CN102410851B - 多通道光纤表面等离子体波共振传感器 - Google Patents

Abstract

本发明具体涉及一种基于表面等离子体共振原理的多通道生化传感器。包括表面等离子体波共振探测光纤，其特征在于，所述探测光纤的包层外围设有第一探测通道，第一探测通道包括第一空气通孔、第一金属膜层、第一传感层，第一空气通孔两端分别位于探测光纤两端，第一金属膜层涂覆于所述包层之上，第一传感层位于所述第一金属膜层之上，所述第一传感层的传感材料与第一待测参量相匹配。探测光纤的包层外围还设有结构近似的第二探测通道。本发明具有如下光纤体积小、制作工艺成熟的优点。除了能实现同种样品不同参量的并行检测和自参考降噪功能，还支持不同样品的并行检测，有助于满足更广泛的应用需求。

Description

多通道光纤表面等离子体波共振传感器

技术领域

 本发明涉及生物化学传感领域，具体涉及一种基于表面等离子体共振原理的多通道生化传感器。

背景技术

基于表面等离子体共振（Surface Plasmon Resonance, 简称SPR）原理的传感器，因其具有很高的灵敏度，且无需分子标记，在生物化学及相关领域倍受青睐。目前，大多数的SPR传感器主要基于单参量探测，即针对某种样品中的某一特定参量进行测量，如样品浓度、pH值或某种目标分子的化学物理特性等。随着生物、化学、医学、农业、环境监测及相关领域的迅速发展，研究对象日益复杂，传统的单参量传感系统已不能满足探测需求。此外，单通道传感系统不具备噪声补偿功能，在实际应用时极易受到各种噪声（如仪器自身不稳定性、环境温度变化、样品中非目标分子的浓度变化或吸收等）的干扰，从而使探测精度大幅降低，因此需要引入参考通道来修正噪声的影响。现有的多通道SPR传感器大多采用棱镜结构，其原理为二维SPR成像如图1所示。将棱镜2表面的金属层3划分为多个区域, 依次覆盖不同的传感材料Ⅰ4、传感材料Ⅱ5，构建二维排列的传感通道。从激光器发出的单色光通过起偏器1变成线偏振光，投射在棱镜和金属层的界面上。入射光在界面发生全反射，反射光被成像光具组6聚焦后由CCD摄像机7接收。当样品与棱镜表面的传感材料接触时，样品各参量的变化会导致相应的传感材料的折射率发生变化，对应通道的反射光强也随之改变，利用二维接收装置即可并行检测样品的多个参量。发明专利“并行检测多个生物学信号的表面等离子体共振生物传感器”（专利申请号01132289.6）和“蛋白质微阵列表面等离子体共振成像检测系统及检测方法”（专利申请号03147877.8）正是棱镜耦合结构的代表。棱镜结构灵敏度高，性能稳定，但其体积大，制作成本较高，且不便于集成和携带，从而限制了此类多通道传感器的适用范围。近年来，国外一些大学利用微制造技术在平板波导和普通光纤上级联了多个传感单元，实现了多通道传感系统的小型化。以亚利桑那州立大学的Karl S. Booksh等人研制的双通道光纤SPR传感器为例（Vol. 30(22), Optics Letters, 2005），如图2所示，它的制作方法是在光纤的两个不同位置各选取一段光纤腐蚀掉包层9, 然后在纤芯8表面依次沉积金属3和传感材料4、5。与棱镜结构不同的是, 该结构采用波分复用技术来区分各通道的响应，目标参量的变化通过光谱上共振吸收峰的移动来体现。除了体积小，光纤还具有制作简单、灵敏度高、抗电磁干扰、机械性能好、便于集成和远程遥测等特点，这使光纤在多通道SPR并行检测方面显示出巨大的优势。但这类传感器在制作方面仍存在一些困难：1）在镀金属膜之前需要人工剥除光纤涂覆材料和包层，很容易造成机械磨损，而且复杂的表面处理也不适于大批量生产；2）制作这类传感器存在封装的困难，把镀有金属膜的光纤和样品微流装置进行集成通常需要额外的工艺和成本。不仅如此，这种传感器的结构使得它在样品检测方面受到一些限制，由于传感器的相邻通道之间间距很小（约为几毫米），在实际应用时很难将不同的探测通道分别浸没在不同的样品中，因而只适用于单一样品的检测。该限制也同样存在于多通道棱镜SPR传感器中。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是克服已有的多通道SPR传感器的不足，提供了一种多通道光纤表面等离子体传感器，既能够实现传感系统的小型化和集成化，又能简化制作工艺，节省成本，而且还可以有效缓解封装的困难。

