专利名称：：一种应用于总磷检测的倏逝波光传感测试系统及方法
技术领域：
：本发明涉及倏逝波光传感
技术领域：
，尤其涉及一种应用于总磷检测的倏逝波光传感测试系统及方法。
背景技术：
：水环境监测包括对水温、pH值、溶解氧、总磷、总氮、重金属、氟化物、氰化物等多种参数进行监测，其中，对水环境总磷的监测尤为重要。磷是自然界水环境中重要的生源要素，控制着水体生态系统中的初级生产过程，磷的含量决定水生生物的生长过程，它是水体环境富营养化的决定因素。水环境总磷离子浓度的监测对于保护水环境、评估和控制污染程度有着重要的意义。通用的总磷检测方法分为以下两步第一步是消解，目的是把溶液中的存在的不同形式磷元素全部转化为正磷酸根离子；第二步为正磷酸根离子浓度的检测，即通过测得的正磷酸根离子浓度推算出溶液的总磷含量。目前，正磷酸根离子浓度通用的测试方法为分光光度法，该方法测试时间长，测试中需要比较笨重的分光光度仪等设备，维护成本很尚ο为了降低维护成本、缩短测试时间、实现测试系统的微型化与集成化，国内、国际上的研究机构展开了广泛而深入的研究，努力探索新的传感原理和方法。目前，国际上对于水溶液中正磷酸根离子浓度检测方法的探索主要集中在电化学和生物电化学方向上，分为以下三类电位测量法、间接的伏安测定法和生物酶传感法。但是，此类方法以电化学反应和生物化学为基础，反应平衡的建立往往需要较长的时间，而且对水环境变化非常敏感，易受到温度、PH值和其他杂质离子的干扰。这使得电化学检测方法的测试时间较长、测试结果的重复性和稳定性不好，在复杂多变的自然界水环境下，电化学检测方法面临的巨大挑战。近年来，关于倏逝波光传感器件的研究进展很快，被广泛应用于医学、生物学和环保领域，它的工作原理为光纤或者光波导中传输的探测光有一部分光能量以倏逝波的形式扩散到包层介质中，当外部介质发生了特异性变化时，介质与倏逝波的相互作用使传输的光信号发生速度、相位或者强度的变化，可以通过测量这种变化来获得外部介质的信息。基于光纤结构的倏逝波光传感器被用来探测生命体中的抗体、病毒以及有机大分子(BrummelKE,WrightJ,EldefrawMΕ,"Afiberopticbiosensorforcyclodienceinsecticides”，J.Agric.FoodChem，1997，45(11):3292-3^8.)，检测血液、食品中的毒素(TempelmanLA,KingKD,AndersonGP,etal.‘‘QuantitatingStophlococcalenterotoxinBindiversemediausingaportablefiber-opticbiosensor",J.AnalBiochen,1996，233(1):50-58.)，测定水环境的PH值(S.ThomasLee,B.Aneeshkumar,P.Radhakrishnan,C.P.G.Vallabhan,V.P.N.Nampoori,"AmicrobentfiberopticpHsensor”，J.OpticsCommunication,205(2002):253-256.)、检测的易燃易暴气体。硅基微纳光波导倏逝波传感器是近年来光传感领域一个新兴的方向，它是利用高折射率差硅基光波导对光场的强局域作用，增强倏逝波光传感效应。这种传感方式促进了硅光子学与微生物学以及医学的交叉融合，随着硅基光子器件的不断发展，出现了多种形式的硅基倏逝波光传感器件。除了传统的直波导结构的微型化生物传感器以外(A.Densmore，D.-X.Xu，P.Waldron,S.Janz,P.Cheben,J.Lapointe,A.Delage,B.Lamontagne,J.H.SchmidandΕ.Post,"Asi1icon-on-insulatorphotonicwirebasedevanescentfieldsensor，”IEEEPhoton.Technol.Lett.18,2520-2522(2006).),还出现了螺旋型结I^JW7#^^(A.Densmore,D.