基于FPGA的光學微腔生物傳感器控制系統(tǒng)*

耿佳駿，胡舜迪，洪歡歡，趙 鵬，聞路紅

(寧波大學 寧波高等技術研究院，浙江 寧波 315211)

0 引 言

光學微腔生物傳感技術綜合了生物傳感技術[1]、光學微腔技術和激光技術[2]的一門新技術。但在早期受光學微腔制造工藝的限制，影響了對光學微腔的研究。直到1989年俄國的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，才引得大量的實驗研究小組投入到光學微腔的研究領域中[3]。多年來，對光學微腔的研究已經取得了很大的進展[4]。2002年，Arnold S小組利用微球型光學微腔對蛋白分子進行了檢測[5]。2017年,北京大學肖云峰研究員和龔旗煌院士等人，實現(xiàn)了超高品質因子光學微腔和納米尺度波導之間高效、超寬譜的光耦合，突破了微納光學器件近場耦合需要相位匹配的限制[6]。但針對光學微腔的研究均在實驗室中完成，光學微腔傳感器的集成化產品化還未實現(xiàn)。例如復旦大學李皓博士和美國紐約大學的Arnold S小組均采用分離設備的實驗系統(tǒng)，激光經光纖輸出后與光學微腔相切耦合，用數(shù)/模轉換卡采集光電信號，并在電腦上顯示[7,8]。為了光學微腔的集成化和產品化,許多人將目光投向了微流控技術[9]并取得了不錯的進展。2008年，范旭東小組成功用光微流諧振環(huán)實現(xiàn)了有機磷藥檢測[10]。2016年,Geoffray Fabien等人開發(fā)了一種用于細胞核環(huán)境化學分析的光微流微系統(tǒng)[11]。

為了促進光學微腔的集成化應用，本文設計了一種光學微腔生物傳感器信號采集控制系統(tǒng)。

1 光學微腔生物傳感器原理

光學微腔生物傳感器通過觀察分析物對微腔光學模式的影響進行探測。當與光學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，其光學共振模式的頻率會發(fā)生漂移[12]。光學微腔生物傳感器基本結構如圖1(a)所示，傳感器工作時，恒流注射泵驅動待測物質緩慢流經光學微腔。上位機發(fā)送指令控制激光器發(fā)射單模激光，并用三角波對激光器調諧，激光通過熔錐光纖耦合到光學微腔中，同時在光纖的另一端光電探測器探測輸出激光。當前端激光與微腔發(fā)生諧振時，在光譜中會產生一個明顯的光學共振模式，如圖1(b)所示。通過捕捉該信號光學共振模式偏移量即可計算光學微腔生物傳感器的靈敏度S

(1)

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

(2)

式中c為光速；λ為激光波長。

將式(2)代入式(1)可得靈敏度S為

(3)

圖1 光學微腔原理

2 光學微腔傳感器系統(tǒng)

如圖2所示，光學微腔傳感器的系統(tǒng)主要由四大部分組成：光路子系統(tǒng)、進樣子系統(tǒng)、控制電路以及上位機。光路子系統(tǒng)主要用于控制激光的偏振以及光纖與光學微腔的相切耦合[13]。進樣系統(tǒng)用于控制樣品進入光學微腔的方式及速度。控制電路主要用于控制激光器的調諧掃描以及對光電信號的采集處理。上位機在系統(tǒng)中主要用于向控制電路發(fā)送指令實時監(jiān)測傳感器的測量數(shù)據(jù)。

圖2 光學微腔傳感器開發(fā)系統(tǒng)框圖

2.1 光路子系統(tǒng)

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

2.2 進樣子系統(tǒng)

進樣子系統(tǒng)主要包括進樣模塊、微流體通道、出樣模塊等。進樣子系統(tǒng)的進樣與出樣采用恒流泵實現(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。可以通過調整管路位置來更換通入微腔的待測液。為確保整個系統(tǒng)的氣密性，微流體通道內不可有空氣,故在測量溶液之前要先通過蒸餾水2 min排出微流體通道內和微腔中的空氣。

