CN101769857A

CN101769857A - 基于环形芯波导的等离子体谐振式光纤生物传感器

Info

Publication number: CN101769857A
Application number: CN201010032423A
Authority: CN
Inventors: 苑立波; 关春颖; 杨军; 刘志海
Original assignee: Harbin Engineering University
Current assignee: Harbin Engineering University
Priority date: 2010-01-06
Filing date: 2010-01-06
Publication date: 2010-07-07
Anticipated expiration: 2030-01-06
Also published as: CN101769857B

Abstract

本发明提供的是一种基于环形芯波导的等离子体谐振式光纤生物传感器。它由宽带光源、光纤耦合器、光纤探头、探测器、光谱仪、信号处理器连接组成；光纤耦合器由单模光纤和环形芯光纤耦合而成，其单模光纤与宽带光源的输出连接、环形芯光纤与光纤探头连接；光纤探头是环形纤芯单模光纤研磨成所设计角度及高度的锥台，利用真空蒸发镀膜设备进行金膜的镀制，在锥台表面沉积一层金膜，端面进行二次镀膜，使光纤端面形成反射膜，制成的光纤探头。本发明体积小，减少传感器的机械部件，适于远程遥测，也便于仪器的集成化并能实时检测外界环境的变化；光耦合效率比传统单模光纤高；传感探头制作方便，重复性好；检测的灵敏度高，测试结果稳定可靠。

Description

基于环形芯波导的等离子体谐振式光纤生物传感器

(一)技术领域

本发明涉及的是一种光纤传感器，主要是用于生物检测的光纤传感器，特别是一种基于环形芯波导的等离子体谐振式光纤生物传感器。

(二)背景技术

表面等离子体共振(Surface plasmon resonance，SPR)生物传感器是近代物理学与生物学相互结合的产物。目前商用化的SPR传感装置多采用扫描入射角的方式来工作，整个SPR传感测试系统相当复杂，体积庞大，SPR信号易受到机械结构、光源波动等外界因素影响的缺点这也大大限制了该传感器的使用。

光纤表面等离子体波共振传感器是今后SPR传感技术发展和系统微型化要求的自然延伸。光纤SPR传感器的研究与应用较棱镜型SPR传感器要晚的多，但由于光纤SPR传感器采用光纤作为光的传输媒介，使得这种传感器具有以下优点：可以使被测空间缩小到光纤直径尺寸的数量级，因此可以很方便的探测一些用其它类型传感器难于进入或有害的地方；它可以通过光纤对信号进行传输，实现长距离的实时检测；易于实现仪器的微型化等等，同时使SPR传感器的分析方法和测量手段有了很大的改观。因而近期也成为了SPR传感器研究领域的新热点。由于光纤SPR传感器自身的诸多优点，所以有必要对光纤SPR传感器进行改进，进一步拓宽其应用领域，以提高我国生物化学检测水平。

光纤表面等离子体传感探头主要有在线传输式和终端反射式两种结构。早期Jorgenson使用的为多模光纤(见美国专利N0.5,647,030和N0.5,853,645)，但多模光纤由于模式的耦合、偏振态的损失，与棱镜耦合式SPR相比，只能得到宽而低的峰，但其传输能量较高。为了克服这一缺点，在单模光纤的尖端激发SPR的传感器被报道[Maria L D，Actuators B，12，221，1993]，单模光纤可以保持激发光的偏振态；只耦合单一反射角的光进入光纤传输，能得到反射背景较小的尖锐的SPR共振峰。其中，也有人对单模光纤进行融熔拉锥后再制作SPR传感器。但这种方法，无论是用波长还是光强作为指示参数，都降低了传感器的灵敏度。把单模光纤微弯后对其包层进行研磨(见美国专利NO.5,327,225)，其上涂以一层金属膜，通过传输光从光纤探头的衍射获得空间的SPR也被提出。不久探测折射率的锥形金属镀层光纤SPR传感器也被研究[Díez A，Sens.Actuators B，73，95，2001]。双锥形或四锥形光纤SPR传感器同时对水汽和液体相位的检测是另一个重要进步[Kim Y，Opt.Lett.，30，2218，2005]。台湾Chiu提出了基于外差干涉测量的D形单模光纤SPR生物传感器，利用相位检测替代传统的强度检测[Chiu M H，Opt.Lett.，30，233，2005]。

综上所述，目前的多模光纤SPR传感器灵敏度和信噪比不是很高，很难确定精确的确定谐振波长，单模光纤芯径尺寸小耦合光较弱，另外尺寸小制作也较困难，难以得到质量好、重复性高的纤芯探头。这些不足和缺陷有待新的技术和方法加以克服和改进，以便SPR传感技术得到更好的推广和应用。

