極大傾角光纖光柵spr生化傳感器及其制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及光纖傳感器，具體涉及極大傾角光纖光柵SPR生化傳感器及其制作方法。
【背景技術(shù)】
[0002]表面等離子體共振(SPR)傳感器是一種基于金屬與電介質(zhì)界面表面等離子體波(SPff)的傳播常數(shù)對外部環(huán)境折射率敏感原理的光學(xué)傳感器。1983年，Liedberg等首先將SPR技術(shù)應(yīng)用于氣體檢測和生物傳感領(lǐng)域，促成了 1990年世界上第一款商品化SPR傳感器Biacore的問世。此后二十多年，國內(nèi)外相關(guān)學(xué)者對物理、化學(xué)尤其是生物檢測領(lǐng)域的各類SPR生物化學(xué)(簡稱“生化”)傳感器的原理和應(yīng)用都進(jìn)行了廣泛研宄，比如:氫氣、三硝基甲苯等危險物的SPR監(jiān)測技術(shù)，血糖含量、DNA雜交、抗體-抗原反應(yīng)、生物大分子作用力等的SPR傳感技術(shù)。與采用電化學(xué)、壓電原理等傳統(tǒng)生化傳感器及其他原理的光學(xué)生化傳感器相比，各類基于SPR原理的生化傳感器具有高折射率靈敏度、高折射率分辨率、免標(biāo)記、非破壞性等共同優(yōu)點。可見，SPR傳感技術(shù)不僅可為化學(xué)、生物醫(yī)學(xué)及生命科學(xué)等科學(xué)研宄領(lǐng)域提供重要的技術(shù)手段，而且在環(huán)境監(jiān)測、醫(yī)療診斷、生化檢測和食品安全等工程應(yīng)用領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。
[0003]然而，現(xiàn)有商用化的SPR傳感器大都是基于角度檢測的Kretschmann棱鏡耦合結(jié)構(gòu)，雖然它們具有高靈敏度、高穩(wěn)定性等優(yōu)點，但體積大、掃描時間長、價格昂貴，只適合在實驗室中使用，不能進(jìn)行活體在線檢測。由于光纖具有電絕緣、耐腐蝕、抗電磁干擾、體積小、質(zhì)量輕及可遠(yuǎn)程傳感等優(yōu)點，自九十年代以來，國內(nèi)外許多學(xué)者提出將各種光纖或光纖器件作為激勵介質(zhì)以實現(xiàn)SPR傳感器的微型化和遠(yuǎn)程監(jiān)測。
[0004]根據(jù)激勵光纖的材料/器件類型的不同可將光纖SPR傳感器大體分為三大類:多模/單模光纖SRP、特殊光纖SRP和光纖光柵SPR傳感器。前兩種光纖SPR傳感器的工作波長大都在600nm?900nm，該波段對應(yīng)的SPW到外部介質(zhì)的透射深度為200nm?350nm，對應(yīng)的光纖損耗也較通信波段(?1550nm)的高得多，且它們的SPR共振峰帶寬都較寬(>20nm)，因此信噪比和Q值(<102)較低。根據(jù)Piliariuk的理論:由于SPW的透射深度與工作波長成正比，因此不論波長或強(qiáng)度解調(diào)的SPR傳感器，理論上都可通過增大工作波長來提高其折射率靈敏度和折射率分辨率。