CN105136747B - 基于表面等离子体的多模光纤探针生物传感装置 - Google Patents

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Abstract

一种基于表面等离子体的多模光纤探针生物传感装置。图1是所提多模光纤探针生物传感芯片的示意图，包括光纤传感系统和微流控系统，其中光纤传感系统包括光源2，单模光纤3，单模光纤环行器4，光纤传感探头5和光电转换模块8，其中光纤传感探头5包括单模光纤3，多模光纤6和金属膜层7，微流控系统包括输入微流泵9，微流导管10，微流腔11和输出微流泵12，同时，光纤传感探头5固定于微流腔11内，光纤传感系统和微流控系统集成设计与芯片基底1之上。图2是所提多模光纤探针生物传感装置的封装示意图，包括输入微流泵9，输出微流泵12，封装外壳13，激光光源开关14，微流输入流速控制开关15，微流输出流速控制开关16和液晶显示屏17。

Description

基于表面等离子体的多模光纤探针生物传感装置
技术领域
本发明涉及光纤传感和生物检测领域，具体涉及一种新型基于表面等离子体的多模光纤探针生物传感装置。
背景技术
随着生物传感技术的飞速发展，生物传感器的种类日渐丰富。常见生物传感器有电子生物传感器和光纤生物传感器。由于光纤自身众多的优点，例如：易微型化，耐水耐高温，抗电磁干扰等，光纤传感器倍受青睐。
然而，采用基于普通光纤的光纤传感器存在保偏性差和交叉敏感等难以克服的问题，限制了其传感性能的进一步提高。表面等离子体(surface plasmon polaritons，SPPs)是一种光波激励自由电子谐振的光学现象，其超强电磁束缚特性可以大大提高传感敏感度。与普通光纤传感技术相比，SPPs传感技术具有一系列优良特性，例如：模场面积大，倏逝场强，可实现多参数测量等。因此，结合高灵敏度SPPs与低损耗光纤的传感技术逐渐成为传感的研究热点。
发明内容
针对上述要求，本发明的目的在于提供一种基于表面等离子体的多模光纤探针生物传感装置，其具备制作工艺简单，设计灵活性高和可微量检测样品等优点。本发明的目的是由以下技术方案来实现的：
根据上述目的，我们提出了一种简易基于表面等离子体的多模光纤探针生物传感装置。图1是所提多模光纤探针生物传感芯片的示意图，包括光纤传感系统和微流控系统，其中光纤传感系统包括光源2，单模光纤3，单模光纤环行器4，光纤传感探头5和光电转换模块8，其中光纤传感探头5包括单模光纤3，多模光纤6和金属膜层7，微流控系统包括输入微流泵9，微流导管10，微流腔11和输出微流泵12，同时，光纤传感探头5固定于微流腔11内，光纤传感系统和微流控系统集成设计与芯片基底1之上。图2是所提多模光纤探针生物传感装置的封装示意图，包括输入微流泵9，输出微流泵12，封装外壳13，激光光源开关14，微流输入流速控制开关15，微流输出流速控制开关16和液晶显示屏17。
本发明中光源可以选取宽带光源或者单频光源：选择宽带光源，则根据波长移动的大小来检测待测样品；选择单频光源，则根据反射光强变化的大小来检测待测样品。
本发明中涉及到光纤结构的设计和制备。光纤结构参数采取光束传播法和时域有限差分法来优化设计。光纤结构的制备采取常用光纤制备工艺，比如光纤切割和光纤电弧熔接工艺。
本发明中涉及到金属镀膜工艺，镀膜可采取常用真空蒸镀和离子溅射等镀膜工艺，为保证传感高敏感度和表面等离子体的激发，金属薄膜厚度需控制在20纳米至50纳米范围内。
本发明中光环行器的工作波长应根据光源波长而定，且其在工作波长范围内应具有足够小的插入损耗。
本发明中光电转换模块的工作波长应根据光源波长而定，且其在工作波长范围内应具有足够高的光电响应度。
本发明中微流控系统的每一个连接处都需要保证其微流密闭性，以防止待测样品的泄露，待测样品可为气体或液体。
附图说明
图1是基于表面等离子体的多模光纤探针生物传感芯片结构示意图。
图2是基于表面等离子体的多模光纤探针生物传感装置的封装外壳示意图。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明的实施举例进行描述。
如图1，本发明所提的多模光纤探针生物传感芯片包括：芯片基底1，光源2，单模光纤3，单模光纤环行器4，光纤传感探头5，光电转换模块8，输入微流泵9，微流导管10，微流腔11和输出微流泵12。其中光纤传感探头5包括单模光纤3，多模光纤6和金属膜层7，光纤传感探头5固定于微流腔11内。光源2发出的光信号经单模光纤3传输至单模光纤环行器4，单模光纤环行器4输出的光信号经单模光纤传输至光纤传感探头5，光纤传感探头5的反射光信号经单模光纤通过单模光纤环行器4输送至光电转换模块8。光电转换模块8将反射光信号转换成电流或电压信号输出，根据电流或电压输出信号可以分析反射光信号，避免了使用较为昂贵的光学光谱仪来分析光信号。在监测反射光信号的同时，待测样品通过输入微流泵9经微流导管10输送至微流腔11内，然后待测样品通过输出微流泵12经微流导管10排出微流腔11。
当不同待测样品流经光纤传感探头5的时候，折射率的改变将引起表面等离子体谐振波长的变化，最后导致反射光信号发生变化。因此，通过计算反射光信号变化的大小可以推知待测样品特性的改变，比如折射率的变化大小。
如图2，本发明所提的多模光纤探针生物传感器封装外壳包括：输入微流泵9，输出微流泵12，封装外壳13，激光光源开关14，微流输入流速控制开关15，微流输出流速控制开关16和液晶显示屏17。激光光源开关14与光源2连接用于控制光源2的开启和关闭。微流输入流速控制开关15和微流输出流速控制开关16分别与输入微流泵9和输出微流泵12相连接用于控制微流输入和输出的流速。液晶显示屏17与光电转换模块8相连接用于输出光电转换模块8的光电响应结果。

