CN108982422A - 自校准锥形端面表面等离子共振集成生化传感器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种自校准锥形端面表面等离子共振集成生化传感器，属于光纤传感技术领域。本发明的技术方案要点为：传感器采用终端反射式传感结构，传感器的主体为光纤纤芯直径为400μm、数值孔径为0.12的塑料包层多模光纤，裸露的光纤纤芯端面通过研磨并抛光成四个结构完全相同的斜面，形成四面体锥形结构，在四个斜面上均匀溅射厚度为50nm的金膜，并在相邻的两个斜面上利用聚焦离子束刻蚀技术制备正六棱柱形金纳米孔阵列。本发明不仅能够实现不同角度等离子体共振的激发，提高检测的灵敏度，同时也提高了传感器的集成度，结构设计更加灵活多样，实现对生化分子多功能性检测的同时兼顾检测的准确性，并且具有自校准功能。
Description
技术领域
本发明属于光纤传感技术领域，具体涉及一种自校准锥形端面表面等离子共振集成生化传感器。
背景技术
目前采用表面等离子体共振原理的生化传感器多为棱镜耦合结构，该类传感器结构复杂、体积较大、制作成本昂贵，难以实现远程操控，不具有便携性；目前虽有多层金属交替膜系的光纤表面等离子体共振传感器出现，但是多为单通道结构，在对生化样品的传感检测中容易受到温度或样品溶液本体折射率变化及样品挥发等因素的影响，传感器不具备自校准功能，检测的准确度较差。而目前已出现的基于局域表面等离子体共振原理的多通道光纤传感器多采用平面端面研磨的方式，集成化程度低，不能满足生化样品的多样本同时检测需求，检测灵敏度较差，检测精度低。
发明内容
本发明解决的技术问题是提供了一种结构简单且设计合理的自校准锥形端面表面等离子共振集成生化传感器，该传感器在裸露的光纤纤芯端面研磨四个具有相同倾斜角度的斜面，形成四面体锥形结构，这种SPR传感结构在继承了传统SPR传感器诸多优点的同时，还具有表面等离子体激发的角度控制性，该四面体锥形结构中两个相邻的斜面分别制备金纳米孔阵列，另外两个相邻的斜面均匀镀制金膜，其中两个不同结构的倾斜端面表面分别做不同的生化分子修饰，作为检测通道实现对两种不同生化分子的同时检测，另外两个不同结构的倾斜端面表面不做生化分子修饰，作为参考通道实现对两种生化分子检测的校准功能，有效消除环境温度或样品溶液本体折射率变化及样品挥发、表面分子物理性吸附等因素对生化分子特异性识别检测的影响。
本发明为解决上述技术问题采用如下技术方案，自校准锥形端面表面等离子共振集成生化传感器，其特征在于：该传感器采用终端反射式传感结构，所述传感器的主体为光纤纤芯直径为400μm、数值孔径为0.12的塑料包层多模光纤，裸露的光纤纤芯端面通过研磨并抛光成四个结构完全相同的斜面，形成四面体锥形结构，在四个斜面上均匀溅射厚度为50nm的金膜，并在相邻的两个斜面上利用聚焦离子束刻蚀技术制备正六棱柱形金纳米孔阵列，其中两个不同结构的倾斜端面表面分别做不同的生化分子修饰，作为检测通道实现对两种不同生化分子的同时检测，另外两个不同结构的倾斜端面表面不做生化分子修饰，作为参考通道实现对两种生化分子检测的校准功能。
优选的，所述光纤纤芯的外侧依次包覆有光纤包层和光纤涂覆层。
优选的，所述金纳米孔阵列的周期为700nm，该金纳米孔阵列横截面的外接圆直径为200nm。
本发明所述的自校准锥形端面表面等离子共振集成生化传感器的制备方法，其特征在于具体步骤为：
步骤S1：取一段长为60mm、光纤纤芯直径为400μm、数值孔径为0.12的塑料包层多模光纤，在距离光纤纤芯端面3mm位置用光纤钳剥去光纤涂覆层和光纤包层，并用无水乙醇将裸露的光纤纤芯端面清洗干净；
