CN116067917A - 具有原位温度监测的渐变螺旋多芯光纤分布式spr传感芯片 - Google Patents

Abstract

本发明提供的是一种具有原位温度监测的渐变螺旋多芯光纤分布式SPR传感芯片系统。其特征是：它由物质检测光源、温度监测光源、多路光纤开关、光纤FBG解调仪、多芯光纤扇入扇出器件、微流注射泵、光谱分析仪和感测芯片组成。本发明具有高灵敏度温度监测和生化物质检测功能，能够同时获得原位温度参量和多个分布式SPR传感参变量。

Description

具有原位温度监测的渐变螺旋多芯光纤分布式SPR传感芯片

(一)技术领域

本发明涉及的是一种具有原位温度监测的渐变螺旋多芯光纤分布式SPR传感芯片系统，是一种具有高灵敏度温度监测和生化物质检测功能的芯片检测系统，能够同时获得原位温度参量和多个分布式SPR传感参变量。该系统可用于多种混合物质的生化检测，所涉猎的内容属于生物检测、药物测试、化学分析、环境监测和医疗健康等领域。

(二)背景技术

表面等离子体激元共振(Surface Plasmon Resonance，SPR)是P偏振光在棱镜与金属薄膜界面发生全反射时渗透到金属薄膜内的消逝波，引发金属中的自由电子产生表面等离子体，当表面等离子体与消逝波的频率相等时，二者将发生共振，这样在界面将不满足全反射发生条件，衰减全反射的现象即出现，金属表面的自由电子将吸收入射光的能量，导致反射光能量大量减少，呈现SPR共振谷的现象，这种现象首次在1902年被Wood发现。60年代Otto和Kretschmann分别发表了这一领域中里程碑性的文章，激发了人们将SPR用于传感器的研究热情。并且Kretschmann于1971年提出直接将金属薄膜镀制在棱镜底部来实现SPR激发，我们称之为Kretschmann模型。此模型真正使得棱镜SPR传感器的生产与应用成为可能，是SPR发展历史中的一个里程碑。

然而棱镜SPR传感器体积大，价格昂贵，并且测量SPR信号时容易受光源波动、机械结构等外加因素的干扰，因此，人们提出了多种光纤SPR传感方案。由于光纤SPR传感器具有结构微小、稳定性好、灵活度高、可实现远程在线检测以及易于集成等特点，为其在化学、生物、环境以及医药领域的应用展示了广阔的应用前景。光纤SPR传感器作为空间棱镜结构SPR传感器件的小型化替代品，在提高集成度便捷化使用的同时进行实时在线检测，这在生物医学检测应用上更具优势。而且，光纤SPR传感器的本质是测量周围介质折射率的变化，为了将其转化成具有特异性检测功能的生物化学传感器，需要在传感区金膜表面修饰对抗原、抗体、DNA、酶等生物化学分子具有特异性结合能力的功能膜，才可以专门用于生物化学分子的特异性检测传感器。

微流控技术(Microfluidics或Lab-on-a-chip)指的是使用几十微米或数百微米的微通道处理或操纵微小流体的系统。而微流控技术经过几十年的发展至今，使得我们可将光纤传感技术与微流控技术相结合，一方面可以扩展微流控芯片在线痕量检测的功能，另一方面可以在传感器的集成化与小型化的同时，保持器感测过程的高灵敏性。集两种技术优势为一体的新型传感器结构，既借助了微流控芯片中的小体积样品功耗低的优点，又利用了光学检测技术的检测光程短，灵敏度高、响应时间快的优势。并且更方便将其拓展到生物检测、药物测试、化学分析、环境监测和医疗健康等更多需要微升级液体的应用领域中。

光纤SPR传感最早报道于1993年，Jorgenson采用多模纤光纤镀膜激发出SPR，从而开启了光纤SPR传感研究的方向。SPR传感中应用的光纤有多种，包括单模光纤、光子晶体光纤、纳米/微光纤、多模光纤。SPR传感器可以通过在光纤端部、光纤包覆面、或光纤侧面抛光来实现。在大多数光纤生化SPR传感系统中，其工作原理都是类似的，首先是借助于某种光纤结构激发其表面纳米金属薄膜，生产表面等离子波，然后在金属薄膜上制备一层生化物质(例如，硫基化合物、抗体、酶等)，然后通过探测其生化结合体来实现待测量的感测。

