CN102445436A - 一种微结构光纤传感器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及生物化学传感领域的一种微结构光纤传感器，所述微结构光纤内包含内圈和外圈两圈空气孔，外圈空气孔包括孔内镀膜和孔内非镀膜的两种空气孔，分别用作样品通道。其中，外圈镀膜孔内镀金属膜作为SPR探测通道，用于测量折射率低于背景光纤材料的样品。外圈非镀膜孔样品通道用于探测折射率高于光纤背景材料折射率的样品。内圈与外圈空气孔之间、以及外圈镀膜和非镀膜孔之间呈周期性排布孔阵结构，使表面等离子体共振以及共振耦合两种探测机理能同时在一个结构中实现，有效扩大了传感器的探测范围，使传感器的探测范围不再受到传感器背景材料局限，能满足更广泛的应用需求。本发明还具有体积小，结构简单、容易封装的优点。

Description

一种微结构光纤传感器

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以及共振耦合原理的生化传感器。

背景技术

发现表面等离子体共振（Surface Plasmon Resonance, 简称SPR）现象距今已有很长的历史。关于该效应最初始的文献记载可以追溯到1902年，Wood注意到当偏振光通过金属衍射光栅时，衍射谱中出现了暗线。1968年，Otto根据金属和介质表面SPW的激发成功解释了SPR现象，同年，Kreteschmann和Raether提出了Kreteschmann棱镜耦合结构，为SPR传感器奠定了基础。基于表面等离子体共振原理的传感器，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。大多数的SPR传感器主要针对某种样品的样品浓度、PH值、或某种目标分子的化学物理特性等参量进行测量。目前，Biacore AB公司已开发出首台商品化SPR仪器，其工作原理是采用棱镜耦合加上高精度角度扫描的方式进行型号探测。棱镜耦合结构稳定，灵敏度高，但是其体积大，制作成本较高，且不便于集成和携带，无法小型化和集成化，限制了此类传感器的使用范围。近年来，基于光纤SPR的传感器也已被提出，光纤SPR传感器除了体积小，还具备制作简单、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，而且光纤产品的多元化，也给SPR传感器带来了更大的适用空间，如专利名称为“一种光纤表面等离子体共振传感检查”、专利号为200820212280.2的专利，如图1所示的基于微结构光纤SPR传感器。

但是随着生物、化学、医学、农业、环境监测及相关领域的迅速发展，研究范围日益扩大，由于SPR传感器的探测范围受限于探测器本身的背景材料，只能探测折射率低于背景材料折射率以下的样品，无法实现大范围的测量，传统的SPR传感器已不能满足探测需求。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是为克服现有SPR传感器探测范围受限制的不足，提供了一种基于多传感机理的微结构光纤传感器，可同时测量折射率高于和低于背景材料折射率的样品，能有效扩大传感器的探测范围。

为解决上述技术问题，本发明提供一种微结构光纤传感器，所述微结构光纤内包含内圈和外圈两圈空气孔，其特征在于，所述外圈空气孔包括孔内镀膜和孔内非镀膜的两种空气孔。

优选的，从纤芯横截面看，所述内圈、外圈空气孔的排列方式分别为以纤芯的圆心，呈中心对称排列；外圈空气孔中心点直线串连呈边数大于3的多边形，内圈空气孔中心点直线串连呈边数大于3的多边形。

进而优选的，所述外圈空气孔中心点连线的多边形与内圈空气孔中心点连线多边形相似且平行。

更加优化的方案是，所述镀膜孔和非镀膜孔之间交错排列。

更加优选的，所述镀膜孔和非镀膜孔之间的交错排列呈一一交错。

所述外圈空气孔在检测中，同时用于样品通道的个数为大于2个且小于等于12个。

最优的，所述外圈空气孔中镀膜孔和非镀膜孔个数分别为6个，内圈空气孔个数为6个。

作为进一步的应用方案，所述外圈镀膜孔和非镀膜孔内分别涂敷传感层膜。所述传感层膜根据不同的探测需求，选取相应的传感材料。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。

本发明采用以下技术方案可实现对样品中不同的折射率进行行检测。外圈空气孔用作样品通道,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空气孔中。其中，外圈镀膜孔内镀以金属膜作为SPR探测通道，充分利用SPR的高灵敏度，用于测量折射率低于背景光纤材料的样品。外圈非镀膜孔的样品通道作为另一类探测通道，用于探测折射率高于光纤背景材料折射率的样品。内圈空气孔采用包层折射率略低于光纤背景的材料，以便利用类全内反射机理将光约束在纤芯中传导。所述金属薄膜优选金膜或银膜，以确保良好的表面等离子体共振特性。若测量参量是样品的折射率，可采用波长扫描的方式来检查样品的SPR信号和共振耦合信号。样品填充后，调整入射光的偏振方向，使之与镀有金属膜的样品通道的对称轴平行，若样品折射率低于背景光纤材料折射率，在接收端只有SPR信号；若样品折射率高于背景光纤材料折射率，在接收端只有共振耦合信号。SPR信号和共振耦合信号以吸收峰的形式出现在透射谱上。检测装置包括宽谱光源、起偏器、传输光纤、光谱分析仪等。

