專利名稱：基于表面等離子共振和受激拉曼散射的光纖型傳感系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及一種基于表面等離子共振和受激拉曼散射的光纖型傳感系統(tǒng)。
技術(shù)背景生化傳感技術(shù)被廣泛應(yīng)用到基礎(chǔ)生命科學(xué)、醫(yī)學(xué)、生化、環(huán)境和食品檢測(cè)等領(lǐng)域， 傳統(tǒng)的生物傳感技術(shù)很難實(shí)現(xiàn)生物分析相互作用的實(shí)時(shí)在線檢測(cè)，如X射線光電子光譜 (XPS)、俄歇電子能譜(AES)等，價(jià)格昂貴，設(shè)備龐大，實(shí)驗(yàn)條件苛刻(高真空)，另外的一些常用免疫測(cè)試技術(shù)，如熒光免疫測(cè)定，一般都需要標(biāo)記，而且測(cè)試過程復(fù)雜，測(cè)試時(shí)間較長。 隨著測(cè)試技術(shù)的發(fā)展，人們對(duì)檢測(cè)的精度以及多樣性提出了更高的要求。

實(shí)用新型內(nèi)容為克服現(xiàn)有技術(shù)的上述缺點(diǎn)，本實(shí)用新型提供了一種通用性好，靈敏度高，穩(wěn)定性好，可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)的微型的基于表面等離子共振和受激拉曼散射的光纖型傳感系統(tǒng)?；诒砻娴入x子共振和受激拉曼散射的光纖型傳感系統(tǒng)，包括發(fā)出入射光的寬帶光源，將入射光轉(zhuǎn)變?yōu)槠駥拵Ч獾腜型偏振片，聚焦凸透鏡，調(diào)節(jié)偏振寬帶光的偏振、增強(qiáng)共振效果的偏振控制器，光纖分束器，防止光波反射形成自激的光纖斜面端，進(jìn)入被分析溶液中產(chǎn)生sra光譜的sra探頭，和檢測(cè)共振波長的光纖光譜儀；所述的P型偏振片位于所述的寬帶光源和聚焦凸透鏡之間，所述的聚焦凸透鏡將偏振寬帶光耦合入所述的偏振控制器中，所述的偏振控制器與光纖分束器的一個(gè)輸入端連接，所述的光纖光譜儀與光纖分束器的另一個(gè)輸入端連接，所述的光纖斜面端與光纖分束器的一個(gè)輸出端連接，所述的sra探頭與所述的光纖分束器的另一個(gè)輸出端連接；所述的光纖斜面端的自由端呈斜面；所述的sra探頭包括頭部纖芯裸露的光纖，裸露纖芯的端面均勻沉積有作為端面反射鏡的第一金屬膜，裸露纖芯的周面均勻沉積一層第二金屬膜，所述的第二金屬膜表面修飾有納米膜，所述納米膜上沉積一層敏感膜。進(jìn)一步，所述的第一金屬膜為厚度約300nm的金膜或銀膜；所述的第二金屬膜為通過射頻磁控濺射沉積而成的厚度為50nm士0. Inm的金膜(Au膜)；所述的納米膜為通過激光誘導(dǎo)在Au膜上修飾而成的Au納米膜。進(jìn)一步，所述的光纖分束器為2X2光纖分束器。進(jìn)一步，所述的sra探頭的光纖為普通單模光纖。本實(shí)用新型的“連接”是指針對(duì)光路而言的連接，例如所述光纖偏振控制器與所述2X2光纖分束器輸入端的一端連接，即理解為“從光纖偏振控制器輸出的光信號(hào)輸入到 2X2光纖分束器輸入端的一端”，其他地方也同理解釋。表面等離子體共振(Surface Plasmon Resonance，SPR)技術(shù)是光在玻璃和金屬界面處發(fā)生全反射時(shí)產(chǎn)生的倏逝波會(huì)引發(fā)金屬表面的自由電子產(chǎn)生表面等離子，當(dāng)表面等離子體和倏逝波的頻率和波數(shù)相同時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生表面等離子體共振(SPR)，其共振波長主要和金屬膜的介電常數(shù)、待測(cè)溶液的濃度、折射率等參數(shù)密切相關(guān)，因此在只改變待測(cè)溶液而其他參數(shù)不變的條件下，光纖sra傳感器的共振波長與待測(cè)溶液折射率之間存在對(duì)應(yīng)關(guān)系。 