雖然傳統(tǒng)的多模光纖SPR傳感器的折射率靈敏度已很高(>2000nm/RIU)，但它們存在的主要問題是:必須精確控制和保持所有可能存在的包層模的偏振態(tài)和能量分布的穩(wěn)定性，以保證SPR的相位匹配狀態(tài)的穩(wěn)定性，這就要求必須嚴(yán)格控制光纖輸入端光的發(fā)射條件，并使用較短的、無急劇彎曲的光纖，且在實驗或使用中不能讓光纖發(fā)生位移。另外，為了解決傳統(tǒng)光纖SPR傳感器相位匹配不穩(wěn)定的問題，近年來人們提出基于各類光纖光柵的SPR生化傳感器。主要有基于長周期光纖光柵的SPR、基于光纖Bragg光柵的SPR和基于小角度(〈11°)傾斜光纖光柵的SPR傳感器。
[0005]目前已報道的各類光纖SPR傳感器的折射率分辨率大多在1(Γ5?10'其中小角度(〈11° )傾斜光纖光柵SPR傳感器具有良好的偏振相關(guān)性且線性度和Q值都最高。但是，一般小角度(〈11° )傾斜光纖光柵SPR的折射率靈敏度僅?500nm/RIU，遠(yuǎn)低于傳統(tǒng)光纖SPR傳感器的折射率靈敏度(>2000nm/RIU)。而至今，關(guān)于本發(fā)明提出的基于極大傾角光纖光柵的SPR生化傳感器，國內(nèi)外上尚無相關(guān)報道。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]針對上述已有技術(shù)存在的缺陷，本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題在于提供極大傾角光纖光柵SPR生化傳感器及其制作方法。
[0007]為了解決上述技術(shù)問題，根據(jù)本發(fā)明的第一個技術(shù)方案，極大傾角光纖光柵SPR生化傳感器，包括光纖纖芯和包裹光纖纖芯的光纖包層，其特征在于:所述光纖纖芯的前段設(shè)置第一傾斜光纖光柵，該第一傾斜光纖光柵作為極大傾角光纖光柵SPR生化傳感器的起偏器；該第一傾斜光纖光柵的傾斜光柵條紋與光纖縱向軸的夾角為45° ;所述光纖纖芯的中段設(shè)置第二傾斜光纖光柵，該第二傾斜光纖光柵作為光纖纖芯和光纖包層的光共振耦合器；該第二傾斜光纖光柵的傾斜光柵條紋與光纖縱向軸的夾角為79°?84° ;所述第一傾斜光纖光柵的快軸和慢軸分別與所述第二傾斜光纖光柵的快軸和慢軸平行；包裹所述第二傾斜光纖光柵的光纖包層的外表面吸附有硅烷層，其余光纖包層的外表面涂覆有光纖保護(hù)涂覆層；所述硅烷層外設(shè)有金屬膜或金納米顆粒，該金屬膜或金納米顆粒作為表面等離子體共振的載體，以使其表面等離子體波的共振波長處在第二傾斜光纖光柵的諧振帶內(nèi)。
[0008]本發(fā)明具有一般光纖傳感器的優(yōu)越性，不易受電磁干擾，傳感器尺寸小、輕，無毒絕緣，無電流，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，與傳統(tǒng)的光纖SPR生物傳感器比較而言，本發(fā)明還有很多獨特的優(yōu)點，包括:本傳感器結(jié)構(gòu)獨特巧妙，45°傾斜光纖光柵作為一個全光纖的起偏器，且它的快軸和慢軸分別與極大傾角光纖光柵的快軸和慢軸完全平行，保證了以極高的效率激發(fā)高階包層模的倏逝場。本發(fā)明與基于小角度(〈11° )傾斜光纖光柵的方案相比具有更明顯的偏振相關(guān)效應(yīng)和高得多的折射率靈敏度；與基于普通光纖Bragg光柵的方案相比可不需對包層處理，保持了傳感器的魯棒性和可靠性；與基于長周期光纖光柵的方案相比，其諧振峰帶寬比長周期光纖光柵低一個量級，因此其信噪比和Q值都很高，理論上可獲得更高的折射率測量精度；此外，其尺寸和溫度交叉敏感效應(yīng)比以上三類光柵的都??