基于啁啾光谱解调的快速微波光子生物医学传感技术

In the biomedical sensing domain, especially the online drugs monitoring and medical emergency blood tests, it is very important to achieve the real-time and high-resolution monitoring of biological or physiological parameters fastly. Traditional fiber optic biosensors are time-consuming and laborious on the analysis of complex spectral changes due to the limitations of wavelength demodulation method, especially in the measurement of rapid response to the biochemical process, and also face the problem of expensive equipment. As the combination of radio frequency microwave technology and photonics technology, microwave photonics combines the advantages of both two domains, and has important application in general physical quantity sensing by virtue of its rich electrical measurement parameters and high precision detection methods. Based on the spectral shaping and frequency to time mapping technology in the microwave photonics radar field, this project will develop a novel fast and high-resolution microwave photonic biomedical sensing system combined with micro-nano fiber sensing technology.

在生物医学检测领域，尤其是药物在线监测和医疗急救血气测量中，待测生物或生理参数的快速实时高分辨率监测是非常重要的，传统光纤生物传感器的波长解调方法对复杂光谱变化的分析耗时且费力，在测量快速反应的生化过程时就显得无能为力，同时还要面对设备造价昂贵的问题。微波光子技术作为射频微波技术与光子学技术的结合，融合了二者的优点，并凭借其丰富的电学测量参数和高精度的探测手段而在布拉格光栅传感解调领域中有重要的应用。本项目将基于超宽带信号产生系统的频时映射技术，结合具有啁啾光谱的折射率敏感器件，开发新型的快速、高分辨率的微波光子生物传感系统。

在生物医学检测领域，尤其是药物在线监测和医疗急救血气测量中，待测生物或生理参数的快速实时高分辨率监测是非常重要的，针对这些需求，本项目提出了基于啁啾光谱解调的快速微波光子生物医学传感技术。本项目属于光纤传感技术的重要分支，着重解决针对传感参量的高速高分辨率解调，以光纤传感器件技术和微波光子信号处理技术为基础，通过结合材料修饰技术，实现对生物量的高速测量，在医学检测领域有潜在的应用。.本项目的研究内容包括：高速频时映射微波光子系统的结构研究；具有啁啾谱形的折射率敏感光纤传感探头的研究；传感探头的表面功能修饰以及生物传感测量。针对这三部分研究内容，我们分阶段逐步递进，分别从理论体系，硬件实现和应用推广方面开展并完成了研究工作。.在高速频时映射微波光子系统的结构研究方面，我们开发了三种快速、高分辨率的传感系统。其一为灵敏度可调谐的针对微纳光纤光栅的高速这两首传感系统，同内置微纳光栅到激光器腔内的方式压窄了脉冲，并通过调节偏置电压实现了折射率灵敏度在线性和非线性之间切换。其二为针对TFBG-SPR的折射率传感系统，通过傅里叶域锁模激光器的频时映射特性，对TFBG-SPR传感探头的SPR包络进行提取，实现了液体折射率的高速高分辨率传感，折射率分辨率为10-6 RIU量级，传感速度为20 kHz。其三是针对级联Sagnac干涉仪的游标卡尺(Vernier)效应开发了另一种高速高分辨率温度传感器，通过频时映射和数字信号处理对Vernier包络携带的温度信息进行高速提取，温度分辨率达到10-5℃量级，相比于传统温度传感系统提高了三个数量级。在啁啾谱形的折射率敏感光纤传感探头的研究工作中，我们通过在微纳光纤的锥区连续刻写光栅的方式实现了在啁啾谱形的法皮干涉仪，并申请了相关专利。在生物传感测量方面，我们通过材料修饰方法实现了pH值检测和P53抗原的高分辨率检测，最终实现了7fg/ml的检测极限，同时保证了特异性。