Claims (8)

1.一种基于表面等离子体的多模光纤探针生物传感装置，包括多模光纤探针生物传感芯片和封装外壳，所述多模光纤探针生物传感芯片包括光纤传感系统和微流控系统，其中光纤传感系统包括光源(2)，单模光纤(3)，单模光纤环行器(4)，光纤传感探头(5)和光电转换模块(8)，其中光纤传感探头(5)包括单模光纤(3)，多模光纤(6)和金属膜层(7)，微流控系统包括输入微流泵(9)，微流导管(10)，微流腔(11)和输出微流泵(12)，同时，光纤传感探头(5)固定于微流腔(11)内，光纤传感系统和微流控系统集成设计与芯片基底(1)之上，所述光电转换模块(8)用于将反射光信号转换成电流或电压信号输出，并根据电流或电压输出信号分析反射光信号，在所述封装外壳上设置激光光源开关(14)，微流输入流速控制开关(15)，微流输出流速控制开关(16)和液晶显示屏(17)；为保证传感高敏感度和表面等离子体的激发，金属薄膜厚度需控制在20纳米至50纳米范围内。
2.根据权利要求1所述的一种基于表面等离子体的多模光纤探针生物传感装置，光源可以选取宽带光源或者单频光源：选择宽带光源，则根据波长移动的大小来检测待测样品；选择单频光源，则根据反射光强变化的大小来检测待测样品。
3.根据权利要求1所述的一种基于表面等离子体的多模光纤探针生物传感装置，光纤结构的设计参数采取光束传播法和时域有限差分法来优化设计。
4.根据权利要求1所述的一种基于表面等离子体的多模光纤探针生物传感装置光纤结构的制备采取常用光纤制备工艺，比如光纤切割和光纤电弧熔接工艺。
5.根据权利要求1所述的一种基于表面等离子体的多模光纤探针生物传感装置，金属镀膜工艺，采取常用真空蒸镀和离子溅射镀膜工艺。
6.根据权利要求1所述的一种基于表面等离子体的多模光纤探针生物传感装置，光环行器的工作波长应根据光源波长而定，且其在工作波长范围内应具有足够小的插入损耗。
7.根据权利要求1所述的一种基于表面等离子体的多模光纤探针生物传感装置，光电转换模块的工作波长应根据光源波长而定，且其在工作波长范围内应具有足够高的光电响应度。
8.根据权利要求1所述的一种基于表面等离子体的多模光纤探针生物传感装置，微流控系统的每一个连接处都需要保证其微流密闭性，以防止待测样品的泄露，待测样品可为气体或液体。
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