CN217845219U - 基于多模-单模光纤的外套管光纤传感装置和光纤检测系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供了一种基于多模‑单模光纤的外套管光纤传感装置和光纤检测系统。本实用新型提供的所述装置包括透明毛细管和光纤传感器件，所述光纤传感器件由多模光纤‑单模光纤/无芯光纤依次熔接而成，所述光纤传感器件插入到透明毛细管内，且光纤传感器件与透明毛细管之间的空隙填充有透明匹配材料。本实用新型提供的外套管光纤传感装置和光纤检测系统能够使光纤传感器件内部的探测光传播到透明毛细管表面，实现对毛细管表面待测样品的探测，并使得光纤传感器件成为了可重复使用的传感器件，提高了重复性，降低了使用成本。

Description

基于多模-单模光纤的外套管光纤传感装置和光纤检测系统

技术领域

本实用新型涉及一种基于多模-单模光纤的外套管光纤传感装置和光纤检测系统，属于生化与折射率检测技术领域。

背景技术

基于折射率传感原理的光纤生化传感器在生物分析、临床诊断、环境监测以及化工质量控制等领域发挥着重要作用。光纤生化传感器具有灵敏度高、响应时间快、占地面积小等优点。

为了实现生化传感，通常需要通过适当的表面化学修饰方法，在光纤在传感器件表面引入具有特异性识别功能的生化功能层，从而实现对待测物质的特异性捕捉和响应。一般来说，这层生化功能层无法实现重复使用，且经过化学处理的光纤表面很难恢复至未处理状态。因此，通常情况下，光纤生化传感器件是一次性使用器件。

因此，光纤生化传感器在实际推广应用中还面临着三个挑战：首先，将光纤生化传感器件作为耗材使用，大大增加了光纤生化传感器的使用成本，不利于产品的推广；其次，对器件制造的一致性和生产效率提出了较高的要求，如何能够批量制造出性能一致的光纤传感器件，也是一个亟待解决的问题；再次，现有的光纤传感器与光源、探测器之间的耦合方式不够简便易行，成本较高。

实用新型内容

本实用新型克服了上述现有技术的问题，提供一种外套管光纤传感装置，该装置能够使光纤传感器件内部的探测光刻经由透明匹配材料进入透明毛细管内部，并传播到透明毛细管表面，实现对毛细管表面待测样品的探测，通过将光纤传感器件表面上的物理或者生化修饰、反应转移到透明毛细管外表面，使得光纤传感器件成为了可重复使用的传感器件，提高了重复性，降低了使用成本。本实用新型还提供了采用上述外套管光纤传感装置的外套管光纤传感装置。

在本实用新型的其中一个方面，提供了一种外套管光纤传感装置，包括透明毛细管和光纤传感器件，所述透明毛细管的内径尺寸大于光纤传感器件的外径尺寸，所述光纤传感器件插入到透明毛细管内，且光纤传感器件与透明毛细管之间的空隙填充有透明匹配材料。

在本实用新型的其中一个方面，所述光纤传感器件由串联的第一光纤传感器件和第二光纤传感器件构成。所述第一光纤传感器件为多模光纤，所述第二光纤传感器件为单模光纤。第一光纤传感器件和第二光纤传感器件可通过熔接构成所述多模—单模光纤结构的光纤传感器件。

在本实用新型的其中又一个方面，所述透明毛细管的折射率介于约1.33至3.0之间。

在本实用新型的其中又一个方面，所述透明毛细管的内径介于约10微米至2000微米之间，透明毛细管的外径介于约10微米至2500微米之间。由于外径必然大于内径，内径和外径在相同范围内不能取相同的值。优选的，所述透明毛细管的内径介于约126微米至140微米之间。

在本实用新型的其中又一个方面，所述透明毛细管的一端为由开口端逐渐变细的喇叭口结构，方便将光纤传感器件插入。

在本实用新型的其中又一个方面，所述透明毛细管材料可以为透明聚合物，如聚苯乙烯、聚乙烯、聚碳酸酯、聚甲基丙烯酸甲酯、聚对苯二甲酸乙二醇酯和环氧树脂的其中一种。透明毛细管材料也可以为透明玻璃，如硅酸盐玻璃、硼酸盐玻璃、磷酸盐玻璃、硫系化合物玻璃和氟化物玻璃的其中一种。

