專利名稱：光纖微結(jié)構(gòu)Michelson干涉式SPR化學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、化學及生物技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種光纖微結(jié)構(gòu)Michelson干涉式SPR化學與生物傳感器及系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
光纖生物與化學傳感器是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或生物分子識別和換能作用的指示濟染料、酶、輔酶、生物受體、抗原、抗體、核酸、DNA、動植物組織或細胞、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)、毛細管波導(dǎo)上，對樣品中的待測物質(zhì)進行選擇性識別，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，從而獲得化學或生物信息。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)來進行化學和生物傳感的。
光纖化學與生物傳感器的主要特點是(1)具有很高的信息傳輸容量，實現(xiàn)復(fù)雜混合物的分析和監(jiān)測。(2)傳感器的光纖探頭直徑小，傳感頭微型化且輕巧、價廉、耐用。(3)傳感信號是光信號，與化學或生物樣品之間無電接觸，不影響生物自身的電性質(zhì)，比較安全，尤其適于生物活體或體內(nèi)的實時連續(xù)分析檢測。(4)無電磁干擾，噪聲低，電絕緣，可用于易燃易爆場合。(5)光纖的穩(wěn)定性好，光纖無毒，無廢氣廢液，不需高壓大電流，無電磁輻射和噪聲，適于大部分化學和生物環(huán)境，尤其適于環(huán)保和生物醫(yī)學。(6)光纖傳感器具有內(nèi)參比效應(yīng)，信號更加穩(wěn)定可靠。(7)光纖具有僅次于超導(dǎo)材料的低損耗性，可實現(xiàn)遙測。
根據(jù)光纖在光傳感中的作用，目前的光纖化學與生物傳感器可分為兩類，一類是在光纖端面固化敏感膜層，敏感膜吸收被測化學或生物分子，光纖中的光到達端面后被敏感膜中的化學或生物分子吸收或激發(fā)熒光，通過檢測吸收光強或熒光強度來獲取化學或生物信息。第二類是腐蝕掉光纖包層，在光纖芯上固化化學或生物分子的敏感膜層，敏感膜吸收化學或生物分子，光纖芯中的光在傳感段光纖芯上產(chǎn)生倏逝波，進而被化學或生物分子吸收或激發(fā)熒光，通過測量吸收光能或熒光強度來測試化學或生物信息。若在腐蝕了光纖包層的纖芯上再鍍一層金屬膜，可形成等離子體共振生物化學傳感器。
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、光學、電子與計算機技術(shù)等相結(jié)合的產(chǎn)物，是目前分子生物學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?。當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，當加入與其互補的被測生物分子時，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)對互補的目標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12直接覆蓋在棱鏡13的底部，待檢測的介質(zhì)14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材料制作棱鏡，但這種光學材料的表面強度和穩(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。當滿足SPR共振條件時，光纖中的光將產(chǎn)生共振而被吸收；當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光譜儀進行檢測。當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儀器系統(tǒng)特點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，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)點是(1)生物特異性強，可對生物分子反應(yīng)的過程進行檢測；(2)操作簡單，測量速度較快；(3)整機可小型化；(4)適合微區(qū)和表面分析，也可進行分子結(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，需要通過化學腐蝕或機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度，且是單光路光強。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，降低了可靠性和準確性。在現(xiàn)有的單光路強度檢測中，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，雜散光能進入光路和探測器。