[發明專利]光子晶體光纖表面等離子共振測試方法及傳感器

無效

• 申請號: 201310320122.4
• 申請日: 2013-07-25
• 公開（公告）號: CN103398982A
• 公開（公告）日: 2013-11-20
• 發明（設計）人: 陸穎;郝叢靜;伏祥勇;吳寶群;姚建銓
• 申請（專利權）人: 天津大學
• 主分類號: G01N21/55
• 分類號: G01N21/55
• 代理公司: 天津市北洋有限責任專利代理事務所 12201
• 代理人: 劉國威

技術領域

本發明涉及光纖傳感和物質檢測，特別是生化物質檢測領域，具體講涉及光子晶體光纖表面等離子共振測試方法及傳感器。

背景技術

在日常生產生活中的許多重要領域中，比如醫藥、環境、生物、食品等等，對于生化物質的檢測和分析有著廣泛的需求。自從上世紀80年代低損耗光纖問世以來，光纖傳感技術一直處于傳感器技術發展的前沿，并與光纖通信技術一起成為光纖技術的兩個重要領域。與傳統的傳感器相比，光纖傳感器本身不帶電，具有抗電磁干擾、電絕緣、耐腐蝕、本質安全、多參量測量（溫度、應力、振動、位移、轉動、電磁場、化學量和生物量等）、靈敏度高、質量輕、體積小、可嵌入（物體）等特點，容易組成光纖傳感網絡（本征型分布式光纖傳感器本身就組成網絡）并可接入因特網和無線網。光纖傳感技術已經在國家安全、重大工程、生物醫藥等多個領域具有重大的社會需求并有廣闊的應用前景。

而基于表面等離子共振的生化傳感方法是目前非常先進的無標記，實時檢測技術，在化學、生物、環境與醫藥等領域具有非常重要的應用。

常用的光激發等離子的裝置主要采用棱鏡耦合，波導耦合，光纖耦合，光柵耦合等方法。棱鏡耦合是最早出現的方法，包括Otto方法和Kretschmann–Reather方法。經過幾十年的發展，已經出現了實用化的產品應用于生化物質檢測。然而，尺寸大，成本高極大限制了棱鏡耦合的應用范圍。隨著光纖制作工藝的快速發展，傳感器小型化集成化的需求，促進了光纖耦合等離子共振傳感器的研究與發展，許多結構緊湊的光纖等離子傳感器得到了研究，比如鍍有金屬膜的單模、多模光纖，保偏光纖，拉錐光纖，以及Bragg光柵等等。雖然光纖的使用為傳感提供了吸引人的平臺，但是為了使得光纖與待測物質的密切接觸，傳統單模光纖往往需要通過物理的或者化學的方法去除部分包層，這樣降低了器件的可靠性。而多模光纖中只有特定的高階模才滿足相位匹配，靈敏度和穩定性過于依賴光源條件。

近年來許多工作者提出了基于光子晶體光纖的表面等離子體共振（SPR）傳感器，這種傳感機理是將纖芯的泄露模和沿光纖微結構中的等離子激模耦合而實現共振。光子晶體光纖以其靈活的結構設計，容易做到傳導模有效折射率和待測物質折射率相等，從而可以方便地在需要的波長處實現纖芯模和表面等離子模的匹配和共振。并且不需要像常規光纖那樣腐蝕掉包層或者拉很細的錐，使傳感器設計不存在封裝問題。國內外許多科學家及學者提出了很多基于光子晶體光纖（PCF）表面等離子共振傳感器的設計方案，并做出了大量的模擬和計算，顯示出這種新型傳感器的巨大優勢和應用前景。2006年Hassani?et?al.提出了基于微結構光纖SPR傳感器與優化型微流體的設計理念，具有10^-4RIU的靈敏度。2008年Hautakorpi?et?al.提出并數值分析了三孔光子晶體光纖SPR傳感器，其中金膜沉積在三孔的內壁上。數值結果表明可以獲得非常小的光纖損耗和10^-4RIU的靈敏度。

然而，無論在微米量級的小孔內均勻鍍上幾十納米的金屬膜還是填充各種待測物質，都無比困難和復雜，雖然已有文獻報道過鍍膜和填充方法。

發明內容

為克服現有技術的不足，充分利用光子晶體光纖表面等離子共振傳感器高靈敏的優點，提供一種大模場光子晶體光纖表面等離子共振生化物質傳感器，為達到上述目的，本發明采用的技術方案是：光子晶體光纖表面等離子共振測試方法，包括下列步驟：將光源出射光經光纖連接器輸出到單模光纖中，再經耦合器按光功率均分成兩路，其中一路的光子晶體光纖鍍有金屬膜和被測樣品敏感膜作為探測信號光路，另一路光子晶體光纖鍍有金屬膜和已知折射率樣品薄膜作為參考信號光路，采用光譜儀或光功率計接收兩路光信號后交由計算機處理。

所述光源為寬譜光源時，采用光譜儀；所述光源為單色光源時，采用光功率計；通過探測輸出光譜的變化或者光強變化檢測生化物質。

所述的光子晶體光纖表面等離子共振測試傳感器，由大模場光子晶體光纖構成，直接將金屬膜鍍在大模場光子晶體光纖PCF的外部側面，待測物質在PCF外表面被檢測。

金屬膜鍍時不需要對光子晶體光纖PCF進行拉錐或者去包層處理，是直接將金屬膜鍍在大模場光子晶體光纖PCF的外部側面。

所述的光子晶體光纖表面等離子體共振傳感器是：在非拉錐的光子晶體光纖外部側壁鍍40納米厚度的金屬膜，在金屬膜外部再鍍上對被測樣品敏感的分子敏感薄膜。

所述的光子晶體光纖PCF背景介質為熔融石英，外側所鍍金屬膜為金膜或銀膜。

本發明可帶來如下效果：