在本实用新型的其中又一个方面，所述透明毛细管的外表面裸露。

在本实用新型的其中另一个方面，所述透明毛细管的外表面涂覆功能材料。所述功能材料可为薄膜材料或纳米材料。

在本实用新型中，所述薄膜材料为金属膜、半导体膜和电介质膜中的至少一种，即可以为金属膜、半导体膜和电介质膜的其中一种，也可以为上述两种或多种材料的多层膜复合膜。其中，所述金属可为金、银、铂、钯、铝和合金的其中一种，合金可以为金、银、铂、钯或铝的合金。其中，所述半导体可为硅、锗、硒、硫系玻璃、氧化铟锡和氧化锌的其中一种。半导体膜厚度介于2纳米至10000纳米之间。其中，所述电介质可为硅酸盐玻璃、硼酸盐玻璃、磷酸盐玻璃、硫系化合物玻璃、氟化物玻璃、聚苯乙烯、聚乙烯、聚碳酸酯、聚甲基丙烯酸甲酯、聚对苯二甲酸乙二醇酯和环氧树脂的其中一种。电介质膜厚度介于2纳米至10000纳米之间。

在本实用新型中，所述纳米材料可为金属纳米材料、磁性纳米材料、半导体纳米材料、有机纳米材料、无机纳米材料、二维材料等的其中一种。所述纳米材料的形状可为纳米球、纳米棒、纳米线、纳米片、纳米三角形、纳米立方体、纳米星等的其中一种。

在本实用新型的其中一个方面，所述光纤传感器件中的所述第一光纤传感器件和第二光纤传感器件，即所述多模光纤和单模光纤的外径的横截面的形状和尺寸基本相同。所述多模光纤和单模光纤的包层材料，以及多模光纤和单模光纤的纤芯材料可以是相同的，也可以是不同的(折射率差异在正负10％)。

在本实用新型的其中又一个方面，所述光纤传感器件的包层的折射率介于约1.33至3.0之间。

在本实用新型的其中又一个方面，所述光纤传感器件的外径介于10微米至1990微米之间。由于光纤传感器件的外径小于透明毛细管的内径，光纤传感器件的外径和透明毛细管的内径在相同范围内不能取相同的值。优选的，所述光纤传感器件的外径为介于约20微米至500微米。

在本实用新型的其中又一个方面，所述光纤传感器件端面为锥形或梯形，便于将光纤传感器件插入透明毛细管。

在本实用新型的其中又一个方面，所述外套管光纤传感装置中的光纤传感器件为透射式光纤传感器件或反射式光纤传感器件。所述反射式光纤传感器件具有多模光纤-单模光纤/无芯光纤-反射膜结构，其中，在所述单模光纤/无芯光纤与多芯光纤相接一端的另一端的端面镀有反射膜。优选的，所述反射膜为金属膜结构或多层膜结构。更优选的，所述反射膜的厚度介于约30纳米与50微米之间。

在本实用新型的其中又一个方面，所述光纤传感器件中的单模光纤/无芯光纤的长度介于约1毫米至30毫米之间。

在本实用新型的其中又一个方面，所述光纤传感器件的直径介于约20微米至500微米之间。

在本实用新型的其中又一个方面，所述外套管光纤传感装置中，光纤传感器件与透明毛细管之间的空隙填充的透明匹配材料的折射率介于约1.33至3.0之间，例如在约1.33至1.80之间。本实施例提供的外套管光纤传感装置中，所述折射率匹配液的折射率与所述多模光纤的包层材料的折射率相同或相似(折射率差异在正负10％)。

