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CN115128038A - 基于反射结构的温度不敏感的级联双环检测仪器 - Google Patents

基于反射结构的温度不敏感的级联双环检测仪器 Download PDF

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CN115128038A CN202210712548.3A CN202210712548A CN115128038A CN 115128038 A CN115128038 A CN 115128038A CN 202210712548 A CN202210712548 A CN 202210712548A CN 115128038 A CN115128038 A CN 115128038A
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Abstract

本发明公开了一种基于反射结构的温度不敏感的级联双环检测仪器，包括输入光源、光纤耦合器、探测器、空间光学系统、级联双环传感器和反射结构。光纤耦合器有多个端口分别连接空间光学系统和探测器；级联双环传感器第一端口上有光栅耦合器阵列，其中一环不修饰生物分子膜与待测溶液接触是参考环；另一环修饰生物分子膜与待测溶液接触是传感环，级联双环传感器第二端口与反射结构相连。本发明采用光学系统将空间光通过光栅耦合器输入到级联双环传感器芯片中，利用扫描反射镜实现不同传感单元的切换，降低了传感器的制作成本，增加了传感器芯片利用率，级联双环传感器第二端口连接反射结构，增加了谐振光与被测物质的相互作用，提高了检测灵敏度。

Description

基于反射结构的温度不敏感的级联双环检测仪器
技术领域
本发明涉及一种检测仪器，尤其涉及一种基于反射结构的温度不敏感的级联双环检测仪器。
背景技术
以传感技术为代表的信息获取技术，正在极大地改变着我们的生活。传感器作为智能硬件的前端，获得了广泛的研究，也取得了一系列进展。光学生物传感器由于其高灵敏度，抗电磁干扰，可多功能集成及高度灵活性等优势，有着潜在的巨大商业应用前景。基于片上集成的光学生物传感器具有微量检测的特点，所以节约了所用检测试剂的成本。但是因为其目前和输入光源用光纤阵列连接，检测新的生物分子时需要解离光纤阵列与芯片，因此实验操作难度大且芯片容易受损。而且传统的级联双环传感器容易受外界温度的干扰，降低了传感的准确性。
发明内容
本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种基于反射结构的温度不敏感的级联双环检测仪器。
本发明解决其技术问题采用的技术方案是：一种基于反射结构的温度不敏感的级联双环检测仪器，包括输入光源、光纤耦合器、探测器、空间光学系统、光栅耦合器阵列、级联双环传感器、生物分子修饰部分和反射结构；
所述光纤耦合器在强度探测时有四个端口：第一端口连接输入光源，第二端口连接探测器一，第三端口连接空间光学系统，第四端口连接探测器二；所述光纤耦合器在波长探测时有三个端口：第一端口连接输入光源，第二端口连接探测器，第三端口连接空间光学系统。
所述级联双环传感器第一端口上设有光栅耦合器阵列，通过所述空间光学系统的光以光栅耦合的方式进入所述级联双环传感器中；所述级联双环传感器中一环不修饰生物分子膜，且与待测溶液接触作为参考环；另一环修饰生物分子膜，且与待测溶液接触，作为传感环；所述级联双环传感器第二端口连接反射结构；所述反射结构和所述组成级联双环传感器的波导中传播的光波模式相同；
所述级联双环传感器的参考环和传感环满足温度不灵敏条件：Swr·Lr＝Sws·Ls；其中Lr和Ls分别为参考环和传感环的周长；Swr和Sws分别为参考环和传感环的温度波导灵敏度。
进一步地，所述输入光源在强度探测时由宽带光源和滤波器组成；在波长探测时可以是宽带光源也可以是可调谐激光器。