-Χ.Xu,S.Janz,P.ffaldron,Τ.Mischki,G.Lopinski,Α.Delage,J.Lapointe,P.Cheben,B.Lamontagneandj.H.Schmid,"Spiralpath,highsensitivitysiliconphotonicwiremolecularsensorwithtemperatureindependentresponse,”OpticsLett.33,596-598(2008))它利用了硅基微纳光波导低损耗和具小转弯半径的特点，有效的延长光波导传感器的作用长度，提高了系统的集成度。另夕卜，弓I入Mach-Zehnder结构(F.Prieto,B.Sepulveda,A.Calle,A.Llobera,C.Dominguez,L.M.Lechuga,“IntegratedMach-Zehnderinterferometerbasedonarrowstructuresforbiosensorapplications，，，Sen.ActuatorsB:Chem.92(2003)151-158.)利用两路光信号的干涉增加光响应的灵敏度，另一种新结构是采用多环级联的微环谐振腔结构(E.Krioukov,J.Greve,C.Otto,"Performanceofintegratedopticalmicrocavitiesforrefractiveindexandfluorescencesensing”Sen.ActuatorsB=Chem.90(2003)58-67)，利用多环级联谐振峰偏移实现对外部介质光性能变化的敏感响应。这种硅基倏逝波光传感器件具有微型化的尺寸、测试快速、准确，灵敏度高，为寻找应用于总磷检测中正磷酸根离子测试的光传感方法带来了启发。
发明内容(一)要解决的技术问题有鉴于此，本发明的主要目的是基于微纳光波导倏逝波光传感原理，提供一种应用于总磷检测的倏逝波光传感测试系统及方法。(二)技术方案为达到上述目的，本发明提供了一种应用于总磷检测的倏逝波光传感测试系统，该系统包括半导体激光器光源1、输入光纤2、光纤微动架3、微纳光波导倏逝波光传感器4、输出光纤5、光纤微动架6和光电二极管7，其中，半导体激光器光源1与输入光纤2耦合，输入光纤2—端固定在光纤微动架3上，另一端与微纳光波导倏逝波光传感器4输入端的微纳光波导对准，微纳光波导倏逝波光传感器4输出端的微纳光波导与输出光纤5的输入端对准，输出光纤5固定在光纤微动架6上，输出光纤5的输出端与光电二极管7耦合连接。上述方案中，所述微纳光波导倏逝波光传感器4是亚微米截面尺寸的微纳光波导器件。上述方案中，所述微纳光波导倏逝波光传感器4采用四层材料结构，自下而上依次为Si衬底8、SiO2层9、波导芯层10和聚合物保护层11。上述方案中，所述Si衬底8起到材料支撑作用。上述方案中，所述SW2层9为波导的下包层，其与波导芯层10的折射率差起到光场限制作用。上述方案中，所述波导芯层10可以选择Si、氮化硅、氮氧化硅或聚合物制作而成。上述方案中，所述聚合物保护层11是波导芯层10的上包层，起到光场限制作用，同时还负责保护非传感区域。上述方案中，在所述波导芯层10上，没有聚合物的区域就是光传感区域12，显色后的待测溶液就滴在光传感区域。为达到上述目的，本发明还提供了一种应用于总磷检测的倏逝波光传感测试方法，该方法包括首先，在待测溶液中加入显色试剂，该显色试剂与待测溶液中的正磷酸根离子反应形成络合物；然后，选择该络合物光吸收谱峰值波长作为探测光波长，获得光传感测试系统的标准光响应曲线；最后，测量待测溶液的光信号能量变化，将该光信号能量变化与该标准光响应曲线进行比对，得到待测溶液的总磷含量。