CN208350613U - 一种多通道波长调制型光纤spr检测系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型属于光纤生物传感技术领域，公开了一种多通道波长调制型光纤SPR检测系统。光源连接多模光纤光开关，光开关1进N出，N个出口分别连接N个光纤SPR传感器。后经过Y型1×N分叉光纤汇聚入光谱仪。进样系统包括样品池，多通道蠕动泵，多通道微流通池和废液池。多通道微流通池可串联或者并联使用。所述控制系统和数据采集处理系统为计算机，通过数据线控制光开关对准到指定光路，读取对应光谱信息，进行光谱归一化和寻峰处理。计算机控制进行多通道的自动循环采样。本实用新型保持光纤SPR系统体积小、高灵敏、实时响应的优势下扩展了检测通道数目，可应用于疾病及时诊断，食品安全和环境监测等多分析物检测领域。

Description

一种多通道波长调制型光纤SPR检测系统

技术领域

本实用新型属于光纤生物传感技术领域，利用可控光开关，扩展传统的光纤SPR检测系统的检测通道数目。在保持光纤SPR传感器高灵敏、免标记、实时响应、可远程检测、易于小型化的优势的同时，实现互不干扰的多光路检测。

背景技术

光纤表面等离子体共振传感器(SPR)是将高灵敏度的表面等离子体共振传感技术与低能量消耗的光纤传输技术有机结合的产物。它集合了SPR效应对环境介质折射率变化非常敏感的优点，同时又兼有光纤本身柔软、可绕曲、电绝缘、耐腐蚀，使用时不发热、无辐射，能在强电磁干扰、易燃易爆、毒性气体等复杂环境条件下工作等独特的优点。当光从光密介质入射光疏介质时会在两种介质的界面处发生全反射，此时光波的电磁场强度在分界面处并不立即减小为零，而是随入射深度呈指数衰减，形成消逝波。消逝波的有效深度一般为100-200nm，由于光纤SPR传感器金属膜厚度小于消逝波的深度，在金属膜与溶液或空气界面处，消逝波仍起作用。同时在金属膜与样品的界面处，金属表面的自由电子被激发，形成表面等离子体波。当消逝波波矢与表面等离子波波矢相等时，有最小反射率。它能够对传感器表面待测介质组成的微小变化作出灵敏的响应,适用于研究传感器表面敏感层中物质与介质溶液的生物及化学反应,进而定量测定介质溶液中的微量生物和化学活性物质。

相对于传统棱镜结构SPR检测系统，光纤SPR传感器具备便携性，且制作成本低，适用于现场检测应用。例如水中重金属离子或者激素污染现场检测，疾病即时诊断等。由于实际应用场景中通常不仅仅需要检测一种物质，而是多种目标检测物的混合物，比如疾病诊断过程中通常需要检测多种疾病标志物的浓度，水质检测过程中需要检测多种污染物水平等，构建一种低成本、小型化、高灵敏，并且可以多通道检测的SPR传感系统成为光纤传感领域的迫切需求。

光谱调制型光纤表面等离子体共振传感器采用宽谱光源和高分辨率光谱仪，实时检测SPR共振波长的漂移，相对于角度调制式、强度调制式传感，稳定性高，光路系统更加简单、易实现，是目前应用最为广泛的光纤SPR调制手段。然而，传统光谱调制型SPR传感系统仅能实现单个检测通道，或者通过镀制不同膜层实现双通道检测。一种可以实现多光路快速切换的，低成本、小型化、多通道光纤SPR检测系统在环境监测、食品安全和疾病诊断等领域有着广阔的应用前景。

实用新型内容

本实用新型旨在提供一种多通道波长调制型光纤SPR检测系统，包括光学传感系统，进样系统，控制系统和数据采集处理系统。

一种多通道波长调制型光纤SPR检测系统，包括光学传感系统、进样系统、控制系统和数据采集处理系统；

所述的光学传感系统包括宽谱光源1、1×N多模光纤光开关2、光纤SPR传感器3和高分辨率光谱仪6；宽谱光源1连接1×N多模光纤光开关2，1×N多模光纤光开关2为1个进口N个出口，N个出口分别连接N个光纤SPR传感器3；后经过Y型1×N分叉光纤5汇聚入高分辨率光谱仪6；计算机10输出命令控制1×N多模光纤光开关2切换到指定光路通道，光信号经过光纤SPR传感器3后最终送至高分辨率光谱仪6，再经计算机10进行信号采集与解调，实现多通道光纤SPR传感。