虽然基于多模光纤传输能量高，但由于在光纤中存在模式耦合、偏振态损失，得到的共振谷浅而宽。为了解决这个问题，Slavik等人采用了微弯侧抛单模光纤的方案。此外，在少模光纤、侧抛光纤、D型光纤、刻蚀光纤、多芯光纤都实现了SPR传感。

为减少传感器的灵敏度与稳定性受外界环境因素的影响，Wei Peng等设计了双通道的SPR光纤传感器，采用同一个探头的两个侧面分别探测两个独立的SPR信号。论文“Twin-core fiber SPR sensor”中则采用在一根光纤的不同位置分别镀制金膜及银膜配置两个SPR传感器，这种离散型传感结构理论上可以实现两个参量和位点的同时检测。但由于共振范围调节较为困难，对于特定检测通道会出现缺损。论文“Investigation of dual-channel fiber-optic surface plasmon resonance sensing for biologicalapplications”和“Self-referencing in optical-fiber surface plasmon resonancesensors”通过镀制有机复合膜实现调节SPR共振波长动态范围，从而实现分布式多通道光纤SPR传感器。然而，附加层减少了表面波与目标相互作用的能量，导致灵敏度的降低。论文“Novel concept of multi-channel fiber optic surface plasmon resonance sensor”和“Concatenation of surface plasmon resonance sensors in a single opticalfiber using tilted fiber Bragg gratings”是在单根光纤中利用光栅制成多通道SPR传感器，但是基于光栅的SPR传感器灵敏度低。而基于锥体光纤级联SPR传感器可以提高传感灵敏度(A multi-D-shaped optical fiber for refractive index sensing.Sensors,2010,10(5):4794-804)，但只能实现单通道传感。而基于多芯光纤的SPR传感则可以实现多通道传感(Mercaptopyridine-functionalized gold nanoparticles for fiber-opticsurface plasmon resonance Hg2+sensing，ACS Sens.4,704-710，2019)，但制备困难并且机械性能较差。

微结构光纤以及生化介质层的使用拓宽了SPR传感器的应用范围，为芯片集成以及活体介入检测提供了小巧灵活的工具。然而温度变化对SPR传感器的影响不可忽视。以测量蒸馏水的折射率为例，当温度由10℃升高至65℃时，其折射率将由1.334降低至1.326。SPR传感器的折射率测量分辨率已经能达到10-6RIU至10-7RIU，表明1℃的温度变化将导致测量结果变化10-5RIU(The temperature dependence of the refractive index ofwater，Journal of Chemical Physics,1972,57(4):1798-1799)。不仅如此，温度变化还会导致SPR传感器金属介质层的介电常数及膨胀系数等物理性质的变化，最终导致其产生表面等离子共振条件的改变，因此温度的变化对SPR传感器的测量结果具有多重影响，导致无法区分是样品导致的SPR共振谱变化还是温度引起的SPR共振谱变化。相关研究表明，D型单模光纤SPR传感器对于温度响应的灵敏度达到了-0.24nm/℃(Side-Polished D-TypeFiber SPR Sensor for RI Sensing With Temperature Compensation，IEEE SensorsJournal,2021,21(15):16621-16628.)。当光纤SPR传感器用于生化检测，尤其是针对活体生物介入式研究时，温度补偿就显得尤为重要。当采用核糖体修饰的光纤SPR传感器对人体免疫球蛋白进行检测时，不同检测部位、体质、状态等因素造成的温度偏差对检测结果会产生极大的影响。因此，为了提高光纤SPR传感器的测量结果精度，需要同时对原位温度和待测信息进行检测，并进行温度补偿。

