[发明专利]一种表面等离子体共振探测光纤及传感器

说明书

技术领域

 本发明涉及生化检测和光纤传感技术领域，具体涉及一种基于表面等离子体共振原理的探测光纤及传感器。

背景技术

表面等离子体共振(Surface Plasmon Resonance, 简称SPR)是发生在金属和电介质界面的一种物理光学现象。由于SPR现象对光的入射条件以及环境介质的介电常数变化极其敏感，SPR传感技术以其高灵敏度、免标记、非破坏性、可远程实时在线监测等优点，在生化传感领域得到了各国研究者的持久关注。为了实现局部测量和远程监测，早在1990年就有学者提出了将光纤作为激励介质的光纤SPR传感器，通常需要将普通光纤进行腐蚀包层或拉锥等预处理，再在裸露的纤芯上镀一层厚度均匀的金属膜（通常为金膜或银膜）作为表面等离子体波的载体。近年来，一种新型的光纤——光子晶体光纤，以其天然的多孔结构、设计的灵活性和多样性，在解决传统光纤SPR传感器的相位匹配和封装问题上提供了完美的解决方案。发明专利“一种光纤表面等离子体共振传感检测装置”（专利申请号200820212280.2）和“基于光子晶体光纤表面等离子体共振传感器”（专利申请号201110190079.5）正是利用光子晶体光纤实现SPR传感技术的代表。加拿大的A. Hassani研究组在该领域做出了很大的贡献，自2006年以来，他们分别基于折射率导引型光子晶体光纤和光子带隙型光子晶体光纤设计了多种不同的SPR传感器，获得了较高的灵敏度。其中一种典型的折射率导引型光子晶体光纤SPR传感器结构如图1所示。这种以石英玻璃5为衬底的光子晶体光纤由内到外包含三层空气孔2，在芯区1引入了较小空气孔2来降低导模的有效折射率以便满足激发SPR效应的相位匹配条件。在最外围的较大空气孔内壁利用高压化学气相淀积法涂覆一层厚度为40nm左右的金膜3，最后利用毛细现象在镀膜之后的外围空气孔中注入液态待测样品4。

现有的基于光子晶体光纤的SPR传感器，如图1所示，动态测量范围较小，折射率探测上限低于1.42，这就无法测量一些高折射率的化学有机溶液（例如苯，硝基苯，苯胺等）。此外，由于外围样品溶液通道排列紧密，相邻溶液通道之间的相互干扰导致SPR共振光谱曲线展宽，同时还存在多个共振峰，使得实际系统的信噪比降低。多个溶液通道的同时存在不仅增加了纳米尺度金属膜镀制和待测溶液填充的工作量，而且很难保证每个溶液通道的金属膜厚度的均匀性和质量的一致性。这种基于光子晶体光纤的SPR传感器已经不能满足当前生化检测领域对大折射率测量范围、高灵敏度、高线性度和高信噪比的需求。

发明内容

本发明的目的在于提供一种封闭式的、全光纤的、具有大动态测量范围的表面等离子体共振探测光纤及传感器，旨在解决现有的基于光子晶体光纤的SPR传感器动态测量范围小、线性度不高、信噪比低、金属膜镀制和待测样品填充工作量大的缺陷。

为解决上述技术问题，本发明提供了一种表面等离子体共振探测光纤，包括纤芯以及在纤芯轴向上排列的空气孔，其特征在于，所述空气孔包括第一空气孔、第二空气孔，所述第一空气孔位于光纤横截面正中心，所述第一空气孔内壁镀有厚度为30-60nm的金属膜，所述金属膜内表面镀有厚度为20-60nm的传感材料，所述第一空气孔作为探测用的溶液通道；所述纤芯、第一空气孔的外围分别均匀分布N个所述第二空气孔，N为大于3的整数，在光纤横截面上，所述N个第二空气孔的中心点连线呈正N边形；所述光纤的纤芯数量M大于等于1。

进一步地，所述空气孔还包括第三空气孔，在光纤横截面上，一个第三空气孔的中心点以及与之邻近的两个第二空气孔的中心点连线，或者二个第三空气孔的中心点以及与之邻近的一个第二空气孔的中心点连线，或者三个相互邻近的第三空气孔的中心点连线，均分别呈正三角形。所述第三空气孔，用以增强纤芯的独立性。

优选的，所述三角形为正三角形。

进一步地，当M大于等于3时，所述纤芯的中心点连线呈正M边形。

最优的，纤芯数量M的值为3。

最优的，所述N的值为6。

还优选的，所述空气孔均为圆形空气孔。

优选的，纤芯由单一石英玻璃拉制而成。

本发明还提供一种基于上述表面等离子体共振探测光纤的SPR传感器，包括宽带光源、起偏器、耦合装置、传输光纤、传感光纤和光谱分析仪，其特征在于，所述传感光纤采用上述表面等离子体共振探测光纤。