耿佳駿，胡舜迪，洪歡歡，趙 鵬，聞路紅

(寧波大學(xué) 寧波高等技術(shù)研究院，浙江 寧波 315211)

0 引 言

光學(xué)微腔生物傳感技術(shù)綜合了生物傳感技術(shù)[1]、光學(xué)微腔技術(shù)和激光技術(shù)[2]的一門新技術(shù)。但在早期受光學(xué)微腔制造工藝的限制，影響了對(duì)光學(xué)微腔的研究。直到1989年俄國(guó)的Braginsk V B等人，通過燒熔玻璃光纖成功制備出穩(wěn)定的固態(tài)玻璃微球腔，才引得大量的實(shí)驗(yàn)研究小組投入到光學(xué)微腔的研究領(lǐng)域中[3]。多年來，對(duì)光學(xué)微腔的研究已經(jīng)取得了很大的進(jìn)展[4]。2002年，Arnold S小組利用微球型光學(xué)微腔對(duì)蛋白分子進(jìn)行了檢測(cè)[5]。2017年,北京大學(xué)肖云峰研究員和龔旗煌院士等人，實(shí)現(xiàn)了超高品質(zhì)因子光學(xué)微腔和納米尺度波導(dǎo)之間高效、超寬譜的光耦合，突破了微納光學(xué)器件近場(chǎng)耦合需要相位匹配的限制[6]。但針對(duì)光學(xué)微腔的研究均在實(shí)驗(yàn)室中完成，光學(xué)微腔傳感器的集成化產(chǎn)品化還未實(shí)現(xiàn)。例如復(fù)旦大學(xué)李皓博士和美國(guó)紐約大學(xué)的Arnold S小組均采用分離設(shè)備的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，激光經(jīng)光纖輸出后與光學(xué)微腔相切耦合，用數(shù)/模轉(zhuǎn)換卡采集光電信號(hào)，并在電腦上顯示[7,8]。為了光學(xué)微腔的集成化和產(chǎn)品化,許多人將目光投向了微流控技術(shù)[9]并取得了不錯(cuò)的進(jìn)展。2008年，范旭東小組成功用光微流諧振環(huán)實(shí)現(xiàn)了有機(jī)磷藥檢測(cè)[10]。2016年,Geoffray Fabien等人開發(fā)了一種用于細(xì)胞核環(huán)境化學(xué)分析的光微流微系統(tǒng)[11]。

為了促進(jìn)光學(xué)微腔的集成化應(yīng)用，本文設(shè)計(jì)了一種光學(xué)微腔生物傳感器信號(hào)采集控制系統(tǒng)。

1 光學(xué)微腔生物傳感器原理

光學(xué)微腔生物傳感器通過觀察分析物對(duì)微腔光學(xué)模式的影響進(jìn)行探測(cè)。當(dāng)與光學(xué)微腔相互作用的溶液環(huán)境發(fā)生變化或其表面黏附納米顆粒或生物分子時(shí)，其光學(xué)共振模式的頻率會(huì)發(fā)生漂移[12]。光學(xué)微腔生物傳感器基本結(jié)構(gòu)如圖1(a)所示，傳感器工作時(shí)，恒流注射泵驅(qū)動(dòng)待測(cè)物質(zhì)緩慢流經(jīng)光學(xué)微腔。上位機(jī)發(fā)送指令控制激光器發(fā)射單模激光，并用三角波對(duì)激光器調(diào)諧，激光通過熔錐光纖耦合到光學(xué)微腔中，同時(shí)在光纖的另一端光電探測(cè)器探測(cè)輸出激光。當(dāng)前端激光與微腔發(fā)生諧振時(shí)，在光譜中會(huì)產(chǎn)生一個(gè)明顯的光學(xué)共振模式，如圖1(b)所示。通過捕捉該信號(hào)光學(xué)共振模式偏移量即可計(jì)算光學(xué)微腔生物傳感器的靈敏度S

(1)

式中 Δλ為激光中心波長(zhǎng)的偏移量；Δn為折射率的變化量。Δλ和頻率偏移量Δf的關(guān)系為

(2)