SI3R技術(shù)具有待測(cè)物無需純化、樣品無需標(biāo)記、實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)反應(yīng)的動(dòng)態(tài)過程、靈敏度高、背景干擾小、響應(yīng)速度快、檢測(cè)時(shí)間短等優(yōu)點(diǎn)，目前得到了廣泛的重視和迅速發(fā)展；而金屬納米結(jié)構(gòu)的表面增強(qiáng)拉曼散射效應(yīng)(SERS)使得吸附在具有SERS活性的金屬表面分子的拉曼信號(hào)和溶液中相同數(shù)量分子的拉曼信號(hào)相比發(fā)生了高達(dá)IO6的巨大增強(qiáng)，導(dǎo)致SERS技術(shù)對(duì)表面物質(zhì)具有極高檢測(cè)靈敏度和選擇性，可在分子水平上實(shí)時(shí)觀測(cè)到界面各種物質(zhì)“指紋”信息 (化學(xué)結(jié)構(gòu)和組成)。 光纖SI3R傳感系統(tǒng)是把光纖技術(shù)與SPR/SERS技術(shù)結(jié)合在一起，將SI3R敏感部分縮小到光纖芯徑尺寸，光纖直徑一般在600um以下，SI3R探頭的長度在5mm-25mm，十分小巧，而且，檢測(cè)時(shí)無需標(biāo)記樣品，保持了分子結(jié)構(gòu)和活性，靈敏度高，同時(shí)使用光纖的傳導(dǎo)作用，可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離的在線檢測(cè)，檢測(cè)過程方面快捷，是今后技術(shù)發(fā)展和系統(tǒng)微型化要求的自然延伸。本實(shí)用新型將表面等離子共振(SPR)效應(yīng)和光纖技術(shù)結(jié)合起來。SI^R技術(shù)及金屬納米結(jié)構(gòu)的表面增強(qiáng)拉曼散射效應(yīng)，具有高檢測(cè)靈敏度的特點(diǎn)，可使得拉曼信號(hào)得到巨大增強(qiáng)，檢測(cè)精度提高；采用光纖作為傳感器探頭，結(jié)構(gòu)小巧，有利于系統(tǒng)的微型化，同時(shí)克服了棱鏡型sra結(jié)構(gòu)中易受機(jī)械結(jié)構(gòu)、光源波動(dòng)等外界因素的影響。終端反射式光纖sra探頭的構(gòu)造方法是在光纖端頭取一定長度，光纖為普通單模光纖，把纖芯外的包層和涂覆層腐蝕掉，拋光光纖的端面，在光纖端頭沉積一層金屬膜(金或銀)作為全反射鏡，而后在此端一段纖芯上沉積生物敏感膜和金屬Au膜，并在金屬Au膜上修飾Au納米膜。寬帶光源經(jīng)P型偏振片和聚焦凸透鏡后耦合進(jìn)光纖偏振控制器中，經(jīng) 2 X 2光纖分束器后輸入至SI^R探頭，在光纖傳輸過程中，滿足SI^R共振條件的光將在被金屬膜全反射鏡反射后，經(jīng)過共振，產(chǎn)生Sra光譜，產(chǎn)生的Sra光譜經(jīng)2 X 2光纖分束器反向輸出至光纖光譜儀，觀測(cè)到被分析物質(zhì)的SPR光譜。本實(shí)用新型具有通用性強(qiáng)，靈敏度高，穩(wěn)定性和重現(xiàn)型好，價(jià)格低廉，可實(shí)現(xiàn)微型和遠(yuǎn)程檢測(cè)的優(yōu)點(diǎn)。

圖1是本實(shí)用新型的示意圖。圖2是SI3R探頭的結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實(shí)施方式