(三)发明内容

本发明的目的在于提供一种以提高探测灵敏度，实现生物传感器微小型化的基于环形芯波导的等离子体谐振式光纤生物传感器。

本发明的目的是这样实现的：

它由宽带光源、光纤耦合器、光纤探头、探测器、光谱仪、信号处理器连接组成；所述的光纤耦合器由单模光纤和环形芯光纤耦合而成，其单模光纤与宽带光源的输出连接、环形芯光纤与光纤探头连接；所述的光纤探头是环形纤芯单模光纤采用熔融拉锥技术或裸光纤端面研磨方法把光纤端研磨成所设计角度及高度的锥台，将研磨后的锥台表面用溶剂进行清洁和抛光处理使表面清洁光滑，采用金作为的薄膜材料，利用真空蒸发镀膜设备进行金膜的镀制，在锥台表面沉积一层45-55nm的金膜，端面进行二次镀膜，使光纤端面形成190-210nm的反射膜，制成的光纤探头。

本发明还可以包括：

1、环形芯光纤与光纤探头之间连接有PZT调制器。

2、所述的单模光纤与宽带光源的输出连接是宽带光源的光耦合到一个三端口光纤环形器，三端口光纤环形器输出端连接单模光纤；光纤探头在装有待测物质溶液中的样品池中的反射光按原路径返回，经三端口光纤环形器由探测器接收后由光谱仪输出，最后输入信号处理器进行信号处理给出测试结果。

3、所述的单模光纤与宽带光源的输出连接是宽带光源的光经耦合器耦合到单芯光纤中；光纤探头在装有待测物质溶液中的样品池中的透射光在光纤端处产生干涉现象，透射光位于样品池下方，由探测器接收后由光谱仪输出，最后进入信号处理器进行信号处理给出测试结果。

4、所述的光纤耦合器由单模光纤和环形芯光纤耦合而成，是单芯光纤和环形芯光纤利用光纤熔接机对接熔接，然后利用拉锥机将熔合后的光纤在焊点处进行加热拉锥，在焊点处形成准锥形光纤锥构成的光纤耦合器。

5、所述的环形芯光纤是利用套管组合法进行制作的，内外包层折射率均低于纤芯折射率，但两者折射率可以相同，也可以不同；纤芯厚度为3-5微米。

6、所述的光纤探头端面膜材料为金属膜，金属膜材料可以为金、银、铝、铜等。金属膜表面可以涂覆化学或生物分子敏感膜层。为了使金属膜覆于光纤表面更牢固，镀金属膜之前也可以在光纤端表面镀1-3nm铬、镍层。

本发明的优势在于：1.系统实现了全光纤SPR谐振测量，系统体积小，减少传感器的机械部件，适于远程遥测，也便于仪器的集成化并能实时检测外界环境的变化。2.本发明的系统由于采用环形单模纤芯，光耦合效率比传统单模光纤高。3.传感探头制作方便，重复性好。4.利用相干谐振技术，则可降低噪声干扰，提高检测的灵敏度，测试结果稳定可靠。

(四)附图说明

图1为本发明环形芯光纤的剖面结构图；

图2为本发明环形芯光纤的折射率分布剖面图；

图3为本发明锥体圆台光纤探头结构图；

图4本发明锥体圆台光纤探头内部光路图；

图5为单芯光纤和环形芯光纤熔接拉锥示意图；

图6本发明反射式光纤SPR传感系统结构图；

图7本发明透射式光纤SPR传感系统结构图。

(五)具体实施方式

下面结合附图举例对本发明做更详细地描述：

图1和图2给出了本发明的环形纤芯光纤的结构，纤芯形状为圆环形。其组成包括环形光纤纤芯1、环形光纤外包层2、环形光纤内包层3；图3-图4给出了本发明的光纤传感探头的结构，其组成包括传感金属膜4、反射金属膜5、传输光线6、干涉区7。

结合图6，反射式光纤SPR传感系统结构包括：宽带光源11发出的光经三端口环行器13耦合到单芯光纤8中，使光源与探测器隔离并进行探测，单芯光纤8与环形芯光纤10利用光纤耦合器14进行耦合，制作好的光纤探头16插入待测物质溶液17中，反射光按原路径返回，经环行器13由探测器18接收后由光谱仪19输出，最后进入信号处理器20进行信号处理给出测试结果。其中PZT调制15可用来控制相干区的光干涉行为，同时实现交流信号的检测。

