專利名稱：光纖微結(jié)構(gòu)mz干涉式spr化學(xué)與生物傳感器及系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于光纖傳感、生物及化學(xué)技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種光纖微結(jié)構(gòu)MZ干涉式SPR化學(xué)與生物傳感器及其系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
光纖生物與化學(xué)傳感器是1970年代中期才誕生的一種新型傳感技術(shù)，該種傳感器是將具有化學(xué)和生物分子識別和換能作用的指示濟(jì)染料、酶、輔酶、生物受體、抗原、抗體、核酸、DNA、動植物組織或細(xì)胞、微生物、高分子材料等敏感膜、溶凝膠或其本身，吸附、固化或安裝在光纖、平面光波導(dǎo)、毛細(xì)管波導(dǎo)上，對樣品中的待測物質(zhì)進(jìn)行選擇性吸收(吸附)或識別，再轉(zhuǎn)換成各種光信息，如紫外、可見及紅外光的吸收、反射、熒光、磷光、化學(xué)發(fā)光和生物發(fā)光、拉曼散射、光聲和表面等離子體共振等信號輸出，從而獲得生物或化學(xué)信息。在大多數(shù)傳感器中，光纖起光的傳輸作用，也有部分傳感器是基于被測物質(zhì)直接影響光纖的波導(dǎo)性質(zhì)變化來進(jìn)行化學(xué)和生物傳感的。
光纖生物與化學(xué)傳感器的主要特點(diǎn)是(1)具有很高的傳輸信息容量，達(dá)到復(fù)雜混合物中特定分析對象的監(jiān)測。(2)傳感器的光纖探頭直徑可以小到與其傳播的光波波長屬同一數(shù)量級，便于分析裝置的微型化，傳感器輕巧、價廉、耐用。(3)傳感信號是光信號，與生物或化學(xué)樣品之間無電接觸，不影響生物自身的電性質(zhì)，檢測比較安全，可直接插入活體組織、血管、細(xì)胞等中，尤其適用于生物活體或體內(nèi)實時連續(xù)分析檢測。(4)無電磁干擾，電絕緣，可用于易燃易爆場合。(5)光纖的化學(xué)和熱穩(wěn)定性好，適于大部分化學(xué)和生物環(huán)境；同時，光纖無毒，不產(chǎn)生廢氣廢液，不需高壓大電流，不產(chǎn)生電磁輻射，無噪聲，對環(huán)保和生物醫(yī)學(xué)尤其適合。(6)光纖傳感器具有內(nèi)參比效應(yīng)，測定信號穩(wěn)定可靠。(7)光纖具有僅次于超導(dǎo)材料的低損耗遠(yuǎn)距離傳輸能力，可實現(xiàn)遠(yuǎn)距離遙測。
根據(jù)光纖在光傳感中的作用，光纖生物與化學(xué)傳感器可分為兩類，一類是光纖作為傳輸介質(zhì)，在光纖端面固化對化學(xué)或生物分子具有選擇性的敏感膜層，光纖中的光到達(dá)端面后與敏感膜中的化學(xué)或生物分子作用而被吸收部分光能或激發(fā)熒光。通過檢測吸收光強(qiáng)或發(fā)射的熒光強(qiáng)度來獲取生物或化學(xué)成分的信息。第二類是將光纖包層腐蝕后留下一段纖芯，在被腐蝕后的纖芯表面固化化學(xué)或生物敏感膜層，光傳輸?shù)絺鞲蓄^中的纖芯時產(chǎn)生全反射，并產(chǎn)生倏逝波。倏逝波穿過纖芯到達(dá)化學(xué)或生物敏感層而被吸收或激發(fā)熒光，通過測量光的吸收或熒光強(qiáng)度來測試化學(xué)或生物信息。若在腐蝕了光纖包層后的纖芯上再鍍一層金屬膜，可形成光纖等離子體共振生物化學(xué)傳感器。