为此，Lu Liu等人提出了一种可同时测量温度与折射率的V型微结构光纤SPR传感器，该传感器由两段磨锥偏芯光纤对称熔接成V型传感结构，一侧仅镀制金膜用于折射率传感，另一侧在镀制金膜后黏附少量折射率随温度变化的PDMS用于温度传感。在该结构中，相比于多模光纤，少模偏芯光纤的使用能明显提高SPR共振谱的品质因数，传感器的温度灵敏度也极高，但该传感器结构脆弱，制备复杂，由于光纤与金膜的黏附性很差，PDMS的加入更是增加了金膜连同PDMS一起脱落的风险。为降低制备难度，增加结构稳定性，Lu Liu等人在先前研究的基础上设计了一种基于侧抛单模光纤的温度补偿型SPR传感器，同样采用金属膜与PDMS结合的方案，但仍然无法解决PDMS脱落的问题。同一年，Bin Li等人提出了一种具有温度补偿功能的无芯光纤SPR传感器，该传感器同样采用金属膜与PDMS结合的方案，并通过多模光纤焊接无芯光纤再焊接多模光纤的方式来产生倏逝场进而激发SPR。该传感器结构虽然简单易制备，但却存在模式耦合、偏振态损失等问题，进而影响SPR共振谱的品质因数，并降低了传感器的灵敏度。Yu Dong等人设计了一种D型光纤结合布拉格光栅的光纤SPR传感器，可同时实现折射率与温度的测量。相较于黏附PDMS，光纤光栅的温度灵敏度虽然不高，但安全可靠，不存在脱落及损坏的问题，且制备工艺成熟，适合批量生产与实际使用。

(三)发明内容

本发明的目的在于提供一种具有原位温度监测的渐变螺旋多芯光纤分布式SPR传感芯片系统。

本发明的目的是这样实现的：

一种具有原位温度监测的渐变螺旋多芯光纤分布式SPR传感芯片系统，其特征是：它由物质检测光源、温度监测光源、多路光纤开关、光纤FBG解调仪、多芯光纤扇入扇出器件、微流注射泵、光谱分析仪、感测芯片和渐变螺旋多芯光纤分布式SPR传感器组成。多个微流注射泵1将不同种待测液体注入进感测芯片2中的微流通道中，检测光源3和温度监测光源4所发出的光源通过多路光纤开关5和多芯光纤扇入扇出器件6进入到感测芯片2中的渐变螺旋多芯光纤分布式SPR传感器7内，期间可通过光谱分析仪8对信号进行实时监测，经过一段时间等待检测结果稳定后，待测物的传感信号通过多芯光纤扇入扇出器件6和多路光纤开关5进入光谱分析仪8，最终得到感测信号进行数据分析，原位温度信号经过光纤FBG解调仪9同样也进入光谱分析仪8，得到温度信号数据分析结果。其中感测芯片2中嵌入一段渐变螺旋多芯光纤分布式SPR传感器7，通过螺旋结构的周期变化并结合芯片内部微通道的结构设计，可实现不同形式的多种医学生物成分检测分析。本发明具有高灵敏度温度监测和生化物质检测功能，能够同时获得原位温度参量和多个分布式SPR传感参变量。

一种具有原位温度监测的渐变螺旋多芯光纤分布式SPR传感芯片系统，其特征是：所述的渐变螺旋多芯光纤分布式SPR传感器是由具备两个及以上纤芯的光纤制备而成，该类光纤具有一个中间纤芯和一个或多个边芯。

一种具有原位温度监测的渐变螺旋多芯光纤分布式SPR传感芯片系统，其特征是：所述的渐变螺旋多芯光纤分布式SPR传感器是通过对多芯光纤进行多种微加工制备而成，光纤采用电弧放电并同时旋转的方法制备出边芯渐变螺旋结构，用于分布式生化物质检测，然后通过紫外激光刻写系统，在中心芯上制备一个FBG，用于温度的传感，最后采用HF酸腐蚀的方法，将渐变螺旋多芯光纤的SPR感测区进行蚀刻，也就是将螺旋光纤选定的一段外包层腐蚀掉，使渐变螺旋多芯光纤的芯区靠近蚀刻表面感测区，然后再镀制上纳米金膜，形成SPR敏感区。

一种具有原位温度监测的渐变螺旋多芯光纤分布式SPR传感芯片系统，其特征是：所述的物质检测光源为宽谱光源，波长为400nm-1000nm，满足对多种生物检测需求；温度监测光源波长为1550nm，仅用于光纤FBG温度传感监测。