步骤S2：使用透镜光纤研磨机将裸露的光纤纤芯端面研磨成四个结构完全相同的斜面，形成四面体锥形结构，并对斜面进行抛光处理；
步骤S3：在抛光处理后的四个斜面上分别均匀溅射厚度为50nm的金膜；
步骤S4：采用聚焦离子束刻蚀技术在相邻的两个斜面上分别刻蚀正六棱柱形金纳米孔阵列形成自校准锥形端面表面等离子共振集成生化传感器，该金纳米孔阵列的周期为700nm，金纳米孔阵列横截面的外接圆直径为200nm。
本发明所述的自校准锥形端面表面等离子共振集成生化传感器在对两种生化分子同时进行特异性识别检测中的应用，其特征在于具体过程为：采用Y型的阶跃折射率多模光纤跳线进行信号的耦合传输，光纤光源发射的宽谱光经Y型光纤跳线的一支进入自校准锥形端面表面等离子共振集成生化传感器，在光纤纤芯和金纳米孔阵列结构薄膜界面激发局域表面等离子体共振，传感信号经跳线另一支耦合到光谱仪CCD上进行探测，在两个不同结构的倾斜端面表面分别做不同的生化分子修饰，作为检测通道实现对两种不同生化分子的同时检测，在另外两个不同结构的倾斜端面表面不做生化分子修饰，作为参考通道实现对两种生化分子检测的校准功能。
本发明与现有技术相比具有以下有益效果：本发明设计的自校准锥形端面表面等离子共振集成生化传感器不仅能够实现不同角度等离子体共振的激发，提高检测的灵敏度，同时也提高了传感器的集成度，结构设计更加灵活多样，实现对生化分子多功能性检测的同时兼顾检测的准确性，并且具有自校准功能。
附图说明
图1是本发明的结构示意图；
图2是本发明中多模光纤一端的局部结构示意图。
图中：1-光纤涂覆层，2-光纤包层，3-金纳米孔阵列，4-光纤纤芯，5-金膜。
具体实施方式
结合附图详细描述本发明的具体内容，自校准锥形端面表面等离子共振集成生化传感器，该传感器采用终端反射式传感结构，所述传感器的主体为光纤纤芯4直径为400μm、数值孔径为0.12的塑料包层多模光纤，在光纤纤芯4的外侧依次包覆有光纤包层2和光纤涂覆层1，裸露的光纤纤芯4端面通过研磨并抛光成四个结构完全相同的斜面，形成四面体锥形结构，在四个斜面上均匀溅射厚度为50nm的金膜5，并在相邻的两个斜面上利用聚焦离子束刻蚀技术制备正六棱柱形金纳米孔阵列3，该金纳米孔阵列的周期为700nm，金纳米孔阵列横截面的外接圆直径为200nm。
采用Y型的阶跃折射率多模光纤跳线进行信号的耦合传输，光纤光源发射的宽谱光经Y型光纤跳线的一支进入自校准锥形端面表面等离子共振集成生化传感器，在光纤纤芯和金纳米孔阵列结构薄膜界面激发局域表面等离子体共振，传感信号经跳线另一支耦合到光谱仪CCD上进行探测，在两个不同结构的倾斜端面表面分别做不同的生化分子修饰，作为检测通道实现对两种不同生化分子的同时检测，在另外两个不同结构的倾斜端面表面不做生化分子修饰，作为参考通道实现对两种生化分子检测的校准功能，有效消除环境温度或样品溶液本体折射率变化及样品挥发、表面分子物理性吸附等因素对生化分子特异性识别检测的影响。
自校准锥形端面表面等离子共振集成生化传感器的具体制备过程为：
步骤S1：取一段长为60mm、光纤纤芯直径为400μm、数值孔径为0.12的塑料包层多模光纤，在距离光纤纤芯端面3mm位置用光纤钳剥去光纤涂覆层和光纤包层，并用无水乙醇将裸露的光纤纤芯端面清洗干净；
步骤S2：使用透镜光纤研磨机将裸露的光纤纤芯端面研磨成四个结构完全相同的斜面，形成四面体锥形结构，并对斜面进行抛光处理；
步骤S3：在抛光处理后的四个斜面上分别均匀溅射厚度为50nm的金膜；