參照附圖，進(jìn)一步說明本實(shí)用新型基于表面等離子共振和受激拉曼散射的光纖型傳感系統(tǒng)，包括發(fā)出入射光的寬帶光源1，將入射光轉(zhuǎn)變?yōu)槠駥拵Ч獾腜型偏振片2，聚焦凸透鏡3，調(diào)節(jié)偏振寬帶光的偏振、 增強(qiáng)共振效果的偏振控制器4，光纖分束器5，防止光波反射形成自激的光纖斜面端6，進(jìn)入被分析溶液中產(chǎn)生Sra光譜的Sra探頭8，和檢測(cè)共振波長的光纖光譜儀7 ；所述的P型偏振片2位于所述的寬帶光源1和聚焦凸透鏡3之間，所述的聚焦凸透鏡3將偏振寬帶光耦合入所述的偏振控制器4中，所述的偏振控制器4與光纖分束器5的一個(gè)輸入端連接，所述的光纖光譜儀7與光纖分束器5的另一個(gè)輸入端連接，所述的光纖斜面端6與光纖分束器5的一個(gè)輸出端連接，所述的Sra探頭8與所述的光纖分束器5的另一個(gè)輸出端連接；所述的光纖斜面端6的自由端呈斜面；所述的Sra探頭8包括頭部纖芯裸露的光纖81，裸露纖芯82的端面均勻沉積有作為端面反射鏡的第一金屬膜83，裸露纖芯82的周面均勻沉積一層第二金屬膜84，所述的第二金屬膜84表面修飾有納米膜85，所述納米膜上均勻沉積一層敏感膜86。所述的第一金屬膜83為厚度約300nm的金膜或銀膜；所述的第二金屬膜84為通過射頻磁控濺射沉積而成的厚度為50nm士0. Inm的金膜(Au膜)；所述的納米膜85為通過激光誘導(dǎo)在Au膜上修飾而成的Au納米膜。所述的光纖分束器5為2X2光纖分束器。所述的sra探頭8的光纖為普通單模光纖。本實(shí)用新型的“連接”是指針對(duì)光路而言的連接，例如所述光纖偏振控制器與所述2X2光纖分束器輸入端的一端連接，即理解為“從光纖偏振控制器輸出的光信號(hào)輸入到 2X2光纖分束器輸入端的一端”，其他地方也同理解釋。表面等離子體共振(Surface Plasmon Resonance，SPR)技術(shù)是光在玻璃和金屬界面處發(fā)生全反射時(shí)產(chǎn)生的倏逝波會(huì)引發(fā)金屬表面的自由電子產(chǎn)生表面等離子，當(dāng)表面等離子體和倏逝波的頻率和波數(shù)相同時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生表面等離子體共振(SPR)，其共振波長主要和金屬膜的介電常數(shù)、待測(cè)溶液的濃度、折射率等參數(shù)密切相關(guān)，因此在只改變待測(cè)溶液而其他參數(shù)不變的條件下，光纖sra傳感器的共振波長與待測(cè)溶液折射率之間存在對(duì)應(yīng)關(guān)系。 SI3R技術(shù)具有待測(cè)物無需純化、樣品無需標(biāo)記、實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)反應(yīng)的動(dòng)態(tài)過程、靈敏度高、背景干擾小、響應(yīng)速度快、檢測(cè)時(shí)間短等優(yōu)點(diǎn)，目前得到了廣泛的重視和迅速發(fā)展；而金屬納米結(jié)構(gòu)的表面增強(qiáng)拉曼散射效應(yīng)(SERS)使得吸附在具有SERS活性的金屬表面分子的拉曼信號(hào)和溶液中相同數(shù)量分子的拉曼信號(hào)相比發(fā)生了高達(dá)IO6的巨大增強(qiáng)，導(dǎo)致SERS技術(shù)對(duì)表面物質(zhì)具有極高檢測(cè)靈敏度和選擇性，可在分子水平上實(shí)時(shí)觀測(cè)到界面各種物質(zhì)“指紋”信息 (化學(xué)結(jié)構(gòu)和組成)。