CN101813629A - 一种光子晶体光纤化学/生物传感头及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种光子晶体光纤化学/生物传感头及其制备方法，所述的光子晶体光纤为空芯光子晶体光纤，其内壁镀有对被测样品敏感的敏感薄膜，其传感端沿轴向的包层微孔道用紫外线固化光学粘合剂封闭。所述的方法包括用紫外线固化光学粘合剂对空芯光子晶体光纤包层微孔道进行封闭和用毛细管吸附法对空芯光子晶体光纤纤芯镀敷掺杂荧光探针溶胶薄膜。本发明的敏感薄膜镀在纤芯内壁，对于折射率大于光子晶体光纤介质的流动被测样品，光子晶体光纤光通道能够以内部全反射形式引导激光，用于探询被测样品的激光强度可超过80％，1μL被测样品与敏感薄膜有效相互作用长度可达十几个厘米，其灵敏度远大于常规化学/生物光纤传感器。

Description

一种光子晶体光纤化学/生物传感头及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种光纤化学/生物传感器，特别是一种光子晶体光纤化学/生物传感头及其制备方法。

背景技术

光纤化学/生物传感器具有灵敏度高、选择性好、易微型化、现场不带电、抗干扰能力强等优点，在化学反应监控和检测、生物工程、环保工程、医学临床等方面已开发出各种新颖的仪器装置。光子晶体光纤(photonic crystalfiber-PCF)的诞生极大地促进了化学/生物传感器的发展。光子晶体光纤有两种基本结构：实芯光子晶体光纤和空芯光子晶体光纤，其共同特点是光纤的包层为周期性排列的微孔道。光子晶体的概念，其实质是通过介电常数在空间的周期分布构成的介质材料。这些具有周期分布结构的介质对特定频率的光会产生带隙，而光子晶体最根本的特点就是具有光子带隙。光子晶体光纤可以看成是一种二维光子晶体，即在二维光子晶体纤维轴向制造缺陷，利用其局域光的能力，将光限制在缺陷内传播，从而实现导光。与常规光纤相比，光子晶体光纤具有如下特点：结构设计灵活，具有各式各样的小孔结构，纤芯和包层的折射率差可以很大，纤芯可以制成多种形式，包层折射率是波长函数，光传输效率高，可实现大功率光的传输。近几年的文献报道显示，空芯光子晶体光纤(也称光子带隙光纤-Hollow Core Photonic Bandgap Fiber)已成为开发新一代性能优异的光纤化学/生物传感器的首选“平台”。

Stevens技术学院的Henry Du课题组研究成果表明：通过Sol-Gel方法修饰的空芯光子晶体光纤，在化学/生物探测方面有望超越常规光纤传感器，在遥感、动态环境监测、医学诊断、生化武器方面具有广阔的应用前景。2004年Jensen等人，研制了基于倏逝波的空芯光子晶体光纤生物传感器，实验结果表明：这是一种高效的光子晶体光纤倏逝波传感器，当被测样品体积小于1μL时，传感器有效相互作用长度达几个厘米。2005年该科研组利用空芯光子晶体光纤实现了“抗体”的选择性测量。

我国也将光子晶体光纤的研究纳入了国家高新技术“863”资助项目，李兆伦等人在《激光杂志》2005年第26卷第三期发表了论文“光子晶体光纤的研究进展及其应用”，国内科技界如燕山大学和北方大学等也开展了对光子晶体光纤的理论和物理量光子晶体光纤传感器的研制，并取得了可喜的成果，但空芯光子晶体光纤化学/生物传感器的研究尚未见报道。

传统的化学/生物光纤传感器，通常采用常规的单模或多模光纤作为传输和传感介质，其感知介质一般涂在光纤的末端或光纤侧面，这种传统光纤传感器的灵敏度有限，而且常规光纤对环境因素比较敏感，因而传统光纤传感器稳定性较差。

发明内容

为解决现有技术存在的上述问题，本发明要设计一种稳定性好、灵敏度高的光子晶体光纤化学/生物传感头及其制备方法。

为了实现上述目的，本发明的技术方案如下：一种光子晶体光纤化学/生物传感头，所述的光子晶体光纤为空芯光子晶体光纤，其内壁镀有对被测样品敏感的敏感薄膜，其传感端沿轴向的包层微孔道用紫外线固化光学粘合剂封闭。

