CN108917857A - 一种基于无芯光纤的长程表面等离激元共振传感器 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种基于无芯光纤的长程表面等离激元共振传感器，包括：宽谱光源、多模光纤、光纤传感单元和光谱仪，所述光纤传感单元通过所述多模光纤分别与所述宽谱光源和所述光谱仪相连接，所述光纤传感单元包括表面由内至外依次镀有一层介质膜和一层金属膜的无芯光纤。本发明所提供的传感器，相比于结构为光纤/金属膜/待测物的普通光纤表面等离激元共振传感器而言，实现了在同一位置进行细胞平均折射率和温度的双参量测量，温度补偿结果准确度更高，传感器灵敏度更高，检测精度更高。

Description

一种基于无芯光纤的长程表面等离激元共振传感器
技术领域
本发明涉及生物量检测技术领域，具体而言，尤其涉及一种基于无芯光纤的长程表面等离激元共振传感器。
背景技术
目前用于核酸、蛋白质等生物量的检测技术中，电化学法灵敏度低、稳定性较差；酶联免疫法对酶的活性要求较高，对仪器的要求高，因此费用较高，而且外界环境温度的变化很可能影响酶的活性；荧光法会对被测物的活性产生影响，并且检测时间较长；商业化的表面等离激元共振仪器虽然灵敏度高、稳定性好、能够实现快速检测，但是价格昂贵、体积大、不适合远程测量。因此，光纤表面等离激元共振传感器以其灵敏度高、制作灵活、体积小、抗电磁干扰和适合远程测量等优势越来越引起人们更广泛的关注。
液相生物量的折射率一般为1.33-1.38，其中，用于检测分析的蛋白质、核酸等生物大分子溶液的折射率为1.33-1.35，细胞的平均折射率为1.35-1.38。然而，随着生物量检测技术的快速发展，目前普通光纤表面等离激元共振传感器所能实现的灵敏度和检测精度量级已经不能很好地满足上述折射率范围的检测要求，尤其是细胞的平均折射率范围较窄，要求传感器要具有很好的传感性能，此外在生物量的检测过程中还要考虑温度交叉敏感的影响。而现有技术是通过级联结构实现折射率和温度的双参量测量，这种级联结构中含有两个传感单元，分别用来测量温度和折射率，不能实现在同一位置进行双参测量。
发明内容
根据上述提出的现有技术的光纤表面等离激元共振传感器灵敏度不高，半峰宽较宽，检测精度低，测温和测折射率不在同一位置，温度补偿结果不准确的技术问题，而提供一种基于无芯光纤的长程表面等离激元共振传感器。本发明主要利用包括表面镀有介质膜和金属膜的无芯光纤的光纤传感单元，从而起到对细胞平均折射率高灵敏度和高检测精度的测量，以及在同一位置进行细胞平均折射率和温度的双参量测量，提高了温度补偿结果的准确度。
本发明采用的技术手段如下：
一种基于无芯光纤的长程表面等离激元共振传感器，包括：宽谱光源、多模光纤、光纤传感单元和光谱仪，所述光纤传感单元通过所述多模光纤分别与所述宽谱光源和所述光谱仪相连接，所述光纤传感单元包括表面由内至外依次镀有一层介质膜和一层金属膜的无芯光纤。
进一步地，所述宽谱光源为波长在200nm-1200nm范围内连续变化的无突变的连续谱氘卤素灯光源。
进一步地，所述多模光纤为纤芯折射率为1.4679、包层折射率为1.4613、纤芯直径为105μm、包层直径为125μm、长度为200mm且去除了涂覆层的多模光纤。
进一步地，所述无芯光纤为包层折射率为1.4584、包层直径为125μm、长度为10mm且去除了涂覆层的无芯光纤。
进一步地，所述介质膜为厚度为500nm的Tb(Ⅲ)络合物薄膜。
进一步地，所述金属膜为厚度为40nm的金膜。
进一步地，所述光谱仪为检测波长范围为185nm-1150nm，光学分辨率为0.75nm的光谱仪。
较现有技术相比，本发明具有以下优点：
1、本发明提供的基于无芯光纤的长程表面等离激元共振传感器，相比于结构为光纤/金属膜/待测物的普通光纤表面等离激元共振传感器而言，是基于长程表面等离激元共振，传感器灵敏度更高，检测精度更高。
