基于双环谐振腔辅助的马赫-曾德尔干涉仪光学生物传感器的制造方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种光学生物传感器，尤其涉及一种基于双环谐振腔辅助的马赫-曾 德尔干涉仪光学生物传感器。
【背景技术】
[0002] 光学生物传感器因其在生物医学诊断，药物研发，环境监测和食品安全等领域的 广泛应用而取得了快速的发展。其中基于光学技术的生物传感器有很多优点：超高的灵敏 度，较强的抗电磁干扰能力，高可靠性、高集成度和多参量，因此获得了广泛的关注。
[0003] 双环谐振腔辅助的马赫-曾德尔干涉仪光学生物传感器仅需要测量强度信息，无 需高分辨率的光谱仪或者可调谐的激光器测量光谱信息，提高传感器灵敏度的同时，大大 降低传感器的成本。当入射光的频率在谐振腔的谐振频率附近时，光的相位变化随谐振腔 的光学长度变化非常灵敏，马赫-曾德尔干涉仪可将相位变化的信息转变为输出光强的变 化信息，所以此传感器灵敏度非常高。然而在谐振腔的谐振频率附近，谐振腔光学长度的改 变引起光相位剧烈变化的同时，振幅也会随之变化。如果马赫-曾德尔干涉仪的两个臂的 光振幅不等，会导致干涉效果不佳。
【发明内容】
[0004] 本发明的目的在于提供一种基于双环谐振腔辅助的马赫-曾德尔干涉仪光学生物 传感器，选取合适的生物表面修饰材料，使马赫-曾德尔干涉仪两个臂上的环形波导谐振腔 具有某一个共同的谐振频率。当被测液体中抗原与第一个环形波导谐振腔表面的生物抗体 结合时，吸附在波导芯层表面，引起第一个环形波导谐振腔的有效折射率增大；而当被测 液体中抗原与第二个环形波导谐振腔表面的生物抗体结合时，使生物抗体脱离了波导芯层 表面，引起第二个环形波导谐振腔有效折射率减小相同的数值，导致两个环形波导谐振腔 内光的相位差增大，但是两个环形波导谐振腔内光的振幅变化相同。
[0005] 本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：一种基于双环谐振腔辅助的马赫-曾德尔干涉仪光学生物传感器，包括激光光源、马赫-曾德尔干涉仪、第一环形谐振腔、第二 环形谐振腔、第一探测器和第二探测器等；所述马赫-曾德尔干涉仪的输入耦合器的输入 端与激光光源连接，两个输出端分别与所述马赫-曾德尔干涉仪的上臂的一端和下臂的一 端相连接；所述马赫-曾德尔干涉仪的上臂和下臂分别与第一环形谐振腔和第二环形谐振 腔相耦合；所述马赫-曾德尔干涉仪的上臂的另一端和下臂的另一端分别与输出耦合器的 两个输入端相连接；所述输出親合器的第一输出端和第二输出端分别与第一探测器和第二 探测器相连接；所述第一环形谐振腔的芯层表面修饰有特异性吸附功能的生物抗体；所述 第二环形谐振腔的芯层表面修饰有吸附生物抗体的竞争抗原；所述第一环形谐振腔和所述 第二环形谐振腔均与被测液体接触。
[0006] 进一步地，所述修饰生物抗体的第一环形谐振腔与修饰竞争抗原的第二环形谐振 腔至少有一个相同的谐振频率。
[0007] 进一步地，所述激光光源的频率为第一环形谐振腔与第二环形谐振腔的一个共同 谐振频率。
[0008] 进一步地，所述竞争抗原对生物抗体的亲和力小于被测液体中待检测抗原对生物 抗体的亲和力。
[0009] 进一步地，被测液体中待检测抗原与生物抗体结合后，引起第一环形谐振腔的有 效折射率增大，而第二环形谐振腔的有效折射率减小，从而导致两个环形谐振腔内光的相 位差增大。
[0010] 进一步地，所述马赫-曾德尔干涉仪、第一环形谐振腔和第二环形谐振腔可采用平 面集成光波导，或者分立光学元件，或者光纤构成。