所述的进样系统包括多通道微流通池4、样品池7、多通道蠕动泵8和废液池9；将光纤SPR传感器3进行功能化修饰后，进行多种目标分子混合物的检测或同一分子的同时多次检测；多通道微流通池4串联或并联使用；串联使用时，同种样品依次流过多通道微流通池4；并联使用时，每个微流通池作为独立部分，采用多通道蠕动泵8同时进样进行检测实验；

所述的控制系统和数据采集处理系统为计算机10，通过数据线控制1×N多模光纤光开关2切换到指定光路，读取对应光谱信息，进行光谱归一化和滤波、寻峰和数据记录；计算机101控制进行多通道的自动循环采样。

所述的1×N多模光纤光开关2，采用多模石英光纤制作，芯径为200-600μm，数值孔径0.22-0.37，配置SMA905接头，通道切换耗时为5-30ms。

所述的光纤SPR传感器3采用纤芯直径为300-500μm、数值孔径不低于0.22的光纤，剥去塑料包层多模光纤上的一段涂覆层和包层，形成传感区，长度为5mm-10mm；在传感区表面镀制30-60nm金膜，共振波长均处于可见光与近红外波段，因而可以降低检测系统成本。金膜SPR传感器更加稳定，可多次再生重复使用。结合成熟的氨偶联法进行抗体修饰，从而实现特异性蛋白质定量检测。所述的多通道SPR检测系统的多个检测通道互不干扰，具有较高的灵敏度和稳定性，平均水平在2000nm/RIU左右。

所述的多通道微流通池4，由PDMS材料制成，每个微流通道都包含入口和出口，多个微流通道可串联或者并联使用。

所述的宽谱光源1为可见光/红外波段宽谱光源。

所述的高分辨率光谱仪6的波长检测范围400-1100nm。

本实用新型的多通道波长调制型光纤SPR检测系统具有以下有益效果：

利用可以快速可控切换的多模光纤光开光，可简单快捷的扩展传统波长调制型光纤SPR检测系统通道数目。实现多目标物同时检测或者同一种目标物质的同时多次检测。有效的扩展了光纤SPR传感器的应用领域以及检测效率。

本实用新型中使用的多模光纤光开关，可以通过计算机进行快速控制。配置SMA905接头，可以与光纤SPR传感器快速稳固连接。光路切换速度快。

附图说明

图1为多通道波长调制型光纤SPR检测系统示意图。

图2为光纤SPR传感器示意图。

图3为多通道微流通池示意图。

图中：1宽谱光源；2 1×N多模光纤光开关；3光纤SPR传感器；4多通道微流通池；5Y型1×N分叉光纤；6高分辨率光谱仪；7样品池；8多通道蠕动泵；9废液池；10计算机；11USB分线器；12光开关数据线；13光谱仪数据线；14镀有金膜表面的传感区；15SMA905接头；16第一独立的微流通道；17第二独立的微流通道；18第三独立的微流通道；19第四独立的微流通道。

具体实施方式

以下结合技术方案和附图详细叙述本实用新型的具体实施方式，但不应以此限制本实用新型的保护范围。

参见图一所示的本实用新型的一个实施实例。一种多通道波长调制型光纤SPR检测系统，实现四个通道的SPR传感测量。包括光学传感系统，进样系统，控制系统和数据采集处理系统。

所述光学传感系统包括宽谱光源，1×4多模光纤光开关，光纤SPR传感器和高分辨率光谱仪。光源连接多模光纤光开关，光开关1进4出，4个出口分别连接4个光纤SPR传感器。后经过Y型1×4分叉光纤汇聚入光谱仪。所述进样系统包括样品池，多通道蠕动泵，多通道微流通池和废液池。将光纤SPR传感器进行功能化修饰后，可以进行多种目标分子混合物的检测或者同一分子的同时多次检测。多通道微流通池可串联或者并联使用。串联使用时，同种样品依次流过多通道微流通池；并联使用时，每个微流通池作为独立部分，采用多通道蠕动泵同时进样进行检测实验。所述控制系统和数据采集处理系统为一计算机，通过数据线控制光开关切换到指定光路，读取对应光谱信息，进行光谱归一化和滤波、寻峰和数据记录。计算机控制进行多通道的自动循环采样。

在本实用新型的一个实施实例中，采用海洋光学HL2000卤钨灯光源，光波长范围为360-2400nm；采用海洋光学HR4000微型高分辨率光谱仪，光谱检测范围为200-1100nm。采用1分4Y型分叉光纤跳线实现四条传感光路与光谱仪之间的连接