本发明所述的包层微孔道内紫外线固化光学粘合剂的封闭深度为2-3毫米。

本发明所述的敏感薄膜是掺杂荧光探针溶胶薄膜。

一种光子晶体光纤化学/生物传感头的制备方法，包括以下步骤：

A、用紫外线固化光学粘合剂对空芯光子晶体光纤包层微孔道进行封闭，具体步骤如下：

A1、从空芯光子晶体光纤传感端向光纤包层微孔道和纤芯灌注紫外线固化光学粘合剂，当紫外线固化光学粘合剂进入纤芯约1厘米时停止；

A2、用紫外线照射紫外线固化光学粘合剂使其固化后，在空芯光子晶体光纤包层微孔道粘合剂前端面与纤芯粘合剂前端面之间切断，使空芯光子晶体光纤纤芯孔道被封闭，而包层微孔道敞开；

A3、再次用紫外线固化光学粘合剂灌注空芯光子晶体光纤，当空芯光子晶体光纤包层微孔道灌注的紫外线固化光学粘合剂前端面超过纤芯粘合剂前端面3-5毫米时停止；

A4、用紫外线照射紫外线固化光学粘合剂使其固化后，在纤芯粘合剂前端面与包层微孔道粘合剂前端面之间切断，使空芯光子晶体光纤包层的微孔道被封闭，而纤芯孔道敞开；

B、用毛细管吸附法对空芯光子晶体光纤纤芯镀敷掺杂荧光探针溶胶薄膜，具体步骤如下：

B1、将空芯光子晶体光纤包层微孔道封闭的一端插入掺杂荧光探针溶胶里静置，利用毛细管作用向空芯光子晶体光纤纤芯灌注掺杂荧光探针溶胶，三至五分钟后，当掺杂荧光探针溶胶进入纤芯孔道内约15-20厘米时，将空芯光子晶体光纤取出；

B2、用光学镜头擦拭纸与空芯光子晶体光纤端面接触，吸出纤芯内多余的掺杂荧光探针溶胶后，将空芯光子晶体光纤置于烘箱内，缓慢升温至80℃，烘干一小时后，镀膜完成取出备用。

本发明所述的掺杂荧光探针溶胶选用正硅酸乙脂TEOS作为先驱元素，掺杂荧光探针FITC-AchE作为敏感试剂，制备步骤如下：

C1、将正硅酸乙脂TEOS、无水乙醇和酸化去离子水按1∶2∶2的mol比例混合搅拌均匀，得溶液A。

C2、将荧光探针FITC-AchE溶液和溶液A，按3∶5混合搅拌均匀，在室温下静置24小时，得掺杂荧光探针溶胶。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

1、由于本发明采用空芯光子晶体光纤，其结构设计灵活，纤芯和包层的折射率差可以很大，纤芯可以制成多种形式。特殊的微结构致使空芯光子晶体光纤具有独特新颖的光学特性，而且对环境温度和光纤曲率的变化不敏感。与传统的化学/生物光纤传感器相比较，本发明的敏感薄膜镀在纤芯内壁，对于折射率大于光子晶体光纤介质的流动被测样品，光子晶体光纤光通道能够以内部全反射形式引导激光，用于探询被测样品的激光强度可超过80％，1μL被测样品与敏感薄膜有效相互作用长度可达十几个厘米，所以用镀有生物/化学分子敏感薄膜的空芯光子晶体光纤作为变换器和光传输通道，其灵敏度远大于常规化学/生物光纤传感器。

2、传统的化学/生物光纤传感器敏感薄膜一般镀在光纤的末端或光纤侧面，易受背景光的影响，而空芯光子晶体光纤传感头的敏感薄膜镀在纤芯内壁，不受背景光的干扰，并且光子晶体光纤对环境温度和光纤曲率的变化不敏感，因此空芯光子晶体光纤传感器的稳定性高于传统的化学/生物光纤传感器。

