專利名稱：一種表面等離子體共振探測(cè)光纖及傳感器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及生化檢測(cè)和光纖傳感技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及ー種基于表面等離子體共振原理的探測(cè)光纖及傳感器。
背景技術(shù)：
表面等離子體共振(Surface Plasmon Resonance,簡(jiǎn)稱SPR)是發(fā)生在金屬和電介質(zhì)界面的ー種物理光學(xué)現(xiàn)象。由于SPR現(xiàn)象對(duì)光的入射條件以及環(huán)境介質(zhì)的介電常數(shù)變化極其敏感，SPR傳感技術(shù)以其高靈敏度、免標(biāo)記、非破壞性、可遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)等優(yōu)點(diǎn)，在生化傳感領(lǐng)域得到了各國(guó)研究者的持久關(guān)注。為了實(shí)現(xiàn)局部測(cè)量和遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)，早在1990年就有學(xué)者提出了將光纖作為激勵(lì)介質(zhì)的光纖SPR傳感器，通常需要將普通光纖進(jìn)行腐蝕包層或拉錐等預(yù)處理，再在裸露的纖芯上鍍ー層厚度均勻的金屬膜(通常為金膜或銀膜)作為表面等離子體波的載體。近年來(lái)，ー種新型的光纖——光子晶體光纖，以其天然的多孔結(jié)構(gòu)、設(shè)計(jì)的靈活性和多祥性，在解決傳統(tǒng)光纖SPR傳感器的相位匹配和封裝問(wèn)題上提供了完美的解決方案。發(fā)明專利“一種光纖表面等離子體共振傳感檢測(cè)裝置”(專利申請(qǐng)?zhí)?00820212280. 2)和“基于光子晶體光纖表面等離子體共振傳感器”(專利申請(qǐng)?zhí)?01110190079. 5)正是利用光子晶體光纖實(shí)現(xiàn)SPR傳感技術(shù)的代表。加拿大的A. Hassani研究組在該領(lǐng)域做出了很大的貢獻(xiàn)，自2006年以來(lái)，他們分別基于折射率導(dǎo)引型光子晶體光纖和光子帶隙型光子晶體光纖設(shè)計(jì)了多種不同的SPR傳感器，獲得了較高的靈敏度。其中ー種典型的折射率導(dǎo)引型光子晶體光纖SPR傳感器結(jié)構(gòu)如圖I所示。這種以石英玻璃5為襯底的光子晶體光纖由內(nèi)到外包含三層空氣孔2，在芯區(qū)I引入了較小空氣孔2來(lái)降低導(dǎo)模的有效折射率以便滿足激發(fā)SPR效應(yīng)的相位匹配條件。在最外圍的較大空氣孔內(nèi)壁利用高壓化學(xué)氣相淀積法涂覆ー層厚度為40nm左右的金膜3，最后利用毛細(xì)現(xiàn)象在鍍膜之后的外圍空氣孔中注入液態(tài)待測(cè)樣品4。現(xiàn)有的基于光子晶體光纖的SPR傳感器，如圖I所示，動(dòng)態(tài)測(cè)量范圍較小，折射率探測(cè)上限低于I. 42，這就無(wú)法測(cè)量一些高折射率的化學(xué)有機(jī)溶液(例如苯，硝基苯，苯胺等)。此外，由于外圍樣品溶液通道排列緊密，相鄰溶液通道之間的相互干擾導(dǎo)致SPR共振光譜曲線展寬，同時(shí)還存在多個(gè)共振峰，使得實(shí)際系統(tǒng)的信噪比降低。多個(gè)溶液通道的同時(shí)存在不僅增加了納米尺度金屬膜鍍制和待測(cè)溶液填充的工作量，而且很難保證每個(gè)溶液通道的金屬膜厚度的均勻性和質(zhì)量的一致性。這種基于光子晶體光纖的SPR傳感器已經(jīng)不能滿足當(dāng)前生化檢測(cè)領(lǐng)域?qū)Υ笳凵渎蕼y(cè)量范圍、高靈敏度、高線性度和高信噪比的需求。