與本申請專利相近的傳感器是表面等離子體共振(SPR)生物傳感器。SPR生物傳感器是分子生物與化學(xué)、光學(xué)、電子與計算機(jī)技術(shù)等相結(jié)合的產(chǎn)物，是目前分子生物學(xué)信息獲取的最重要技術(shù)之一。下面介紹現(xiàn)有的SPR生物傳感器(1)SPR生物傳感器的基本原理表面等離子體(SP)波是沿著金屬和電介質(zhì)間界面?zhèn)鞑サ碾姶挪?。?dāng)特定波長的振動平行于分界表面的偏振光以某一特定的入射角照在界面上而發(fā)生全反射時，入射光將被耦合為表面等離子體波而被衰減，引起界面全反射的光能量顯著減少，這就是表面等離子體共振(SPR)。SPR對附著在金屬表面的電介質(zhì)折射率非常敏感，而折射率是所有材料的固有特征，表面等離子共振入射角和SPR的響應(yīng)強(qiáng)度隨電介質(zhì)及其附著量的不同而不同。這樣，將已知的生物識別分子固化在金屬膜表面，當(dāng)加入與其互補(bǔ)的被測生物分子時，兩者相結(jié)合將使金屬膜與溶液界面的折射率上升，從而導(dǎo)致SPR共振角或波長的改變，通過檢測共振入射角度或波長的變化就能實現(xiàn)對互補(bǔ)的目標(biāo)生物分子的定量或定性檢測。
(2)現(xiàn)有SPR生物傳感器的類型根據(jù)光波導(dǎo)耦合器件的不同，SPR傳感器可分為棱鏡型、金屬光柵型和光纖型。目前絕大部分傳感器是棱鏡型傳感器，用于產(chǎn)生全反射衰減的棱鏡型裝置有Otto和Kretschmann型，而以Kretschmann型為主，如圖1所示。該裝置是將幾十納米厚的金屬薄膜11直接覆蓋在棱鏡12的底部，待檢測的介質(zhì)13在金屬膜下面，光線射入棱鏡，其倏逝波透過金屬薄膜在另一界面處引起表面等離子體共振(SPR)，棱鏡可以是直角等腰三角形或半球形的。為了提高靈敏度，常選擇折射率較高的光學(xué)材料制作棱鏡，但這種光學(xué)材料的表面強(qiáng)度和穩(wěn)定性較差，在空氣中易形成氧化膜。
1987年Tiefenthaler等人提出了金屬衍射光柵作為光波耦合元件的SPR生物傳感器，但金屬光柵的制作有一定難度。1997年Nikitin PI等人開發(fā)了基于肖特基結(jié)構(gòu)的金屬衍射光柵SPR生物傳感器，利用微電子加工技術(shù)在硅片21上鍍上一層40nm厚周期分布的金膜光柵22，再覆蓋一層生物分子敏感膜23，如圖2所示。當(dāng)分子生物膜吸收被測生物分子后，其折射率發(fā)生改變，金屬光柵衍射的光場和光譜分布也產(chǎn)生相應(yīng)的變化，將光信號的變化轉(zhuǎn)換成電信號輸出，同時用光譜分析儀檢測表面增強(qiáng)拉曼散射。利用得到的電壓-角度曲線和拉曼譜線，實現(xiàn)生物分子反應(yīng)機(jī)理和過程的測試與分析。
棱鏡型和金屬光柵型SPR生物傳感器的傳感介質(zhì)都不是光纖，需要流通池，對應(yīng)用環(huán)境要求較高。1993年，Jorgenson等人提出了光纖型SPR生物傳感器，有兩種傳感結(jié)構(gòu)，如圖3所示，一種是在線傳輸式(a)，另一種是終端反射式(b)。在線傳輸式光纖SPR生物傳感器是將一段石英光纖中的包層31a剝?nèi)?，在光纖芯32a上沉積一層高反射率金屬膜33a，再在金屬膜上覆蓋一層生物分子敏感膜34a。光纖的直徑一般為0.3mm，光纖內(nèi)可傳輸光線的角度范圍是78.5～90°。在此角度范圍內(nèi)，光在纖芯與包層的界面上發(fā)生內(nèi)全反射，透過界面的倏逝波在金屬膜中引發(fā)表面等離子體，并在一定的角度和波長上產(chǎn)生共振。在光纖的出口端檢測輸出光強(qiáng)度與波長分布，可定量分析生物分子的濃度及其變化。