式中c為光速；λ為激光波長(zhǎng)。

將式(2)代入式(1)可得靈敏度S為

(3)

圖1 光學(xué)微腔原理

2 光學(xué)微腔傳感器系統(tǒng)

如圖2所示，光學(xué)微腔傳感器的系統(tǒng)主要由四大部分組成：光路子系統(tǒng)、進(jìn)樣子系統(tǒng)、控制電路以及上位機(jī)。光路子系統(tǒng)主要用于控制激光的偏振以及光纖與光學(xué)微腔的相切耦合[13]。進(jìn)樣系統(tǒng)用于控制樣品進(jìn)入光學(xué)微腔的方式及速度?？刂齐娐分饕糜诳刂萍す馄鞯恼{(diào)諧掃描以及對(duì)光電信號(hào)的采集處理。上位機(jī)在系統(tǒng)中主要用于向控制電路發(fā)送指令實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)傳感器的測(cè)量數(shù)據(jù)。

圖2 光學(xué)微腔傳感器開發(fā)系統(tǒng)框圖

2.1 光路子系統(tǒng)

光學(xué)微腔生物傳感器的光路子系統(tǒng)主要包括可調(diào)諧激光器、光纖偏振控制器、光電探測(cè)器、熔錐光纖、光纖跳線以及光學(xué)微腔等組件。以可調(diào)諧激光器輸出的835 nm中心波長(zhǎng)進(jìn)行-30～30 GHz的左右無跳模調(diào)諧。光纖偏振控制器用于調(diào)整單模光纖的偏振態(tài)和相位角，以提高接收和檢測(cè)的靈敏度，并使得光學(xué)耦合模式在橫向電場(chǎng)波(transverse electric wave,TE)或橫向磁場(chǎng)波(transverse magnetic wave,TM)模式。光學(xué)微腔是整個(gè)傳感系統(tǒng)的核心，需要將熔錐光纖與光學(xué)微腔進(jìn)行相切耦合。熔錐光纖一端連接激光輸入光纖，另一端連接光電探測(cè)器并將接收到的光信號(hào)轉(zhuǎn)化為電信號(hào)輸入信號(hào)采集處理控制器。

2.2 進(jìn)樣子系統(tǒng)

進(jìn)樣子系統(tǒng)主要包括進(jìn)樣模塊、微流體通道、出樣模塊等。進(jìn)樣子系統(tǒng)的進(jìn)樣與出樣采用恒流泵實(shí)現(xiàn)。微流體通道一端連接裝有分析物溶液的容器，另一端通過恒流泵以恒定的速率抽取。可以通過調(diào)整管路位置來更換通入微腔的待測(cè)液。為確保整個(gè)系統(tǒng)的氣密性，微流體通道內(nèi)不可有空氣,故在測(cè)量溶液之前要先通過蒸餾水2 min排出微流體通道內(nèi)和微腔中的空氣。

2.3 控制器系統(tǒng)設(shè)計(jì)

傳感器控制器的硬件電路如圖3所示，整個(gè)電路主要有4個(gè)模塊：實(shí)現(xiàn)光電信號(hào)采集的模/數(shù)(A/D)模塊、產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)激光器三角波的數(shù)/模(D/A)模塊、與上位機(jī)通信的以太網(wǎng)模塊、控制恒流泵的RS-485通信模塊。其中,控制器選用的CPU是Altera公司生產(chǎn)的EP4CE15F17C8N型號(hào)的芯片。由現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列(field programmable gate array,FPGA)控制產(chǎn)生三角波驅(qū)動(dòng)激光器進(jìn)入連續(xù)掃描模式，對(duì)光學(xué)微腔進(jìn)行周期性掃描，激光經(jīng)過光學(xué)微腔后進(jìn)入光電探測(cè)器，將光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)。FPGA控制AD信號(hào)采集電路對(duì)光電探測(cè)器輸出的電信號(hào)進(jìn)行采集處理。同時(shí)由FPGA的通信接口控制注射泵的進(jìn)樣速度。另外可以通過以太網(wǎng)實(shí)現(xiàn)上位機(jī)通信。

