[發明專利]一種等離子體共振微結構光纖傳感器

無效

• 申請號: 200810162298.0
• 申請日: 2008-11-21
• 公開（公告）號: CN101413891A
• 公開（公告）日: 2009-04-22
• 發明（設計）人: 陳侃;金杭;李鵬;黃騰超;舒曉武;劉承
• 申請（專利權）人: 浙江大學
• 主分類號: G01N21/55
• 分類號: G01N21/55;G01N21/41
• 代理公司: 杭州求是專利事務所有限公司
• 代理人: 韓介梅

技術領域

本發明涉及一種微結構光纖傳感器，特別是能夠對水樣的目標物質濃度進行實時在線測量的等離子共振微結構光纖傳感器。

背景技術

表面等離子共振(SPR，Surface?plasmon?resonance)傳感器通過激發表面等離子體共振波(SPW，Surface?plasmon?wave)來檢測傳感界面處樣品的折射率變化。當滿足共振條件時，由于衰減全反射(ATR，Attenuated?Total?Reflection)產生共振吸收峰，通過共振角θ_SPR或共振波長λ_SPR定標從而測定溶液中目標物質的濃度，實現監測樣品的質量。SPR傳感技術是近年來國際上迅速發展起來的基于物理光學特性的新型分析技術，具有不需對分子進行標記、樣品無需分離純化、能實時監測生物分子之間結合的全過程等優點，已成為一種成熟的檢測生物分子間相互作用的應用方法，也受到了越來越多的環境工作者的重視。目前典型的SPR傳感器采用Kretchmann棱鏡型結構，存在體積龐大，難以實時檢測的明顯缺點，特別是角度調制需要精確的步進馬達帶動角度調整裝置，角度分辨率要求非常精密。另一種光纖型SPR傳感器是將一段長5mm左右的光纖的包層剝去，然后在此段纖芯上沉積或蒸鍍一層50nm左右的金屬膜，為了使波導導模與SPW的相位更好地匹配，通常還要在金屬層和纖芯波導層之間加一層適當的緩沖層。

微結構光纖(MSF，Micro-structure?Fiber)又被稱為光子晶體光纖(PCF，Photonic?Crystal?Fiber)，多孔光纖(HF，Holey?Fiber)，它的橫截面上通常含有周期性排列分布的介質棒，這些介質棒的尺度與光波波長大致在同一量級且貫穿器件的整個長度，以周期性規則排列中缺少單一介質棒的形式的缺陷區域充當波導光纖纖芯，缺陷的類型有空氣缺陷和電介質缺陷。纖芯中引導光的一種機理是光以類似于傳統光纖中全內反射(TIR，Total?Internal?Reflection)形式傳播的折射率引導型(Index?Guiding)，另一機理是通過對微結構尺寸和周期排布的合適設計產生光子帶隙(PBG，Photonic?Band?Gap)效應，使對應于缺陷態(局域態)的特定頻率的光被限制在纖芯內傳播。MSF具有獨特的模式特性、損耗特性、耦合特性以及色散關系等光學特性，引起了國內外廣泛關注。

發明內容

本發明的目的是提供一種以微結構光纖作為傳感部件的體積小，測量精度高的等離子體共振微結構光纖傳感器，能夠對水樣的目標物質濃度進行實時在線測量與監控。

本發明的等離子體共振微結構光纖傳感器包括：光源、兩根普通單模光纖、微結構光纖和光電探測器，光源、第一根普通單模光纖、微結構光纖、第二根普通單模光纖和光電探測器依次相連，微結構光纖是橫截面為平行六邊形的具有二維周期性結構的光子晶體光纖拉錐形成，在錐形段的表面自內向外依次涂覆有金屬膜和蛋白質高分子膜，所說的周期性結構由背景介質和周期性分布排列在背景介質中的介質棒組成。

上述的背景介質可以是玻璃、塑料、聚合物或硅；介質棒可以是折射率比背景介質低的玻璃、塑料、聚合物、空氣或硅。

上述的金屬膜可以為銀膜，金膜或鋁膜；

上述的生物高分子膜可以是檢測Cd²⁺的脲酶膜或檢測Hg²⁺的1，6-二硫醇膜。

上述的微結構光纖可以是一段拉錐形狀或多段分布式拉錐形狀。

本發明的傳感器，涂覆在微結構光纖錐形傳感段表面的金屬膜和蛋白質高分子膜組成傳感膜層，當蛋白質高分子膜(如酶)與目標待測水樣溶質發生反應(如與離子緊密鍵合)，使高分子結構改變導致傳感膜層折射率發生變化，通過等離子體共振角或共振波長定標從而監測目標物質的質量變化(如濃度)，從而實現對目標待測溶質的選擇性檢測。

本發明的有益效果在于：

1)本發明的等離子體共振微結構光纖傳感器采用拉制成錐形的微結構光纖作為傳感部件，利用微結構光纖二維周期性結構導光機制，不但無需剝離包層來引出導模，而且無需緩沖層實現入射波光功率進入表面等離子體共振波的高耦合效率，具有工藝簡單，結構緊湊體積小的優點。

2)本發明的等離子體共振微結構光纖傳感器，基于微結構光纖本身的優點，這種傳感器具有光功率傳輸效率高，損耗?。豢梢詫鬏敼膺M行偏振保持；可以支持單模傳輸，可以支持多模傳輸；測量精度高、抗干擾能力強、可在惡劣環境下工作等特點。