上述方案中，所述选择该络合物光吸收谱峰值波长作为探测光波长，获得光传感测试系统的标准光响应曲线，包括选择该络合物光吸收谱峰值波长作为探测光波长，当激光器光源发出探测光信号，经光纤耦合到微纳光波导，探测光信号在波导表面的倏逝波被溶液中的络合物吸收，引起接收端光电二极管接收的光信号能量的衰减，该衰减量与溶液中总磷含量具有确定对映关系，通过测定一系列不同浓度标准溶液的光信号能量变化量，获得光传感测试系统的标准光响应曲线。(三)有益效果本发明提出的这种应用于总磷检测的倏逝波光传感测试系统及方法，基于截面尺寸在亚微米量级的硅基微纳光波导结构，具有很高的集成度和微型化尺寸，高折射率差提供强烈光局域效应会增强倏逝波与外部吸收介质的相互作用，提高光响应灵敏度。因此，该方法具有速度快、灵敏度高、小型化集成化的潜力。图1是本发明提供的应用于总磷检测的倏逝波光传感测试系统的示意图；图2是本发明提供的微纳光波导倏逝波光传感器的结构示意图；图3是本发明提供的微纳光波导倏逝波光传感器的工作原理示意图。具体实施例方式为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。本发明提出的这种应用于总磷检测的倏逝波光传感测试系统及方法，其主要特征是利用了微纳光波导倏逝波与外部介质的相互作用，获得对溶液中总磷含量信息的光信号响应。该方法首先对含有正磷酸根离子的待测样本溶液进行显色。选择适当的显色试剂，使该显色试剂能与正磷酸根离子发生特异性的显色反应生成络合物，该物质对特定波长的光有强烈的吸收作用，而且该波长的光可以在微纳光波导中低损耗传播。选择该波长的光为探测光，当它进入到传感区时，由于微纳光波导中探测光一部分光场以倏逝波形式扩散到溶液中，被络合物吸收掉，使探测光的能量减弱，而且光能量的变化与溶液中络合物的浓度存在确定的对应关系，因此可以通过探测光信号强度的变化获得正磷酸根离子浓度的信肩、ο如图1所示，图1是本发明提供的应用于总磷检测的倏逝波光传感测试系统的示意图，其中，半导体激光器光源1与输入光纤2耦合，输入光纤2—端固定在光纤微动架3上，另一端与微纳光波导倏逝波光传感器4输入端的微纳光波导对准，微纳光波导倏逝波光传感器4输出端的微纳光波导与输出光纤5的输入端对准，输出光纤5固定在光纤微动架6上，输出光纤5的输出端与光电二极管7耦合连接。图2是本发明提供的微纳光波导倏逝波光传感器的结构示意图。该微纳光波导倏逝波光传感器采用四层材料结构，最下面一层是Si衬底8，起到材料支撑作用；Si衬底8之上是SiO2层9，为波导的下包层，其与位于其上的波导芯层10的折射率差起到光场限制作用；SiO2层9之上是波导芯层10，根据传输光波长不同要求，选择Si、氮化硅、氮氧化硅、聚合物等不同的材料。波导芯层10之上是聚合物保护层11，是波导芯层10的上包层，起到光场限制作用，同时还负责保护非传感区域。没有聚合物的区域就是光传感区域12，显色后的待测溶液就滴在光传感区域。图3是本发明提供的微纳光波导倏逝波光传感器的工作原理示意图。首先，对含有正磷酸根离子的待测样本溶液进行显色。选择适当的显色试剂，它能和正磷酸根离子发生特异性的显色反应生成络合物，该物质对特定波长的光有强烈的吸收作用，而且该波长的光可以在硅基光波导中低损耗传播。然后，选择该波长的光为探测光，当它进入到传感区时，由于硅基微纳光波导中探测光一部分光场以倏逝波形式扩散到溶液中被络合物吸收掉，从而使探测光的能量减弱，而且光能量的变化与溶液中络合物的浓度存在确定的对应关系，因此可以通过探测光信号强度的变化获得正磷酸根离子浓度的信息。通过测定一系列不同浓度标准溶液的光信号能量变化量，得到光传感测试系统的标准光响应曲线。最后，测量待测溶液的光信号能量变化，将该光信号能量变化与该标准光响应曲线进行比对，得到待测溶液的总磷含量。