为解决上述技术问题，本发明提出了一种多通道光纤表面等离子体波共振传感器，包括表面等离子体波共振探测光纤，其特征在于，所述探测光纤的包层外围设有第一探测通道，所述第一探测通道包括第一空气通孔、第一金属膜层、第一传感层，所述第一空气通孔两端分别位于探测光纤两端，所述第一金属膜层涂覆于所述包层之上，所述第一传感层位于所述第一金属膜层之上，所述第一传感层的传感材料与第一待测参量相匹配。

进一步改进的，所述探测光纤的包层外围设有第二探测通道，所述第二探测通道包括第二空气通孔、第二金属膜层、第二传感层，所述第二空气通孔两端分别位于探测光纤两端，所述第二金属膜层涂覆于所述包层之上，所述第二传感层位于所述第二金属膜层之上，所述第二传感层的传感材料与第二待测参量相匹配；所述第二金属膜层、第二传感层之间涂有高折射率介质薄膜。

更加优化的，所述第一探测通道、第二探测通道的数量为一个或多个。

优选的，所述包层沉积厚度为1~2μm。并选取折射率略低于光纤背景的材料，以便利用全内反射机理将光约束在纤芯中传导。

所述第一、第二金属膜分别为厚度20~90nm的金或银膜，以确保良好的表面等离子体共振特性。

同样优选的，所述高折射率介质薄膜厚度为20~90nm。其作用是将该通道的共振信号在光谱上与其它通道的共振信号区分开来。

利用液体的毛细现象或采取加压的方式可将液体样品注入到第一、第二空气通孔中。第一、第二传感层的传感材料，根据不同的探测需求可灵活选取。例如，若待测参量是样品温度，则可覆盖一层热光材料；若待测参量是样品中的某种生物分子，传感层则需选择与之相匹配的生物分子，如抗原、抗体、激素、受体、酶或辅酶、核酸分子等。

上述光纤传感器采用波长扫描的方式来检测样品的SPR信号。检测装置包括宽谱光源、起偏器、传输光纤、光谱分析仪等。SPR信号以吸收峰的形式出现在透射谱上。

本发明采用以下技术方案可实现对一个样品中两个及两个以上不同参量并行检测。分别在不同的探测通道中填充待测样品，各探测通道的传感材料依据该通道的测量对象适当选取。填充样品后，调整入射光的偏振方向，利用波分复用技术可分别检测两个及两个以上目标参量对应的共振波长的变化。

该技术方案还可用于同时探测两种及两种以上不同的样品溶液。填充不同样品时利用气孔选择性填充法，将各种样品分别填充到不同探测通道中。

本发明的再一功能是能够实现自参考功能的方法，以消除环境噪声对样品探测的影响，包括各种仪器噪声，环境温度波动、样品中其余分子对目标分子的干扰。例如，其中一个探测通道用来探测样品，另两个通道用作参考通道。采用测量传感通道和参考通道两共振波长之差的方式替代传统的单参量系统中只测量一个共振波长的方式，从而有效抵消噪声的影响。

相比现有的多通道SPR传感系统，本发明具有如下优势：

一、微结构光纤体积小，可实现传感系统的小型化，且制作工艺成熟，可进行大批量生产。

二、样品通道的多层薄膜结构可结合气孔选择性填充法和高压微流体化学沉积法来实现，从而不必像普通光纤那样需要人工剥除涂覆层，腐蚀包层之后再镀膜，因此可避免机械损伤。

三、液体样品通过气孔直接集成在光纤上，能有效解决样品封装的困难。

四、除了能实现同种样品不同参量的并行检测和自参考降噪功能，光纤的多孔结构还支持不同样品的并行检测，有助于满足更广泛的应用需求。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明的技术方案作进一步具体说明。