終端反射式SPR光纖生物傳感器的構(gòu)造方法是在光纖的一個端面上沉積一層厚度達(dá)300nm的金屬膜33b，將此端一段長5mm左右的光纖包層31b剝?nèi)?，并在光纖芯32b上沉積50nm左右的金屬膜，在金屬膜上覆蓋一層生物分子敏感膜34b。當(dāng)滿足SPR共振條件時，光纖中的光將產(chǎn)生共振而被吸收；當(dāng)光傳輸至端面時沿來路被反射回去，再經(jīng)過共振吸收衰減后而傳輸?shù)焦饫w光譜儀進(jìn)行檢測。當(dāng)分子敏感膜吸收生物分子后，其折射率發(fā)生變化，從而改變光纖中光的衰減光強(qiáng)和共振波長。根據(jù)該變化即可探測生物分子的作用過程和數(shù)量。該方式省略了流通池，可在一定距離范圍內(nèi)實現(xiàn)遙測。
總體來看，目前SPR生物傳感器以棱鏡型為主，光纖型和金屬光柵型為輔。
(3)現(xiàn)有SPR傳感儀器系統(tǒng)特點(diǎn)SPR生物傳感器具有非破壞性、高靈敏度和實時在線檢測等優(yōu)點(diǎn)，已在微生物、血液、DNA、抗原抗體、有毒氣體等的檢測與分析方面有廣泛應(yīng)用。SPR傳感器及其儀器系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)是(1)生物特異性強(qiáng)，可對生物分子反應(yīng)的過程進(jìn)行檢測；(2)操作簡單，測量速度較快；(3)整機(jī)可小型化；(4)適合微區(qū)和表面分析，也可進(jìn)行分子結(jié)構(gòu)分析；(5)靈敏度很高，比倏逝波熒光檢測系統(tǒng)的靈敏度高1～2個數(shù)量級。
該類傳感器及系統(tǒng)也存在一些缺陷(1)棱鏡型傳感頭復(fù)雜且體積大。光纖傳感頭的制作繁瑣并很困難，需要通過化學(xué)腐蝕或機(jī)械磨蝕方法去除包層，包層的去除位置或尺寸難于精確控制。金屬衍射光柵型傳感頭的制作也很困難。(2)系統(tǒng)穩(wěn)定性較差無論是波長調(diào)制還是角度調(diào)制法，直接探測的信號都是光強(qiáng)度，且是單光路光強(qiáng)。光源、光路和電路系統(tǒng)的波動和干擾對傳感系統(tǒng)的影響很大，降低了可靠性和準(zhǔn)確性。在現(xiàn)有的單光路強(qiáng)度檢測中，這種影響是難于消除的。(3)雜散光干擾大在棱鏡型、金屬光柵型和光纖型三種SPR傳感器中，雜散光能進(jìn)入光路和探測器。當(dāng)外界雜散光變化時，探測到的信號也發(fā)生變化，因此需要屏蔽雜散光。(4)對光纖型傳感器而言，化學(xué)腐蝕或機(jī)械磨蝕包層后，會出現(xiàn)粗糙的交界面，難以得到平滑的纖芯光學(xué)表面，從而無規(guī)律地影響全反射特性，產(chǎn)生大的噪聲信號，大大降低信噪比。(5)數(shù)據(jù)沒有容錯能力現(xiàn)有傳感系統(tǒng)獲取的數(shù)據(jù)沒有冗余信息，當(dāng)出現(xiàn)較大干擾和差錯時，嚴(yán)重影響測試或分析結(jié)果的準(zhǔn)確性。(6)遙測能力弱棱鏡型和金屬光柵型SPR傳感器難于通過光纖實現(xiàn)遙測；目前光纖型SPR傳感器所用光纖主要是芯徑較大的多模光纖(小芯徑光纖傳感器的制作困難，甚至無法制作)，一般僅僅是利用一段約幾十厘米的光纖作為傳感頭，難于充分利用光纖的優(yōu)越性。(7)傳感系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜而龐大，操作不夠靈活，棱鏡型和金屬光柵型SPR傳感器都需要流通池。環(huán)境適應(yīng)性較差，溫度變化對測試結(jié)果的影響大，受外界振動的干擾也大，對準(zhǔn)調(diào)試非常困難，現(xiàn)有的光纖型傳感器也是如此。
