一种基于FBG-TFBG的精氨酸检测光纤传感器

一种基于fbg-tfbg的精氨酸检测光纤传感器
技术领域
1.本发明属于光纤传感领域，具体涉及一种基于fbg-tfbg的精氨酸检测光纤传感器。


背景技术：

2.精氨酸是生物体健康细胞活性的产物，是一种必需氨基酸，是合成蛋白质和许多生物重要分子的重要前体，如鸟氨酸、脯氨酸、多胺、肌酸和胍丁胺。同时也是产生垂体促生长激素的最有效刺激物之一，也会影响肌肉代谢可以增加肌肉质量和减少身体脂肪组织。具有抗肿瘤活性，即激活巨噬细胞，这是免疫反应发展的主要成分。此外，精氨酸还可以防止血栓的形成及其与动脉内壁的粘附，从而降低血栓和动脉粥样硬化斑块的发生风险。缺乏精氨酸会导致心脏问题、荷尔蒙和性功能障碍、肥胖和许多其他疾病。因此，对于食品中精氨酸的检测尤为重要。
3.tfbg是一种光栅条纹与光纤法线存在一定角度的特殊光纤光栅。由于光栅倾角的引入，前向传导的入射光被有效激发至后向传导的包层模，并保留满足布拉格条件的后向传导纤芯模。经过各种新颖的结构设计、物理组合及生物化学材料修饰，倾斜光纤光栅可实现多种物理、机械、电磁、生物、医学、化学传感量的高精度检测。随着各种新功能材料和纳米加工技术的快速发展，基于倾斜光纤光栅的交叉学科研究快速发展，为进一步提高光纤传感器测量精度、拓展测量对象提供了重要支撑和广阔的发展空间。
4.spr是一种特殊的光学现象，可以归结为一种在电介质和金属界面上激发并耦合电荷密度起伏的电磁振荡现象，当入射光的波矢在电介质与金属界面的分量和表面等离子体波的波矢相匹配时，即可激发spr效应，产生表面等离子体波。通过检测反射光波中所携带的光强和相位等信息即可完成对待测物质多种性质的检测。