所述1×4多模光纤光开关，采用多模石英光纤制作，芯径为400μm，数值孔径0.22，配置SMA905接头。相邻通道切换时间小于10ms。通过电脑端，可实现指定光路的快速切换，并采集相应通道的光谱信息进行后续共振波长的计算。

本实施实例使用的光纤SPR传感器采用纤芯直径为400μm、数值孔径0.37的多模光纤，剥去塑料包层多模光纤上的一段涂覆层和包层，形成传感区，长度为5mm；在传感区表面镀制50nm金膜，去离子水环境下共振波长为610nm左右，折射率灵敏度为2000nm/RIU左右。

使用的Y型1×4分叉光纤，纤芯直径为400μm，数值孔径为0.22，总长1m。

自行设计的多通道微流通池，由PDMS材料制成，每个微流通道都包含入口和出口，多个微流通道可串联或者并联使用。使用兰格BT100-2J型多通道蠕动泵进行多通道进样。

Claims (10)

1.一种多通道波长调制型光纤SPR检测系统，其特征在于，所述的多通道波长调制型光纤SPR检测系统包括光学传感系统、进样系统、控制系统和数据采集处理系统；

所述的光学传感系统包括宽谱光源(1)、1×N多模光纤光开关(2)、光纤SPR传感器(3)和高分辨率光谱仪(6)；宽谱光源1连接1×N多模光纤光开关(2)，1×N多模光纤光开关(2)为1个进口N个出口，N个出口分别连接N个光纤SPR传感器(3)；后经过Y型1×N分叉光纤(5)汇聚入高分辨率光谱仪(6)；计算机(10)输出命令控制1×N多模光纤光开关(2)切换到指定光路通道，光信号经过光纤SPR传感器(3)后最终送至高分辨率光谱仪(6)，再经计算机(10)进行信号采集与解调，实现多通道光纤SPR传感；

所述的进样系统包括多通道微流通池(4)、样品池(7)、多通道蠕动泵(8)和废液池(9)；将光纤SPR传感器(3)进行功能化修饰后，进行多种目标分子混合物的检测或同一分子的同时多次检测；多通道微流通池(4)串联或并联使用；串联使用时，同种样品依次流过多通道微流通池(4)；并联使用时，每个微流通池作为独立部分，采用多通道蠕动泵(8)同时进样进行检测实验；

所述的控制系统和数据采集处理系统为计算机(10)，通过数据线控制1×N多模光纤光开关(2)切换到指定光路，读取对应光谱信息，进行光谱归一化和滤波、寻峰和数据记录；计算机101控制进行多通道的自动循环采样。

2.根据权利要求1所述的多通道波长调制型光纤SPR检测系统，其特征在于，所述的1×N多模光纤光开关(2)，采用多模石英光纤制作，芯径为200-600μm，数值孔径0.22-0.37，配置SMA905接头。

3.根据权利要求1或2所述的多通道波长调制型光纤SPR检测系统，其特征在于，所述的光纤SPR传感器(3)采用纤芯直径为300-500μm、数值孔径不低于0.22的光纤，剥去塑料包层多模光纤上的一段涂覆层和包层，形成传感区，长度为5mm-10mm；在传感区表面镀制30-60nm金膜，共振波长均处于可见光与近红外波段。

4.根据权利要求1或2所述的多通道波长调制型光纤SPR检测系统，其特征在于，所述的多通道微流通池(4)，由PDMS材料制成，每个微流通道都包含入口和出口，多个微流通道可串联或并联使用。

5.根据权利要求3所述的多通道波长调制型光纤SPR检测系统，其特征在于，所述的多通道微流通池(4)，由PDMS材料制成，每个微流通道都包含入口和出口，多个微流通道可串联或并联使用。

6.根据权利要求1、2或5所述的多通道波长调制型光纤SPR检测系统，其特征在于，所述的宽谱光源(1)为可见光/红外波段宽谱光源。

7.根据权利要求3所述的多通道波长调制型光纤SPR检测系统，其特征在于，所述的宽谱光源(1)为可见光/红外波段宽谱光源。

8.根据权利要求4所述的多通道波长调制型光纤SPR检测系统，其特征在于，所述的宽谱光源(1)为可见光/红外波段宽谱光源。

9.根据权利要求1、2、5、7或8所述的多通道波长调制型光纤SPR检测系统，其特征在于，所述的高分辨率光谱仪(6)的波长检测范围400-1100nm。

10.根据权利要求6所述的多通道波长调制型光纤SPR检测系统，其特征在于，所述的高分辨率光谱仪(6)的波长检测范围400-1100nm。