；可工作于通信波段，以提高其折射率靈敏度及折射率分辨率，并可利用該波段已高度商用化的高功率、低噪聲光源及高靈敏度光電探測器完成傳感系統(tǒng)的集成以降低成本；由于該波段的光纖損耗最低，使其比工作于可見光波段的傳統(tǒng)光纖SPR傳感器能實現(xiàn)更遠(yuǎn)程的傳感，因此具有良好應(yīng)用前景。
[0009]總之，本傳感器結(jié)構(gòu)獨特，微型化，光纖化，第二傾斜光纖光柵是極大傾角光纖光柵，利用極大傾角光纖光柵的高階包層模倏逝場、金屬表面等離子波的共振波長及強(qiáng)度特性來測量生物分子或化學(xué)成分，在一段光纖上實現(xiàn)了一個完整的具有極強(qiáng)偏振相關(guān)性的高折射率靈敏度、高折射率分辨率、高Q值和性能十分穩(wěn)定的新型光纖光柵SPR傳感器。
[0010]根據(jù)本發(fā)明所述的極大傾角光纖光柵SPR生化傳感器的一個優(yōu)選方案，金屬膜或金納米顆粒的表面固定有適體層，該適體層對目標(biāo)生物分子或待測化學(xué)成分具有選擇性吸收或敏感的特性。
[0011]根據(jù)本發(fā)明所述的極大傾角光纖光柵SPR生化傳感器的一個優(yōu)選方案，在適體層外設(shè)置有保護(hù)套，該保護(hù)套上設(shè)置有分子孔篩，以使目標(biāo)生物分子或待測化學(xué)分子能夠滲透分子孔篩，與傳感器的適體層接觸。
[0012]根據(jù)本發(fā)明所述的極大傾角光纖光柵SPR生化傳感器的一個優(yōu)選方案，第一傾斜光纖光柵的長度為20?30mm，第二傾斜光纖光柵的長度為10?30mm，第一傾斜光纖光柵與第二傾斜光纖光柵之間的光纖長度為20?30mm ;金屬膜的厚度為20?150nm。
[0013]極大傾角光纖光柵SPR生化傳感器制作方法，其特征在于:包括如下步驟:
[0014]第一步:取一根單模裸光纖，該單模裸光纖只具有光纖纖芯以及包裹光纖纖芯的光纖包層，該單模裸光纖經(jīng)過載氫處理；
[0015]第二步、制作第一傾斜光纖光柵:用雙頻Ar+激光器作為光源，使用掃描幅度掩膜法在單模裸光纖的光纖纖芯前段上制作第一傾斜光纖光柵；設(shè)置幅度掩膜板的干涉條紋與光纖水平軸的夾角為33.7°，得到的第一傾斜光纖光柵的傾斜光柵條紋與光纖縱向軸的夾角為45° ;該第一傾斜光纖光柵作為光纖光柵SPR生化傳感器的起偏器；
[0016]第三步:制作第二傾斜光纖光柵:用雙頻Ar+激光器作為光源，使用掃描幅度掩膜法在該單模裸光纖的光纖纖芯中段制作第二傾斜光纖光柵；設(shè)置幅度掩膜板的干涉條紋與光纖水平軸向的夾角為78°?80°，得到的第二傾斜光纖光柵的傾斜光柵條紋與光纖縱向軸的夾角為79°?84° ;該第二傾斜光纖光柵作為光纖纖芯和光纖包層的光共振耦合器;
[0017]第四步:使用光纖涂覆機(jī)，在光纖包層的前段和后段表面上涂覆上一層多聚物光纖保護(hù)涂覆層；
[0018]第五步:使用濃度為5%?8%的硝酸清潔光纖表面，利用硅烷偶聯(lián)劑溶液對光纖包層中段的外表面進(jìn)行硅烷化處理，在其表面形成硅烷層；
[0019]第六步:使用射頻磁控濺射儀在硅烷層的表面鍍上一層金屬膜，或采用化學(xué)孵化的方式在硅烷層上固定一層金納米顆粒。該