图1为已有的多通道棱镜SPR传感系统示意图。

图2为已有的双通道光纤SPR传感器示意图。

图3为本发明所述的微结构光纤SPR多通道传感器的端面示意图。

具体实施方式

如图3所示，本发明所述微结构光纤的纤芯8周围环绕三个空气通孔10。纤芯的有效直径在微米量级。光纤背景材料采用石英。三个空气通孔内壁上各沉积一层包层9，厚度约为1~2μm。包层的折射率略低于纤芯，可利用全内反射机理使光约束在纤芯中传导。包层材料可选用石英，也可采用聚合物。若采用石英材质的包层，包层和纤芯的微小折射率差可在制作光纤预制棒阶段通过石英掺杂来实现。在拉光纤时，包层材料作为光纤的一部分随光纤一起拉制。在三个空气通孔的包层上分别利用高压微流化学沉积法均匀镀上相同的金属膜3，材料选择金，厚度范围20~90nm。然后在第一、第三空气通孔的金属膜3上分别涂上第一传感层4，在第二空气通孔的金属膜3上涂上第二传感层5，第二空气通孔的金属膜3与第二传感层5之间制备一层厚度约为20~90纳米的高折射率介质薄膜11，其作用是将该通道的共振信号移至长波方向，从而在光谱上与其它通道的共振信号区分开来。高折射率材料可选用聚合物。采用气孔选择性填充法来实施高折射率介质薄膜的镀膜。

以样品的双参量检测为具体实施例。待测样品为某一酸性溶液，目标参量为酸性溶液中的氢离子浓度和样品温度。其中，氢离子浓度的探测在镀有高折射率介质膜的探测通道中进行，其余两个探测通道用作样品的温度测量。为了识别样品中的氢离子，需在高折射率薄膜上沉积一层对氢离子敏感的PVC膜，厚度约为20-90纳米，使两个参量对应的共振信号在光谱上能够区分开。在另两个探测通道的传感层则各沉积一层热光高分子材料，用于感知温度变化。依据所采用的传感材料及样品的折射率适当选取纤芯和包层材料，以确保光纤模式和表面等离子体波能发生共振耦合。填充样品后，将宽谱光源发出的光调整为线偏振光，使其偏振方向与两个温度探测通道的对称轴保持平行。在光纤另一端用光谱分析仪接收信号。通过观察各参量对应共振波长的移动可获取该参量的变化信息，从而实现双参量的并行检测。

目前的多通道SPR传感系统都集成在传统的光学媒介上，如棱镜、普通的单、多模光纤。本发明的意义在于为多参量SPR探测提供了一种新型的光学载体，即首次利用微结构光纤来实现样品参量的并行检测和自参考功能。应当注意，本发明所涉及的传感器结构仅仅作为一个设计案例，但并不用于限定本发明所提出的技术方案，采用其它的光纤微结构也可实现。

最后所应说明的是，以上具体实施方式仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (5)

1.一种多通道光纤表面等离子体波共振传感器，包括表面等离子体波共振探测光纤，其特征在于，所述探测光纤的包层外围设有第一探测通道，所述第一探测通道包括第一空气通孔、第一金属膜层、第一传感层，所述第一空气通孔两端分别位于探测光纤两端，所述第一金属膜层涂覆于所述包层之上，所述第一传感层位于所述第一金属膜层之上，所述第一传感层的传感材料与第一待测参量相匹配；所述探测光纤的包层外围设有第二探测通道，所述第二探测通道包括第二空气通孔、第二金属膜层、第二传感层，所述第二空气通孔两端分别位于探测光纤两端，所述第二金属膜层涂覆于所述包层之上，所述第二传感层位于所述第二金属膜层之上，所述第二传感层的传感材料与第二待测参量相匹配；所述第二金属膜层、第二传感层之间涂有高折射率介质薄膜。

2.根据权利要求1所述的多通道光纤表面等离子体波共振传感器，其特征在于，所述第一探测通道、第二探测通道的数量为一个或多个。

3.根据权利要求2所述的多通道光纤表面等离子体波共振传感器，其特征在于，所述包层沉积厚度为1～2μm。

4.根据权利要求3所述的多通道光纤表面等离子体波共振传感器，其特征在于，所述第一、第二金属膜分别为厚度20～90nm的金或银膜。

5.根据权利要求4所述的多通道光纤表面等离子体波共振传感器，其特征在于，所述高折射率介质薄膜厚度为20～90nm。

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