一种具有原位温度监测的渐变螺旋多芯光纤分布式SPR传感芯片系统，其特征是：所述的感测芯片，是将渐变螺旋多芯光纤分布式SPR传感器封装在其中作为核心传感器件，芯片内根据应用需求和功能划分，可存在着不同的微流通道结构设计。

本发明针对传统的光纤SPR传感器难以在一根光纤上实现分布式SPR多参量感测、感测灵敏度不高、无法实现原位温度监测等多参量同时测量的难题，拟借助于渐变螺旋多芯光纤，构建一种高灵敏度、分布式SPR光纤传感器，该传感器是由一段渐变螺旋多芯光纤经过氢氟酸化学蚀刻后，再在其表面镀制金纳米薄膜，形成分布式SPR敏感区，从而实现分布式SPR多参量传感的。同时，该多芯光纤的中间纤芯被写入光栅(FBG)，用于实现SPR传感区的原位温度测量。此外，为破解光纤SPR传感器在线应用不便的问题，我们进一步将其与微流芯片相结合，设计并研制出能够满足各种生物与化学传感应用场景下的分布式SPR传感芯片。

对于螺旋芯光纤而言，当螺距小到毫米至亚毫米范围时，将导致纤芯圆极化导模和包层模式之间发生共振耦合，为此需要建立能够描写和分析螺旋芯光纤光传输特性的坐标系统，本发明拟采用变换光学形式的严格建模方法，用于这种复杂几何渐变螺旋光纤的建模与分析。为了深入研究螺旋光纤传输的模场SPR灵敏度增强情况，对于螺旋纤芯靠近表面涂覆金属层的情况，拟通过数值法研究螺旋芯光纤传输的圆极化光场与包层模之间的耦合特性，并进一步分析金属界面SPR灵敏度特性，给出灵敏度与螺距、波长纤芯到金纳米膜之间距离等参量的量化关系。渐变螺旋能够实现分布式或准分布式SPR响应，为了给出具体的渐变螺旋范围，给出参数的变化范围，需要具体针对不同的螺距范围和渐变函数，进行优化分析，给出量化参数。为了解决SPR生化传感器对于温度依赖的实际问题，本项目拟在进行SPR测量的同时，在多芯光纤的中间纤芯上刻写一个光纤光栅(FBG)，作为温度传感器，这样可以同时获得原位温度参量，从而为SPR测量值的修正提供依据。

对于螺旋光纤而言，SPR感测灵敏度增强的机制是在低扭转率及短波长波段，纤芯中存在的各阶模式的模场分布会向边界偏离，增强了导模与物质的相互作用。并且，随着扭转率的增加，螺旋光纤的导模会产生圆偏振极化，使得光纤中各偏振分量均可参与SPR作用。同时，在高扭转率时，螺旋光纤会激发处于纤芯和边界之间的包层模式，增强光波与物质的相互作用，进一步提高传感灵敏度。光波在螺旋光纤中传输时，螺旋结构对导模的作用可以分成两种：一方面光场在纤芯导引下会发生形变，其能量分布随扭转强度的增加而逐步向边界偏移。当扭转强度增加到一定程度时，纤芯中的各阶模式将会逐步脱离纤芯，并以损耗的形式转化为包层模式，对于纤芯中的少模分量的这种现象则更加显著。另一方面，螺旋结构在几何相位等因素的影响下，光纤导模会产生圆偏振双折射，使得导模的局部电磁场方向旋转。同样的，随着扭转强度的增加，纤芯对导模的圆双折射效应将超过线双折射，此时，光纤的模场不再有S态和P态的区别，两个正交偏振分量均能参与金属层中SPP波进行共振，进一步提高光波与物质的相互作用效率，提高光纤SPR传感灵敏度。