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供ー種封閉式的、全光纖的、具有大動(dòng)態(tài)測(cè)量范圍的表面等離子體共振探測(cè)光纖及傳感器，g在解決現(xiàn)有的基于光子晶體光纖的SPR傳感器動(dòng)態(tài)測(cè)量范圍小、線性度不高、信噪比低、金屬膜鍍制和待測(cè)樣品填充工作量大的缺陷。為解決上述技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明提供了ー種表面等離子體共振探測(cè)光纖，包括纖芯以及在纖芯軸向上排列的空氣孔，其特征在于，所述空氣孔包括第一空氣孔、第二空氣孔，所述第一空氣孔位于光纖橫截面正中心，所述第一空氣孔內(nèi)壁鍍有厚度為30-60nm的金屬膜，所述金屬膜內(nèi)表面鍍有厚度為20-60nm的傳感材料，所述第一空氣孔作為探測(cè)用的溶液通道；所述纖芯、第一空氣孔的外圍分別均勻分布N個(gè)所述第二空氣孔，N為大于3的整數(shù)，在光纖橫截面上，所述N個(gè)第二空氣孔的中心點(diǎn)連線呈正N邊形；所述光纖的纖芯數(shù)量M大于等于I。進(jìn)ー步地，所述空氣孔還包括第三空氣孔，在光纖橫截面上，ー個(gè)第三空氣孔的中心點(diǎn)以及與之鄰近的兩個(gè)第二空氣孔的中心點(diǎn)連線，或者ニ個(gè)第三空氣孔的中心點(diǎn)以及與之鄰近的ー個(gè)第二空氣孔的中心點(diǎn)連線，或者三個(gè)相互鄰近的第三空氣孔的中心點(diǎn)連線，均分別呈正三角形。所述第三空氣孔，用以增強(qiáng)纖芯的獨(dú)立性。優(yōu)選的，所述三角形為正三角形。進(jìn)ー步地，當(dāng)M大于等于3時(shí)，所述纖芯的中心點(diǎn)連線呈正M邊形。 最優(yōu)的，纖芯數(shù)量M的值為3。最優(yōu)的,所述N的值為6。還優(yōu)選的，所述空氣孔均為圓形空氣孔。優(yōu)選的，纖芯由単一石英玻璃拉制而成。本發(fā)明還提供一種基于上述表面等離子體共振探測(cè)光纖的SPR傳感器，包括寬帶光源、起偏器、耦合裝置、傳輸光纖、傳感光纖和光譜分析儀，其特征在于，所述傳感光纖采用上述表面等離子體共振探測(cè)光纖。本發(fā)明結(jié)合氣孔選擇性填充法，利用液體的毛細(xì)現(xiàn)象將待測(cè)樣品注入探測(cè)光纖的溶液通道。在光源耦合端調(diào)整入射光的入射條件和偏振態(tài)，使探測(cè)光纖的基模具有最大的激發(fā)效率。不同于已有的基于光子晶體光纖的SPR傳感器，本發(fā)明中的SPR傳感器的基模僅僅表現(xiàn)為單個(gè)共振峰，因此共振光譜較窄，信噪比較高。本發(fā)明的探測(cè)光纖的SPR傳感器以波長(zhǎng)掃描的方式觀察待測(cè)樣品的SPR信號(hào)。共振光譜以透射吸收峰的形式體現(xiàn)在光譜分析儀上，當(dāng)待測(cè)樣品的折射率發(fā)生變化時(shí)，該透射吸收峰也隨之發(fā)生漂移，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)待測(cè)樣品的濃度或其他參量的實(shí)時(shí)在線測(cè)量與監(jiān)控。本發(fā)明的新穎性在于，首次在基于光子晶體光纖的SPR傳感器中實(shí)現(xiàn)了較大的折射率測(cè)量范圍，其測(cè)量的折射率范圍為I. 33-1. 53，突破了以往的同類傳感器折射率探測(cè)上限低于I. 42的限制。擴(kuò)大了基于光子晶體光纖的SPR傳感器的動(dòng)態(tài)探測(cè)范圍，可以有效地探測(cè)ー些高折射率的化學(xué)有機(jī)溶液。相比現(xiàn)有的基于光子晶體光纖的SPR傳感器，本發(fā)明具有以下優(yōu)勢(shì)