當外界雜散光變化時，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，化學腐蝕或機械磨蝕包層后，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，當出現(xiàn)較大干擾和差錯時，嚴重影響測試或分析結(jié)果的準確性。(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，以便該生物化學傳感技術(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)Michelson(邁克爾遜)干涉式SPR(Surface Plasmon Resonance，表面等離子體共振)化學與生物傳感器及系統(tǒng)，將該傳感器所需要的Michelson干涉儀器件、兩條光路、化學或生物分子敏感膜層、SPR傳感所需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，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)Michelson干涉式SPR化學與生物傳感器，它是在一根光纖上寫有一個長周期光纖光柵，作為耦合器，該長周期光纖光柵的諧振中心波長處的耦合效率為2-10dB；在距離該長周期光纖光柵約2-35cm的光纖末端有一光滑的切斷面，在該切斷面上鍍有反射膜，作為微反射鏡；該長周期光纖光柵和光纖末端切斷面之間的光纖有光纖芯和光纖芯之外的光纖包層；由該光纖上的長周期光纖光柵、光纖末端切斷面上的反射膜及其之間的光纖包層和光纖芯形成一個光纖Michelson(邁克爾遜)干涉儀。在該Michelson干涉儀上，其長周期光纖光柵和光纖末端切斷面之間的整段或部分段光纖只有光纖芯和光纖包層，只有光纖芯和光纖包層的這部分光纖的總長度為2-35cm；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一層金屬膜(金屬銀或金膜較好)，作為表面等離子體共振的載體，該金屬膜的厚度約為30-200nm。這就構(gòu)成了光纖微結(jié)構(gòu)Michelson干涉式SPR化學與生物傳感器，利用光纖包層的倏逝波、金屬表面等離子體共振(SPR)和光干涉特性等來測量或分析生物分子及化學成分。
進一步，為了提高傳感器對特定化學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對化學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。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Michelson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或生物信息(1)光纖纖芯中傳輸?shù)墓獾竭_長周期光纖光柵時，一部分光繼續(xù)在光纖芯中向前傳輸，另一部分光被耦合到光纖包層中傳輸。(2)光纖包層光在光纖包層與金屬膜的界面處發(fā)生全反射而產(chǎn)生倏逝波。該倏逝波穿過光纖包層界面和金屬膜層，并作用于化學或生物分子的溶液或氣體或其敏感膜層的一個微小區(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，則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，再在其它點產(chǎn)生全反射、倏逝波、金屬表面等離子共振吸收。(5)當光纖包層和纖芯的光到達光纖切斷面的反射膜時，光纖包層和光纖芯的光被分別反射回光纖包層和纖芯并繼續(xù)傳輸。光纖包層光繼續(xù)產(chǎn)生全反射、倏逝波、表面等離子體共振吸收，而作用于被測化學成分或生物分子。(6)反射回來的光纖包層和光纖芯的光再次到達長周期光纖光柵時，光纖芯的部分光繼續(xù)在光纖芯中傳輸，光纖包層的部分光又被耦合到光纖芯中去。在光纖芯中傳輸?shù)牟糠止夂驮俅务詈系焦饫w芯中的光纖包層光合束并產(chǎn)生干涉，該干涉光在光纖芯中傳輸。(7)在產(chǎn)生干涉的兩束光中，光纖芯中的光不受外界化學成分或生物分子的影響，但光纖包層中的光因倏逝波而作用于金屬膜外的化學成分或生物分子。在光纖包層光倏逝波的作用過程中，生物分子和化學成分的種類、數(shù)量或濃度的變化將影響金屬膜外化學或生物分子的敏感膜層或其溶液、氣體等的折射率，改變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，從而影響光纖包層光及其干涉信號光的幅值和分布。它們之間的變化關(guān)系是確定的。(8)這些變化將直接表現(xiàn)在干涉信號光的變化上。通過測量干涉信號光的幅值及其條紋分布、倏逝波附加相位、表面等離子體共振波長等的變化，就可測量生物分子或化學成分的濃度，實現(xiàn)生物分子或化學成分的傳感。
由上述光纖微結(jié)構(gòu)Michelson干涉式SPR化學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)Michelson干涉式SPR化學與生物傳感器、寬帶耦合器、光纖光譜儀和計算機；寬帶光源通過光纖與寬帶耦合器的一個輸入端相連，寬帶耦合器的一個輸出端通過光纖與傳感器連接，寬帶耦合器的另一個輸入端光纖通過光纖與光纖光譜儀相連，光纖光譜儀通過數(shù)據(jù)接口(如USB、RS232、GPIB等)與計算機相連。這樣，光纖中的光經(jīng)過長周期光纖光柵分光、全反射、倏逝波作用、金屬表面等離子體共振吸收、切斷面反射膜的反射、表面等離子體共振再吸收，以及長周期光纖光柵的再次耦合而合束，形成干涉光信號，干涉光信號經(jīng)光纖被傳輸?shù)焦饫w光譜儀；光纖光譜儀獲取干涉信號光的幅值及其譜分布，通過數(shù)據(jù)接口將干涉信號光的數(shù)據(jù)送到計算機，由計算機根據(jù)獲取的干涉信號光數(shù)據(jù)計算并顯示出化學或生物分子的測量值。而傳感器被置于被測氣體、化學或生物分子溶液中。
