专利名称：一种生物溶液浓度的光谱传感测试方法
技术领域：
本发明涉及一种光学测试技术，特别涉及一种基于复数折射率分布条波导的生物溶液浓度的光谱传感测试方法。
背景技术：
药物分析和生物活性物质分析等测试工作在生命科学和临床医学中起着重要的作用，光学传感具有非破坏性、信号发生和读取的速度快等优点，是该领域迄今应用最为普遍的测试技术之一。其中采用导波光或表面波作为信号载体、构造集成光学生化传感器件的研究有不少报道，包括早期的波导湿度传感器(K. Tiefenthaler等，Opt. Lett. , 1984, 10 (4) 137-139)、以及近年开发的表面等离子共振生物传感器(A. J. Haes 等，Expert Review of Molecular Diagnostics, 2004, 4: 527-537; J. W. Chung 等， Sens. Actuators B, 2005, 111: 416-422)和光波导模式谱传感器等(XIE Xiao 等，Laser & Optoelectronics Progress, 2006,43 (11): 33-42)。这些生物传感器采用平面波导结构，光波的输入/输出须使用棱镜耦合等精细操作方式，存在工作环境要求高、测试操作难度大等有碍推广应用的问题。采用条波导构造、形成与光纤对接固化的结构是一个解决办法。条波导的制备技术有多种，其中采用离子扩散技术制备条波导成本低且导模的倏逝波渗出在基板表面外，可通过倏逝波与基板表面附近待测介质的相互作用实现多种探测功能，在光传感领域有广泛应用前景。由于不同模式的倏逝波的模场分布各异，精确传感通常采用单模条波导，待测液体样品作为上包层，液体中特定成分的浓度一旦发生变动将引起包层介质的吸收系数以及包层折射率发生变动，吸收系数的变动改变导模的传输损耗，包层折射率变动导致导模的场分布以及相位发生改变。显然，传感机制包含了两个方面，一个是波导色散，另一个是倏逝波与样品介质的相互作用。由于样品包层具有吸收性质，包层折射率
是一个由实部和虚部构成的复数，于是这种条波导的折射率分布具有复数和渐变
的特征。在这种带有吸收性包层的单模波导传感结构中，导模呈衰减传输，导模的传播常数
也是一个由实部总和虚部民构成的复数。这种单模条波导传感结构的直接可测参量是导模的传输损耗，传输损耗表现为导模传输功率的变动，导模的传输损耗与导模传播常数的虚部4成比例，因此病可以通过光
学手段测得。还存在三个未知参量.4、《0和 ，彼此之间的关系由导模的本征方程给出。
带有吸收性包层的单模波导的导波的本征方程是一个复数方程，将实部和虚部分开处理可以得到一个由两个公式构成的联立本征方程，由于两个联立公式无法确定上述三个未知量，构成了难以逾越的障碍。
发明内容
本发明是针对渐变折射率条波导运用存在障碍的问题，提出了一种生物溶液浓度的光谱传感测试方法，依据了包层介质的光学响应遵循的物理学因果性原理，根据因果性原理，包层折射率的实部和虚部 不能彼此独立，满足克喇末一克朗尼格关系。只要测
得或从专业手册查得包层介质中待测成分的固有光谱吸收系数，％^和 可变成该待测成
分浓度C的函数。未知参量减少为.4和C两个，可以用上述联立本征方程解出。 本发明的技术方案为一种生物溶液浓度的光谱传感测试方法，具体包括如下步骤
1)用比色计在1100 2500nm波段预先测得所述溶液中待测成分的固有吸收系数
碼( )、或通过查寻专业手册的方式预先查得所述溶液中待测成分的固有吸收系数碍( )
2)根据测得或查得的溶液中待测成分的固有吸收系数碍(《O的谱分布，选定固有吸收
系数较大的波长用作传感测试的光波；
3)用步骤2)选定的测试光波激励条波导的导模，通过测试导模的传输功率变化得到该
导模传播常数的虚部；
4)所述待测溶液的折射率实部和虚部 满足以下公式给出的关系
权利要求
1. 一种生物溶液浓度的光谱传感测试方法，其特征在于，具体包括如下步骤1)用比色计在1100 2500nm波段预先测得所述溶液中待测成分的固有吸收系数碍(约、或通过查寻专业手册的方式预先查得所述溶液中待测成分的固有吸收系数 2)根据测得或查得的溶液中待测成分的固有吸收系数的谱分布，选定固有吸收系数较大的波长用作传感测试的光波；3)用步骤2)选定的测试光波激励条波导的导模，通过测试导模的传输功率变化得到该导模传播常数的虚部鸡；4)所述待测溶液的折射率实部^■和虚部 满足以下公式给出的关系其中P.V.表示施以柯西主值积分，是测试光波的圆频率，K是测试光波在真空中的波数^是所述溶液中待测成分的浓度；5)将传感测得的导模传播常数的虚部Al和步骤4)中的公式代入以下条波导的拟TE和拟TM模的本征方程得所述溶液中待测成分的浓度C
2.根据权利要求1所述生物溶液浓度的光谱传感测试方法，其特征在于，所述步骤3) 中的条波导具有渐变折射率分布，且在1250 ieOOnm波长范围维持单模特性。
3.根据权利要求1所述生物溶液浓度的光谱传感测试方法，其特征在于，所述步骤4)的待测溶液置于所述条波导的上表面，所述条波导的导模的传播常数由实部总和虚部" 组成。
全文摘要
本发明涉及一种生物溶液浓度的光谱传感测试方法，依据了包层介质的光学响应遵循的物理学因果性原理，根据因果性原理，包层折射率的实部和虚部不能彼此独立，满足克喇末－克朗尼格关系。只要测得或从专业手册查得包层介质中待测成分的固有光谱吸收系数，和可变成该待测成分浓度C的函数。未知参量减少为和C两个，可以用导模的联立本征方程解出待测成分浓度C。该方法的相关性系数在0.9850～0.9961范围，最低检测限为0.1μM，实现了低浓度微量测试，体现了临床推广意义。
文档编号G01N21/31GK102323227SQ20111015693
公开日2012年1月18日 申请日期2011年6月13日 优先权日2011年6月13日
发明者刘瑾, 邹任玲, 陈抱雪, 隋国荣 申请人:上海理工大学