本发明拟采用电弧放电方法制备渐变螺旋多芯光纤。与其它制备方法相比，电弧放电等离子高温技术灵活简单，已经在我们实验室原有的三电极特种光器件精密加工平台(3SAE LDS2.5)的基础上，加装了高精度旋转与位移装置，在均匀旋转的同时可实现高精度渐变位移，完成渐变螺旋多芯光纤器件的制备。尽管远离轴心的多个纤芯经过螺旋扭转后纤芯形成螺旋形状，然而，由于处于轴心的中间纤芯却不受同轴扭转的影响。所以，本发明拟在螺旋多芯光纤的基础上，通过紫外激光刻写系统，在中心芯上制备一个FBG，用于温度的传感，以此实现高精度SPR测量的实时补偿和修正。为了满足螺旋纤芯SPR激发条件，采用HF酸腐蚀的方法，将渐变螺旋多芯光纤的SPR感测区进行蚀刻，也就是将螺旋光纤选定的一段外包层腐蚀掉，使渐变螺旋多芯光纤的芯区靠近蚀刻表面感测区，然后再镀制上纳米金膜，形成SPR敏感区。

所以，渐变螺旋多芯光纤的分布式SPR传感单元的制备需要经过以下四个步骤来完成：第一步，将带有中间芯的多芯光纤置于三电极电弧放电扭转系统上，制备出一段1.5-3cm长的渐变螺旋光纤，螺距渐变速度是先慢、通过逐渐加速达到最高，然后再逐渐减速直到停止，就加工出一段对称的渐变螺旋多芯光纤了；第二步，将制备好的渐变多芯螺旋光纤进行载氢处理，然后置于紫外激光FBG刻写系统上，调整光纤光栅相位掩膜板，聚焦到中间纤芯，完成FBG的刻写；第三步，将完成前两个步骤的光纤样品的表面不需要蚀刻的区域均匀地涂覆保护层涂料，然后将光纤样品置于浓度适当的氢氟酸溶液中，通过化学蚀刻的方法将部分包层去除，使蚀刻光纤的表面靠近螺旋纤芯；第四步，将完成前面三个步骤的光纤样品的保护涂料进行清除，并用高纯酒精清洗后，置于光纤的旋转夹具上，然后将光纤样品置于磁控溅射设备中，进行金纳米薄膜镀制。最后将制备好的渐变螺旋多芯光纤的分布式SPR传感器集成进微流感测芯片中。

光纤SPR检测技术是通过改变金属薄膜附近的折射率变化，来响应生物分子的相互作用，在感测过程中表现为在待测样品溶液流过SPR传感区之前，传感区表面修饰捕获剂(如抗体、酶、肽和DNA等)，当检测溶液中的目标分子和传感区接触时，通过亲和作用使表面修饰的生化介质层和被检测目标分子结合，从而导致SPR传感器表面的折射率发生特异性改变。尽管SPR生物感测技术具有很多优点，但传统的SPR生物传感器在支持多重分析方面存在严重的局限性，所以本发明提出将分布式SPR螺旋多芯传感光纤与微流芯片相结合，设计若干种具有特异性的生物或化学检测芯片，为高通量快速在线检测的便利性芯片提供技术支撑，同时选用超连续谱光源、多芯光纤扇入扇出器、渐变螺旋多芯光纤感测芯片、光纤FBG解调仪、光纤光谱分析仪等器件和仪器，搭建基于渐变螺旋多芯光纤SPR感测芯片的实验测试装置，完成多种感测芯片的标定与测试实验。

在蛋白质组学领域，疾病生物标记物的识别和检测对于预测某些疾病的爆发非常重要，可以提前使患者避免接受手术和其他昂贵的医疗治疗。因此，需要对新的检测方法进行更多的研究和探索，以实现更快、更准确的检测。由于生物标记物浓度低，且各自的基质复杂，通常很难做到精准检测和测量。因此本发明所提出的这种渐变螺旋多芯光纤SPR生化传感芯片检测新方法非常适合用于临床使用的准确检测应用中。