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，都可由計算機進行分析計算。這些不同的信息參數(shù)受生物分子或化學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，丟失部分數(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。
本傳感器及其系統(tǒng)具有的優(yōu)點是本傳感器具有一般光纖傳感器的優(yōu)越性，如不易受電磁干擾，傳感器尺寸小而輕，穩(wěn)定性高，無毒絕緣，無電流，適于強酸、強堿、高溫高壓、易燃易爆等惡劣環(huán)境，尤其在生物醫(yī)學領(lǐng)域用于在體測量時具有高度安全性。另外，本傳感器還有很多獨特的優(yōu)點，包括(1)本傳感器結(jié)構(gòu)獨特巧妙，不附加任何非光纖器件，僅僅利用一段普通光纖及其上的一個長周期光纖光柵和光纖切斷面上的反射膜就實現(xiàn)了Michelson干涉儀的分光、傳輸、合光、反射、合束及干涉功能。在外觀上，該Michelson干涉儀就是一段普通的光纖。在光纖化Michelson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成分或生物分子具有選擇性的吸收或敏感膜層。整個傳感器完全光纖化，結(jié)構(gòu)微型化，且功能強大，其體積比集成光纖微MZ干涉式SPR或倏逝波型傳感器更小。這是本傳感器的最大創(chuàng)新點。(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)化學腐蝕或磨蝕處理，全反射界面不是光滑的光學表面，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成分，可達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成分，在一段光纖上實現(xiàn)了一個完整的微結(jié)構(gòu)Michelson干涉儀及其SPR生物與化學傳感器，系統(tǒng)靈敏度更高，可靠性好。


圖1是棱鏡型SPR化學與生物傳感器的結(jié)構(gòu)圖；圖2是金屬光柵型SPR化學與生物傳感器的結(jié)構(gòu)圖；圖3是現(xiàn)有的光纖SPR生物傳感器的結(jié)構(gòu)圖；圖4是光纖微結(jié)構(gòu)Michelson干涉式SPR化學與生物傳感器的結(jié)構(gòu)圖；圖5是光纖微結(jié)構(gòu)Michelson干涉式SPR化學與生物傳感系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖；圖6是光纖微結(jié)構(gòu)Michelson干涉式SPR化學與生物傳感系統(tǒng)的計算機獲取的干涉信號光譜圖。
具體實施例方式
下面結(jié)合附圖，以測量蔗糖溶液的濃度為例來說明上述傳感器及系統(tǒng)的實施，氣體或溶液形式的其它生物分子或化學成分測量系統(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或生物分子敏感膜層而已。
參見圖4，本傳感器的結(jié)構(gòu)有光纖涂覆層1、光纖包層2、光纖纖芯3、長周期光纖光柵LPFG 4、金屬膜層5、化學或生物分子的吸收或敏感膜層6、反射膜7、保護套8、端部固化膠9、固化膠10、過渡緩沖套11。其制作方法是(1)將一根單模光纖(光纖材料是石英或塑料，其光纖芯徑約9μm，光纖包層直徑125μm)的一小段塑料保護涂層去除；(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)所需要的耦合波長而定)照射去除了塑料保護涂層的這段光纖，寫入長約2.5cm的長周期光纖光柵，它的一個諧振中心波長落在770nm附近，帶寬約17nm，諧振中心波長處的耦合效率約4dB(也可用CO2激光器來寫入長周期光纖光柵)；(3)用光纖涂敷機將已寫入長周期光纖光柵處的這段光纖包層涂敷上塑料保護涂層；(4)在距長周期光纖光柵6cm處切斷光纖，保證切斷面整齊光滑，長周期光纖光柵與切斷面之間的光纖包層表面都涂敷有塑料保護涂層；(5)清潔光纖切斷面，在光纖切斷面上鍍一層厚約1.5μm的金屬銀膜作為反射膜；(6)在光纖切斷面與長周期光纖光柵之間，去除一段長約5.5cm的光纖塑料保護涂層，以裸露出光纖包層，并清洗該段光纖包層；(7)在去除了塑料保護涂層的這段光纖包層上，鍍一層厚約65nm的金屬金或銀膜，使其表面等離子體共振波長約為770nm；(8)在金屬金或銀膜表面固化一層對蔗糖分子有吸收作用的厚約100nmm的敏感膜層，也可不固化該敏感膜層；(9)將制作了長周期光纖光柵、光纖包層、光纖切斷面反射膜、SPR傳感的金屬金或銀膜、蔗糖分子敏感膜層等的這段光纖用固化膠粘貼到一個有孔的保護套內(nèi)壁，固化膠粘貼的位置靠近保護套的兩端部；(10)在保護套的光纖引出端，安裝一個塑料過渡緩沖套，以避免光纖被折斷，即可制作完畢。該保護套能夠滲透蔗糖溶液，并能使蔗糖分子與傳感器的金屬膜層或其敏感膜層接觸。該保護套也可不用，而直接將本傳感器放在蔗糖溶液中，也能實現(xiàn)檢測。