本发明的意义在于首次利用多传感机理来实现宽范围样品参量测量。相比现有的SPR传感系统，本发明具有如下优势：

1、体积小，结构简单稳定，可实现传感系统的小型化，可大批量生产。

2、样品通道通过气孔直接集成在光纤上，能有效解决样品封装的困难。

3、内圈与外圈空气孔之间、以及外圈镀膜和非镀膜孔之间呈周期性排布孔阵结构,使表面等离子体共振以及共振耦合两种探测机理能同时在一个结构中实现，有效扩大了传感器的探测范围，使传感器的探测范围不再受到传感器背景材料局限，能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为已有的基于微结构光纤的SPR传感器示意图。

图2为本发明所述的多传感机理的微结构光纤传感器的纤芯横截面示意图。

其中，1—纤芯，2—金属膜，3—空气孔，4—样品通道，5—涂敷层，6—外圈镀膜孔，7—外圈非镀膜孔。

具体实施方式

如图2所示，本发明所述微结构光纤的纤芯1周围环绕两圈空气孔，其中外圈空气孔为12个，内圈空气孔3为6个，外圈镀膜孔6和外圈非镀膜孔7的个数分别为6个。内圈、外圈空气孔的排列方式分别为以纤芯的圆心，呈中心对称排列；外圈空气孔中心点直线串连呈六边形，内圈空气孔中心点直线串连呈六边形。外圈空气孔中心点连线的六边形与内圈空气孔中心点连线六边形相似且平行。外圈镀膜孔6和外圈非镀膜孔7均为样品通道。这样，形成内圈、外圈空气孔的周期性排列。便于同时满足形成外圈镀膜孔样品通道内的表面等离子体共振信号传输以及外圈非镀膜孔样品通道内的共振耦合信号的产生和传输。纤芯1的有效直径在微米量级。光纤背景材料可以自由选择，在本发明中采用石英。外圈镀膜孔6内利用高压微流化学沉积法间隔的均匀镀上金属膜2，厚度为20~90nm。

通过调节镀膜孔的个数以及镀膜孔和非镀膜孔的排列顺序可有效调节输出信号的信噪比。本实施方式为优选方式，外圈镀膜孔6和外圈非镀膜孔7以纤芯的圆心，呈中心对称一一交错排列。

以样品的折射率检测为具体实施例。填充样品后，将输入的宽谱光源发出的光通过起偏器调整为线偏振光，使其偏振方向与镀有金属膜的样品通道的对称轴平行，在光纤另一端用光谱分析仪接受信号。若待测样品采用某水溶液，折射率一般为1.33~1.35，目标参量为样品的折射率。由于待测样品的折射率低于光纤背景材料折射率，光纤背景材料折射率约为1.45，此时样品的探测在镀有金属膜的通道进行测量，只有SPR信号在接收端被识别。若待测样品采用某折射率为1.5~1.8的化学溶液，由于待测样品的折射率高于光纤材料背景材料折射率，此时样品的探测在未镀金属膜的样品通道进行测量，只有共振耦合信号在接收端被识别。优选的用于样品通道的个数为大于2个且小于等于12个。

若目标参量为样品的PH值，需在样品通道上沉积一层对PH值敏感的水溶胶，厚度约为几十纳米，水凝胶对PH值敏感，PH值的变化将转变为水凝胶折射率的变化；若目标参量为样品的温度，只需在样品通道上沉积一层对温度敏感的热光高分子材料。各目标参量的变化最终将体现为待测样品的等效折射率变化，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，从而实现对各参量的检测。

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 (8)

1.一种微结构光纤传感器，所述微结构光纤内包含内圈和外圈两圈空气孔，其特征在于，所述外圈空气孔包括孔内镀膜和孔内非镀膜的两种空气孔。

2.根据权利要求1所述的微结构光纤传感器，其特征在于，从纤芯横截面看，所述内圈、外圈空气孔的排列方式分别为以纤芯的圆心，呈中心对称排列；外圈空气孔中心点直线串连呈边数大于3的多边形，内圈空气孔中心点直线串连呈边数大于3的多边形。

3.根据权利要求2所述的微结构光纤传感器，其特征在于，所述外圈空气孔中心点连线的多边形与内圈空气孔中心点连线多边形相似且平行。

4.根据权利要求3所述的微结构光纤传感器，其特征在于，所述镀膜孔和非镀膜孔之间交错排列。

5.根据权利要求4所述的微结构光纤传感器，其特征在于，所述镀膜孔和非镀膜孔之间的交错排列呈一一交错。

6.根据权利要求4所述的微结构光纤传感器，其特征在于，所述外圈空气孔在检测中，同时用于样品通道的个数为大于2个且小于等于12个。

7.根据权利要求6所述的微结构光纤传感器，其特征在于，所述外圈空气孔中镀膜孔和非镀膜孔个数分别为6个，内圈空气孔个数为6个。

8.根据权利要求1至7之一所述的微结构光纤传感器，其特征在于，所述外圈镀膜孔和非镀膜孔内分别涂敷传感层膜；所述传感层膜根据不同的探测需求，选取相应的传感材料。