3、由于本发明选用空芯光子晶体光纤作为变换器和光传输通道，采用“紫外线固化光学粘合剂”对空芯光子晶体光纤包层微孔道选择性封闭，利用毛细管吸附原理，对空芯光子晶体光纤纤芯镀敷搀杂荧光探针(FITC-AchE)的溶胶薄膜，制成高灵敏度的新型光纤乙酰胆碱脂酶传感器，用于有机磷农药药残检测，测量线性范围可达到1×10^-9-10^-3mol/L，检测限为1×10^-10mol/L。

4、光子晶体光纤独特新颖的光学特性是由于它具有光子带隙，而光子带隙的形成是由于光纤包层为周期性排列的微孔道。在开发光子晶体光纤的应用中，为发挥光子晶体光纤独特新颖的光学特性，必须保持光纤包层微孔道的完整性。本发明中，采用“紫外线固化光学粘合剂”对空芯光子晶体光纤包层微孔道选择性封闭，紫外线固化光学粘合剂进入包层微孔道仅1-2毫米，可保证在对空芯光子晶体光纤纤芯灌注溶胶或应用本发明制作的传感头检测样品液体时，溶胶或样品液体不会进入包层微孔道，保持光纤包层微孔道的完整性。利用毛细管吸附原理对空芯光子晶体光纤纤芯镀敷搀杂溶胶薄膜，其方法简单易行，不需特殊设备。

附图说明

本发明共有附图6张，其中：

图1是镀有敏感薄膜的光子晶体光纤传感头横剖面图。

图2是镀有敏感薄膜的光子晶体光纤传感头纵剖面图。

图3是首次灌注后的光子晶体光纤传感头效果图。

图4是首次切断后的光子晶体光纤传感头效果图。

图5是再次灌注后的光子晶体光纤传感头效果图。

图6是再次切断后的光子晶体光纤传感头效果图。

图中：1、纤芯，2、包层微孔道，3、石英玻璃包层，4、纤芯粘合剂，5、包层微孔道粘合剂，6、被测样品，7、敏感薄膜，8、切割线。

具体实施方式

下面结合附图对本发明进行进一步地描述。如图1-2所示，一种光子晶体光纤化学/生物传感头，所述的光子晶体光纤为空芯光子晶体光纤，其内壁镀有对被测样品6敏感的敏感薄膜7，其传感端沿轴向的包层微孔道2用紫外线固化光学粘合剂封闭。所述的包层微孔道2内紫外线固化光学粘合剂的封闭深度为2-3毫米所述的敏感薄膜7是掺杂荧光探针溶胶薄膜。

一种光子晶体光纤化学/生物传感头的制备方法，包括以下步骤：

A、用紫外线固化光学粘合剂对空芯光子晶体光纤包层微孔道2进行封闭，具体步骤如下：

A1、如图3所示，从空芯光子晶体光纤传感端向光纤包层微孔道2和纤芯1灌注紫外线固化光学粘合剂，当紫外线固化光学粘合剂进入纤芯1约1厘米时停止；

A2、用紫外线照射紫外线固化光学粘合剂使其固化后，在空芯光子晶体光纤包层微孔道粘合剂5前端面与纤芯粘合剂4前端面之间即图3所示的切割线8的位置切断，使空芯光子晶体光纤纤芯1孔道被封闭，而包层微孔道2敞开，效果如图4所示；

A3、如图5所示，再次用紫外线固化光学粘合剂灌注空芯光子晶体光纤，当空芯光子晶体光纤包层微孔道2灌注的紫外线固化光学粘合剂前端面超过纤芯粘合剂4前端面3-5毫米时停止；

A4、用紫外线照射紫外线固化光学粘合剂使其固化后，在纤芯粘合剂4前端面与包层微孔道粘合剂5前端面之间即图5所示的切割线8的位置切断，使空芯光子晶体光纤包层微孔道2被封闭，而纤芯1孔道敞开，效果如图6所示；

B、用毛细管吸附法对空芯光子晶体光纤纤芯1镀敷敏感薄膜7，具体步骤如下：

B1、将空芯光子晶体光纤包层微孔道2封闭的一端插入掺杂荧光探针溶胶里静置，利用毛细管作用向空芯光子晶体光纤纤芯1灌注掺杂荧光探针溶胶，三至五分钟后，当掺杂荧光探针溶胶进入纤芯1孔道内约15-20厘米时，将空芯光子晶体光纤取出；