2.3 控制器系統(tǒng)設計

傳感器控制器的硬件電路如圖3所示，整個電路主要有4個模塊：實現(xiàn)光電信號采集的模/數(shù)(A/D)模塊、產生驅動激光器三角波的數(shù)/模(D/A)模塊、與上位機通信的以太網模塊、控制恒流泵的RS-485通信模塊。其中,控制器選用的CPU是Altera公司生產的EP4CE15F17C8N型號的芯片。由現(xiàn)場可編程門陣列(field programmable gate array,FPGA)控制產生三角波驅動激光器進入連續(xù)掃描模式，對光學微腔進行周期性掃描，激光經過光學微腔后進入光電探測器，將光信號轉換為電信號。FPGA控制AD信號采集電路對光電探測器輸出的電信號進行采集處理。同時由FPGA的通信接口控制注射泵的進樣速度。另外可以通過以太網實現(xiàn)上位機通信。

圖3 控制器硬件電路

2.3.1 三角波調諧系統(tǒng)設計

可調諧激光器需要用±3 V，20 Hz的三角波信號驅動進入連續(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諧激光的掃描精度，故三角波發(fā)生電路的設計十分重要。系統(tǒng)采用基于FPGA的直接數(shù)字合成(direct digital synthesis,DDS)信號發(fā)生器產生三角波[14]。DDS電路一般包括基準時鐘、相位增量寄存器、相位累加器、波形存儲器、D/A轉換器和低通濾波器等模塊。選用的D/A轉換芯片是ADI公司的AD5546芯片，為16位、低功耗、電流輸出(內置RFB便于電壓轉換)，并行輸入的高精密乘法數(shù)/模轉換器。采用5V單電源供電，內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，利用運算放大器AD8512和3 V精密基準電壓源AD423，將其轉換的電流變成電壓輸出驅動可調諧激光器。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，且經過長達10 h的測量發(fā)現(xiàn)三角波信號波動很小穩(wěn)定性高。因此,該三角波信號能夠驅動激光器進入連續(xù)穩(wěn)定的掃描模式。

2.3.2 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設計

光學微腔生物傳感器控制系統(tǒng)中調諧三角波和數(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，能夠滿足系統(tǒng)對光電信號的采集需求。軟件設計部分采用查詢方式從靜態(tài)隨機存儲器(static random access memory,SRAM)中獲數(shù)據(jù)，用隱函數(shù)模型算法對采集到的數(shù)據(jù)進行擬合，采用RS—232中斷方式上拋數(shù)據(jù)至上位機[15]。采樣流程如圖4所示。

圖4 AD采樣流程

3 實驗結果分析

實驗主要針對不同濃度的二甲基亞砜(dimethyl-sulfoxide,DMSO)溶液進行測試，驗證溶液折射率改變對光學微腔光學共振模式的影響。整個實驗平臺如圖5所示。實驗設備主要有：微泡型光學微腔，可調諧激光器(TLB6716)、光電探測器(PDA36A-EC)、蘭格精密泵(LSP02-1B)、偏振器(FPC023)、試管架以及設計制作的控制器。

圖5 實驗裝置

向光學微腔內先后以25 μL/min的進樣速度依次通入不同折射率的DMSO溶液，通入的順序為：折射率為1.400 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)定后信號處理控制器分別采集3種溶液在1/2個三角波掃描周期內的透射譜,如圖6所示。使用同一種物質不同濃度的溶液進行實驗，不僅可以避免由于物質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的溶液進行實驗，在每次通入結束后只需要通短時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光學共振模式，不同光學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。通過對比不同溶液的投射譜線可以看出，光學微腔中溶液折射率改變會導致諧振頻率有一定的漂移(透射譜中黑圈標注的模式)，但整體線形基本保持不變。以通入DMSO 1溶液時的模式諧振頻率為基礎，在光學共振模式耦合波谷左右選取一段長度(500個數(shù)據(jù)點)進行放大，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，所選光學共振模式的諧振頻率不同程度的向右偏移。信號采集與處理控制器中AD芯片的采樣率為200 kHz，三角波信號的幅值為±3 V，頻率為20 Hz，因此，在三角波掃描周期內采集的數(shù)據(jù)點為5 000個，對應三角波電壓值為-3～+3 V，激光器的頻率調諧范圍為-30～+30 GHz。對所選光學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對應的三角波電壓值、偏移電壓、偏移頻率如表1所示。根據(jù)式(3)計算得到微泡型光學微腔生物傳感器的探測靈敏度為1 390 pm/RIU。

