物和无机物的分子特征吸收指纹区，为了解分子结构及其相关学科提供了一个强大的光学分析工具。此外，该波段又覆盖了3～5μm和8～14μm两个最重要的大气窗口，进一步拓展了其在大气监测、生物传感及军事遥感等诸多领域的广泛应用。中红外光纤具有优良的宽红外波段透过性能和高非线性特性，是能产生覆盖中、远红外波段超连续谱的非线性光纤。光纤生物传感器是光纤传感技术与生物识别技术的结合，可以实现对体液中微量蛋白、有机物小分子和核酸等多种生化物质的特异性检测与监控。为探索在线分析、免标记、少量样品检测以及应用广泛的生物传感器，对新型光纤传感技术研究的热潮应运而来。
[0003]基于光纤的马赫曾德尔干涉结构是实现生物传感的惯有手段，该类型传感器由光源、耦合器及一个探测器构成，在第一个耦合器处光路分成两束，分别为参考臂和传感臂。当外界环境发生变化时，参考臂中的传输光光程与相位均不发生变化而传感臂中的光程发生变化。因此当光源发出的光传输到第一个耦合器的时候被分成两束在参考臂光路和干涉臂光路中去，当两束光满足相应的干涉条件，会在传输到第二个耦合器的时候发生干涉，从而被探测器接收，分析所得的干涉信号便可以形成传感。然而，传统的光纤生物传感器通常工作在近红外波段，存在较低的灵敏度、缓慢的响应速度，尤其在近红外波段大大损害生物分子的活性，在检测生物信息表达方面受到限制。因此，亟待开发高灵敏度、低损害的高性能生物传感器。