2、本发明提供的基于无芯光纤的长程表面等离激元共振传感器，相比于级联式折射率和温度双参量测量结构，实现了在同一位置进行细胞平均折射率和温度的双参量测量，温度补偿结果准确度更高。
综上，应用本发明的技术方案中传感单元只有一个，能够同时实现折射率和温度的测量。因此，本发明的技术方案解决了现有技术中的光纤表面等离激元共振传感器灵敏度不高，半峰宽较宽，检测精度低，测温和测折射率不在同一位置，温度补偿结果不准确的问题。
基于上述理由本发明可在生物量检测技术等领域广泛推广。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图做以简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明所述表面等离激元共振传感器结构示意图。
图2为本发明所述光纤传感单元结构示意图。
图3为不同折射率的标准葡萄糖溶液样本对应的响应透射光谱。
图4为图3中光谱图中各个共振谷共振波长和吸收峰峰值与对应折射率的线性拟合曲线；
图5为不同温度条件下同一标准葡萄糖溶液样本对应的响应透射光谱。
图6为图5中光谱图中各个共振谷共振波长和吸收峰峰值与对应温度的线性拟合曲线。
图中：1、宽谱光源；2、多模光纤；3、光纤传感单元；4、光谱仪；31、无芯光纤；32、介质膜；33、金属膜；34、待测物。
具体实施方式
需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本发明及其应用或使用的任何限制。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本发明的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置、数字表达式和数值不限制本发明的范围。同时，应当清楚，为了便于描述，附图中所示出的各个部分的尺寸并不是按照实际的比例关系绘制的。对于相关领域普通技术人员己知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术、方法和设备应当被视为授权说明书的一部分。在这里示出和讨论的所有示例中，任向具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制。因此，示例性实施例的其它示例可以具有不同的值。应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步讨论。
在本发明的描述中，需要理解的是，方位词如“前、后、上、下、左、右”、“横向、竖向、垂直、水平”和“顶、底”等所指示的方位或位置关系通常是基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，在未作相反说明的情况下，这些方位词并不指示和暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位或者以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明保护范围的限制：方位词“内、外”是指相对于各部件本身的轮廓的内外。
为了便于描述，在这里可以使用空间相对术语，如“在……之上”、“在……上方”、“在……上表面”、“上面的”等，用来描述如在图中所示的一个器件或特征与其他器件或特征的空间位置关系。应当理解的是，空间相对术语旨在包含除了器件在图中所描述的方位之外的在使用或操作中的不同方位。例如，如果附图中的器件被倒置，则描述为“在其他器件或构造上方”或“在其他器件或构造之上”的器件之后将被定位为“在其他器件或构造下方”或“在其位器件或构造之下”。因而，示例性术语“在……上方”可以包括“在……上方”和“在……下方”两种方位。该器件也可以其他不同方式定位(旋转90度或处于其他方位)，并且对这里所使用的空间相对描述作出相应解释。