光纖微結(jié)構(gòu)Michelson干涉式SPR化學與生物傳感系統(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耦合輸出到光纖F1，經(jīng)過一個2×2寬帶耦合器B和一段光纖F2，到達光纖微結(jié)構(gòu)Michelson干涉式SPR化學與生物傳感器C。在傳感器C中，770nm附近光能的一部分在光纖芯中傳輸并不受外界蔗糖溶液濃度的影響，另一部分光能被耦合到光纖包層中去。光纖包層和光纖芯中的光到達切斷面的反射膜時，又分別反射回光纖包層和光纖芯。光纖包層中的光在光纖包層與金屬膜層的界面處產(chǎn)生全反射和表面等離子體共振吸收，其表面等離子體共振吸收受外界蔗糖分子濃度的影響。反射回的光再次到達長周期光纖光柵時，部分光纖包層光又被耦合入光纖芯，并與光纖芯中的部分光產(chǎn)生干涉。返回的干涉信號光通過寬帶耦合器B和光纖F3被傳輸?shù)礁呔裙饫w光譜儀D。光纖光譜儀獲取的干涉信號光譜數(shù)據(jù)通過數(shù)據(jù)接口GPIB送到計算機E，由計算機處理干涉信號光譜數(shù)據(jù)得到并顯示蔗糖溶液的濃度。計算機獲取的干涉信號光譜數(shù)據(jù)如圖6所示。其測量和計算過程是先標定傳感器對蔗糖溶液的敏感系數(shù)，然后測試蔗糖溶液的濃度。測試時，本傳感器放在被測蔗糖溶液中，傳感系統(tǒng)中的計算機獲取干涉信號光譜數(shù)據(jù)，并根據(jù)標定的敏感系數(shù)計算得到被測蔗糖溶液的濃度，從而實現(xiàn)蔗糖的傳感。
在本實施例中，光纖光譜儀的波長分辨率可達0.02nm，最小幅值測量值為-65dBm，干涉信號光譜條紋的間距1.28nm，測量蔗糖溶液濃度的分辨率可達到4.6μg/ml。若用附加相位法測量時，測量蔗糖溶液濃度的分辨率可達每毫升亞微克級。
權(quán)利要求
1.光纖微結(jié)構(gòu)Michelson干涉式SPR化學與生物傳感器，其特征在于它在一根光纖上有一個長周期光纖光柵，在離該長周期光纖光柵一段距離的光纖末端有光滑的切斷面，在該切斷面上鍍有反射膜；該長周期光纖光柵、光纖切斷面上的反射膜及其之間的光纖包層和光纖芯構(gòu)成了一個Michelson干涉儀；該長周期光纖光柵和光纖切斷面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)Michelson干涉式SPR化學與生物傳感器，其特征在于在金屬膜上固化有對生物分子或化學成分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。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的光纖微結(jié)構(gòu)Michelson干涉式SPR化學與生物傳感器，其特征在于長周期光纖光柵諧振中心波長處的耦合效率為2-10dB，長周期光纖光柵到切斷面之間的距離約2-35cm；金屬膜的厚度為30-200nm，金屬膜的總長度約2-35cm。
4.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的光纖微結(jié)構(gòu)Michelson干涉式SPR化學與生物傳感器，其特征在于在上述制作了長周期光纖光柵、光纖包層、反射膜、金屬膜、化學與生物分子吸收或敏感膜層的這段光纖之外套有一保護套，保護套上有小孔，保護套的兩端有固化膠連接該傳感段光纖和保護套，在保護套的光纖引出端有一個過渡緩沖套。
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)Michelson干涉式SPR化學與生物傳感器、寬帶耦合器、光纖光譜儀和計算機。寬帶光源通過光纖連接到寬帶耦合器的一個輸入端，寬帶耦合器的一個輸出端通過光纖與傳感器連接，寬帶耦合器的另一個輸入端通過光纖與光纖光譜儀連接，光纖光譜儀通過數(shù)據(jù)接口連接到計算機，而傳感器被置于被測化學成分或生物分子的溶液或氣體中。
全文摘要
本發(fā)明公開一種光纖微結(jié)構(gòu)Michelson干涉式SPR化學與生物傳感器及系統(tǒng)，傳感器是由一根光纖上的長周期光纖光柵、光纖切斷面上的反射膜、光纖包層、光纖芯、光纖包層表面上的一層金屬膜構(gòu)成，形成了一個光纖Michelson干涉儀結(jié)構(gòu)的SPR傳感器。該傳感器將Michelson干涉儀所需的功能器件和光路、SPR傳感用的金屬膜、化學或生物分子敏感膜層都集成在一段光纖上，整個傳感器完全光纖化，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)Michelson干涉式SPR化學與生物傳感器、寬帶耦合器、光纖光譜儀和計算機組成。該系統(tǒng)可基于光纖鏈路實現(xiàn)遙測，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，不受雜散光的影響，測試結(jié)果穩(wěn)定可靠。
文檔編號G01N21/17GK1712931SQ20051005715
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:曾祥楷