CN106770032A - 相位探测型光纤spr生化传感系统 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种相位探测型光纤SPR生化传感系统，属于光纤传感生化检测技术领域。利用SPR相位探测技术与光纤传感技术相结合，实现高分辨率、低成本、小型化的SPR生化检测功能。技术方案是：利用侧面研磨并沉积金膜的双芯光纤作为传感元件提供SPR检测信号和马赫曾德干涉信号，利用激光器作为光源，单模光纤用于光的传输，光电探测器作为光信号的接收装置，利用LabVIEW软件进行数据的采集、处理和存储。相位探测方式对SPR信号进行探测可以提高传感系统的分辨率，光纤传感元件可减小传感系统的体积，因此该发明可实现价格低廉，方便快捷，分辨率高的低浓度生化样品检测分析。
Description
技术领域
本发明属于光纤传感生化检测技术领域，利用高分辨率的表面等离子体共振(SPR)相位探测方式与便携式双芯光纤传感元件相结合，涉及到SPR原理。整个系统结构简单，通过SPR相位检测技术与光纤传感技术相结合，可以实现高灵敏度、高分辨率的小型化SPR生化系统，可以实现对微量浓度蛋白质样品的特异性检测，在生物、化学、医学等检测领域具有广泛的应用前景。
背景技术
表面等离子体共振(Surface Plasmon Resonance，SPR)是一种近年来新型的光电检测技术，是一种应用了光波传输和电磁波激发的物理现象。当在棱镜或波导中传输的光耦合入金属薄膜时会形成消逝波，因此会与金属介质中存在的等离子体波发生共振现象，即SPR效应。SPR检测信号对金属薄膜表面的介质折射率十分敏感，对折射率变化具有良好的动态响应性，因此可以进行与折射率有关的检测。与传统传感器相比，SPR传感器具有高灵敏度、响应速度快、抗电磁干扰等诸多优点，已经在生物、化学、医学等诸多领域得到广泛应用。市面上普遍使用的SPR传感器的探测方式通常为波长探测型和角度探测型，在传感分辨率方面具有一定的局限性，可以达到10-5-10-6，而相位探测型SPR传感器具有超高的分辨率，分辨率可以达到10-7-10-9。然而相位探测型SPR传感器通常是与棱镜传感元件相结合，需要搭建干涉光路，因此体积较大，稳定性低，制作成本昂贵，多局限于实验室研究，难以在工业生产中形成广泛应用。而近年来光纤SPR传感技术因为其小型化、便携式、遥感等诸多优点发展迅速，将SPR相位探测技术与光纤传感技术相结合，可以在满足高分辨率传感的同时，大幅度减小传感系统的体积和成本。因此能够实现低成本、便携式、高分辨率的SPR生化检测设备成为生化传感领域的迫切需求。
发明内容
本发明旨在提供一种低成本、小型化、高分辨率的相位探测型光纤SPR生化传感系统。该传感器基于SPR传感原理，将相位探测技术与光纤传感技术相结合。利用双芯光纤实现马赫曾德(MZ)干涉，通过在纤芯表面镀制金膜实现SPR效应，从而进行相位探测，通过对金膜表面进行化学修饰实现生化检测功能。该发明利用SPR相位探测方式的高分辨率特性和低成本、小型化的光纤传感技术相结合，实现了SPR生化检测功能。该发明分辨率高、成本低、体积小，在生化传感与医学检测领域具有广泛的应用前景。
本发明的技术方案：
相位探测型光纤SPR生化传感系统，传感元件为双芯光纤2，将其弯曲固定，对双芯光纤2的弯曲侧顶面研磨至一个纤芯裸露，此时在裸露的纤芯表面镀制45-55nm的金属薄膜1，用于产生SPR检测信号；光源由波长是1550nm的激光器4提供，利用单模光纤3作为传输光纤，将光导入双芯光纤2中，光在双芯光纤2的两个纤芯中传输，利用单模光纤3进行光信号的接收，双芯光纤2的两个纤芯中的光传输到单模光纤3的纤芯中，形成MZ干涉，SPR信号和MZ信号在单模光纤3中传输，通过准直透镜6后入射到沃拉斯顿棱镜8，获得P偏振光和S偏振光，分别导入光电探测器9，将光信号转变为电信号，利用USB数据线10将电信号传输到电脑11中，对数据采集处理，获得SPR相位检测信号。
通过对传感元件进行表面的化学处理和流通池封装，利用蠕动泵进行实验样品的传输，可以实现对微量蛋白质样品的检测。
本发明的有益效果：本发明利用双芯光纤作为传感元件，利用SPR相位探测方式和光纤传感技术相结合，实现了相位探测型光纤SPR生化传感系统。该系统具有良好的稳定性、成本低廉、分辨率高等诸多优势，可用于进行低浓度蛋白样品的SPR检测分析。在生物、化学、医学领域具有广泛的前景。
附图说明
图1为传感元件示意图。
图2为传感系统示意图。
图中：1金属薄膜；2双芯光纤；3单模光纤；4激光器；5传感元件；6准直透镜；7光路；8沃拉斯顿棱镜；9光电探测器；10USB数据线；11电脑。
具体实施方式
以下结合技术方案和附图详细叙述本发明的具体实施方式。
实施例
1.制备工艺
1)多双芯光纤的侧面利用研磨技术进行微结构处理，将弯曲光纤的侧面研磨成平面，使纤芯裸露；
2)利用磁控溅射技术在裸露的纤芯表面沉积厚度为50nm的金膜；
3)将处理后的双芯光纤两点分别连接单模光纤，一端连接在光源上，另一端连接到准直透镜上；
4)将准直透镜出射的光通过沃拉斯顿棱镜，由光电探测器接收；
5)用USB数据线将光电探测器与电脑相连；
2.操作
1)将传感元件封装在流通池中，保持密封，减少实验样品的挥发；
2)将传感元件与光源和准直透镜相连，利用光电探测器相连，利用沃拉斯顿棱镜分出的S偏振光和P偏振光分别用两个光电探测器进行接收；
3)蠕动泵将待测样品溶液缓慢通入流通池，利用光电探测器将相应的光信号转变成电信号，利用LabVIEW软件进行数据处理，每0.25秒记录一组SPR相位检测信号；
4)对传感区域表面进行化学修饰，使其拥有蛋白质的特异性结合识别功能。
Claims (1)
1.一种相位探测型光纤SPR生化传感系统，其特征在于，传感元件为双芯光纤(2)，将其弯曲固定，对双芯光纤(2)的弯曲侧顶面研磨至一个纤芯裸露，此时在裸露的纤芯表面镀制45-55nm的金属薄膜(1)，用于产生SPR检测信号；光源由波长是1550nm的激光器(4)提供，利用单模光纤(3)作为传输光纤，将光导入双芯光纤(2)中，光在双芯光纤(2)的两个纤芯中传输，利用单模光纤(3)进行光信号的接收，双芯光纤(2)的两个纤芯中的光传输到单模光纤(3)的纤芯中，形成MZ干涉，SPR信号和MZ信号在单模光纤(3)中传输，通过准直透镜(6)后入射到沃拉斯顿棱镜(8)，获得P偏振光和S偏振光，分别导入光电探测器(9)，将光信号转变为电信号，利用USB数据线(10)将电信号传输到电脑(11)中，对数据采集处理，获得SPR相位检测信号。
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