以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。权利要求1.一种应用于总磷检测的倏逝波光传感测试系统，其特征在于，该系统包括半导体激光器光源(1)、输入光纤O)、光纤微动架(3)、微纳光波导倏逝波光传感器G)、输出光纤(5)、光纤微动架(6)和光电二极管(7)，其中，半导体激光器光源(1)与输入光纤(耦合，输入光纤(一端固定在光纤微动架C3)上，另一端与微纳光波导倏逝波光传感器(4)输入端的微纳光波导对准，微纳光波导倏逝波光传感器(4)输出端的微纳光波导与输出光纤(5)的输入端对准，输出光纤(5)固定在光纤微动架(6)上，输出光纤(5)的输出端与光电二极管(7)耦合连接。2.根据权利要求1中所述的应用于总磷检测的倏逝波光传感测试系统，其特征在于，所述微纳光波导倏逝波光传感器(4)是亚微米截面尺寸的微纳光波导器件。3.根据权利要求1中所述的应用于总磷检测的倏逝波光传感测试系统，其特征在于，所述微纳光波导倏逝波光传感器(4)采用四层材料结构，自下而上依次为Si衬底(8)、Si&层(9)、波导芯层(10)和聚合物保护层(11)。4.根据权利要求3中所述的应用于总磷检测的倏逝波光传感测试系统，其特征在于，所述Si衬底(8)起到材料支撑作用。5.根据权利要求3中所述的应用于总磷检测的倏逝波光传感测试系统，其特征在于，所述SiO2层(9)为波导的下包层，其与波导芯层(10)的折射率差起到光场限制作用。6.根据权利要求3中所述的应用于总磷检测的倏逝波光传感测试系统，其特征在于，所述波导芯层(10)选择Si、氮化硅、氮氧化硅或聚合物制作而成。7.根据权利要求3中所述的应用于总磷检测的倏逝波光传感测试系统，其特征在于，所述聚合物保护层(11)是波导芯层(10)的上包层，起到光场限制作用，同时还负责保护非传感区域。8.根据权利要求3中所述的应用于总磷检测的倏逝波光传感测试系统，其特征在于，在所述波导芯层(10)上，没有聚合物的区域就是光传感区域(12)，显色后的待测溶液就滴在光传感区域。9.一种应用于总磷检测的倏逝波光传感测试方法，其特征在于，该方法包括首先，在待测溶液中加入显色试剂，该显色试剂与待测溶液中的正磷酸根离子反应形成络合物；然后，选择该络合物光吸收谱峰值波长作为探测光波长，获得光传感测试系统的标准光响应曲线；最后，测量待测溶液的光信号能量变化，将该光信号能量变化与该标准光响应曲线进行比对，得到待测溶液的总磷含量。10.根据权利要求9中所述的应用于总磷检测的倏逝波光传感测试方法，其特征在于，所述选择该络合物光吸收谱峰值波长作为探测光波长，获得光传感测试系统的标准光响应曲线，包括选择该络合物光吸收谱峰值波长作为探测光波长，当激光器光源发出探测光信号，经光纤耦合到微纳光波导，探测光信号在波导表面的倏逝波被溶液中的络合物吸收，引起接收端光电二极管接收的光信号能量的衰减，该衰减量与溶液中总磷含量具有确定对映关系，通过测定一系列不同浓度标准溶液的光信号能量变化量，获得光传感测试系统的标准光响应曲线。全文摘要本发明公开了一种应用于总磷检测的倏逝波光传感测试系统及方法。该系统包括半导体激光器光源、输入光纤、光纤微动架、微纳光波导倏逝波光传感器、输出光纤、光纤微动架和光电二极管。该方法包括首先，在待测溶液中加入显色试剂，该显色试剂与待测溶液中的正磷酸根离子反应形成络合物；然后，选择该络合物光吸收谱峰值波长作为探测光波长，获得光传感测试系统的标准光响应曲线；最后，测量待测溶液的光信号能量变化，将该光信号能量变化与该标准光响应曲线进行比对，得到待测溶液的总磷含量。文档编号G01N21/31GK102297843SQ20101021720公开日2011年12月28日申请日期2010年6月23日优先权日2010年6月23日发明者刘新宇,刘焕明,周静涛,杨成樾,申华军,贾锐申请人:中国科学院微电子研究所