B2、用光学镜头擦拭纸与空芯光子晶体光纤端面接触，吸出纤芯1内多余的掺杂荧光探针溶胶后，将空芯光子晶体光纤置于烘箱内，缓慢升温至80℃，烘干一小时后，镀膜完成取出备用。

本发明所述的掺杂荧光探针溶胶选用正硅酸乙脂TEOS作为先驱元素，掺杂荧光探针FITC-AchE作为敏感试剂，制备步骤如下：

C1、将正硅酸乙脂TEOS、无水乙醇和酸化去离子水按1∶2∶2的mol比例混合搅拌均匀，得溶液A。

C2、将荧光探针FITC-AchE溶液和溶液A，按3∶5混合搅拌均匀，在室温下静置24小时，得掺杂荧光探针溶胶。

本发明选用不同的敏感材料镀敷敏感薄膜7，可以对不同的被测样品6进行检测。

Claims (5)

1.一种光子晶体光纤化学/生物传感头，其特征在于：所述的光子晶体光纤为空芯光子晶体光纤，其内壁镀有对被测样品(6)敏感的敏感薄膜(7)，其传感端沿轴向的包层微孔道(2)用紫外线固化光学粘合剂封闭。

2.根据权利要求1所述的一种光子晶体光纤化学/生物传感头，其特征在于：所述的包层微孔道(2)内紫外线固化光学粘合剂的封闭深度为2-3毫米。

3.根据权利要求1所述的一种光子晶体光纤化学/生物传感头，其特征在于：所述的敏感薄膜(7)是掺杂荧光探针溶胶薄膜。

4.一种光子晶体光纤化学/生物传感头的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：

A、用紫外线固化光学粘合剂对空芯光子晶体光纤包层微孔道(2)进行封闭，具体步骤如下：

A1、从空芯光子晶体光纤传感端向光纤包层微孔道(2)和纤芯(1)灌注紫外线固化光学粘合剂，当紫外线固化光学粘合剂进入纤芯(1)约1厘米时停止；

A2、用紫外线照射紫外线固化光学粘合剂使其固化后，在空芯光子晶体光纤包层微孔道粘合剂(5)前端面与纤芯粘合剂(4)前端面之间切断，使空芯光子晶体光纤纤芯(1)孔道被封闭，而包层微孔道(2)敞开；

A3、再次用紫外线固化光学粘合剂灌注空芯光子晶体光纤，当空芯光子晶体光纤包层微孔道(2)灌注的紫外线固化光学粘合剂前端面超过纤芯粘合剂(4)前端面3-5毫米时停止；

A4、用紫外线照射紫外线固化光学粘合剂使其固化后，在纤芯粘合剂(4)前端面与包层微孔道粘合剂(5)前端面之间切断，使空芯光子晶体光纤包层微孔道(2)被封闭，而纤芯(1)孔道敞开；

B、用毛细管吸附法对空芯光子晶体光纤纤芯(1)镀敷敏感薄膜(7)，具体步骤如下：

B1、将空芯光子晶体光纤包层微孔道(2)封闭的一端插入掺杂荧光探针溶胶里静置，利用毛细管作用向空芯光子晶体光纤纤芯(1)灌注掺杂荧光探针溶胶，三至五分钟后，当掺杂荧光探针溶胶进入纤芯(1)孔道内约15-20厘米时，将空芯光子晶体光纤取出；

B2、用光学镜头擦拭纸与空芯光子晶体光纤端面接触，吸出纤芯(1)内多余的掺杂荧光探针溶胶后，将空芯光子晶体光纤置于烘箱内，缓慢升温至80℃，烘干一小时后，镀膜完成取出备用。

5.根据权利要求4所述的一种光子晶体光纤化学/生物传感头的制备方法，其特征在于：所述的掺杂荧光探针溶胶选用正硅酸乙脂TEOS作为先驱元素，掺杂荧光探针FITC-AchE作为敏感试剂，制备步骤如下：

C1、将正硅酸乙脂TEOS、无水乙醇和酸化去离子水按1∶2∶2的mol比例混合搅拌均匀，得溶液A；

C2、将荧光探针FITC-AchE溶液和溶液A，按3∶5混合搅拌均匀，在室温下静置24小时，得掺杂荧光探针溶胶。

Images