這些不足和缺陷有待新的技術(shù)和方法加以克服和改進(jìn)，以便該生物化學(xué)傳感技術(shù)可得到更好的推廣應(yīng)用。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的就在于針對現(xiàn)有技術(shù)存在的上述不足，提供一種光纖微結(jié)構(gòu)MZ(Mach-Zehnder，馬赫-曾德爾)干涉式SPR(Surface Plasmon Resonance，表面等離子體共振)化學(xué)與生物傳感器及其系統(tǒng)，將該傳感器所需要的MZ干涉儀器件、兩條光路、化學(xué)或生物分子敏感膜層、SPR傳感的金屬膜都集成在一段光纖上，使整個傳感器完全光纖化，結(jié)構(gòu)微型化，體積小。傳感系統(tǒng)通過測量干涉條紋幅值或其譜分布、表面等離子體共振吸收波長的變化，就可測量出化學(xué)成分或生物分子的濃度，獲得更高的檢測精度和靈敏度。同時傳感系統(tǒng)可基于光纖鏈路實現(xiàn)遙測，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，調(diào)試方便，不受雜散光的影響，測試結(jié)果穩(wěn)定可靠。
本發(fā)明的技術(shù)方案如下
光纖微結(jié)構(gòu)MZ干涉式SPR化學(xué)與生物傳感器，它是在一根光纖上相距一定距離寫有兩個長周期光纖光柵，作為兩個耦合器，兩個長周期光纖光柵之間的距離約3-70cm；這兩個長周期光纖光柵有相近的耦合波長、帶寬和耦合效率，長周期光纖光柵諧振中心波長處的耦合效率約為2-10dB；在兩個長周期光纖光柵之間的光纖有光纖芯和光纖芯之外的光纖包層，這兩個長周期光纖光柵及其之間的光纖芯和光纖包層構(gòu)成一個光纖MZ(馬赫-曾德爾)干涉儀。在該光纖MZ干涉儀中，兩個長周期光纖光柵之間的整段或部分段光纖只有光纖芯和光纖包層，去除了光纖包層外的保護(hù)涂層，只有光纖芯和光纖包層的這部分光纖的總長度約3-70cm；在只有光纖芯和光纖包層的這部分光纖的光纖包層表面鍍有-層金屬膜，作為表面等離子體共振(SPR)的載體，金屬膜的厚度約為30-200nm。這就構(gòu)成了光纖微結(jié)構(gòu)MZ干涉式SPR化學(xué)與生物傳感器，利用光纖包層的全反射、表面等離子體共振(SPR)和光干涉特性等來獲取生物分子及化學(xué)成分的信息。
進(jìn)一步，為了提高傳感器對特定化學(xué)成分或生物分子的選擇性(特異性)和靈敏度，還可在上述金屬膜表面上再固化有一層厚度大于3nm的吸收或敏感膜層，該吸收或敏感膜層對被測化學(xué)成分或生物分子具有選擇性的吸收或敏感特性。整個傳感器的外徑約125～1000微米。
本傳感器的傳感原理是利用光纖化MZ干涉儀中的光纖包層光在界面處的全反射、表面等離子體共振和光干涉特性等來傳感化學(xué)或生物信息(1)光纖纖芯中傳輸?shù)墓獾竭_(dá)一個長周期光纖光柵時，一部分光繼續(xù)在纖芯中向前傳輸，另一部分光被長周期光纖光柵耦合到包層中傳輸。(2)光纖包層光在光纖包層與金屬膜層的界面處發(fā)生全反射而在包層中向前傳輸，光纖包層與金屬膜層界面處的全反射將產(chǎn)生倏逝波。該倏逝波穿過包層界面和金屬膜層，進(jìn)入到被測生物分子與化學(xué)成分的敏感膜層或其溶液、氣體的一個微小區(qū)域。