在各种光学传感生化传感器中，基于SPR原理的传感器可以说是其中一个具有代表性的无标记实时检测生物分子相互作用的感测技术。实践中，SPR已被证明是检测多种类型大分子结合过程中特异性、亲和力和动力学参数中最具有竞争力的技术之一，如蛋白质-蛋白质、蛋白质-DNA、受体-药物、蛋白质-多糖等。这种SPR检测技术是通过改变金属薄膜附近的折射率变化，来响应生物分子的相互作用力，在感测过程中表现为在待测样品溶液流过SPR传感区之前，传感区表面修饰捕获剂(如抗体、酶、肽和DNA等)，当检测溶液中的目标分子和传感区接触时，通过亲和作用使表面修饰的生化介质层和被检测目标分子结合，从而导致SPR传感器表面的折射率改变。

传统的SPR多参量检测方法有阵列格式化设计、多通道单元设计和SPR成像设计等，以上几种方法均可实现同时连续检测实验，但是需要数百个乃至数千个检测单元同时进行。尽管SPR生物感测技术具有很多优点，但传统的SPR生物传感器在支持多重分析方面存在严重的局限性，所以本发明提出的分布式SPR螺旋多芯光纤生物芯片在多参量检测方面尤为适合于高通量快速检测，与传统的光纤SPR检测方法相比，本发明所提出的新方法显著减少了实验时间和成本。

相比于在先技术，本发明的突出优点在于：

本发明提出采用渐变螺旋多芯光纤，实现分布式SPR传感，不仅将光纤SPR测量灵敏度给预大幅度的提高，而且能够实现分布式多个SPR感测；此外，该光纤具有中间纤芯，因而可在中间纤芯上刻写FBG实现原位温度监测，用于修正SPR传感过程中温度带来的影响，实现了光纤SPR传感器的三大难点的突破：高灵敏度、分布式传感、原位温度修正。另外，本发明采用光纤传感器与微流芯片相结合的方法，即为各种生化反应的多参量在线感测提供了新的检测方法，又微为光纤SPR传感器的便捷性批量化实际应用提供了感测芯片的研制思路。

(四)附图说明

图1是具有原位温度监测的渐变螺旋多芯光纤分布式SPR传感芯片系统示意图。

图2是几种具有中间纤芯的多芯光纤示意图。

图3是具有原位温度监测的渐变螺旋多芯光纤分布式SPR传感芯片封装示意图

图4是具有原位温度监测的渐变螺旋多芯光纤分布式SPR传感器的两种示意图，(a)传感区为整体联通区域示意图，(b)传感区分成若干个小区域的示意图。

图5是抗原-抗体的结合反应生化过程示意图。

图6是可以同时实现温度传感与分布式SPR传感的光纤传感芯片测试系统示意图。

图7是两种典型的具有原位温度监测的分布式光纤SPR多参量微流感测芯片的结构设计，(a)是多种物质混检芯片，(b)是多通道分检芯片。

(五)具体实施方式

下面以图1所示的具有原位温度监测的渐变螺旋多芯光纤分布式SPR传感芯片为例，对本发明进行具体的说明。

本发明提出一种具有原位温度监测的螺旋多芯光纤SPR传感器的光纤生化传感芯片，具体制备流程如下，首先需要先根据应用要求将多芯光纤制成可实现分布式SPR传感器，然后，将渐变螺旋多芯光纤分布式SPR传感器与微流芯片相结合，根据传感区的结构制定相应的芯片内通道结构和封装部分，微流芯片可选取石英基片或PDMS和石英组合基片，通过飞秒激光刻蚀法把设计好的微流通道结构刻蚀在基片内，再将制备好的光纤SPR传感器嵌入到微流芯片中的感测区内，最终完成光学器件和基片的封装工作。

具体的实验内容和拟采取的实验系统研制方案与步骤如下：

本发明的具有原位温度监测的渐变螺旋多芯光纤分布式SPR生化感测芯片的实验系统包括：物质检测光源、温度监测光源、多路光纤开关、多芯光纤扇入扇出器、FBG解调仪、渐变螺旋多芯光纤感测微流芯片器件、微流注射泵和光谱分析仪(OSA)等。