在本实用新型的其中又一个方面，所述透明匹配材料的折射率与透明套管或者光纤的包层折射率基本一致(允许±10％的偏差)。

在本实用新型的其中又一个方面，所述透明匹配材料为液体、凝胶和固化聚合物的其中一种。

在本实用新型中，优选的，所述外套管光纤传感装置的传感元件包括镀有金纳米薄膜的二氧化硅毛细管以及包括前述基于多模—单模光纤结构的光纤传感器件的光纤传感探头。其中多模—单模光纤结构是熔接结构，可通过将一段多模光纤(纤芯直径20-500um)与一段(长度约2mm-30mm)的单模光纤/无芯光纤熔接形成多模—单模光纤/无芯光纤结构，且该光纤的单模光纤/无芯光纤一端的端面镀有反射膜。二氧化硅毛细管内径约为22-502微米，略大于单模光纤的外径，其折射率与单模光纤的包层材料或无芯光纤相同，且在外表面通过溅射的方式镀有纳米尺度厚度的金属薄膜。将多模—单模光纤/无芯光纤插入二氧化硅毛细管中，多模—单模光纤/无芯光纤与二氧化硅毛细管之间的空隙中填充了折射率匹配的液体、凝胶或者固化聚合物。因此，多模—单模光纤/无芯光纤和二氧化硅毛细管的组合可以被视为具有厚包层的光纤。这种传感方案类似于商用棱镜表面等离子体传感器，它使用镀金纳米薄膜玻璃板作为可以替换的传感芯片，在传感芯片与棱镜之间的空隙中填充折射率匹配油，提供良好的光通量。这样，多模—单模光纤/无芯光纤器件可以重复使用，镀金纳米二氧化硅毛细管是可以被替换的。

本实用新型的外套管光纤传感装置中，光纤传感器件与透明毛细管组装在一起时，并不要求光纤传感器件与毛细管要保持同心，如果透明毛细管内孔相比光纤传感器件直径较大，可是光纤传感器件贴紧透明毛细管内壁，造成较大的偏心；也可使用内孔轴线本身就不与毛细管外轮廓重合的偏心毛细管。即使光纤传感器件与透明毛细管轴线不重合，甚至严重偏心(即透明毛细管内孔紧贴外壁，最薄处的外壁仅有波长量级厚度)，光纤传感器件均可以工作。

本实用新型的外套管光纤传感装置中，光纤传感器件与透明毛细管组装在一起时，并不要求光纤传感器件的轴线与透明毛细管内孔轴线完全平行。即使光纤传感器件的轴线与透明毛细管内孔的轴线呈一定夹角(小于10°)，光纤传感器件也可以工作。

本实用新型的外套管光纤传感装置中，透明毛细管除了可以为圆形毛细管以外，其截面外轮廓也可以为方形、椭圆形、多边形等异形轮廓。此外，透明毛细管不仅仅限于单根毛细管，也可以使多跟毛细管环环相套的多根毛细管组成的复合毛细管。

本实用新型提供的外套管光纤传感装置中，透明毛细管可以有一个内孔，也可以有多个内孔，可以放入单个或者多个光纤传感器件。这些光纤传感器件可以为相同器件，也可以为不同器件。可实现多参量同时测量，或者单参量多通道同时测量；也可将一个或者多个透明毛细管内孔作为微流体通道使用，配合其他内孔中的光纤传感器件构建成“微流控芯片”式传感器件。

本实用新型的外套管光纤传感装置中，透明毛细管在进行生化传感应用中，可以将其表面进行功能分区，可以沿着轴向或者圆周方向分为多个功能区域，分别对各个功能区域进行单独的生物化学处理，从而使其具备不同的生化传感识别功能。相应的，毛细管内部可插入多个光纤传感器件对各功能区域分别进行测量，或者插入单根多传感器串联的光纤器件，实现“空分复用”。也可将单个传感器件进行沿着轴向移动或者绕着轴向转动，实现对不同传感区域“时分复用”式扫描探测，从而构建出高集成度、高通量的光纤传感器件。

本实用新型还提供了一种光纤检测系统，其特征在于，包括光源、光耦合器(例如为2×1光耦合器)、光纤光谱仪以及上述的外套管光纤传感装置；

所述光源、耦合器依次连接，所述光纤光谱仪与耦合器连接，所述耦合器与外套管光纤传感装置连接。

本实用新型提供的外套管光纤传感装置和光纤检测系统可用于以下生物化学检测方法，所述方法包括以下步骤：

提供上述本实用新型的外套管光纤传感装置。具体的，可将多模—单模光纤/无芯光纤传感器件插入到透明毛细管内，在透明毛细管的外表面涂覆薄膜材料，并且在光纤传感器件与透明毛细管之间的空隙填充透明匹配材料，构成所述外套管光纤传感装置；