(3)如果光纖包層光的入射角度、波長與光纖包層的折射率、金屬膜材料及其厚度、生物與化學(xué)成分的溶液或其氣體或其敏感膜層的折射率等參數(shù)滿足相位匹配共振條件，光纖包層與金屬界面處的倏逝波穿過金屬膜層時，將產(chǎn)生表面等離子體共振，倏逝波的能量被共振耦合而轉(zhuǎn)移為金屬膜表面等離子體波的能量，從而導(dǎo)致倏逝波的能量被衰減。(4)被衰減后的倏逝波返回光纖包層繼續(xù)傳輸，再在其它點(diǎn)產(chǎn)生全反射、倏逝波、金屬表面等離子共振吸收。(5)當(dāng)光纖包層中的光到達(dá)另一個長周期光纖光柵時，光纖包層中的一部分光被耦合到光纖纖芯中去，與一直在光纖纖芯中傳輸?shù)囊徊糠止夂鲜a(chǎn)生干涉。在產(chǎn)生干涉的兩束光中，纖芯中的光不受化學(xué)成分或生物分子的影響，但光纖包層中光的幅值和相位因表面等離子體共振和倏逝波的作用而受生物分子或化學(xué)成分濃度的影響。(6)生物分子的種類及其數(shù)量或化學(xué)成分的濃度不同，與金屬膜層外表面接觸的生物及化學(xué)溶液或其氣體或其敏感膜層的折射率也不同，從而影響金屬膜表面等離子體共振的匹配條件，使光纖包層倏逝波的衰減能量、相位、共振光波長和共振角度發(fā)生變化，從而影響干涉信號光的幅值及其分布。它們之間的變化關(guān)系是確定的。(7)通過測量干涉信號光的幅值及其分布、表面等離子體共振波長的變化，就可測量生物分子或化學(xué)成分的濃度，實現(xiàn)生物分子或化學(xué)成分的傳感。
由上述光纖微結(jié)構(gòu)MZ干涉式SPR化學(xué)與生物傳感器形成的傳感系統(tǒng)包括有寬帶光源、光纖、光纖微結(jié)構(gòu)MZ干涉式SPR化學(xué)與生物傳感器、光纖光譜儀和計算機(jī)；其中，寬帶光源的輸出通過光纖同光纖微結(jié)構(gòu)MZ干涉式SPR化學(xué)與生物傳感器的一個光纖端相連，光纖微結(jié)構(gòu)MZ干涉式SPR化學(xué)與生物傳感器的另一個光纖端通過光纖同光纖光譜儀的輸入相連，光纖光譜儀通過數(shù)據(jù)接口(如USB、RS232、GPIB等)與計算機(jī)相連，傳感器被置于被測化學(xué)成分或生物分子的溶液或氣體中。這樣，光纖中的光經(jīng)過長周期光纖光柵的耦合，多次全反射和金屬膜表面等離子體共振吸收，到達(dá)另一個長周期光纖光柵時再耦合合束形成干涉光信號，干涉光信號再經(jīng)光纖被傳輸?shù)焦饫w光譜儀；光纖光譜儀獲取干涉光信號的譜幅值及其分布，并通過數(shù)據(jù)接口將干涉光信號數(shù)據(jù)送到計算機(jī)，由計算機(jī)根據(jù)獲取的干涉光信號數(shù)據(jù)計算并顯示出化學(xué)成分濃度或生物分子的測量值。
由上述傳感系統(tǒng)得到的干涉光信號數(shù)據(jù)具有多種信息參數(shù)及其分布，如幅值、附加相位、干涉條紋及其分布等，都可由計算機(jī)進(jìn)行分析計算。這些不同的信息參數(shù)受生物分子或化學(xué)成分的影響是不一樣的，具有不同的響應(yīng)形式和關(guān)聯(lián)性，是多維信息，用其中的任意一維信息都可以測量化學(xué)成分或生物分子。在數(shù)據(jù)采集、傳輸和處理過程中，丟失部分?jǐn)?shù)據(jù)，仍然可以正確地獲得測量結(jié)果，傳感系統(tǒng)具有一定的容錯能力。
