專(zhuān)利名稱(chēng)：等離子體共振傳感探頭的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及一種傳感探頭，尤其是一種等離子體共振傳感探頭。
技術(shù)背景表面等離子體共振是一種由包圍有絕緣材料的薄金屬膜導(dǎo)向的橫向磁性電 磁波。等離子體是 -種表面效應(yīng)，這種表面效應(yīng)使金屬和絕緣體界面之間的電 子密度發(fā)生波動(dòng)。當(dāng)倏逝場(chǎng)中的能量和金屬膜上的等離子體發(fā)生耦合時(shí)，將會(huì) 產(chǎn)生表面等離子體共振。耦合量對(duì)金屬膜兩面的絕緣材料的折射率是極其敏感 的。如果有一面的絕緣層是由化學(xué)樣品組成的，則我們可以通過(guò)測(cè)定倏逝波場(chǎng) 與等離子體共振耦合的變化來(lái)監(jiān)測(cè)樣品的折射率的變化。起初，表面等離子體共振被作為監(jiān)測(cè)金屬表面的探針，后來(lái)用于化學(xué)和生 物化學(xué)傳感器。在初期應(yīng)用中，金屬膜被沉積在棱鏡表面。由偏振光照射在棱 鏡/金屬的界面上發(fā)生反射，此時(shí)的入射角小于臨界角，并用光電探測(cè)器對(duì)其監(jiān) 控。當(dāng)激光的入射角從高角度掃描至接近臨界角時(shí)，將會(huì)看到在一個(gè)不連續(xù)的 角度，反射率突然變到最小值。在這個(gè)角度，棱鏡中的光波矢量與等離子體的 波矢量相匹配，激光的能量通過(guò)反射點(diǎn)的倏逝場(chǎng)轉(zhuǎn)入到等離子體中。最小值的 位置主要由沉積在金屬表面的材料的折射率決定。樣品折射率的增加將導(dǎo)致產(chǎn) 生最小反射率的角度的增加。表面等離子體共振已經(jīng)應(yīng)用于光纖光學(xué)通信領(lǐng)域，作為有序的、全光纖偏 振裝置的基礎(chǔ)?？梢杂糜薪饘倌ぐ鼘拥墓饫w表面的等離體共振效應(yīng)進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)監(jiān)測(cè)。然而，只有那些折射率大于1.39左右的樣品才可以被監(jiān)測(cè)。這是由光纖 表面等離子體共振傳感器固有的局限性。大多數(shù)的化學(xué)和生物化學(xué)的應(yīng)用都需 要在水溶液中測(cè)定，其折射率一般在1.33到1.35。為了對(duì)這個(gè)折射率范圍內(nèi)的樣 品進(jìn)行監(jiān)測(cè)，必需對(duì)傳統(tǒng)的金屬光纖芯皮結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)。現(xiàn)有的光纖表面等離子體共振(SPR)裝置本身沒(méi)有測(cè)定折射率在1.33-1.353水系的能力，而現(xiàn)有的棱鏡SPR裝置已經(jīng)被證實(shí)對(duì)在線(xiàn)化學(xué)檢測(cè)、生物化學(xué)分析太復(fù)雜笨重。實(shí)用新型內(nèi)容本實(shí)用新型為解決背景技術(shù)中存在的上述技術(shù)問(wèn)題，而提供一種具有更寬 的折射率范圍，測(cè)定靈敏度增強(qiáng)的等離子體共振傳感探頭。本實(shí)用新型的技術(shù)解決方案是本實(shí)用新型為一種等離子體共振傳感探頭， 其特殊之處在于該等離子體共振傳感探頭包括光纖基質(zhì)l、內(nèi)包層5和外包層6，光纖基質(zhì)1設(shè)置在外包層6內(nèi)，內(nèi)包層5設(shè)置在光纖基質(zhì)1中，內(nèi)包層5由 孔道2組成，孔道2的內(nèi)表面上設(shè)置有金屬層3，金屬層3上設(shè)置有傳感層7。 上述孔道2為一個(gè)或多個(gè)。上述孔道2為多個(gè)時(shí)，內(nèi)包層5是由具有微結(jié)構(gòu)光纖特征的周期性分布的 孔道2構(gòu)成。上述金屬層3的材料是銀或金。