搭建光路，将光源、2×1耦合器依次连接，将光纤光谱仪与耦合器连接，以及将耦合器与外套管光纤传感装置连接；

光源输出光经过2×1光纤耦合器，传输至耦合器另一端，经传感器探头镜面反射端反射回耦合器最后一端口，入射至光谱仪；

在光纤传感器件中产生的泄露光耦合至透明毛细管外表面的薄膜材料，激发薄膜材料表面等离子体共振波；

在透明毛细管表面提供对待测成分具有特异性识别功能的生物分子或者化学材料，例如可选择针对某种疾病标志物蛋白的抗体，通过化学方法将其在透明毛细管表面枝接一层所述抗体，使外套管光纤传感装置实现对该种疾病标志物的定量分析。

本实用新型提供的外套管光纤传感装置和光纤检测系统可用于以下折射率检测方法，所述方法包括以下步骤：

提供上述本实用新型的外套管光纤传感装置。具体的，可将多模—单模光纤/无芯光纤传感器件插入到透明毛细管内，在透明毛细管的外表面涂覆薄膜材料，并且在光纤传感器件与透明毛细管之间的空隙填充透明匹配材料，构成所述外套管光纤传感装置；

搭建光路，将光源、2×1耦合器依次连接，将光纤光谱仪与耦合器连接，以及将耦合器与外套管光纤传感装置连接；

光源输出光经过2×1光纤耦合器，传输至耦合器另一端，经传感器探头反射镜反射回耦合器余下端口，入射至光谱仪；

在光纤传感器件中产生的泄露光耦合至透明毛细管外表面的薄膜材料，激发薄膜材料表面等离子体共振波；

将外套管光纤传感装置暴露于不同折射率的待测样品中，根据光纤光谱仪的光谱变化，实现对周围环境折射率变化的检测。

进一步的，光源的输出光谱为200纳米至1200纳米，光源输出光谱的范围与多模--单模光纤/无芯光纤结构的表面等离子共振(SPR)范围相匹配。

本实用新型相对于现有技术具有如下的有益效果：

1、本实用新型巧妙地利用透明毛细管代替光纤传感器件表面，将光纤表面的化学功能修饰和生化传感反应移植到透明毛细管外表面，透明毛细管成本低廉，制造一致性好，可以作为一次性耗材使用。光纤传感器件可以长期重复使用，大大降低了使用成本，也降低了对光纤传感器件大批量高一致性生产的要求。同时，光纤传感器件与光源和探测器之间的耦合连接更换毛细管过程中不需要重新连接，可终生保持不变，大大降低了传感器使用过程中的操作难度和工作量，提高了系统稳定性和一致性，可以很好地解决光纤生化传感器实用化进程中所面临的问题和挑战，为光纤生化传感器的实际推广应用提供切实可行的方案。

2、对于一般的光纤生化传感器，为了实现生化传感，是在光纤表面通过适当的表面化学修饰来涂覆生化功能层。一般来说，这些化学表面修饰是不可恢复的，因此光纤生化传感器是一次性使用的器件。而本实用新型利用光纤传感器件插入到透明毛细管内，并用透明匹配材料填充空隙的结构，将溅射金属膜或者进一步地进行生物化学修饰的区域转移到毛细管外表面，实现了光纤部分与修饰涂覆部分的分离，使得单个光纤传感器件能够重复使用，同时避免了光纤传感器件作为消耗品会增加运行成本。

3、本实用新型所选用的光纤传感器件可以采用多模—单模光纤/无芯光纤反射式结构，二者由两段不同纤芯直径的光纤熔接而成，光由多模光纤传输至与单模光纤/无芯光纤的交界处，由于二者的纤芯不匹配，导致多模中的光泄露至单模光纤的包层中或者无芯光纤中，通过二氧化硅石英管中的折射率匹配油传输至毛细管表面的金属膜层上，激发SPR效应。

4、本实用新型由于光纤部分与修饰涂覆部分分离，因此再进行下一次的化学生物修饰时，无须移动与光源耦合和其他光学器件连接的光纤传感探头，只需更换多模—单模光纤/无芯光纤传感探头外的二氧化硅毛细管即可，因此能够提供多模—单模光纤/无芯光纤与光源和探测器之间更稳定的连接。

5、本实用新型将具有超高灵敏度的表面等离子体共振技术由仅有百微米尺度的光纤传感器件和透明毛细管替代传统数十毫米尺度的三角棱镜实现，实现了传感装置小型化的特点。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型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作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图示出的结构获得其他的附图。