选择宽带超连续谱光源作为物质检测光源，与光纤开关相连，通过多芯光纤扇入扇出器分别注入对应的多芯光纤纤芯中，渐变螺旋多芯光纤器件被封装在微流芯片中的传感区中，微流注射泵中装有不同成分的待测液体，通过微流体进入口缓慢注入至芯片内的微流通道中，然后液体流入传感测量区，即与渐变螺旋多芯光纤感测器件接触反应，开始进行传感测量过程，经过反应后的废液通过液体流出口被排出芯片外。检测信号再次经过输出端的光纤扇入扇出器件被传输至光谱仪，获得SPR实时测量结果。而作为原位温度监测的光纤光栅则通过FBG解调仪给出原位温度测量的结果。

下面分别以两个具体实施例来进一步阐述本发明。

在本发明的实施案例中，选择针对乳腺癌、肝癌、鼻咽癌疾病的特异标识物对应的生化介质捕获剂：乳腺癌抗体IgG、肝癌抗体IgM、鼻咽癌抗体IgA，均匀的修饰在光纤表面的金薄膜层外，封装制备成螺旋多芯光纤SPR传感器的光纤生化传感芯片。

【实施例1】：具有多物质混检功能的具有原位温度监测的渐变螺旋多芯光纤分布式SPR传感芯片，如图7(a)所示。

实验方案以多物质混检芯片为例，具体步骤大致如下：

1)将三个微流注射泵内装有不同癌症抗体的溶液通过不同的进样口A、B、C同时注入进芯片内，三种抗体乳腺癌抗体IgG、肝癌抗体IgM、鼻咽癌抗体IgA经过共同的微流通道均匀混合，然后混合溶液浸满整个传感区，在预处理过得金膜上首先将较大浓度的混合抗体溶液滞留在芯片的传感区池内，使得其充分吸附在金膜表面，然后用缓冲溶液对微流通道内部和金膜表面进行缓慢冲洗，清除多余抗体；

2)在清洗干净的通道中以50μL/min匀速注入缓冲溶液，并将此时SPR曲线对应的共振波长作为检测基线；

3)通过微泵向芯片中快速注入1mg/mL的乳腺癌抗体IgG，将先前的缓冲溶液排出，设置流速为50μL/min继续注入乳腺癌抗体IgG溶液，在2min后静置60分钟，使得金膜表面的乳腺癌抗体IgG吸附饱和，同时记录FBG检测的温度数据；

4)重复步骤2)，然后更新抗体重复步骤3)，以同样的方式和流速得到检测曲线；

5)最后得到三种抗原乳腺癌抗原IgG、肝癌抗原IgM、鼻咽癌抗原IgA的检测结果，并与标定装置的检测结果做对比分析。

把传感区看作一个整体，将三种(多种)生化介质捕获剂：乳腺癌抗体IgG、肝癌抗体IgM、鼻咽癌抗体IgA均匀的修饰在渐变螺旋光纤表面的金薄膜层外，设计三个进样微通道，分别对应着待测物乳腺癌抗原IgG、肝癌抗原IgM、鼻咽癌抗原IgA，三种待测微流体通过微泵被注入进不同的微通道内，分别依次贯穿整个传感区，最终从同一个废液微通道流出，这款芯片适用于实现多种混合物质的特有物质识别。

【实施例2】：具有多通道分检功能的具有原位温度监测的渐变螺旋多芯光纤分布式SPR传感芯片，如图7(b)所示。

实验方案以多通道分检芯片为例，具体步骤大致如下：

1)将三个微流注射泵内装有不同癌症抗体的溶液通过不同的进样口A、B、C同时注入进芯片内，三种抗体乳腺癌抗体IgG、肝癌抗体IgM、鼻咽癌抗体IgA分别经过各自的微流通道进入到传感区Ⅰ、传感区Ⅱ和传感区Ⅲ，在预处理过得金膜上首先将较大浓度的混合抗体溶液滞留在芯片的三个传感区池内，使得其充分吸附在金膜表面，然后用缓冲溶液对微流通道内部和金膜表面进行缓慢冲洗，清除多余抗体；

2)在清洗干净的通道中以50μL/min匀速注入缓冲溶液，并将此时SPR曲线对应的共振波长作为检测基线；

3)通过微泵向芯片中快速注入1mg/mL的乳腺癌抗体IgG，将先前的缓冲溶液排出，设置流速为50μL/min继续注入乳腺癌抗体IgG溶液，在2min后静置60分钟，使得金膜表面的乳腺癌抗体IgG吸附饱和，同时记录FBG检测的温度数据；