此外，需要说明的是，使用“第一”、“第二”等词语来限定零部件，仅仅是为了便于对相应零部件进行区别，如没有另行声明，上述词语并没有特殊含义，因此不能理解为对本发明保护范围的限制。
实施例1
如图1-2所示，本发明提供了一种基于无芯光纤的长程表面等离激元共振传感器，包括：宽谱光源1、多模光纤2、光纤传感单元3和光谱仪4，所述光纤传感单元3通过所述多模光纤2分别与所述宽谱光源1和所述光谱仪4相连接，所述光纤传感单元3包括表面由内至外依次镀有一层介质膜32和一层金属膜33的无芯光纤31。
进一步地，所述宽谱光源1为波长在200nm-1200nm范围内连续变化的无突变的连续谱氘卤素灯光源。
进一步地，所述多模光纤2为纤芯折射率为1.4679、包层折射率为1.4613、纤芯直径为105μm、包层直径为125μm、长度为200mm且去除了涂覆层的多模光纤。
进一步地，所述无芯光纤31为包层折射率为1.4584、包层直径为125μm、长度为10mm且去除了涂覆层的无芯光纤。
进一步地，所述介质膜32为厚度为500nm的Tb(Ⅲ)络合物薄膜。
进一步地，所述金属膜33为厚度为40nm的金膜。
进一步地，所述光谱仪4为检测波长范围为185nm-1150nm，光学分辨率为0.75nm的光谱仪。
本发明所述的基于无芯光纤的长程表面等离激元共振传感器，所述宽谱光源1发出的波长范围为200nm-1200nm的光经所述多模光纤2进入所述光纤传感单元3，光在所述无芯光纤31中发生全反射，全发射所产生的倏逝波的波矢与其激发的分属于金属膜两侧的表面等离激元波的波矢相匹配而发生共振，会消耗入射光的部分能量，表现为所述光谱仪4监测到的透射光谱上出现相应的衰减，所形成的共振谷称为长程共振谷；由光的全反射形成的分属于金属膜两侧的表面等离极化激元的电磁场开始发生交叠，产生对称模式和反对称模式；对称表面等离极化激元的衰减比反对称模式的衰减小，其电磁场穿透待测物34的深度和沿所述金属膜33与所述待测物34分界面的传播长度远比反对称表面等离极化激元的大；对称模式称作长程表面等离激元共振，而反对称模式称作短程表面等离激元共振。
当紧贴在金属膜表面的待测物的折射率发生变化时会改变波矢匹配条件，引起共振谷的位置发生变化，进而传感器能够实现对待测物折射率变化的感知与测量。
所述介质膜32为Tb(Ⅲ)络合物薄膜，对350nm波长的光具有吸收作用，因此透射光谱在350nm附近也出现相应的衰减，进而形成吸收峰，并且由于Tb(Ⅲ)络合物薄膜的荧光特性，形成的吸收峰的强度会随待测物温度变化而变化，当待测物温度升高时，吸收峰强度减小。
由此，本发明提供的传感器在同一位置可实现折射率和温度的双参量测量，并且由于所述介质膜32的存在，所述金属膜33表面的表面等离激元波为长程表面等离激元波，其电磁场穿透待测物的深度更深，沿金属膜与待测物之间分界面的传播长度更长，所形成的长程表面等离激元共振谷相比于普通光纤表面等离激元共振传感器形成的共振谷在测量折射率时移动量更大，半峰宽更窄，进而本发明提供的长程表面等离激元共振传感器相比于普通光纤表面等离激元共振传感器具有更高的灵敏度和更高的检测精度。
本发明提供的传感器适合所有液相生物量的折射率检测，通过折射率依次为1.3500、1.3575、1.3650、1.3725、1.3800的标准葡萄糖溶液样本得到的拟合曲线可以求解折射率范围在1.3500-1.3800的所述待测物34的折射率和外界温度，同时能够进行检测精度的验证。
如图3所示，不同折射率的标准葡萄糖溶液样本检测得到的共振光谱中共振谷的位置和吸收峰的强度均不同，当标准葡萄糖溶液样本的折射率越大，共振谷位置越靠右；说明共振谷位置和吸收峰强度分别与所述待测物34折射率有关。