图1为本实用新型实施例1的外套管光纤传感装置的正视结构示意图。

图2为本实用新型实施例1的外套管光纤传感装置的剖面结构示意图，其为从所述外套管光纤传感装置的单模光纤一端朝向其远端的视角的剖面图。

图3为采用前述本实用新型外套管光纤传感装置的光纤检测系统的构成示意图。

图4为采用前述本实用新型外套管光纤传感装置的扫描式高通量检测系统中样品检测单元的结构示意图。

图5为采用前述本实用新型外套管光纤传感装置的多通道阵列式检测系统中样品检测单元的结构原理图。

图6为本实用新型提供的其中一种示例性多模—单模光纤结构+镀金石英毛细管等离子体共振传感器在不同外界折射率溶液下的SPR光谱图。其中多模光纤的包层直径125微米，纤芯直径105微米；单模光纤的包层直径125微米，纤芯直径8.2微米，轴向长度10毫米；毛细管外径180微米，内径130微米，表面镀50纳米厚的金膜。

图7为本实用新型提供的其中一种示例性多模—单模光纤结构+镀金石英毛细管等离子体共振传感器在不同外界折射率溶液下的SPR漂移曲线图。

图8为本实用新型提供的其中一种示例性多模—单模光纤结构+镀金石英毛细管等离子体共振传感器在图4所示多通道检测系统的四个通道内对不同外界折射率溶液下的SPR漂移曲线图。

图9为本实用新型提供的其中一种示例性多模—单模光纤结构+镀金石英毛细管等离子体共振传感器在图4所示多通道检测系统的六个通道内，测试的不同通道不同折射率的SPR光谱相应图。

其中，1-多模光纤，2-单模光纤，3-透明毛细管，4-金膜，5-折射率匹配液，6-外套管光纤传感装置，7-光谱仪，8-光源，9-2×1光纤耦合器，10-待测样品，11-进液口，12-出液口，13-反射膜。

具体实施方式

为使本实用新型实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本实用新型的一部分实施例，而不是全部的实施例，基于本实用新型中的实施例，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，都属于本实用新型保护的范围。

实施例1

本实施例采用多模--单模光纤作为光纤传感器件，采用石英毛细管作为透明毛细管，并在透明毛细管的外表面镀一层贵金属膜，通过多模—单模光纤实现透明套管表面金纳米膜的等离子体共振(Surface Plasmon Resonance，等离子体共振)的激发，从而构建“多模—单模光纤+透明毛细管”等离子体共振传感器作为外套管光纤传感装置，以阐明本实用新型的实施方式。

多模—单模光纤，是近些年来光纤传感器的研究热点，用最简单的熔接法将多模光纤与一小段单模光纤熔接在一起，促使光从多模光纤传输过度至单模光纤中时，由于纤芯不匹配，使纤芯中的光耦合到光纤包层中。如果在光纤包层外表面镀上纳米尺度厚度的贵金属薄膜，光纤中产生的包层模式的倏逝场可以激发产生表面等离子体共振波，在光纤输出光谱上体现为在相应波段区域会出现一个吸收凹陷。表面等离子体共振波对环境折射率具有非常高的灵敏度，因此可以利用上述表面等离子体共振区域可以实现对外界环境或者传感器金属膜表面折射率(Surrounding Refractive Index，SRI)的测量。而上述外界环境或者传感器金属膜表面的折射率改变往往是由溶液中或者贵金属膜表面原子、分子、离子、或者纳米颗粒含量的变化引起。故而多模—单模光纤等离子体共振传感器为生物、化学成分的分析及电化学测量提供了一种可靠的方法。因此，多模—单模光纤等离子体共振传感器在上述生化分析、疾病诊断、食品安全、电化学分析、电池安全监测等领域具有广泛的应用前景。

将多模—单模光纤等离子体共振传感器应用于生化传感，通常需要对传感器外表面的贵金属薄膜进行一系列化学处理，在其表面枝接一层具有特异性识别功能的生物配体(蛋白、核酸等)，使其具备特异性识别功能。某些情况下，也需要在贵金属膜表面修饰一层具有特定功能的纳米材料，从而提高传感器的传感性能。通常情况下，上述的传感器经过一次检测以后，表面会覆盖上一层待测物质，无法恢复至初始状态。因此，多模—单模光纤等离子体共振传感器往往只能单次使用，这大大增加了使用成本，也对光纤传感器件的一致性提出了很高的要求，成为阻碍多模—单模光纤生化传感器实用化的绊脚石。