[0011] 本发明具有的有益效果是：本发明使用输入光源为单一波长激光光源，降低传感 器成本；可以采用集成光波导结构，使传感器集成度高，体积小，便于高通量、多参数测量的 实现；在光学谐振腔内芯层表面修饰有特异性吸附功能的生物表面膜，使传感器针对特定 待测物质具有选择性吸附功能；利用被测液体中抗原与第一个环形波导谐振腔表面的生物 抗体结合时引起第一个环形波导谐振腔的有效折射率增大，而与第二个环形波导谐振腔表 面的生物抗体结合时，使生物抗体脱离了波导芯层表面，引起第二个环形波导谐振腔有效 折射率减小相同的数值，导致两个环形波导谐振腔内光的相位差增大，但是两个环形波导 谐振腔内光的振幅变化相同，保证了马赫-曾德尔干涉仪的干涉效果，从而大大提高了传感 器的灵敏度。
【附图说明】
[0012] 图1为一种基于双环谐振腔辅助的马赫-曾德尔干涉仪光学生物传感器示意图；
[0013] 图2为第一环形波导谐振腔的端面示意图；
[0014] 图3为第二环形波导谐振腔的端面示意图；
[0015] 图4为第一环形波导谐振腔有效折射率变化δ n时，其透射率和相位变化示意 图；
[0016] 图5为第一环形波导谐振腔有效折射率变化δ η，第二环形波导谐振腔有效折射 率变化-δ η时，两个探测器接收到的归一化功率变化示意图；
[0017] 图6为两个探测器接收到光功率比值和环形波导谐振腔有效折射率变化δη关 系不意图；
[0018] 图中，激光光源1、马赫-曾德尔干涉仪2、第一环形波导谐振腔3、第二环形波导 谐振腔4、第一探测器5、第二探测器6、马赫-曾德尔干涉仪2的输入波导21、输入耦合器 22、马赫-曾德尔干涉仪2的上臂23、马赫-曾德尔干涉仪2的下臂24、输出耦合器25、马 赫-曾德尔干涉仪2的第一输出波导26、马赫-曾德尔干涉仪2的第二输出波导27、第一 环形波导谐振腔3内波导芯层31、生物抗体32、第二环形波导谐振腔4内波导芯层41、竞争 抗原42、被测液体7、待检测抗原8。
【具体实施方式】
[0019] 下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明。
[0020] 实施例
[0021] 如图1所示，本发明一种基于双环谐振腔辅助的马赫-曾德尔干涉仪光学生物传 感器，包括激光光源1、马赫-曾德尔干涉仪2、第一环形谐振腔3、第二环形谐振腔4、第一 探测器5和第二探测器6 ;所述马赫-曾德尔干涉仪2的输入耦合器22的输入端21与激 光光源1连接，所述输入耦合器22的两个输出端分别与所述马赫-曾德尔干涉仪2的上臂 23的一端和下臂24的一端相连接；所述马赫-曾德尔干涉仪2的上臂23和下臂24分别 与第一环形谐振腔3和第二环形谐振腔4相耦合；所述马赫-曾德尔干涉仪2的上臂23的 另一端和下臂24的另外一端分别与输出耦合器25的两个输入端相连接；所述输出耦合器 25的第一输出端26和第二输出端27分别与第一探测器5和第二探测器6相连接。
[0022] 如图2所示，第一环形波导谐振腔3内波导芯层31表面修饰有特异性吸附功能的 生物抗体32。所述第一环形波导谐振腔3的生物抗体32与被测液体7接触；
[0023] 如图3所示，第二环形波导谐振腔4内波导芯层41表面修饰有吸附生物抗体32 的竞争抗原42 ;所述第二环形波导谐振腔4的吸附生物抗体32的竞争抗原42与被测液体 7接触。
[0024] 激光光源1发出的光通过马赫-曾德尔干涉仪2的输入波导21分为两路，一路进 入马赫-曾德尔干涉仪2的上臂23与第一环形波导谐振腔3相耦合；另外一路进入马赫-曾德尔干涉仪2的下臂24与第二环形波导谐振腔4相耦合；两路光干涉后一路从马赫-曾 德尔干