进一步地，所述探测器在强度探测时有两个，分别为探测器一和探测器二，这两个探测器都是光功率计；在波长探测时探测器只有一个光功率计。
进一步地，所述反射结构可以是在级联双环传感器的第二端口镀的反射膜，或者是连接的环形波导反射环形结构，或者是级联双环传感器的第二端口连接的带有反射尾纤的单模光纤。
进一步地，所述强度探测，当Lr＝Ls时，强度探测灵敏度最高。
进一步地，所述待测溶液同时通过微流通道流经参考环和传感环。
进一步地，所述空间光学系统包括准直镜、扫描反射镜和聚焦和光束收集光学系统，通过扫描反射镜的转角扫描，实现同一芯片上不同级联双环传感器的切换；所述聚焦和光束收集光学系统能够将入射光的能量聚集后入射到光栅耦合器阵列。
进一步地，在强度探测时所述输入光源的输入光一部分通过光纤耦合器进入探测器一，监控输入的光功率稳定性，另一部分通过空间光学系统利用光栅耦合的方式进入级联双环传感器中，级联双环传感器第二端口连接的反射结构将光原路返回，最终进入到探测器二中。
当待测溶液中生物分子吸附在生物分子膜上时，传感环波导有效折射率会发生变化，级联双环传感器的透射光谱会发生漂移，输入光波长范围内的透射光谱会发生移动，输出光的光功率就会改变，记录含有不同浓度待测物质的待测溶液通入级联双环传感器后探测器一和探测器二接收的光功率，探测器二和探测器一的光功率归一化，可测得待测溶液中待测物质的含量。
本发明具有的有益效果是：本发明的基于反射结构的温度不敏感的级联双环检测仪器可以利用波长探测和强度探测两种方式进行探测，测试方法灵活，其中强度探测成本较低；通过搭建空间光学系统进行对光，提高级联双环光学芯片的使用寿命，其中扫描反射镜可以实现多路传感单元的快速扫描；在参考环和传感环上加入微流通道，同时通入待测溶液，降低外界环境温度对传感信号的影响；级联双环传感器连接反射结构，不仅提高了级联双环传感器的灵敏度，而且还可以实现传感器输入光和输出光共用同一光路，简化了传感系统的对光光路；通过传感环和参考环的结构设计，实现了温度不敏感的传感器。
附图说明
图1为基于反射结构的级联双环检测仪器的结构示意图；
图2为生物分子修饰部分结构示意图；
图3为传感环的半径和随着波导宽度变化示意图；
图4为级联双环传感器输出光谱随温度变化的关系示意图；
图5为级联双环输出光谱和基于反射结构的级联双环输出光谱示意图；
图6为基于反射结构的级联双环检测仪器的输出光谱示意图；
图7为级联双环传感器(CMRR)和基于反射结构的级联双环(RCMRR)在强度探测下测得传感环有效折射率和探测器一功率与探测器二功率比值(PR)的关系。
具体实施方式
以下是本发明的具体实施例，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式落于本申请所附权利要求书所限定的范围。
如图1所示，本实施例提供的一种基于反射结构的温度不敏感的级联双环检测仪器，包括一个输入光源1、一个光纤耦合器2、探测器3、一个空间光学系统4、一个光栅耦合器阵列5、一个级联双环传感器6、生物分子修饰部分7和一个反射结构8；光纤耦合器2在强度探测时使用四个端口：第一端口21连接输入光源1，第二端口22连接探测器一31，第三端口23连接空间光学系统4，第四端口24连接探测器二32；所述光纤耦合器2在波长探测时使用三个端口：第一端口21连接输入光源1，第二端口22连接探测器31，第三端口23连接空间光学系统4。级联双环传感器第一端口61上设有光栅耦合器阵列5，通过空间光学系统4的光以光栅耦合的方式进入级联双环传感器6中；级联双环传感器6中一环不修饰生物分子膜，且与待测溶液接触作为参考环62；另一环修饰生物分子膜，且与待测溶液接触，作为传感环63；所述级联双环传感器第二端口64连接反射结构8；反射结构8和组成级联双环传感器的波导中传播的光波模式相同。
如图2所示，生物分子修饰部分7包括：生物分子膜71、生物分子受体72、待测生物分子73、待测溶液74。同时向微流通道中通入待测溶液74流经参考环62和传感环63，传感环63上生物分子膜71上的生物分子受体72就会与待测溶液74中的待测生物分子73进行特异性吸附，从而改变传感环63的有效折射率，进行传感。