本傳感器及傳感系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)本傳感器具有一般光纖傳感器的優(yōu)越性，如受電磁干擾小，傳感器小而輕，穩(wěn)定性高，無毒絕緣，無電流通過，易實現(xiàn)多道多組分同時檢測與分析，可具有高度專一性和敏感性，適于強(qiáng)酸、強(qiáng)堿、高溫高壓、易燃易爆等惡劣環(huán)境，尤其在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域用于在體測量時具有高度安全性。另外，本傳感器及傳感系統(tǒng)還有獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)，包括(1)本傳感器結(jié)構(gòu)獨(dú)特巧妙，不附加任何非光纖器件，只利用普通光纖及其上的兩個長周期光纖光柵就實現(xiàn)了MZ干涉儀，在光纖化MZ干涉儀的光纖包層表面直接鍍上金屬膜層就實現(xiàn)了光纖SPR傳感器，也可在金屬膜層上再固化對化學(xué)成分或生物分子具有選擇性的吸收或敏感膜層。MZ干涉光路系統(tǒng)及其整個傳感器完全光纖化，結(jié)構(gòu)微型化，外部結(jié)構(gòu)簡潔，體積小，且功能強(qiáng)大。這是本傳感器的最大創(chuàng)新點(diǎn)。(2)傳感系統(tǒng)不受雜散光的影響。本傳感系統(tǒng)可測量干涉光譜信號，而雜散光與信號光不滿足相干條件。因此，雜散光不影響測量結(jié)果。(3)傳感器的制作質(zhì)量可控性好，信號光噪聲小。本傳感器的每個部分及其制作過程都是精確可控的，制作質(zhì)量容易得到保證。傳感段光纖不需腐蝕，全反射界面是光滑的光學(xué)表面，信號光的噪聲小。而現(xiàn)有光纖SPR傳感器的傳感光纖需經(jīng)化學(xué)腐蝕或磨蝕處理，全反射界面不是光滑的光學(xué)表面，會產(chǎn)生很大的噪聲干擾。(4)整個測量系統(tǒng)可基于普通光纖鏈路實現(xiàn)遙測，系統(tǒng)的構(gòu)成及裝配只需熔接光纖，調(diào)試簡化，可靠性高。同時，傳感系統(tǒng)具有一定的容錯能力。(5)測量精度和靈敏度高，本傳感器的信噪比高于現(xiàn)有的光纖SPR生物傳感器，若用附加相位法測量生物分子或化學(xué)成分，可達(dá)到極高的測量精度和靈敏度。
總之，本傳感器及其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)獨(dú)特，微型化，光纖化，利用光纖包層的倏逝波、金屬表面等離子體共振和光的干涉特性來測量生物分子或化學(xué)成分，在一段光纖上實現(xiàn)了一個完整的微結(jié)構(gòu)MZ干涉儀及其生物與化學(xué)傳感器，系統(tǒng)靈敏度高，可靠性好。


圖1是棱鏡型SPR生物化學(xué)傳感器結(jié)構(gòu)圖；圖2是金屬光柵型SPR生物化學(xué)傳感器結(jié)構(gòu)圖；圖3是現(xiàn)有的光纖SPR生物化學(xué)傳感器結(jié)構(gòu)圖；圖4是本發(fā)明涉及的傳感器的結(jié)構(gòu)圖；圖5是本發(fā)明涉及的傳感系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖；圖6是本發(fā)明涉及的傳感系統(tǒng)計算機(jī)獲取的干涉信號光譜圖。
具體實施例方式
下面結(jié)合附圖，以測量葡萄糖溶液的濃度為例來說明上述傳感器及系統(tǒng)的實施，氣體或其它溶液形式的生物分子和化學(xué)成分測量系統(tǒng)及其傳感器的構(gòu)成與之相似，不同之處只是在光纖包層外的金屬膜層上固化一層不同的化學(xué)或生物分子敏感膜層而已。