一、本發(fā)明采用單樣品通道，有效避免了諸多排列緊密的樣品通道之間的相互影響，共振光譜更窄，信噪比更高。同時(shí)還減少了金屬和待測(cè)樣品的消耗量，減少了納米尺度金屬膜鍍制和微流體填充的工作量。ニ、大折射率測(cè)量范圍(I. 33-1. 53)和高線性度，可以有效地探測(cè)高折射率化學(xué)有機(jī)溶液，擴(kuò)大了基于光子晶體光纖的SPR傳感器的應(yīng)用范圍。三、獨(dú)特的單芯或多芯結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，保證了基模只有ー個(gè)共振峰，避免了高階共振峰導(dǎo)致的共振光譜展寬。四、光纖由單一石英玻璃構(gòu)成，所有空氣孔尺寸相同，降低了光纖拉制過(guò)程中的エ藝難度。


下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施方式
對(duì)本發(fā)明的技術(shù)方案作進(jìn)ー步具體說(shuō)明。圖I為已有的表面等離子體共振探測(cè)光纖橫截面示意圖。圖2為本發(fā)明的表面等離子體共振六纖芯探測(cè)光纖橫截面示意圖。圖3為添加第三空氣孔的六纖芯探測(cè)光纖橫截面示意圖。 圖4為本發(fā)明的表面等離子體共振單纖芯探測(cè)光纖橫截面示意圖。圖5為本發(fā)明的表面等離子體共振三纖芯探測(cè)光纖橫截面示意圖。圖6為本發(fā)明的SPR傳感裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。其中，I :纖芯,2 :空氣孔,3 :金屬膜,4 :第一空氣孔(溶液通道),5 :石英玻璃襯底，6 :傳感層，7 :由ー個(gè)第三空氣孔和與之相鄰的ニ個(gè)第二空氣孔形成的正三角形，8 :由三個(gè)相互相鄰的第三空氣孔形成的正三角形，9 :由ー個(gè)第二空氣孔和ニ個(gè)第三空氣孔形成的正三角形，11 16 :由第二、第三空氣孔區(qū)隔形成的第I 第6個(gè)纖芯，10、17 :第二空氣 し，18 :第三空氣孔，31—超連續(xù)譜光源，32—起偏器，33—耦合單元，34—傳感光纖，35—光譜分析儀。
具體實(shí)施例方式以下結(jié)合附圖及實(shí)施例，對(duì)本發(fā)明的具體實(shí)施方式
做進(jìn)ー步詳細(xì)說(shuō)明。如圖2所示，第一空氣孔4位于光纖橫截面正中心，第一空氣孔4內(nèi)壁鍍有厚度為30-60nm的金膜或銀膜3，金膜或銀膜3內(nèi)為表面鍍有厚度為20_60nm的傳感材料形成的傳感層6，第一空氣孔4作為探測(cè)用的溶液通道。第一空氣孔4的外圍分別分布六個(gè)第二空氣孔10，在光纖橫截面上，這6個(gè)第二空氣孔的中心點(diǎn)連線呈正六邊形。標(biāo)識(shí)11 16分別指向由第二空氣孔10、17區(qū)隔形成的第一 第六個(gè)纖芯，第一 第六纖芯的中心點(diǎn)連線呈正六邊形。除了第一、第二空氣孔外，如圖3所示，在光纖橫截面上，還設(shè)有若干第三空氣孔18，第一、第二、第三空氣孔均為圓形孔。無(wú)論圖2、3所示的6芯探測(cè)光纖，還是圖4所示的單芯探測(cè)光纖，圖5所示的三芯探測(cè)光纖，ー個(gè)第三空氣孔的中心點(diǎn)以及與之鄰近的兩個(gè)第二空氣孔的中心點(diǎn)連線7，或者ニ個(gè)第三空氣孔的中心點(diǎn)以及與之鄰近的ー個(gè)第二空氣孔的中心點(diǎn)連線9，或者三個(gè)相互鄰近的第三空氣孔的中心點(diǎn)連線8，均分別呈正三角形，如圖5所示。最優(yōu)選的是圖5所示的由第二空氣孔和第三空氣孔區(qū)隔且呈中心對(duì)稱均勻分布的三芯探測(cè)光纖，由単一石英玻璃拉制而成。