[發明專利]多通道光纖表面等離子體波共振傳感器

有效

• 申請號: 201110250478.6
• 申請日: 2011-08-29
• 公開（公告）號: CN102410851A
• 公開（公告）日: 2012-04-11
• 發明（設計）人: 夏歷;張雅婷;周馳;劉德明
• 申請（專利權）人: 華中科技大學
• 主分類號: G01D5/26
• 分類號: G01D5/26;G01N21/17;G01K11/32
• 代理公司: 北京市德權律師事務所 11302
• 代理人: 周發軍

技術領域

?本發明涉及生物化學傳感領域，具體涉及一種基于表面等離子體共振原理的多通道生化傳感器。

背景技術

基于表面等離子體共振（Surface?Plasmon?Resonance,?簡稱SPR）原理的傳感器，因其具有很高的靈敏度，且無需分子標記，在生物化學及相關領域倍受青睞。目前，大多數的SPR傳感器主要基于單參量探測，即針對某種樣品中的某一特定參量進行測量，如樣品濃度、pH值或某種目標分子的化學物理特性等。隨著生物、化學、醫學、農業、環境監測及相關領域的迅速發展，研究對象日益復雜，傳統的單參量傳感系統已不能滿足探測需求。此外，單通道傳感系統不具備噪聲補償功能，在實際應用時極易受到各種噪聲（如儀器自身不穩定性、環境溫度變化、樣品中非目標分子的濃度變化或吸收等）的干擾，從而使探測精度大幅降低，因此需要引入參考通道來修正噪聲的影響。現有的多通道SPR傳感器大多采用棱鏡結構，其原理為二維SPR成像如圖1所示。將棱鏡2表面的金屬層3劃分為多個區域,?依次覆蓋不同的傳感材料Ⅰ4、傳感材料Ⅱ5，構建二維排列的傳感通道。從激光器發出的單色光通過起偏器1變成線偏振光，投射在棱鏡和金屬層的界面上。入射光在界面發生全反射，反射光被成像光具組6聚焦后由CCD攝像機7接收。當樣品與棱鏡表面的傳感材料接觸時，樣品各參量的變化會導致相應的傳感材料的折射率發生變化，對應通道的反射光強也隨之改變，利用二維接收裝置即可并行檢測樣品的多個參量。發明專利“并行檢測多個生物學信號的表面等離子體共振生物傳感器”（專利申請號01132289.6）和“蛋白質微陣列表面等離子體共振成像檢測系統及檢測方法”（專利申請號03147877.8）正是棱鏡耦合結構的代表。棱鏡結構靈敏度高，性能穩定，但其體積大，制作成本較高，且不便于集成和攜帶，從而限制了此類多通道傳感器的適用范圍。近年來，國外一些大學利用微制造技術在平板波導和普通光纖上級聯了多個傳感單元，實現了多通道傳感系統的小型化。以亞利桑那州立大學的Karl?S.?Booksh等人研制的雙通道光纖SPR傳感器為例（Vol.?30(22),?Optics?Letters,?2005），如圖2所示，它的制作方法是在光纖的兩個不同位置各選取一段光纖腐蝕掉包層9,?然后在纖芯8表面依次沉積金屬3和傳感材料4、5。與棱鏡結構不同的是,?該結構采用波分復用技術來區分各通道的響應，目標參量的變化通過光譜上共振吸收峰的移動來體現。除了體積小，光纖還具有制作簡單、靈敏度高、抗電磁干擾、機械性能好、便于集成和遠程遙測等特點，這使光纖在多通道SPR并行檢測方面顯示出巨大的優勢。但這類傳感器在制作方面仍存在一些困難：1）在鍍金屬膜之前需要人工剝除光纖涂覆材料和包層，很容易造成機械磨損，而且復雜的表面處理也不適于大批量生產；2）制作這類傳感器存在封裝的困難，把鍍有金屬膜的光纖和樣品微流裝置進行集成通常需要額外的工藝和成本。不僅如此，這種傳感器的結構使得它在樣品檢測方面受到一些限制，由于傳感器的相鄰通道之間間距很小（約為幾毫米），在實際應用時很難將不同的探測通道分別浸沒在不同的樣品中，因而只適用于單一樣品的檢測。該限制也同樣存在于多通道棱鏡SPR傳感器中。

發明內容

本發明所要解決的技術問題是克服已有的多通道SPR傳感器的不足，提供了一種多通道光纖表面等離子體傳感器，既能夠實現傳感系統的小型化和集成化，又能簡化制作工藝，節省成本，而且還可以有效緩解封裝的困難。

為解決上述技術問題，本發明提出了一種多通道光纖表面等離子體波共振傳感器，包括表面等離子體波共振探測光纖，其特征在于，所述探測光纖的包層外圍設有第一探測通道，所述第一探測通道包括第一空氣通孔、第一金屬膜層、第一傳感層，所述第一空氣通孔兩端分別位于探測光纖兩端，所述第一金屬膜層涂覆于所述包層之上，所述第一傳感層位于所述第一金屬膜層之上，所述第一傳感層的傳感材料與第一待測參量相匹配。

進一步改進的，所述探測光纖的包層外圍設有第二探測通道，所述第二探測通道包括第二空氣通孔、第二金屬膜層、第二傳感層，所述第二空氣通孔兩端分別位于探測光纖兩端，所述第二金屬膜層涂覆于所述包層之上，所述第二傳感層位于所述第二金屬膜層之上，所述第二傳感層的傳感材料與第二待測參量相匹配；所述第二金屬膜層、第二傳感層之間涂有高折射率介質薄膜。

更加優化的，所述第一探測通道、第二探測通道的數量為一個或多個。

優選的，所述包層沉積厚度為1~2μm。并選取折射率略低于光纖背景的材料，以便利用全內反射機理將光約束在纖芯中傳導。