參見圖4，本傳感器的結(jié)構(gòu)組成有光纖涂覆層1、光纖包層2、光纖芯3、長周期光纖光柵LPFG14、金屬膜層5、化學(xué)或生物分子的吸收或敏感膜層6、長周期光纖光柵LPFG27，保護(hù)套8，固化膠9，塑料過渡緩沖套10。其制作方法是(1)將一根普通單模光纖(光纖材料是石英或塑料，其光纖芯徑約9μm，光纖包層直徑約125μm)的一小段塑料保護(hù)涂層去除；(2)用波長約為240nm的激光器和長周期光纖光柵掩模板(掩模板的周期根據(jù)所需要的波長而定)照射去除了塑料保護(hù)涂層的這段光纖表面，寫入長約2.5cm的一個長周期光纖光柵，它的一個諧振中心波長落在760nm附近，諧振中心波長處的耦合效率約3.5dB，帶寬約18nm；(3)在離已寫入的長周期光纖光柵的一段距離約13cm處再去除一段塑料保護(hù)涂層，用與寫入第一個長周期光纖光柵相同的激光器和光纖光柵掩模板照射去除了塑料保護(hù)涂層的這段光纖表面，再寫入一個長約2.5cm的相似長周期光纖光柵(也可用CO2激光器來寫入這兩個長周期光纖光柵)；(4)在已寫入的兩個長周期光纖光柵位置處，用光纖涂敷機(jī)給光纖再涂敷上塑料保護(hù)涂層；(5)在兩個長周期光纖光柵之間，將一段長約9.5cm的塑料保護(hù)涂層去除，并用乙醇和生物試劑清洗去除了塑料保護(hù)涂層的該段光纖包層；(6)在去除了塑料保護(hù)涂層的該段光纖包層上，鍍一層厚約60nm的金屬金或銀膜，使其表面等離子體共振波長約為760nm；(7)在金屬金或銀膜表面固化一層厚約150nm的對葡萄糖分子具有選擇性吸收的敏感膜層，也可不固化該敏感膜層；(8)將制作了長周期光纖光柵、塑料保護(hù)涂層、金屬金或銀膜、葡萄糖分子敏感膜層的這段光纖用固化膠在兩端部粘貼到有孔的保護(hù)套內(nèi)，在保護(hù)套兩端各分別裝上一個塑料過渡緩沖套，再用膠封裝好兩端部即可制作完畢。該保護(hù)套能夠滲透被測葡萄糖溶液，同時能使葡萄糖溶液與光纖傳感頭的金屬膜或葡萄糖敏感膜層接觸。該保護(hù)套也可不用，而直接將本傳感器放在葡萄糖溶液中，也能實現(xiàn)檢測。
本傳感系統(tǒng)的構(gòu)成如圖5所示。中心波長750nm、帶寬大于60nm的寬帶光源A經(jīng)耦合輸出到單模光纖B，經(jīng)一段單模光纖B后到達(dá)光纖微結(jié)構(gòu)MZ干涉式SPR化學(xué)與生物傳感器C。在傳感器C中，760nm附近光能的一部分在光纖芯中傳輸并不受溶液中葡萄糖分子的影響，另一部分光能耦合到光纖包層中去并在包層中傳輸；光纖包層中的光在光纖包層與金屬膜層的界面處產(chǎn)生倏逝波和表面等離子體共振吸收，其SPR共振吸收受葡萄糖分子濃度的影響；在遇到下一個長周期光纖光柵時，光纖包層光的一部分再次進(jìn)入纖芯，與光纖芯的一部分光產(chǎn)生干涉，干涉光信號在光纖芯中傳輸，干涉光信號通過光纖被傳輸?shù)礁呔鹊墓饫w光譜儀D。光纖光譜儀D獲取干涉光信號及其分布數(shù)據(jù)，通過數(shù)據(jù)接口GPIB將干涉光信號數(shù)據(jù)送到計算機(jī)E，由計算機(jī)計算得到并顯示溶液中葡萄糖的濃度。計算機(jī)獲取的干涉信號光譜圖數(shù)據(jù)如圖6所示。其測量和計算過程是先標(biāo)定傳感器對葡萄糖溶液的敏感系數(shù)，然后測試葡萄糖溶液的濃度。測試時，本傳感器放在被測葡萄糖溶液中，傳感系統(tǒng)中的計算機(jī)獲取干涉信號光譜數(shù)據(jù)，并根據(jù)標(biāo)定的敏感系數(shù)計算得到被測葡萄糖溶液的濃度，從而實現(xiàn)葡萄糖的傳感。
在本實施例中，光纖光譜儀的波長分辨率可達(dá)0.02nm，最小幅值測量值為-65dBm，干涉信號光譜條紋的間距為1.52nm，用幅值計算法測量葡萄糖溶液濃度的分辨率小于6.1μg/ml。若用附加相位法測量時，測量葡萄糖溶液濃度的分辨率可達(dá)每毫升亞微克級。