4)重复步骤2)，然后更新抗体重复步骤3)，以同样的方式和流速得到检测曲线；

5)最后得到三种抗原乳腺癌抗原IgG、肝癌抗原IgM、鼻咽癌抗原IgA的检测结果，并与标定装置的检测结果做对比分析。

把传感区分为三个小测量区，每个测量区之间用涂覆层所阻隔，每一个测量区都有独立的进样微通道和废液流出微通道，将三种生化介质捕获剂乳腺癌抗体IgG、肝癌抗体IgM、鼻咽癌抗体IgA分别在每一个小测量槽内对光纤表面的金薄膜层外进行修饰，待测物乳腺癌抗原IgG、肝癌抗原IgM、鼻咽癌抗原IgA三种待测微流体和捕获剂使用同一进样微通道，各个传感区互不影响，此款针对不同微流通道可实现各自独立监测。

Claims (5)

1.一种具有原位温度监测的渐变螺旋多芯光纤分布式SPR传感芯片系统，其特征是：它由物质检测光源、温度监测光源、多路光纤开关、光纤FBG解调仪、多芯光纤扇入扇出器件、微流注射泵、光谱分析仪、感测芯片和渐变螺旋多芯光纤分布式SPR传感器组成。多个微流注射泵1将不同种待测液体注入进感测芯片2中的微流通道中，检测光源3和温度监测光源4所发出的光源通过多路光纤开关5和多芯光纤扇入扇出器件6进入到感测芯片2中的渐变螺旋多芯光纤分布式SPR传感器7内，期间可通过光谱分析仪8对信号进行实时监测，经过一段时间等待检测结果稳定后，待测物的传感信号通过多芯光纤扇入扇出器件6和多路光纤开关5进入光谱分析仪8，最终得到感测信号进行数据分析，原位温度信号经过光纤FBG解调仪9同样也进入光谱分析仪8，得到温度信号数据分析结果。其中感测芯片2中嵌入一段渐变螺旋多芯光纤分布式SPR传感器7，通过螺旋结构的周期变化并结合芯片内部微通道的结构设计，可实现不同形式的多种医学生物成分检测分析。本发明具有高灵敏度温度监测和生化物质检测功能，能够同时获得原位温度参量和多个分布式SPR传感参变量；

2.根据权利要求1所述的具有原位温度监测的渐变螺旋多芯光纤分布式SPR传感芯片系统，其特征是：所述的渐变螺旋多芯光纤分布式SPR传感器是由具备两个及以上纤芯的光纤制备而成，该类光纤具有一个中间纤芯和一个或多个边芯；

3.根据权利要求1所述的具有原位温度监测的渐变螺旋多芯光纤分布式SPR传感芯片系统，其特征是：所述的渐变螺旋多芯光纤分布式SPR传感器是通过对多芯光纤进行多种微加工制备而成，光纤采用电弧放电并同时旋转的方法制备出边芯渐变螺旋结构，用于分布式生化物质检测，然后通过紫外激光刻写系统，在中心芯上制备一个FBG，用于温度的传感，最后采用HF酸腐蚀的方法，将渐变螺旋多芯光纤的SPR感测区进行蚀刻，也就是将螺旋光纤选定的一段外包层腐蚀掉，使渐变螺旋多芯光纤的芯区靠近蚀刻表面感测区，然后再镀制上纳米金膜，形成SPR敏感区；

4.根据权利要求1所述的具有原位温度监测的渐变螺旋多芯光纤分布式SPR传感芯片系统，其特征是：所述的物质检测光源为超宽带光源，波长为450nm-1050nm，满足对多种生物检测需求；温度监测光源波长为1550nm，仅用于光纤FBG温度传感监测；

5.根据权利要求1所述的具有原位温度监测的渐变螺旋多芯光纤分布式SPR传感芯片系统，其特征是：所述的感测芯片，是将渐变螺旋多芯光纤分布式SPR传感器封装在其中作为核心传感器件，芯片内根据应用需求和功能划分，可存在着不同的微流通道结构设计。

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