光纖Sra傳感系統(tǒng)是把光纖技術(shù)與SPR/SERS技術(shù)結(jié)合在一起，將SI3R敏感部分縮小到光纖芯徑尺寸，光纖直徑一般在600um以下，SI3R探頭的長度在5mm-25mm，十分小巧，而且，檢測(cè)時(shí)無需標(biāo)記樣品，保持了分子結(jié)構(gòu)和活性，靈敏度高，同時(shí)使用光纖的傳導(dǎo)作用，可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離的在線檢測(cè)，檢測(cè)過程方面快捷，是今后技術(shù)發(fā)展和系統(tǒng)微型化要求的自然延伸。本實(shí)用新型將表面等離子共振(SPR)效應(yīng)和光纖技術(shù)結(jié)合起來。SI^R技術(shù)及金屬納米結(jié)構(gòu)的表面增強(qiáng)拉曼散射效應(yīng)，具有高檢測(cè)靈敏度的特點(diǎn)，可使得拉曼信號(hào)得到巨大增強(qiáng)，檢測(cè)精度提高；采用光纖作為傳感器探頭，結(jié)構(gòu)小巧，有利于系統(tǒng)的微型化，同時(shí)克服了棱鏡型sra結(jié)構(gòu)中易受機(jī)械結(jié)構(gòu)、光源波動(dòng)等外界因素的影響。終端反射式光纖sra探頭的構(gòu)造方法是在光纖端頭取一定長度，光纖為普通單模光纖，把纖芯外的包層和涂覆層腐蝕掉，拋光光纖的端面，在光纖端頭沉積一層金屬膜(金或銀)作為全反射鏡，而后在此端一段纖芯上沉積生物敏感膜和金屬Au膜，并在金屬Au膜上修飾Au納米膜。寬帶光源經(jīng)P型偏振片和聚焦凸透鏡后耦合進(jìn)光纖偏振控制器中，經(jīng) 2 X 2光纖分束器后輸入至SI^R探頭，在光纖傳輸過程中，滿足SI^R共振條件的光將在被金屬
5膜全反射鏡反射后，經(jīng)過共振，產(chǎn)生sra光譜，產(chǎn)生的sra光譜經(jīng)2 χ 2光纖分束器反向輸出至光纖光譜儀，觀測(cè)到被分析物質(zhì)的SI^R光譜。如圖ι所述示，sra探頭應(yīng)用在測(cè)量溶液折射率的系統(tǒng)中，使用入射光為波長 400nm到IOOOnm的寬帶光源，經(jīng)P型偏振片處理后變?yōu)槠駥拵Ч?，?jīng)聚焦凸透鏡耦合進(jìn)入光纖偏振控制器，光纖偏振控制器的作用是通過調(diào)節(jié)偏振，達(dá)到更好的共振效果，偏振寬帶光經(jīng)2X2光纖分束器，輸出一端連接光纖斜面端，防止光反射回去形成自激，另一端連接至sra探頭。sra探頭直接插入到被測(cè)溶液，入射光到達(dá)sra探頭后，與溶液介質(zhì)相互作用產(chǎn)生sra效應(yīng)，再經(jīng)過纖芯端面的全反射鏡作用后形成反射sra光，反射光經(jīng)過2X2光纖分束器另一輸入端進(jìn)入光纖光譜儀。經(jīng)過計(jì)算機(jī)處理后輸出反射光強(qiáng)與光波長之間的關(guān)系曲線。光譜儀的檢測(cè)范圍為500-900nm，分辨率為0. 5nm,即可檢測(cè)到500-900nm之間變化的共振波長。如果更換更高分辨率的光譜儀可以進(jìn)一步提高系統(tǒng)的測(cè)量精度和靈敏度，同時(shí)可以根據(jù)實(shí)際需要更換檢測(cè)系統(tǒng)中的光譜儀。本實(shí)用新型使用方便靈活，只需將sra探頭浸入被分析溶液，即可通過測(cè)量共振波長，實(shí)時(shí)檢測(cè)被測(cè)液體折射率的變化，穩(wěn)定性和重現(xiàn)性好；同時(shí)利用光纖傳導(dǎo)和計(jì)算機(jī)技術(shù)結(jié)合，可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離傳送光信號(hào)，滿足一些特殊危險(xiǎn)區(qū)域檢測(cè)的應(yīng)用。