本发明的基于反射结构的温度不敏感的级联双环检测仪器，因为待测溶液74同时流经参考环62和传感环63，大大减小了由于待测溶液74通入前后的温差引起的传感误差。
如图3所示，参考环62半径为123μm，高度为220nm，宽度为550nm时，要实现传感器不受外界温度的干扰，传感环63半径和波导宽度的取值对应温度不灵敏条件。参考环62和传感环63的衬底材料为SiO2，波导芯层材料为Si。
根据：
Figure BDA0003707385920000041
Figure BDA0003707385920000042
Figure BDA0003707385920000051
可以推导出：
Figure BDA0003707385920000052
其中：S为单环的灵敏度；ΔT当外界温度变化；Δλ为输出光谱谐振峰波长漂移量；Sw为波导灵敏度；λ为中心波长；ng为群折射率；SCMRR为级联双环传感器的灵敏度；Sr为参考环温度灵敏度；Ss为传感环温度灵敏度；FSR为自由光谱范围；FSRr和FSRs分别为参考环和传感环的自由光谱范围；L为环的周长；Swr、Lr、ngr分别为参考环的温度波导灵敏度、周长和群折射率；Sws、Ls、ngs分别为传感环的温度波导灵敏度、周长和群折射率。
由公式(4)可以得出SCMRR＝0的温度不灵敏条件是：
Swr·Lr＝Sws·Ls (5)
本发明的基于反射结构的温度不敏感的级联双环检测仪器，参考环62和传感环63的设计满足温度不敏感条件，大大降低了在生物分子检测时由于Si材料的热光效应受到的外界温度干扰。
如图4所示，参考环62半径为123μm，高度为220nm，宽度为550nm；传感环63半径为122μm，高度为220nm，宽度为560.5nm。满足温度不灵敏条件的级联双环传感器在20℃、34℃、48℃时输出光谱仅有分立峰随着温度变化而移动，而输出光谱包络不随温度的变化而移动，屏蔽了外界温度的干扰。
如图5所示，双环参数与图4相同，参考环62的半径为123μm，传感环63半径为122μm，参考环的有效折射率为1.9093，传感环63的有效折射率为1.7505，R取为0.96。
基于反射结构的级联双环检测仪器的输出光谱振幅透射率为：
Figure BDA0003707385920000053
其中κr1、κr2分别为参考环上下耦合区振幅耦合系数，tr1、tr2分别为参考环上下耦合区振幅透射系数，κs1、κs2分别为传感环上下耦合区振幅耦合系数，ts1、ts2分别为传感环上下耦合区振幅透射系数，j为虚数单位，Rr、Rs分别为参考环半径和传感环半径，βr、βs分别为参考环和传感环的传播常数，αr、αs分别为参考环和传感环的损耗，R为反射结构的反射率，exp(·)为以e为底的指数函数。
本发明的基于反射结构的级联双环检测仪器与传统的级联双环传感器输出光谱相比，其输出光谱的对比度大大提高，其包络峰的锐度也大大提高，这将大大提高强度探测时的灵敏度，并能降低波长探测时包络拟合带来的误差。
如图6所示，其双环参数与图4相同。当温度在20℃时，改变通入待测溶液74中待测生物分子73的浓度(待测溶液74折射率改变Δnc)，输出光谱包络发生明显移动，而当不改变待测溶液74中待测生物分子73的浓度，将温度变为34℃时输出光谱包络不发生变化，只有包络内分立峰在移动。
本发明的基于反射结构的级联双环检测仪器，能够在保证对外界温度不敏感时，实现对不同浓度的待测溶液74中待测生物分子73的定量检测。
如图7所示，其结构参数与图5相同。一般选取斜率最大部分作为强度探测下传感器的最大灵敏度，因此得到：级联双环传感器的灵敏度:SCMRR＝2806.2dB/RIU,基于反射结构的级联双环检测仪器的灵敏度:SRCMRR＝8347.31dB/RIU。
本发明的基于反射结构的级联双环检测仪器，与对于传统的同样结构参数的级联双环传感器相比，强度探测灵敏度提高了2.975倍。
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。