采用套管组合法制作环形纤芯单模光纤，环形芯波导厚度3～4μm。采用熔融拉锥技术或裸光纤端面研磨系统把光纤端研磨成所设计角度及高度的锥台。将研磨后的锥台表面用溶剂进行清洁和抛光处理使表面清洁光滑。采用金作为的薄膜材料，利用真空蒸发镀膜设备进行金膜的镀制，在锥台表面沉积一层50nm左右的金膜4，端面进行二次镀膜，使光纤端面形成200nm左右的反射膜5，镀膜后的光纤探头，经高温退火处理。为了扩大光纤SPR的应用范围，可以再在金属薄膜上沉积上一层化学或生物敏感膜。为保证金属与硅紧密结合，可以在镀金属膜之前，镀一层铬或镍。将单芯光纤8和环形芯光纤10利用光纤熔接机对接熔接，然后利用拉锥机将熔合后的光纤在焊点处进行加热拉锥，则在焊点处会形成准锥形光纤锥9，光纤锥形状完全可以由拉锥参数控制，光源11置于单芯光纤8一端，CCD12置于环形芯光纤端被用来监测耦合过程中芯中的功率传输情况。熔接拉锥示意图见图5示。耦合完成后，则开始实际的SPR光纤生物传感器系统的搭建。

结合图7，透射式光纤SPR传感系统结构包括：光源11发出的光经聚焦透镜21耦合到单芯光纤中，单芯光纤8与环形芯光纤10利用上述熔融拉锥技术制作的光纤耦合器14进行耦合，制作好的光纤探头16插入装有待测物质溶液17的样品池中，透射光在光纤端7处会出现干涉现象，透射光由位于样品池下方的探测器18接收后由光谱仪19输出，最后进行信号处理20给出测试结果。同样PZT调制15也可用来控制相干区的光干涉行为，同时实现交流信号的检测。

Claims

1.一种基于环形芯波导的等离子体谐振式光纤生物传感器，它由宽带光源、光纤耦合器、光纤探头、探测器、光谱仪、信号处理器连接组成；其特征是：所述的光纤耦合器由单模光纤和环形芯光纤耦合而成，所述单模光纤与宽带光源的输出连接，所述环形芯光纤与光纤探头连接；所述的光纤探头是采用如下方法制成的光纤探头：由环形纤芯单模光纤采用熔融拉锥技术或裸光纤端面研磨方法把光纤端研磨成所设计角度及高度的锥台，将研磨后的锥台表面用溶剂进行清洁和抛光处理使表面清洁光滑，采用金作为的薄膜材料，利用真空蒸发镀膜设备进行金膜的镀制，在锥台表面沉积一层45-55nm的金膜，端面进行二次镀膜，使光纤端面形成190-210nm的反射膜。

2.根据权利要求1所述的基于环形芯波导的等离子体谐振式光纤生物传感器，其特征是：环形芯光纤与光纤探头之间连接有PZT调制器。

3.根据权利要求1或2所述的基于环形芯波导的等离子体谐振式光纤生物传感器，其特征是：所述的单模光纤与宽带光源的输出连接是宽带光源的光耦合到一个三端口光纤环形器，三端口光纤环形器输出端连接单模光纤；光纤探头在装有待测物质溶液中的样品池中的反射光按原路径返回，经三端口光纤环形器由探测器接收后由光谱仪输出，最后输入信号处理器进行信号处理给出测试结果。

4.根据权利要求1或2所述的基于环形芯波导的等离子体谐振式光纤生物传感器，其特征是：所述的单模光纤与宽带光源的输出连接是宽带光源的光经耦合器耦合到单芯光纤中；光纤探头在装有待测物质溶液中的样品池中的透射光在光纤端处产生干涉现象，透射光位于样品池下方，由探测器接收后由光谱仪输出，最后进入信号处理器进行信号处理给出测试结果。

5.根据权利要求1或2所述的基于环形芯波导的等离子体谐振式光纤生物传感器，其特征是：所述的光纤耦合器由单模光纤和环形芯光纤耦合而成，是单芯光纤和环形芯光纤利用光纤熔接机对接熔接，然后利用拉锥机将熔合后的光纤在焊点处进行加热拉锥，在焊点处形成准锥形光纤锥构成的光纤耦合器。

6.根据权利要求3所述的基于环形芯波导的等离子体谐振式光纤生物传感器，其特征是：所述的光纤耦合器由单模光纤和环形芯光纤耦合而成，是单芯光纤和环形芯光纤利用光纤熔接机对接熔接，然后利用拉锥机将熔合后的光纤在焊点处进行加热拉锥，在焊点处形成准锥形光纤锥构成的光纤耦合器。

7.根据权利要求4所述的基于环形芯波导的等离子体谐振式光纤生物传感器，其特征是：所述的光纤耦合器由单模光纤和环形芯光纤耦合而成，是单芯光纤和环形芯光纤利用光纤熔接机对接熔接，然后利用拉锥机将熔合后的光纤在焊点处进行加热拉锥，在焊点处形成准锥形光纤锥构成的光纤耦合器。

8.根据权利要求1所述的基于环形芯波导的等离子体谐振式光纤生物传感器，其特征是：构成光纤探头的环形纤芯单模光纤，内外包层折射率均低于纤芯折射率，内外包层折射率相同或不相同。

9.根据权利要求1所述的基于环形芯波导的等离子体谐振式光纤生物传感器，其特征是：金膜和反射膜表面涂覆有化学或生物分子敏感膜层。