其通用性強(qiáng)，靈敏度高等特點(diǎn)，使其可廣泛應(yīng)用在化學(xué)、生物和環(huán)境醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域。本說明書實(shí)施例所述的內(nèi)容僅僅是對(duì)實(shí)用新型構(gòu)思的實(shí)現(xiàn)形式的列舉，本實(shí)用新型的保護(hù)范圍不應(yīng)當(dāng)被視為僅限于實(shí)施例所陳述的具體形式，本實(shí)用新型的保護(hù)范圍也及于本領(lǐng)域技術(shù)人員根據(jù)本實(shí)用新型構(gòu)思所能夠想到的等同技術(shù)手段。
權(quán)利要求1.基于表面等離子共振和受激拉曼散射的光纖型傳感系統(tǒng)，其特征在于包括發(fā)出入射光的寬帶光源，將入射光轉(zhuǎn)變?yōu)槠駥拵Ч獾腜型偏振片，聚焦凸透鏡，調(diào)節(jié)偏振寬帶光的偏振、增強(qiáng)共振效果的偏振控制器，光纖分束器，防止光波反射形成自激的光纖斜面端， 進(jìn)入被分析溶液中產(chǎn)生Sra光譜的sra探頭，和檢測(cè)共振波長的光纖光譜儀；所述的ρ型偏振片位于所述的寬帶光源和聚焦凸透鏡之間，所述的聚焦凸透鏡將偏振寬帶光耦合入所述的偏振控制器中，所述的偏振控制器與光纖分束器的一個(gè)輸入端連接， 所述的光纖光譜儀與光纖分束器的另一個(gè)輸入端連接，所述的光纖斜面端與光纖分束器的一個(gè)輸出端連接，所述的sra探頭與所述的光纖分束器的另一個(gè)輸出端連接；所述的光纖斜面端的自由端呈斜面；所述的sra探頭包括頭部纖芯裸露的光纖，裸露纖芯的端面均勻沉積有作為端面反射鏡的第一金屬膜，裸露纖芯的周圍均勻沉積一層第二金屬膜，所述的第二金屬膜表面修飾有納米膜，所述納米膜上沉積一層敏感膜。
2.如權(quán)利要求ι所述的基于表面等離子共振和受激拉曼散射的光纖型傳感系統(tǒng)，其特征在于所述的第一金屬膜為厚度約300nm的金膜或銀膜；所述的第二金屬膜為通過射頻磁控濺射沉積而成的厚度為50nm士0. Inm的金膜(Au膜)；所述的納米膜為通過激光誘導(dǎo)在Au膜上修飾而成的Au納米膜。
3.如權(quán)利要求2所述的基于表面等離子共振和受激拉曼散射的光纖型傳感系統(tǒng)，其特征在于所述的光纖分束器為2X2光纖分束器。
4.如權(quán)利要求3所述的基于表面等離子共振和受激拉曼散射的光纖型傳感系統(tǒng)，其特征在于所述的sra探頭的光纖為普通單模光纖。
專利摘要基于表面等離子共振和受激拉曼散射的光纖型傳感系統(tǒng)，包括寬帶光源，P型偏振片，聚焦凸透鏡，偏振控制器，光纖分束器，光纖斜面端，SPR探頭和光纖光譜儀；P型偏振片位于寬帶光源和聚焦凸透鏡之間，聚焦凸透鏡將偏振寬帶光耦合入偏振控制器，偏振控制器與光纖分束器的一個(gè)輸入端連接，光纖光譜儀與光纖分束器的另一個(gè)輸入端連接，光纖斜面端與光纖分束器的一個(gè)輸出端連接，SPR探頭與光纖分束器的另一個(gè)輸出端連接；光纖斜面端的自由端呈斜面；SPR探頭包括光纖，裸露纖芯的端面有第一金屬膜、周圍有第二金屬膜，第二金屬膜表面有納米膜，納米膜上有敏感膜。本實(shí)用新型具有通用性好，靈敏度高，穩(wěn)定性好，可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)的優(yōu)點(diǎn)。
文檔編號(hào)G01N21/65GK201955305SQ20102068857
公開日2011年8月31日 申請(qǐng)日期2010年12月30日 優(yōu)先權(quán)日2010年12月30日
發(fā)明者劉愷, 常麗萍, 李剛, 王穎娜, 郭淑琴 申請(qǐng)人:浙江工業(yè)大學(xué)