Claims (8)

1.一种基于反射结构的温度不敏感的级联双环检测仪器，其特征在于，包括输入光源、光纤耦合器、探测器、空间光学系统、光栅耦合器阵列、级联双环传感器、生物分子修饰部分和反射结构；
所述光纤耦合器在强度探测时有四个端口：第一端口连接输入光源，第二端口连接探测器一，第三端口连接空间光学系统，第四端口连接探测器二；所述光纤耦合器在波长探测时有三个端口：第一端口连接输入光源，第二端口连接探测器一，第三端口连接空间光学系统；
所述级联双环传感器第一端口上设有光栅耦合器阵列，通过所述空间光学系统的光以光栅耦合的方式进入所述级联双环传感器中；所述级联双环传感器中一环不修饰生物分子膜，且与待测溶液接触作为参考环；另一环修饰生物分子膜，且与待测溶液接触，作为传感环；所述级联双环传感器第二端口连接反射结构；所述反射结构和所述组成级联双环传感器的波导中传播的光波模式相同；
所述级联双环传感器的参考环和传感环满足温度不灵敏条件：Swr·Lr＝Sws·Ls；其中Lr和Ls分别为参考环和传感环的周长；Swr和Sws分别为参考环和传感环的温度波导灵敏度。
2.根据权利要求1所述的一种基于反射结构的温度不敏感的级联双环检测仪器，其特征在于，所述输入光源在强度探测时由宽带光源和滤波器组成；所述输入光源在波长探测时是可调谐激光器。
3.根据权利要求1所述的一种基于反射结构的温度不敏感的级联双环检测仪器，其特征在于，所述探测器在强度探测时有两个，分别为探测器一和探测器二，这两个探测器都是光功率计；在波长探测时探测器只有一个，为光功率计。
4.根据权利要求1所述的一种基于反射结构的温度不敏感的级联双环检测仪器，其特征在于，所述反射结构是在级联双环传感器的第二端口镀的反射膜，或者是连接的环形波导反射环形结构，或者是级联双环传感器的第二端口连接的带有反射尾纤的单模光纤。
5.根据权利要求1所述的一种基于反射结构的温度不敏感的级联双环检测仪器，其特征在于，对于强度探测，当Lr＝Ls时，强度探测灵敏度最高。
6.根据权利要求1所述的一种基于反射结构的温度不敏感的级联双环检测仪器，其特征在于，待测溶液同时通过微流通道流经参考环和传感环。
7.根据权利要求1所述的一种基于反射结构的温度不敏感的级联双环检测仪器，其特征在于，所述空间光学系统包括准直镜、扫描反射镜和聚焦和光束收集光学系统，通过扫描反射镜的转角扫描，实现同一芯片上不同级联双环传感器的切换；所述聚焦和光束收集光学系统能够将入射光的能量聚集后入射到光栅耦合器阵列。
8.根据权利要求1所述的一种基于反射结构的温度不敏感的级联双环检测仪器，其特征在于，在强度探测时所述输入光源的输入光一部分通过光纤耦合器进入探测器一，监控输入的光功率稳定性，另一部分通过空间光学系统利用光栅耦合的方式进入级联双环传感器中，级联双环传感器第二端口连接的反射结构将光原路返回，最终进入到探测器二中。
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