如圖6所示，本發(fā)明實(shí)施例提供的基于多芯多孔光纖SPR傳感檢測(cè)裝置包括超連續(xù)譜光源31，其在400-2300nm范圍內(nèi)有穩(wěn)定的連續(xù)光譜輸出。還包括起偏器32，用以調(diào)整入射光的偏振態(tài)，耦合単元33由一系列的耦合光學(xué)透鏡及顯微物鏡組成，其作用是通過(guò)空間耦合，將入射光能量較高效率地耦合進(jìn)入傳感光纖中。通過(guò)控制入射條件，可使傳感光纖34中的基模具有最大的激發(fā)效率，光譜分析儀35用來(lái)實(shí)時(shí)觀察SPR信號(hào)的變化。以樣品的折射率測(cè)量為具體實(shí)施例。當(dāng)傳感光纖完成樣品填充以后，調(diào)整其在三維平移臺(tái)上的位置，使其保持水平狀態(tài)并與光學(xué)耦合系統(tǒng)共軸。然后利用起偏器調(diào)整入射光為線偏振光，使其偏振方向與第一個(gè)纖芯11的對(duì)稱軸平行。控制耦合條件使超連續(xù)譜光源發(fā)出的光最高效率地耦合進(jìn)入傳感光纖的纖芯，在接收端利用光譜分析儀觀察并記錄透射吸收峰的位置。當(dāng)流經(jīng)溶液通道的待測(cè)樣品的折射率發(fā)生變化時(shí)，光譜分析儀上的透射吸收峰就會(huì)發(fā)生相應(yīng)的漂移。具體地講，當(dāng)待測(cè)樣品的折射率變大時(shí)，表面等離子體模式的有效折射率隨之變大，而纖芯基模的有效折射率幾乎不受影響，最終導(dǎo)致了相位匹配點(diǎn)向長(zhǎng)波長(zhǎng)方向移動(dòng)，即光譜分析儀上的透射吸收峰發(fā)生了紅移。同樣地，當(dāng)待測(cè)樣品的折射率變小時(shí)，光譜分析儀上的透射吸收峰將會(huì)發(fā)生藍(lán)移。通過(guò)本發(fā)明提供的多芯多孔光纖SPR傳感器可以對(duì)待測(cè)樣品的折射率變化進(jìn)行實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)。選擇適當(dāng)?shù)膫鞲袑硬牧希€可以對(duì)待測(cè)樣品的溫度進(jìn)行監(jiān)測(cè)。例如，當(dāng)傳感層為具有高熱光系數(shù)的有機(jī)物異丙醇(熱光系數(shù)為-4. 5X10_4/K)時(shí)，當(dāng)待測(cè)樣品的溫度升高時(shí)，異丙醇的有效折射率減小，進(jìn)而導(dǎo)致表面等離子體模式的有效折射率減小，光譜分析儀上的透射吸收峰將會(huì)發(fā)生藍(lán)移。相應(yīng)地，當(dāng)待測(cè)樣品的溫度降低時(shí)，光譜分析儀上的透射吸收峰將會(huì)發(fā)生紅移。除此之外，通過(guò)選擇傳感層材料的種類和厚度還可以對(duì)本發(fā)明的共振波長(zhǎng)進(jìn)行有效地調(diào)控，可將共振波長(zhǎng)調(diào)至設(shè)計(jì)所需的光譜范圍，以適應(yīng)現(xiàn)有的光學(xué)系統(tǒng)。
最后所應(yīng)說(shuō)明的是，以上具體實(shí)施方式
僅用以說(shuō)明本發(fā)明的技術(shù)方案而非限制，盡管參照較佳實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行了詳細(xì)說(shuō)明，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解，可以對(duì)本發(fā)明的技術(shù)方案進(jìn)行修改或者等同替換，而不脫離本發(fā)明技術(shù)方案的精神和范圍，其均應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的權(quán)利要求范圍當(dāng)中。
權(quán)利要求
