[发明专利]基于环形芯波导的等离子体谐振式光纤生物传感器

说明书

(一)技术领域

本发明涉及的是一种光纤传感器，主要是用于生物检测的光纤传感器，特别 是一种基于环形芯波导的等离子体谐振式光纤生物传感器。

(二)背景技术

表面等离子体共振(Surface plasmon resonance，SPR)生物传感器是近代物 理学与生物学相互结合的产物。目前商用化的SPR传感装置多采用扫描入射角 的方式来工作，整个SPR传感测试系统相当复杂，体积庞大，SPR信号易受到 机械结构、光源波动等外界因素影响的缺点这也大大限制了该传感器的使用。

光纤表面等离子体波共振传感器是今后SPR传感技术发展和系统微型化要 求的自然延伸。光纤SPR传感器的研究与应用较棱镜型SPR传感器要晚的多， 但由于光纤SPR传感器采用光纤作为光的传输媒介，使得这种传感器具有以下 优点：可以使被测空间缩小到光纤直径尺寸的数量级，因此可以很方便的探测一 些用其它类型传感器难于进入或有害的地方；它可以通过光纤对信号进行传输， 实现长距离的实时检测；易于实现仪器的微型化等等，同时使SPR传感器的分 析方法和测量手段有了很大的改观。因而近期也成为了SPR传感器研究领域的 新热点。由于光纤SPR传感器自身的诸多优点，所以有必要对光纤SPR传感器 进行改进，进一步拓宽其应用领域，以提高我国生物化学检测水平。

光纤表面等离子体传感探头主要有在线传输式和终端反射式两种结构。早期 Jorgenson使用的为多模光纤(见美国专利N0.5,647,030和N0.5,853,645)，但多 模光纤由于模式的耦合、偏振态的损失，与棱镜耦合式SPR相比，只能得到宽 而低的峰，但其传输能量较高。为了克服这一缺点，在单模光纤的尖端激发SPR 的传感器被报道[Maria L D，Actuators B，12，221，1993]，单模光纤可以保持激发光 的偏振态；只耦合单一反射角的光进入光纤传输，能得到反射背景较小的尖锐的 SPR共振峰。其中，也有人对单模光纤进行融熔拉锥后再制作SPR传感器。但 这种方法，无论是用波长还是光强作为指示参数，都降低了传感器的灵敏度。把 单模光纤微弯后对其包层进行研磨(见美国专利NO.5,327,225)，其上涂以一层 金属膜，通过传输光从光纤探头的衍射获得空间的SPR也被提出。不久探测折 射率的锥形金属镀层光纤SPR传感器也被研究[Díez A，Sens.Actuators B，73，95， 2001]。双锥形或四锥形光纤SPR传感器同时对水汽和液体相位的检测是另一个 重要进步[Kim Y，Opt.Lett.，30，2218，2005]。台湾Chiu提出了基于外差干涉测量 的D形单模光纤SPR生物传感器，利用相位检测替代传统的强度检测[Chiu M H， Opt.Lett.，30，233，2005]。

综上所述，目前的多模光纤SPR传感器灵敏度和信噪比不是很高，很难确 定精确的确定谐振波长，单模光纤芯径尺寸小耦合光较弱，另外尺寸小制作也较 困难，难以得到质量好、重复性高的纤芯探头。这些不足和缺陷有待新的技术和 方法加以克服和改进，以便SPR传感技术得到更好的推广和应用。

(三)发明内容

本发明的目的在于提供一种以提高探测灵敏度，实现生物传感器微小型化的 基于环形芯波导的等离子体谐振式光纤生物传感器。

本发明的目的是这样实现的：

它由宽带光源、光纤耦合器、光纤探头、探测器、光谱仪、信号处理器连接 组成；所述的光纤耦合器由单模光纤和环形芯光纤耦合而成，其单模光纤与宽带 光源的输出连接、环形芯光纤与光纤探头连接；所述的光纤探头是环形纤芯单模 光纤采用熔融拉锥技术或裸光纤端面研磨方法把光纤端研磨成所设计角度及高 度的锥台，将研磨后的锥台表面用溶剂进行清洁和抛光处理使表面清洁光滑，采 用金作为的薄膜材料，利用真空蒸发镀膜设备进行金膜的镀制，在锥台表面沉积 一层45-55nm的金膜，端面进行二次镀膜，使光纤端面形成190-210nm的反射 膜，制成的光纤探头。

本发明还可以包括：

1、环形芯光纤与光纤探头之间连接有PZT调制器。

2、所述的单模光纤与宽带光源的输出连接是宽带光源的光耦合到一个三端 口光纤环形器，三端口光纤环形器输出端连接单模光纤；光纤探头在装有待测物 质溶液中的样品池中的反射光按原路径返回，经三端口光纤环形器由探测器接收 后由光谱仪输出，最后输入信号处理器进行信号处理给出测试结果。