圖3 控制器硬件電路

2.3.1 三角波調(diào)諧系統(tǒng)設(shè)計(jì)

可調(diào)諧激光器需要用±3 V，20 Hz的三角波信號(hào)驅(qū)動(dòng)進(jìn)入連續(xù)掃描模式。三角波的線性度、幅值以及頻率直接影響著可調(diào)諧激光的掃描精度，故三角波發(fā)生電路的設(shè)計(jì)十分重要。系統(tǒng)采用基于FPGA的直接數(shù)字合成(direct digital synthesis,DDS)信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生三角波[14]。DDS電路一般包括基準(zhǔn)時(shí)鐘、相位增量寄存器、相位累加器、波形存儲(chǔ)器、D/A轉(zhuǎn)換器和低通濾波器等模塊。選用的D/A轉(zhuǎn)換芯片是ADI公司的AD5546芯片，為16位、低功耗、電流輸出(內(nèi)置RFB便于電壓轉(zhuǎn)換)，并行輸入的高精密乘法數(shù)/模轉(zhuǎn)換器。采用5V單電源供電，內(nèi)置四象限電阻器支持0～10 V，0～-10 V或±10 V輸出。電路采用其雙極性二象限乘法模式，利用運(yùn)算放大器AD8512和3 V精密基準(zhǔn)電壓源AD423，將其轉(zhuǎn)換的電流變成電壓輸出驅(qū)動(dòng)可調(diào)諧激光器。FPGA 控制DA芯片輸出的三角波的頻率平均值為20.001 Hz，最大電壓的平均值為2.97 V，最小電壓的平均值為-3.06 V，且經(jīng)過長(zhǎng)達(dá)10 h的測(cè)量發(fā)現(xiàn)三角波信號(hào)波動(dòng)很小穩(wěn)定性高。因此,該三角波信號(hào)能夠驅(qū)動(dòng)激光器進(jìn)入連續(xù)穩(wěn)定的掃描模式。

2.3.2 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)

光學(xué)微腔生物傳感器控制系統(tǒng)中調(diào)諧三角波和數(shù)據(jù)采集并行同步發(fā)生。故系統(tǒng)采用基于FPGA的AD采樣的方式。AD芯片采用AD7606—4，為4通道同步采樣模擬數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，能實(shí)現(xiàn)4路同步采樣輸入。該芯片采用5V單電源供電，可以處理±10V和±5V雙極性輸入信號(hào)，能夠滿足系統(tǒng)對(duì)光電信號(hào)的采集需求。軟件設(shè)計(jì)部分采用查詢方式從靜態(tài)隨機(jī)存儲(chǔ)器(static random access memory,SRAM)中獲數(shù)據(jù)，用隱函數(shù)模型算法對(duì)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，采用RS—232中斷方式上拋數(shù)據(jù)至上位機(jī)[15]。采樣流程如圖4所示。

圖4 AD采樣流程

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

實(shí)驗(yàn)主要針對(duì)不同濃度的二甲基亞砜(dimethyl-sulfoxide,DMSO)溶液進(jìn)行測(cè)試，驗(yàn)證溶液折射率改變對(duì)光學(xué)微腔光學(xué)共振模式的影響。整個(gè)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)如圖5所示。實(shí)驗(yàn)設(shè)備主要有：微泡型光學(xué)微腔，可調(diào)諧激光器(TLB6716)、光電探測(cè)器(PDA36A-EC)、蘭格精密泵(LSP02-1B)、偏振器(FPC023)、試管架以及設(shè)計(jì)制作的控制器。

圖5 實(shí)驗(yàn)裝置

向光學(xué)微腔內(nèi)先后以25 μL/min的進(jìn)樣速度依次通入不同折射率的DMSO溶液，通入的順序?yàn)椋赫凵渎蕿?.400 0的DMSO1溶液，折射率為1.400 5的DMSO2溶液，折射率為1.401 0的DMSO3溶液，穩(wěn)定后信號(hào)處理控制器分別采集3種溶液在1/2個(gè)三角波掃描周期內(nèi)的透射譜,如圖6所示。使用同一種物質(zhì)不同濃度的溶液進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，不僅可以避免由于物質(zhì)自身特性的不同引起的誤差亦使每次更換溶液之后清洗微腔更方便。另外使用同一種物質(zhì)的溶液進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，在每次通入結(jié)束后只需要通短時(shí)間的蒸餾水即可將管道和微腔中的溶液清洗或稀釋，操作比較方便。