本实用新型提供的“多模—单模光纤+透明毛细管”等离子体共振传感器为解决以上所述问题提供了一种新的可行方案。如图1和图2所示，本实施例提供了一种外套管光纤传感装置，该装置包括透明毛细管3和光纤传感器件，所述光纤传感器件由串联的第一光纤传感器件1和第二光纤传感器件2构成。所述第一光纤传感器件1为多模光纤，所述第二光纤传感器件2为单模光纤，第一光纤传感器件1和第二光纤传感器件2可通过熔接构成多模—单模光纤结构的光纤传感器件。第二光纤传感器件2与第一光纤传感器件1相接一端的另一端的端面镀有反射膜13。所述透明毛细管3包裹第二光纤传感器件2以及第一光纤传感器件1的部分，即透明毛细管3包裹了多模光纤与单模光纤的交界。透明毛细管3的外表面镀有一层金属膜，例如为约50纳米厚的金膜4。光纤传感器件与透明毛细管3之间的空隙用折射率与所述多模光纤的包层材料的折射率相同或相似的折射率匹配液5填充。

本实施例提供的外套管光纤传感装置中，所述第一光纤传感器件和第二光纤传感器件，即所述多模光纤和单模光纤的外径的横截面的形状和尺寸基本相同。所述多模光纤和单模光纤的包层材料，以及多模光纤和单模光纤的纤芯材料可以是相同的，也可以是不同的(折射率差异在正负10％)。

本实施例提供的外套管光纤传感装置中，所述折射率匹配液的折射率与所述多模光纤的包层材料的折射率相同或相似(折射率差异在正负10％)。例如，折射率匹配液的折射率为约1.4608。

本实施例提供的外套管光纤传感装置可视为外套“透明毛细管+金纳米薄膜”的多模—单模等离子体共振传感器：多模光纤中的光传输至与单模光纤的交界处，由于二者的纤芯不匹配，导致光泄露至单模光纤的包层中，由于透明毛细管3和光纤包层均为相同的石英材料，且透明毛细管3和光纤包层之间的空隙中填充的折射率匹配液与光纤包层折射率相同，因而可以将可将透明毛细管+折射率匹配液+光纤包层看作新的直径变大的包层；由此，由多模—单模光纤结构所激发的包层泄露光可以在“透明毛细管+折射率匹配液+光纤包层”这一新的包层中传输，新的包层模式同样可以激发透明毛细管表面的纳米金膜的等离子体共振波，从而可以通过该等离子体共振波来检测透明毛细管3外表面的折射率和生化物质。

如图3所示，本实施例还提供了一种光纤检测系统，包括光纤光谱仪7、外套管光纤传感装置6、光源8和2×1光纤耦合器9，光谱仪7、光源8分别接入耦合器9同侧双端口，外套光纤传感装置6接入耦合器9余下一侧单端口。其中光源8用于产生探测光、光纤光谱仪7用于接收反射探测光。本实施例提供的所述光纤检测系统中，光纤传感器件装置6中的多模--单模光纤结构采用多模光纤1与单模光纤2熔接而成。光源8输出的光谱为400-850纳米，光源8输出的范围与多模—单模光纤的反射光谱及等离子体共振吸收峰的范围相匹配。

本实施例提供的光纤检测系统可为扫描式高通量检测系统，其样品检测单元的结构形式可如图4所示。如图4所示，其中包括多个(图中为4个)容纳待测液体样品的检测腔，待测样品10通过进液口11进入到所述检测腔，可通过出液口12流出。外套管光纤传感装置的透明毛细管3穿过包含所述4个检测腔。优选的，包裹在检测腔内的透明毛细管3的表面镀有金膜4。外套管光纤传感装置的多模—单模光纤结构可在毛细管内移动，到各个检测腔对其中的样品进行检测。其中，每个检测腔的长度都大于外套管光纤传感装置的单模光纤的部分。