1.一種表面等離子體共振探測(cè)光纖，包括纖芯以及在纖芯軸向上排列的空氣孔，其特征在于，所述空氣孔包括第一空氣孔、第二空氣孔，所述第一空氣孔位于光纖橫截面正中心，所述第一空氣孔內(nèi)壁鍍有厚度為30-60nm的金屬膜，所述金屬膜內(nèi)表面鍍有厚度為20-60nm的傳感材料，所述第一空氣孔作為探測(cè)用的溶液通道；所述纖芯、第一空氣孔的外圍分別均勻分布N個(gè)所述第二空氣孔，N為大于3的整數(shù)，在光纖橫截面上，所述N個(gè)第二空氣孔的中心點(diǎn)連線呈正N邊形；所述光纖的纖芯數(shù)量M大于等于I。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的表面等離子體共振探測(cè)光纖，其特征在于，所述空氣孔還包括第三空氣孔，在光纖橫截面上，一個(gè)第三空氣孔的中心點(diǎn)以及與之鄰近的兩個(gè)第二空氣孔的中心點(diǎn)連線，或者二個(gè)第三空氣孔的中心點(diǎn)以及與之鄰近的一個(gè)第二空氣孔的中心點(diǎn)連線，或者三個(gè)相互鄰近的第三空氣孔的中心點(diǎn)連線，均分別呈正三角形。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的表面等離子體共振探測(cè)光纖，其特征在于，所述三角形為正三角形。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的表面等離子體共振探測(cè)光纖，其特征在于，當(dāng)M大于等于3時(shí)，所述纖芯的中心點(diǎn)連線呈正M邊形。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的表面等離子體共振探測(cè)光纖，其特征在于，纖芯數(shù)量M的值為3。
6.根據(jù)權(quán)利要求1-5之一所述的表面等離子體共振探測(cè)光纖，其特征在于，所述N的值為6。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的表面等離子體共振探測(cè)光纖，其特征在于，所述空氣孔均為圓形空氣孔。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的表面等離子體共振探測(cè)光纖，其特征在于，纖芯由單一石英玻璃拉制而成。
9.一種基于權(quán)利要求8所述表面等離子體共振探測(cè)光纖的傳感器，包括寬帶光源、起偏器、耦合裝置、傳輸光纖、傳感光纖和光譜分析儀，其特征在于，所述傳感光纖為所述表面等離子體共振探測(cè)光纖。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種基于表面等離子體共振原理的探測(cè)光纖及傳感器。該表面等離子體共振探測(cè)光纖包括纖芯以及在纖芯軸向上排列的空氣孔，其特征在于，作為探測(cè)用的溶液通道的第一空氣孔位于光纖橫截面正中心，第一空氣孔內(nèi)壁鍍金屬膜，金屬膜內(nèi)表面鍍有傳感材料；纖芯、第一空氣孔的外圍分別均勻分布N個(gè)第二空氣孔，N為大于3的整數(shù)，N個(gè)第二空氣孔的中心點(diǎn)連線呈正N邊形。該探測(cè)避免了現(xiàn)有多樣品通道之間的相互影響，共振光譜更窄，信噪比更高。本發(fā)明的傳感器突破了現(xiàn)有同類傳感器折射率探測(cè)上限低于1.42的限制，能有效地探測(cè)一些高折射率的化學(xué)有機(jī)溶液。
文檔編號(hào)G02B6/02GK102628976SQ20121008756
公開日2012年8月8日 申請(qǐng)日期2012年3月29日 優(yōu)先權(quán)日2012年3月29日
發(fā)明者劉德明, 夏歷, 帥彬彬, 李樂(lè)成, 解振海 申請(qǐng)人:華中科技大學(xué)