技术实现要素：

5.本发明提供了一种基于fbg-tfbg的精氨酸检测光纤传感器，fbg可以消除实验过程中温度的影响，并且通过观察透射光谱中spr信号的强度进而实现精氨酸的检测。
6.为达上述目的，本发明实施实例采用如下技术方案：
7.提供了一种基于fbg-tfbg的精氨酸检测光纤氨基酸传感器，其特征在于：它包括宽带光源 (1)、传输光纤(2)、fbg(3)、tfbg(4)、表面精氨酸识别膜(5)、光谱仪(6)；
8.宽带光源(1)发出的光经传输光纤(2)入射至tfbg(4)，其前向传导的入射光被有效激发至包层模，当待测溶液中的样品与表面精氨酸识别膜(5)发生相互作用时，会引起金膜表面折射率发生变化，从而导致spr的变化，通过光谱仪(6)检测出spr的变化，进而实现对精氨酸的精确检测。
9.由于fbg对周围的折射率不敏感，但对环境温度敏感，而spr对二者都敏感。根据其温度变化与波长漂移的关系，可以根据光谱仪(6)接收到的光谱频域的位置实现温度传感与补偿。
10.本发明专利提供了一种基于fbg-tfbg的精氨酸检测光纤传感器，该传感系统改善了现有氨基酸传感器的稳定性差、灵敏度低、多参同时变化易于造成交叉敏感等问题。
11.本发明专利的有益效果是：本发明针对现有氨基酸传感器的稳定性差、灵敏度低、多参同时变化易于造成交叉敏感等问题，提出改进方案；fbg可以消除温度对于实验的影响，tfbg 表面金膜可以激发spr效应，进而提高折射率灵敏度；金膜表面涂敷的精氨酸识别膜可以特异性识别并吸附溶液中的精氨酸，通过观察光谱的变化实现对精氨酸的检测；该精氨酸检测传感器装置具有精确度高、稳定性好、灵敏度高等特点，为氨基酸的在线监测提供了一种切实可行的办法。
附图说明
12.图1为一种基于fbg-tfbg的精氨酸检测光纤传感器的结构示意图。其中1为宽带光源，2 为传输光纤，3为fbg，4为tfbg，并且表面涂敷一层金膜以激发spr效应，5为表面精氨酸识别膜，6为光谱仪。
具体实施方式
13.以下实施将结合附图对本发明作进一步的说明。
14.本发明的一种基于fbg-tfbg的精氨酸检测光纤传感器，如图1所示，它包括宽带光源(1)、传输光纤(2)、fbg(3)、tfbg(4)、表面精氨酸识别膜(5)、光谱仪(6)。
15.当外界环境温度发生变化时，根据fbg(3)进行温度补偿，补偿后的有效折射率变化实现温度补偿的高灵敏度；宽带光源(1)发出的光经传输光纤(2)入射至tfbg(4)，在其表面均匀镀上一层金膜，金膜厚度为30nm，进而激发spr效应，实现表面高折射率灵敏度；在金膜表面涂敷精氨酸识别膜(5)，具体使用脲酶，当待测液中的精氨酸与传感器表面脲酶发生相互作用时，会引起金膜表面折射率发生变化，通过观察光谱变化进而实现对于溶液中精氨酸的检测。
16.假设共振波长偏移δλ1由样品折射率δn的变化和温度δt的变化共同决定，而共振波长偏移δλ2仅仅由δt决定，函数关系可以通过以下方程式进行数学表示：
[0017][0018]
可以得到基于fbg-tfbg的精氨酸检测光纤传感器的传感矩阵为：
[0019][0020]
上式中α1和α2分别表示为fbg和tfbg的温度灵敏度，β1(t)和β2(t)分别表示为某一温度下fbg和tfbg的折射率灵敏度。


技术特征：
1.一种基于fbg-tfbg的精氨酸检测光纤传感器，其特征在于，所述装置包括宽带光源(1)、单模光纤(2)、fbg(3)、tfbg(4)、表面精氨酸识别膜(5)、光谱仪(6)。所述的宽带光源(1)发出的光通过单模光纤(2)与fbg(3)左端相连，fbg(3)与tfbg(4)相连之后通过传输光纤(2)连接光谱仪(6)。2.如权利要求1所述的检测装置，其中，所述的fbg(3)可以消除实验过程中温度的影响，tfbg(4)的倾斜角度为4
°
，在其表面均匀镀上金膜，金膜厚度约为30nm，在金膜表面涂敷精氨酸识别膜(5)，具体使用脲酶，实现对于精氨酸的测定。

技术总结
本发明专利提供了一种基于FBG-TFBG的精氨酸检测光纤传感器，属于光纤传感领域；本发明与其他氨基酸光纤传感器相比具有灵敏度高、结构简单、成本低、响应速度快、抗电磁干扰能力强、可同时消除温度对于实验的影响等优点；本发明包括宽带光源，传输光纤，FBG，TFBG，表面精氨酸识别膜，光谱仪；其中，宽带光源通过传输光纤与FBG左端相连，FBG与TFBG右端通过传输光纤与光谱仪相连；宽带光源发出的光经过TFBG使其前向传导的入射光被有效激发至包层模，当待测溶液中的样品与表面精氨酸识别膜发生相互作用时，会引起金膜表面折射率发生变化，从而导致SPR的变化，通过光谱仪检测SPR信号的变化，进而实现对精氨酸的精确检测。进而实现对精氨酸的精确检测。进而实现对精氨酸的精确检测。


技术研发人员：吴海滨 徐萌萌 杨文龙
受保护的技术使用者：哈尔滨理工大学
技术研发日：2022.03.08
技术公布日：2022/6/10