本实施例提供的光纤检测系统还可为多通道阵列化检测系统，其中的外套光纤传感装置单元6的具体结构形式如图5所示。

本实施例实现折射率检测的方法为：将多模—单模光纤等离子体共振传感器件插入到透明毛细管内，在透明毛细管的外表面镀一层纳米尺度厚度的金属膜，并且用折射率匹配的油或者凝胶填充光纤与毛细管的空隙，构成外套管光纤传感装置；搭建光路，将光源、光谱仪、以及光纤探测器通过2×1光纤耦合器连接起来，在光纤传感器件中产生的泄露光耦合至毛细管外表面的金属膜，激发金属膜表面等离子体共振波，这个等离子体共振波在光纤光谱仪的光谱上反应的是吸收峰强度减弱；将多模—单模光纤和镀金属薄膜的毛细管的组合暴露于不同折射率的待测样品中，周围环境折射率的变化将会引起吸收峰的漂移，根据吸收峰的漂移量，实现对周围环境折射率变化的检测。

本实施例实现生物化学检测的方法为：外套管光纤传感装置与光纤检测系统的连接方式与上述折射率检测的相同；为了实现对特定生物化学成分的检测，还需要在毛细管表面通过化学方法枝接一层对待测成分具有特异性识别功能的生物分子或者化学材料；例如，采用抗原抗体的特异性结合可以制成光纤生物传感器：通过分子自组装方法在毛细管外表面的金膜上组装一层巯基十一烷酸(11-MUA)单分子层，然后通过1-(3-二甲氨基丙基)-3-乙基碳二亚胺盐酸盐(EDC)+N-羟基琥珀酰亚胺(NHS)处理，可以将11-MUA分子外端的羧基活化，进而可以通过活化羧基与抗体表面的氨基之间的缩水反应将抗体固定于传感器表面，形成具有特异性识别的功能性薄膜，通过合理选择针对某种疾病标志物蛋白的抗体，可以使外套管光纤传感装置对该种疾病标志物具有定量分析的能力。

进行液体折射率测量时，将外套管光纤传感装置放入具有不同折射率的样品溶液中，并将外套管光纤传感装置与光纤检测系统连接，通过追踪输出光谱中等离子体共振波的移动来实现折射率测量。

本实施例提供了一种“多模—单模光纤结构+镀金石英毛细管”传感器，其中多模光纤的包层直径125微米，纤芯直径105微米；单模光纤的包层直径125微米，纤芯直径8.2微米，轴向长度10毫米；毛细管外径180微米，内径130微米，表面镀50纳米厚的金膜。图6为本实用新型提供的“多模—单模光纤结构+镀金石英毛细管”传感器对外部不同折射率(1.3336、1.3405、1.3475、1.3545、1.3614、1.3686、1.3761)的SPR响应图。图7为上述“多模—单模光纤结构+镀金石英毛细管”传感器的峰值取出线性拟合得到的传感器灵敏度。结果显示，灵敏度可达到2630nm/RIU，线性拟合度高。

将前述本实用新型提供的“多模—单模光纤结构+镀金的石英毛细管”传感器置于图4所示多通道检测系统的四个通道容器中，对比不同通道SPR响应。结果如图8所示，检测结果相近，传感器灵敏度在2600nm/RIU上下浮动，各通道重复性好。

将前述本实用新型提供的“多模—单模光纤结构+镀金的石英毛细管”传感器置于图4所示多通道检测系统的六个通道并分别通入不同的折射率的测试液。图9为重复3次扫描的SPR响应图。图9显示：传感探头在多通道芯片内扫描，对各个通道的波长响应几乎一致，且重复性良好，并且各个通道折射率响应分辨率良好。

综上所述，本实施例中的外套管光纤传感装置(即“多模—单模光纤+透明毛细管”等离子体共振传感器)相比传统的光纤离子体共振传感器具有诸多优点，如下：

1)可以将生化探测的界面由光纤表面转移至透明毛细管表面，相应的生物和化学修饰均在透明毛细管表面进行，将光纤传感探头由耗材转变为永久光学器件，而作为耗材的的透明毛细管具有跟光纤相同的制造精度，且制造成本远低于光纤传感探头，大大降低了使用成本。

2)将多模—单模光纤作为永久光学器件使得光纤传感器件与光源及光电探测器之间的连接也成为了永久链接，解决了传统光纤生化传感器作为耗材使用过程中与光源和光电探测器之间的便捷、稳定、高效耦合难题。