上述傳感層7的材料是電介質(zhì)材料、聚合物材料、金屬氧化物、硫化物、 半導(dǎo)體材料、有機(jī)層、無(wú)機(jī)層或玻璃材料。 上述傳感層7的材料是醋酸纖維。上述光纖基質(zhì)l為聚甲基丙烯酸甲酯、聚苯乙烯或聚碳酸酯。 本實(shí)用新型的等離子體共振傳感探頭采用的原理是:表面等離子體共振是一 種金屬表面存在的自由電子的等離子體共振，這種共振受到與金屬表面相鄰的 材料的折射率的影響，表面等離子體共振可以通過(guò)利用一束偏振光在一個(gè)具有 高介電常數(shù)(比如醋酸纖維素)的界面被全反射的時(shí)候所產(chǎn)生的倏逝波獲得。 來(lái)自激光源的光束被導(dǎo)入聚合物薄膜的內(nèi)表面，監(jiān)測(cè)器監(jiān)控內(nèi)反射光束。光纖 孔道中的表面是貴金屬薄膜銀，而它的上面再涂上包含對(duì)測(cè)定物具有靈敏光學(xué) 相應(yīng)的功能分子或抗體，包含有分析物(抗原)的液體與孔道中固定的特異性 物質(zhì)接觸時(shí)，引起一種特異性化學(xué)或生物化學(xué)反應(yīng)，例如抗原-抗體結(jié)合反應(yīng)。 反應(yīng)如果發(fā)生，由于原-抗體復(fù)合物的尺寸比原來(lái)的抗體分子尺寸增加，第二膜 的折射率改變，這種改變能夠利用表面等離子體共振技術(shù)檢測(cè)。表面等離子體共振能通過(guò)改變?nèi)肷涔獾娜肷浣呛蜏y(cè)量?jī)?nèi)反射光強(qiáng)度觀(guān)察。在一定的入射角， 光動(dòng)量的平行分量與金屬膜的反面的表面等離子體色散匹配；如果金屬膜的厚
度選擇正確，就會(huì)出現(xiàn)在PMMA/金屬界面與金屬/抗體界面之間的電磁場(chǎng)耦合， 導(dǎo)致表面等離子體共振，在特殊角度觀(guān)察到反射光束的衰減。因此實(shí)用新型提 供了一種等離子體共振傳感探頭，它是一種可以檢測(cè)化學(xué)或生物化學(xué)樣品的折 射率變化的表面等離子體共振傳感器， 一種不需要使用任何特殊標(biāo)記的分析方 法。它比現(xiàn)今人們知道和描述的表面等離子體傳感器有更寬的折射率范圍。它 比傳統(tǒng)的光纖表面等離子體共振傳感器有更高的分析靈敏度，和被分析的水溶 液的折射率范圍更寬。使光纖表面等離子體共振傳感器能更好的應(yīng)用于生物化 學(xué)和化學(xué)領(lǐng)域。

圖l為本實(shí)用新型的結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實(shí)施方式

參見(jiàn)圖l，本實(shí)用新型包括光纖基質(zhì)1、內(nèi)包層5和外包層6，光纖基質(zhì)l 設(shè)置在外包層6內(nèi)，內(nèi)包層5設(shè)置在光纖基質(zhì)1中，內(nèi)包層5由孔道2組成， 孔道2的內(nèi)表面上設(shè)置有金屬層3，金屬層3上設(shè)置有傳感層7?？椎?為一個(gè) 或多個(gè)，當(dāng)孔道2為多個(gè)時(shí)，內(nèi)包層5是由具有微結(jié)構(gòu)光纖特征的周期性分布 的孔道2構(gòu)成。金屬層3的材料是銀或金等貴金屬材料。傳感層7的材料可以 是電介質(zhì)材料、聚合物材料、金屬氧化物、硫化物、半導(dǎo)體材料、有機(jī)層、無(wú) 機(jī)層或玻璃材料等，以醋酸纖維為佳。光纖基質(zhì)1的材料采用聚甲基丙烯酸甲 酯、聚苯乙烯或聚碳酸酯。
本實(shí)用新型在操作過(guò)程中，將樣品與面等離子體共振傳感探頭相接觸。本實(shí) 用新型上的傳感層7 (醋酸纖維素膜)中包含有特異性反應(yīng)的物質(zhì)(如與抗原發(fā) 生特異性結(jié)合的抗體)等敏感物質(zhì)。在金屬層3產(chǎn)生的電磁輻射中的倏逝波場(chǎng) 的表面等離子體共振以樣品折射率的函數(shù)形式發(fā)生變化。表面等離子體的效應(yīng) 的強(qiáng)度依賴(lài)于金屬層3和傳感層7的厚度、折射率以及樣品的折射率。樣品和 傳感層7中的特種物質(zhì)發(fā)生作用，或者由于化學(xué)反應(yīng)等產(chǎn)生的樣品折射率的變化，都會(huì)產(chǎn)生表面等離子體共振的變化，通過(guò)對(duì)其變化的檢測(cè)來(lái)鑒別抗原或抗