步骤S4：采用聚焦离子束刻蚀技术在相邻的两个斜面上分别刻蚀正六棱柱形金纳米孔阵列形成自校准锥形端面表面等离子共振集成生化传感器，该金纳米孔阵列的周期为700nm，金纳米孔阵列横截面的外接圆直径为200nm。
本发明以表面等离子体共振作为传感原理，该效应的产生依赖于宽谱光源，目的是在光纤纤芯四个倾斜端面实现波长调制方式的传感检测，并通过不同的表面结构制备与生化分子表面固定，进而实现对不同生化分子的高灵敏度、高精确度检测。
以上显示和描述了本发明的基本原理，主要特征和优点，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明的范围。
Claims (5)
1.自校准锥形端面表面等离子共振集成生化传感器，其特征在于：该传感器采用终端反射式传感结构，所述传感器的主体为光纤纤芯直径为400μm、数值孔径为0.12的塑料包层多模光纤，裸露的光纤纤芯端面通过研磨并抛光成四个结构完全相同的斜面，形成四面体锥形结构，在四个斜面上均匀溅射厚度为50nm的金膜，并在相邻的两个斜面上利用聚焦离子束刻蚀技术制备正六棱柱形金纳米孔阵列，其中两个不同结构的倾斜端面表面分别做不同的生化分子修饰，作为检测通道实现对两种不同生化分子的同时检测，另外两个不同结构的倾斜端面表面不做生化分子修饰，作为参考通道实现对两种生化分子检测的校准功能。
2.根据权利要求1所述的自校准锥形端面表面等离子共振集成生化传感器，其特征在于：所述光纤纤芯的外侧依次包覆有光纤包层和光纤涂覆层。
3.根据权利要求1所述的自校准锥形端面表面等离子共振集成生化传感器，其特征在于：所述金纳米孔阵列的周期为700nm，该金纳米孔阵列横截面的外接圆直径为200nm。
4.一种权利要求1-3中任意一项所述的自校准锥形端面表面等离子共振集成生化传感器的制备方法，其特征在于具体步骤为：
步骤S1：取一段长为60mm、光纤纤芯直径为400μm、数值孔径为0.12的塑料包层多模光纤，在距离光纤纤芯端面3mm位置用光纤钳剥去光纤涂覆层和光纤包层，并用无水乙醇将裸露的光纤纤芯端面清洗干净；
步骤S2：使用透镜光纤研磨机将裸露的光纤纤芯端面研磨成四个结构完全相同的斜面，形成四面体锥形结构，并对斜面进行抛光处理；
步骤S3：在抛光处理后的四个斜面上分别均匀溅射厚度为50nm的金膜；
步骤S4：采用聚焦离子束刻蚀技术在相邻的两个斜面上分别刻蚀正六棱柱形金纳米孔阵列形成自校准锥形端面表面等离子共振集成生化传感器，该金纳米孔阵列的周期为700nm，金纳米孔阵列横截面的外接圆直径为200nm。
5.权利要求1-3中任意一项所述的自校准锥形端面表面等离子共振集成生化传感器在对两种生化分子同时进行特异性识别检测中的应用，其特征在于具体过程为：采用Y型的阶跃折射率多模光纤跳线进行信号的耦合传输，光纤光源发射的宽谱光经Y型光纤跳线的一支进入自校准锥形端面表面等离子共振集成生化传感器，在光纤纤芯和金纳米孔阵列结构薄膜界面激发局域表面等离子体共振，传感信号经跳线另一支耦合到光谱仪CCD上进行探测，在两个不同结构的倾斜端面表面分别做不同的生化分子修饰，作为检测通道实现对两种不同生化分子的同时检测，在另外两个不同结构的倾斜端面表面不做生化分子修饰，作为参考通道实现对两种生化分子检测的校准功能。
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|---|---|
| CN108982422B (zh) | 2024-02-27 |
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