權(quán)利要求
1.光纖微結(jié)構(gòu)MZ干涉式SPR化學(xué)與生物傳感器，其特征在于它在一根光纖上相距一定距離有兩個長周期光纖光柵，這兩個長周期光纖光柵有相近的耦合波長、帶寬和耦合效率；在這兩個長周期光纖光柵之間的光纖有光纖芯和光纖芯之外的光纖包層；這兩個長周期光纖光柵及其之間的光纖芯和光纖包層構(gòu)成一個MZ干涉儀；在這兩個長周期光纖光柵之間的整段或部分段光纖的光纖包層表面有一層金屬膜。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光纖微結(jié)構(gòu)MZ干涉式SPR化學(xué)與生物傳感器，其特征在于兩個長周期光纖光柵之間的距離約3-70cm，長周期光纖光柵諧振中心波長處的耦合效率為2-10dB；金屬膜的厚度為30-200nm，金屬膜的總長度為3-70cm。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的光纖微結(jié)構(gòu)MZ干涉式SPR化學(xué)與生物傳感器，其特征在于在金屬膜上固化有對化學(xué)成分或生物分子具有選擇性的吸收或敏感膜層，該吸收或敏感膜層的厚度大于3nm。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的光纖微結(jié)構(gòu)MZ干涉式SPR化學(xué)與生物傳感器，其特征在于在上述制作了長周期光纖光柵、光纖包層、金屬膜、生物分子或化學(xué)成分吸收或敏感膜層的這段光纖之外套有一保護(hù)套，保護(hù)套上有小孔，保護(hù)套的兩端通過固化膠與該傳感器光纖粘貼在一起，在保護(hù)套的兩端部分別有一個過渡緩沖套。
5.由權(quán)利要求1或2所述的傳感器形成的傳感系統(tǒng)，其特征在于它包括寬帶光源、光纖、光纖微結(jié)構(gòu)MZ干涉式SPR化學(xué)與生物傳感器、光纖光譜儀和計算機(jī)。寬帶光源和光纖光譜儀分別連接到光纖微結(jié)構(gòu)MZ干涉式SPR化學(xué)與生物傳感器的兩個光纖端，光纖光譜儀通過數(shù)據(jù)接口連接到計算機(jī)，傳感器置于被測化學(xué)成分或生物分子的氣體或溶液中。
全文摘要
本發(fā)明公開一種光纖微結(jié)構(gòu)MZ干涉式SPR化學(xué)與生物傳感器及系統(tǒng)，傳感器是由一根光纖上的兩個長周期光纖光柵、光纖包層和光纖芯構(gòu)成一個MZ干涉儀，在兩個長周期光纖光柵之間的光纖包層表面鍍一層金屬膜，形成一個光纖MZ干涉儀結(jié)構(gòu)的SPR傳感器。該傳感器將MZ干涉儀所需的功能器件和光路、化學(xué)或生物分子敏感膜層、SPR傳感的金屬膜都集成在一段光纖上，使整個傳感器完全光纖化，結(jié)構(gòu)微型化，體積小。傳感系統(tǒng)是由寬帶光源、光纖、光纖微結(jié)構(gòu)MZ干涉式SPR化學(xué)與生物傳感器、光纖光譜儀和計算機(jī)組成，其中傳感器被置于被測化學(xué)成分或生物分子的溶液或氣體中。該傳感系統(tǒng)可基于光纖鏈路實現(xiàn)遙測，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，調(diào)試方便，不受雜散光的影響，測試結(jié)果穩(wěn)定可靠。
文檔編號G01N21/17GK1712928SQ200510057148
公開日2005年12月28日 申請日期2005年7月1日 優(yōu)先權(quán)日2005年7月1日
發(fā)明者曾祥楷 申請人:重慶工學(xué)院