圖6 DMSO溶液透射譜

透射譜中可以看到多個(gè)光學(xué)共振模式，不同光學(xué)共振模式的線型展寬與耦合深度均不同，和理論分析的現(xiàn)象相符。通過對(duì)比不同溶液的投射譜線可以看出，光學(xué)微腔中溶液折射率改變會(huì)導(dǎo)致諧振頻率有一定的漂移(透射譜中黑圈標(biāo)注的模式)，但整體線形基本保持不變。以通入DMSO 1溶液時(shí)的模式諧振頻率為基礎(chǔ)，在光學(xué)共振模式耦合波谷左右選取一段長(zhǎng)度(500個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn))進(jìn)行放大，如圖7所示。

圖7 不同折射率溶液諧振頻率偏移

從圖7中可以看出，通入不同折射率DMSO溶液后，所選光學(xué)共振模式的諧振頻率不同程度的向右偏移。信號(hào)采集與處理控制器中AD芯片的采樣率為200 kHz，三角波信號(hào)的幅值為±3 V，頻率為20 Hz，因此，在三角波掃描周期內(nèi)采集的數(shù)據(jù)點(diǎn)為5 000個(gè)，對(duì)應(yīng)三角波電壓值為-3～+3 V，激光器的頻率調(diào)諧范圍為-30～+30 GHz。對(duì)所選光學(xué)共振模式諧振頻率的透射譜做隱函數(shù)模型算法擬合，得出諧振頻率的中心點(diǎn)對(duì)應(yīng)的三角波電壓值、偏移電壓、偏移頻率如表1所示。根據(jù)式(3)計(jì)算得到微泡型光學(xué)微腔生物傳感器的探測(cè)靈敏度為1 390 pm/RIU。

表1 控制器采集的模式的中心點(diǎn)信息

為了比較控制器與LabVIEW在光學(xué)微腔傳感器中分別采集的光電信號(hào)的質(zhì)量對(duì)光學(xué)微腔傳感器靈敏度的影響，用LabVIEW采集卡，重復(fù)上述實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)得到的光學(xué)共振模式中心點(diǎn)對(duì)應(yīng)的三角波電壓值、偏移電壓、偏移頻率如表2所示。根據(jù)式(3)計(jì)算得到微泡型光學(xué)微腔生物傳感器靈敏度是1 297 pm /RIU。比較發(fā)現(xiàn)：使用控制器和LabVIEW分別實(shí)驗(yàn)時(shí)，得到的結(jié)果的絕對(duì)差值為93 pm/RIU，其相對(duì)誤差為4.8 %。說明控制器的采集信號(hào)的性能和LabVIEW采集信號(hào)的性能相差不大。

表2 LabVIEW采集的模式中心點(diǎn)信息

4 結(jié) 論

設(shè)計(jì)的基于FPGA的光學(xué)微腔生物傳感器控制系統(tǒng)通過產(chǎn)生一個(gè)穩(wěn)定的三角波對(duì)激光器進(jìn)行掃描控制激光器的掃描速率。系統(tǒng)中的信號(hào)采集模塊實(shí)現(xiàn)了對(duì)諧振腔信號(hào)偏移量的采集與處理。同一組實(shí)驗(yàn)中使用控制器采集的數(shù)據(jù)與使用LabVIEW采集的數(shù)據(jù)相比，兩者測(cè)得的光學(xué)微腔的探測(cè)靈敏度十分相近，將兩者測(cè)得的光學(xué)微腔探測(cè)靈敏度相減得到的絕對(duì)誤差值為93 pm/RIU，其相對(duì)誤差為4.8 %?？梢钥闯鲇米灾频目刂破魈幚頂?shù)據(jù)可以滿足要求。另外，與LabVIEW相比，自制的控制器的體積較小，便于光學(xué)微腔生物傳感器的小型化與集成化研究。

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