表1 控制器采集的模式的中心點信息

為了比較控制器與LabVIEW在光學微腔傳感器中分別采集的光電信號的質量對光學微腔傳感器靈敏度的影響，用LabVIEW采集卡，重復上述實驗。實驗得到的光學共振模式中心點對應的三角波電壓值、偏移電壓、偏移頻率如表2所示。根據(jù)式(3)計算得到微泡型光學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分別實驗時，得到的結果的絕對差值為93 pm/RIU，其相對誤差為4.8 %。說明控制器的采集信號的性能和LabVIEW采集信號的性能相差不大。

表2 LabVIEW采集的模式中心點信息

4 結 論

設計的基于FPGA的光學微腔生物傳感器控制系統(tǒng)通過產生一個穩(wěn)定的三角波對激光器進行掃描控制激光器的掃描速率。系統(tǒng)中的信號采集模塊實現(xiàn)了對諧振腔信號偏移量的采集與處理。同一組實驗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，兩者測得的光學微腔的探測靈敏度十分相近，將兩者測得的光學微腔探測靈敏度相減得到的絕對誤差值為93 pm/RIU，其相對誤差為4.8 %。可以看出用自制的控制器處理數(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，便于光學微腔生物傳感器的小型化與集成化研究。

[1] 付翠翠,梁麗佳,齊國華,等.SERS生物傳感技術及其應用進展[J].高等學校化學學報,2015,36(11):2134-2147.

[2] 傅哲泓.激光的應用與發(fā)展[J].電子技術與軟件工程,2017(5):117-119.

[3] Babinski V B,Gorodetsky M L,Ilchenko V S.Quality factor and nonlinear properties of optical whispering-gallery modes[J].Physics Letters A ,1989,137(7):393-397.

[4] 李 莎，時喜喜，蔡林濤.基于微腔光學晶體生物傳感器的研究進展[J].傳感器與微系統(tǒng)，2009,28(12)：1-4.

[5] Vollmer F,Braun D,Libchaber A,et al.Protein detection by optical shift of a resonant microcavity[J].Applied Physics Letters,2002,80:40-57.

[6] Jiang Xuefeng,Shao Linbo,Zhang Shuxin,et al.Chaos-assisted broadband momentum transformation in optical microresonators[J].Science,2017,358:344-347.

[7] 李 皓.新型光學微腔和微腔激光器生物傳感效應研究[D].上海:復旦大學,2011:48-49.

[8] Dantham V R,Holler S,Kolchenko V,et al.Taking whispering gallery mode single virus detection and sizing to the limit[J].Applied Physics Letters,2012,101(4):043704.

[9] 張 逢,高 丹,梁瓊麟.微流控技術在生命分析化學中的應用進展[J].分析化學,2016,44(12):1942-1949.

[10] Yang Gilmo,White Ian M,Fan Xudong.An opto-fluidic ring resonator biosensor for the detection of organophosphorus pesticides[J].Sensors and Actuators B:Chemical,2008,133:105-112.

[11] Geoffray Fabien,Allenet Timothee,Canto Fabrice,et al.Development of an opto-fluidic microsystem dedicated to chemical analysis in a nuclear environment[J].Procedia Chemistry,2016,21:453-460.

[12] 張興旺.高靈敏光微流回音壁模式微腔生化傳感器[D].上海:復旦大學,2014:11-12.

[13] 李 明.高Q回音壁模式微泡光學諧振腔的光學特性研究[D].上海:復旦大學,2014:29-32.

[14] 崔永俊,王晉偉,賈 磊,等.基于FPGA的DDS信號發(fā)生器的設計與實現(xiàn)[J].現(xiàn)代電子技術,2016,39(2):339-343.

[15] 王曉婷,陳瑞強,胡舜迪,等.基于隱函數(shù)模型的光學微腔傳輸光譜擬合算法[J].光電工程,2017,44(7):701-709.