體的存在。
在利用本實(shí)用新型實(shí)施生物測(cè)定時(shí)，首先利用毛細(xì)管作用，將待測(cè)樣品的 水溶液吸入本實(shí)用新型的探頭內(nèi)部。該探頭與現(xiàn)有技術(shù)的不同之處在于用多孔 包層代替了傳統(tǒng)技術(shù)中的折射率包層。孔道不但增大了傳感面積，而且利用毛
細(xì)管固定了待測(cè)樣品。例如，對(duì)于尿或血液的檢測(cè)，把2-3厘米長(zhǎng)的本實(shí)用新型 的光纖探頭可以直接安置在注射器針頭的上端，被測(cè)血液、尿液借助毛細(xì)管作 用，進(jìn)入傳感器探頭后，直接讀取數(shù)據(jù)。本實(shí)用新型的傳感探頭在血液、尿液 的成分的生化學(xué)分析方面將有重要的應(yīng)用價(jià)值。
權(quán)利要求1、一種等離子體共振傳感探頭，其特征在于該等離子體共振傳感探頭包括光纖基質(zhì)(1)、內(nèi)包層(5)和外包層(6)，所述光纖基質(zhì)(1)設(shè)置在外包層(6)內(nèi)，所述內(nèi)包層(5)設(shè)置在光纖基質(zhì)(1)中，所述內(nèi)包層(5)由孔道(2)組成，所述孔道(2)的內(nèi)表面上設(shè)置有金屬層(3)，所述金屬層(3)上設(shè)置有傳感層(7)。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的等離子體共振傳感探頭，其特征在于所述孔道 (2)為一個(gè)或多個(gè)。
3、 根據(jù)權(quán)利要求2所述的等離子體共振傳感探頭，其特征在于所述孔道 (2)為多個(gè)時(shí)，所述內(nèi)包層(5)是由具有微結(jié)構(gòu)光纖特征的周期性分布的孔道(2)構(gòu)成。
4、 根據(jù)權(quán)利要求1或2或3所述的等離子體共振傳感探頭，其特征在于 所述金屬層(3)的材料是銀或金。
5、 根據(jù)權(quán)利要求4所述的等離子體共振傳感探頭，其特征在于所述傳感 層(7)的材料是電介質(zhì)材料、聚合物材料、金屬氧化物、硫化物、半導(dǎo)體材料、 有機(jī)層、無(wú)機(jī)層或玻璃材料。
6、 根據(jù)權(quán)利要求5所述的等離子體共振傳感探頭，其特征在于所述傳感 層(7)的材料是醋酸纖維。
7、 根據(jù)權(quán)利要求5所述的等離子體共振傳感探頭，其特征在于所述光纖 基質(zhì)(1)為聚甲基丙烯酸甲酯、聚苯乙烯或聚碳酸酯。
專(zhuān)利摘要本實(shí)用新型涉及是一種等離子體共振傳感探頭，該等離子體共振傳感探頭包括光纖基質(zhì)(1)、內(nèi)包層(5)和外包層(6)，光纖基質(zhì)(1)設(shè)置在外包層(6)內(nèi)，內(nèi)包層(5)設(shè)置在光纖基質(zhì)(1)中，內(nèi)包層(5)由孔道(2)組成，孔道(2)的內(nèi)表面上設(shè)置有金屬層(3)，金屬層(3)上設(shè)置有傳感層(7)，本實(shí)用新型提供了一種具有更寬的折射率范圍，測(cè)定靈敏度增強(qiáng)的等離子體共振傳感探頭。
文檔編號(hào)G01N21/41GK201159718SQ200820028210
公開(kāi)日2008年12月3日 申請(qǐng)日期2008年1月25日 優(yōu)先權(quán)日2008年1月25日
發(fā)明者孔德鵬, 康利軍, 艦 汪, 王麗莉, 郭昭龍 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院西安光學(xué)精密機(jī)械研究所