3)整个系统是基于可见波段的，可见波段的光源和光谱仪价格相对较低，并且体积小巧，便于后期集成，而多模-单模光纤结构相对于倾斜布拉格光栅，微纳光纤等结构更易制作，并且相对典型的倾斜光纤光栅传感器(灵敏度一般约为500nm/RIU)，灵敏度上升为其4-5倍。

4)由于采用透明石英毛细管作为外部敏感界面，且透明石英毛细管闹高温，因而本实施例对于传统不耐高温光纤传感探头器件无法进行高温表面处理的难题，提供了一种替代性解决方案。

本实施例中所进行的折射率传感仅为最为简单的一个应用，“多模—单模光纤+透明毛细管”等离子体共振传感器还可以用于生物分子的探测、化学成分的分析、电化学反应过程的检测等领域。

综上所述，本实用新型巧妙地利用透明毛细管代替光纤传感器件表面，将光纤表面的化学功能修饰和生化传感反应移植到透明毛细管外表面，透明毛细管成本低廉，制造一致性好，可以作为一次性耗材使用。光纤传感器件可以长期重复使用，大大降低了使用成本，也降低了对光纤传感器件大批量高一致性生产的要求；同时，光纤传感器件与光源和探测器之间的耦合连接更换毛细管过程中不需要重新连接，可终生保持不变，大大降低了传感器使用过程中的操作难度和工作量，提高了系统稳定性和一致性，可以很好地解决光纤生化传感器实用化进程中所面临的问题和挑战，为光纤生化传感器的实际推广应用提供切实可行的方案。

以上所述，仅为本专利较佳的实施例，但本专利的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本专利所公开的范围内，根据本专利的技术方案及其实用新型构思加以等同替换或改变，都属于本专利的保护范围。

Claims (14)

1.一种外套管光纤传感装置，其特征在于，包括透明毛细管和光纤传感器件，所述透明毛细管的内径尺寸大于光纤传感器件的外径尺寸，所述光纤传感器件插入到透明毛细管内，且光纤传感器件与透明毛细管之间的空隙填充有透明匹配材料。

2.根据权利要求1所述的外套管光纤传感装置，其特征在于，所述光纤传感器件为多模光纤-单模光纤/无芯光纤结构。

3.根据权利要求2所述的外套管光纤传感装置，其特征在于，其中所述单模光纤/无芯光纤的长度介于1毫米至30毫米之间。

4.根据权利要求2所述的外套管光纤传感装置，其特征在于，所述光纤传感器件为反射式光纤传感器件，其单模光纤/无芯光纤的端面镀有反射膜。

5.根据权利要求4所述的外套管光纤传感装置，其特征在于，所述反射膜为金属膜结构或多层膜结构。

6.根据权利要求5所述的外套管光纤传感装置，其特征在于，所述反射膜的厚度介于30纳米与50微米之间。

7.根据权利要求1所述的外套管光纤传感装置，其特征在于，所述光纤传感器件的直径介于20微米至500微米。

8.根据权利要求1所述的外套管光纤传感装置，其特征在于，所述光纤传感器件的包层材料的折射率介于1.33至3.0之间。

9.根据权利要求1所述的外套管光纤传感装置，其特征在于，所述透明毛细管的折射率介于1.33至3.0之间。

10.根据权利要求1所述的外套管光纤传感装置，其特征在于，所述透明毛细管的内径介于10微米至2000微米之间，透明毛细管的外径介于10微米至2500微米之间。

11.根据权利要求10所述的外套管光纤传感装置，其特征在于，所述透明毛细管的内径介于126微米至140微米之间。

12.根据权利要求1所述的外套管光纤传感装置，其特征在于，所述透明毛细管的外表面裸露，或外表面涂覆功能材料，所述功能材料为薄膜材料或纳米材料。

13.根据权利要求1所述的外套管光纤传感装置，其特征在于，所述透明匹配材料的折射率介于1.33至3.0之间。

14.一种光纤检测系统，其特征在于，包括光源、耦合器、光纤可见光光谱仪以及权利要求1-13任一项所述的外套管光纤传感装置，

其中，所述光源、耦合器依次连接，所述光纤可见光光谱仪与耦合器连接，所述耦合器与外套管光纤传感装置连接。

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