一種生物溶液濃度的光譜傳感測試方法

2023-05-11 13:54:21 1

專利名稱：一種生物溶液濃度的光譜傳感測試方法
技術領域：
本發明涉及一種光學測試技術，特別涉及一種基於複數折射率分布條波導的生物溶液濃度的光譜傳感測試方法。
背景技術：
藥物分析和生物活性物質分析等測試工作在生命科學和臨床醫學中起著重要的作用，光學傳感具有非破壞性、信號發生和讀取的速度快等優點，是該領域迄今應用最為普遍的測試技術之一。其中採用導波光或表面波作為信號載體、構造集成光學生化傳感器件的研究有不少報導，包括早期的波導溼度傳感器(K. Tiefenthaler等，Opt. Lett. , 1984, 10 (4) 137-139)、以及近年開發的表面等離子共振生物傳感器(A. J. Haes 等，Expert Review of Molecular Diagnostics, 2004, 4: 527-537; J. W. Chung 等， Sens. Actuators B, 2005, 111: 416-422)和光波導模式譜傳感器等(XIE Xiao 等，Laser & Optoelectronics Progress, 2006,43 (11): 33-42)。這些生物傳感器採用平面波導結構，光波的輸入/輸出須使用稜鏡耦合等精細操作方式，存在工作環境要求高、測試操作難度大等有礙推廣應用的問題。採用條波導構造、形成與光纖對接固化的結構是一個解決辦法。條波導的製備技術有多種，其中採用離子擴散技術製備條波導成本低且導模的倏逝波滲出在基板表面外，可通過倏逝波與基板表面附近待測介質的相互作用實現多種探測功能，在光傳感領域有廣泛應用前景。由於不同模式的倏逝波的模場分布各異，精確傳感通常採用單模條波導，待測液體樣品作為上包層，液體中特定成分的濃度一旦發生變動將引起包層介質的吸收係數以及包層折射率發生變動，吸收係數的變動改變導模的傳輸損耗，包層折射率變動導致導模的場分布以及相位發生改變。顯然，傳感機制包含了兩個方面，一個是波導色散，另一個是倏逝波與樣品介質的相互作用。由於樣品包層具有吸收性質，包層折射率
是一個由實部和虛部構成的複數，於是這種條波導的折射率分布具有複數和漸變
的特徵。在這種帶有吸收性包層的單模波導傳感結構中，導模呈衰減傳輸，導模的傳播常數
也是一個由實部總和虛部民構成的複數。這種單模條波導傳感結構的直接可測參量是導模的傳輸損耗，傳輸損耗表現為導模傳輸功率的變動，導模的傳輸損耗與導模傳播常數的虛部4成比例，因此病可以通過光
學手段測得。還存在三個未知參量.4、《0和 ，彼此之間的關係由導模的本徵方程給出。
帶有吸收性包層的單模波導的導波的本徵方程是一個複數方程，將實部和虛部分開處理可以得到一個由兩個公式構成的聯立本徵方程，由於兩個聯立公式無法確定上述三個未知量，構成了難以逾越的障礙。

發明內容
本發明是針對漸變折射率條波導運用存在障礙的問題，提出了一種生物溶液濃度的光譜傳感測試方法，依據了包層介質的光學響應遵循的物理學因果性原理，根據因果性原理，包層折射率的實部和虛部 不能彼此獨立，滿足克喇末一克朗尼格關係。只要測
得或從專業手冊查得包層介質中待測成分的固有光譜吸收係數，％^和 可變成該待測成
分濃度C的函數。未知參量減少為.4和C兩個，可以用上述聯立本徵方程解出。 本發明的技術方案為一種生物溶液濃度的光譜傳感測試方法，具體包括如下步驟
1)用比色計在1100 2500nm波段預先測得所述溶液中待測成分的固有吸收係數
碼( )、或通過查尋專業手冊的方式預先查得所述溶液中待測成分的固有吸收係數礙( )
2)根據測得或查得的溶液中待測成分的固有吸收係數礙(《O的譜分布，選定固有吸收
係數較大的波長用作傳感測試的光波；
3)用步驟2)選定的測試光波激勵條波導的導模，通過測試導模的傳輸功率變化得到該
導模傳播常數的虛部；
4)所述待測溶液的折射率實部和虛部 滿足以下公式給出的關係
權利要求
1. 一種生物溶液濃度的光譜傳感測試方法，其特徵在於，具體包括如下步驟1)用比色計在1100 2500nm波段預先測得所述溶液中待測成分的固有吸收係數礙(約、或通過查尋專業手冊的方式預先查得所述溶液中待測成分的固有吸收係數 2)根據測得或查得的溶液中待測成分的固有吸收係數的譜分布，選定固有吸收係數較大的波長用作傳感測試的光波；3)用步驟2)選定的測試光波激勵條波導的導模，通過測試導模的傳輸功率變化得到該導模傳播常數的虛部雞；4)所述待測溶液的折射率實部^■和虛部 滿足以下公式給出的關係其中P.V.表示施以柯西主值積分，是測試光波的圓頻率，K是測試光波在真空中的波數^是所述溶液中待測成分的濃度；5)將傳感測得的導模傳播常數的虛部Al和步驟4)中的公式代入以下條波導的擬TE和擬TM模的本徵方程得所述溶液中待測成分的濃度C
2.根據權利要求1所述生物溶液濃度的光譜傳感測試方法，其特徵在於，所述步驟3) 中的條波導具有漸變折射率分布，且在1250 ieOOnm波長範圍維持單模特性。
3.根據權利要求1所述生物溶液濃度的光譜傳感測試方法，其特徵在於，所述步驟4)的待測溶液置於所述條波導的上表面，所述條波導的導模的傳播常數由實部總和虛部" 組成。
全文摘要
本發明涉及一種生物溶液濃度的光譜傳感測試方法，依據了包層介質的光學響應遵循的物理學因果性原理，根據因果性原理，包層折射率的實部和虛部不能彼此獨立，滿足克喇末－克朗尼格關係。只要測得或從專業手冊查得包層介質中待測成分的固有光譜吸收係數，和可變成該待測成分濃度C的函數。未知參量減少為和C兩個，可以用導模的聯立本徵方程解出待測成分濃度C。該方法的相關性係數在0.9850～0.9961範圍，最低檢測限為0.1μM，實現了低濃度微量測試，體現了臨床推廣意義。
文檔編號G01N21/31GK102323227SQ20111015693
公開日2012年1月18日 申請日期2011年6月13日 優先權日2011年6月13日
發明者劉瑾, 鄒任玲, 陳抱雪, 隋國榮 申請人:上海理工大學