如图4所示，将图3各葡萄糖样本对应的各个共振谷的共振波长和折射率进行线性拟合便可得到共振谷的折射率灵敏度系数KRIa＝3333.07nm/RIU，将各个吸收峰的峰值和对应的折射率进行线性拟合便可得到吸收峰的折射率灵敏度系数KRIb＝-6.40dB/RIU，得到的两个灵敏度系数明显高于现有技术中的相应结果，说明本申请所述传感器的灵敏度较高。
如图5所示，在温度变化范围为25℃-90℃条件下折射率为1.3319的标准葡萄糖溶液样本对应的共振光谱，随着温度的变化，光谱的共振谷的位置发生变化，温度越高，共振谷越靠左，吸收峰的强度越弱；说明共振谷位置和吸收峰强度分别与外界温度有关。
如图6所示，将图5各个共振谷的共振波长和对应的温度进行线性拟合便可得到共振谷的温度灵敏度系数KTa＝-0.47nm/℃，将各个吸收峰的峰值和对应的的温度进行线性拟合便可得到吸收峰的温度灵敏度系数KTb＝0.0072dB/℃，得到的两个灵敏度系数明显高于现有技术中的相应结果，说明本申请所述传感器的灵敏度较高。
将根据图4和图6得到的灵敏度系数分别代入公式(1)中推导出公式(2)，即可用于求解不同待测物的折射率和外界温度变化情况：
在进行检测时，将待测物滴加在所述光纤传感单元3上，与所述无芯光纤31相接触进行测量，由于长程表面等离激元共振的存在，所述无芯光纤31中的光出现相应的衰减，将所述光谱仪4连接电脑后工作人员能通过电脑监测到所述光谱仪4生成的透射光谱形成共振谷，当待测物的折射率和温度发生变化时，改变了长程表面等离激元共振产生的相位匹配条件，共振谷位置也会发生相应的移动。
因此根据所述待测物34对应的共振光谱中共振谷的位置及吸收峰的强度代入公式(2)后结合图4和图6即可求解折射率和温度的变化情况。
综上所述，本发明所提供的基于无芯光纤的长程表面等离激元共振传感器，相比于结构为光纤/金属膜/待测物的普通光纤表面等离激元共振传感器而言，实现了在同一位置进行细胞平均折射率和温度的双参量测量，温度补偿结果准确度更高，传感器灵敏度更高，检测精度更高。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (7)

1.一种基于无芯光纤的长程表面等离激元共振传感器，其特征在于，包括：宽谱光源、多模光纤、光纤传感单元和光谱仪，所述光纤传感单元通过所述多模光纤分别与所述宽谱光源和所述光谱仪相连接，所述光纤传感单元包括表面由内至外依次镀有一层介质膜和一层金属膜的无芯光纤。
2.根据权利要求1所述的基于无芯光纤的长程表面等离激元共振传感器，其特征在于，所述宽谱光源为波长在200nm-1200nm范围内连续变化的无突变的连续谱氘卤素灯光源。
3.根据权利要求1所述的基于无芯光纤的长程表面等离激元共振传感器，其特征在于，所述多模光纤为纤芯折射率为1.4679、包层折射率为1.4613、纤芯直径为105μm、包层直径为125μm、长度为200mm且去除了涂覆层的多模光纤。
4.根据权利要求1所述的基于无芯光纤的长程表面等离激元共振传感器，其特征在于，所述无芯光纤为包层折射率为1.4584、包层直径为125μm、长度为10mm且去除了涂覆层的无芯光纤。
5.根据权利要求1所述的基于无芯光纤的长程表面等离激元共振传感器，其特征在于，所述介质膜为厚度为500nm的Tb(Ⅲ)络合物薄膜。
6.根据权利要求1所述的基于无芯光纤的长程表面等离激元共振传感器，其特征在于，所述金属膜为厚度为40nm的金膜。
7.根据权利要求1所述的基于无芯光纤的长程表面等离激元共振传感器，其特征在于，所述光谱仪为检测波长范围为185nm-1150nm，光学分辨率为0.75nm的光谱仪。
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