技术实现思路

[0004]针对目前光纤生物传感器技术的不足，本专利技术提供一种生物传感器、检测系统、检测方法。基于传感光纤自相位调制效应产生的中红外光源经内嵌马赫曾德干涉结构产生干涉光谱，并由检测模块检测待测生物分子浓度变化，干涉光谱波长发生漂移，实现生物传感，应用在中红外波段，大大提高了传感器的灵敏度，减小对生物分子活性的损害。
[0005]第一方面，本专利技术提出了一种生物传感器，包括依次连接的输入光纤、传感光纤及输出光纤，其中，所述输入光纤与输出光纤连接在传感光纤两端；输入光纤将光脉冲信号传输至传感光纤，传感光纤产生中红外光源与马赫曾德干涉光谱，输出光纤将传感光纤产生的光谱输出。
[0006]所述传感光纤包括纤芯和覆盖纤芯的包层，传感光纤为全正常色散分布。
[0007]所述输入光纤与输出光纤采用单模光纤或多模光纤。
[0008]所述传感光纤采用中红外光纤，所述中红外光纤采用碲酸盐光纤或硫化物光纤或氟化物光纤或硒化物光纤，结构采用阶跃折射率光纤或梯度折射率光纤。
[0009]所述传感光纤纤芯直径的范围为5～8μm,纤芯外的包层的直径范围为100～130μm，长度范围为5～10cm。
[0010]所述传感光纤采用马赫曾德干涉结构，在第一光臂中通过飞秒激光去除设定微腔位的纤芯和包层形成微腔，第二光臂在传感光纤的纤芯中。
[0011]所述微腔去除的传感光纤的纤芯尺寸范围为2～4μm,腔长尺寸范围为50～70μm。
[0012]第二方面，本专利技术还提供一种生物传感检测系统，采用所述生物传感器实现，包括：依次连接的泵浦光源模块、生物传感器及检测模块；泵浦光源模块提供光脉冲信号通过生物传感器的输入光纤传输至生物传感器的传感光纤，传感光纤依次产生中红外光源与马赫曾德干涉光谱，经生物传感器的输出光纤传输到检测模块，检测模块检测马赫曾德干涉光谱随生物分子浓度的波长。
[0013]所述传感光纤自相位调制效应产生中红外光源，所述中红外光源为中红外超连续谱光源。
[0014]所述泵浦光源模块采用飞秒脉冲激光器，飞秒泵浦脉冲中心波长范围为4000～6000nm,频率范围为60～90MHz,脉宽范围为150～200fs。
[0015]所述检测模块采用光谱仪，检测马赫曾德干涉光谱随生物分子浓度的波长。
[0016]第三方面，本专利技术提出了一种生物传感检测方法，包括：
[0017]泵浦光源模块发射飞秒泵浦脉冲，经输入光纤传输至生物传感器中的传感光纤；飞秒泵浦脉冲的波长位于传感光纤的正常色散区，传感光纤产生自相位调制效应，输出中红外光源；中红外光源沿传感光纤传输经内嵌马赫曾德干涉结构，产生马赫曾德干涉光谱并输出到检测模块；马赫曾德干涉结构中的微腔填充生物分子，当生物分子浓度发生变化时,检测马赫曾德干涉光谱随生物分子浓度的波长漂移，实现生物传感。
[0018]采用上述技术方案所产生的有益效果在于：
[0019]1、本专利技术提出的一种集成中红外光源与马赫曾德干涉的生物传感器，灵敏度高、响应速度快，大大降低了对生物分子活性的损害。
[0020]2、本专利技术设计的一种集成中红外光源与马赫曾德尔干涉的生物传感器，不仅产生中红外超连续谱光源，而且内嵌干涉结构产生干涉光谱，为开发多功能光纤设备提供了新思路，有利于在实际应用中大规模生产。
[0021]3、本专利技术设计的一种集成中红外光源与马赫曾德尔干涉的系统应用于中红外波段，模块独立化，将光纤非线性技术与光纤传感中干涉技术结合，为开发新型的检测技术提供了思路。
附图说明
[0022]图1为本专利技术实施例中光纤传感器的结构示意图；
[0023]图2为本专利技术实施例中硫化物阶跃光纤的横向截面图；
[0024]图3为本专利技术实施例中一种集成中红外光源与马赫曾德干涉的系统整体结构示意图；
[0025]图4为本专利技术实施例提供的测量方法流程图；
[0026]图5为本专利技术实施例中硫化物阶跃光纤色散分布图；
[0027]图6为本专利技术实施例中硫化物阶跃光纤产生的中红外超连续谱光源的光谱图；
[0028]图7为本专利技术实施例中不同生物分子浓度下马赫曾德干涉的输出光谱图；
[0029]图8为本专利技术实施例中不同生物分子浓度下干涉波谷的中心波长及拟合曲线图；
具体实施方式
[0030]下面结合附图和实施例，对本专利技术的具体实施方式作进一步详细描述。
[0031]本专利技术提供一种生物传感器、检测系统、检测方法。基于传感光纤23自相位调制效应产生的中红外光源经内嵌马赫曾德干涉结构24产生干涉光谱并由检测模块检测。待测生物分子浓度变化，干涉光谱波长发生漂移，实现生物传感，应用在中红外波段，大大提高了传感器的灵敏度，减小对生物分子活性的损害。
[0032]第一方面，本专利技术提出了一种生物传感器2，如图1所示，包括依次连接的输入光纤21、传感光纤23及输出光纤22，其中，所述输入光纤21与输出光纤22连接在传感光纤23两端；输入光纤21将光脉冲信号传输至传感光纤23，传感光纤23产生中红外光源与马赫曾德干涉光谱，输出光纤22将传感光纤23产生的光谱输出。
[0033]本实施例中，光纤传感器中传感光纤23的两端分别熔接输入光纤21与输出光纤22，形成三段式的整体结构。...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种生物传感器，包括依次连接的输入光纤、传感光纤及输出光纤，其特征在于：所述输入光纤与输出光纤连接在传感光纤两端；输入光纤将光脉冲信号传输至传感光纤，传感光纤产生中红外光源与马赫曾德干涉光谱，输出光纤将传感光纤产生的光谱输出；所述传感光纤包括纤芯和覆盖纤芯的包层，传感光纤为全正常色散分布。2.根据权利要求1所述的生物传感器，其特征在于：所述输入光纤与输出光纤采用单模光纤或多模光纤。3.根据权利要求1所述的生物传感器，其特征在于：所述传感光纤采用中红外光纤，所述中红外光纤采用碲酸盐光纤或硫化物光纤或氟化物光纤或硒化物光纤，结构采用阶跃折射率光纤或梯度折射率光纤。4.根据权利要求1所述的生物传感器，其特征在于：所述传感光纤采用马赫曾德干涉结构，在第一光臂中通过飞秒激光去除设定微腔位的纤芯和包层形成微腔，第二光臂在传感光纤的纤芯中。5.根据权利要求4所述的生物传感器，其特征在于：所述传感光纤纤芯直径的范围为5～8μm,纤芯外的包层的直径范围为100～130μm，长度范围为5～10cm；所述微腔去除的传感光纤的纤芯尺寸范围为2～4μm,腔长尺寸范围为50～70μm。6.一种生物传感检测系统，采用权利要求1所述的生物传感器实现，包括依次连接的泵浦光源模块、生物传感器及检测模块；其特征在于：泵浦光源模块提供光脉冲信号通过生物传感器的输入光纤传输至生物传感器...

【专利技术属性】
技术研发人员：程同蕾，陈晓雨，高原红柳，王琪，李斌，闫欣，张学楠，王方，
申请(专利权)人：东北大学，
类型：发明
国别省市：