双调制模式自精确光纤表面等离子体共振生化检测传感器

摘要

本发明提供了一种双调制模式自精确光纤表面等离子体共振生化检测传感器，属于光纤传感技术领域。该传感器采用终端反射式传感结构，将纤芯直径为400-600m，数值孔径不低于0.24的塑料包层多模光纤的纤芯端面抛光，并将抛光的光纤纤芯端面溅射200nm以上银膜，形成反射镜面；将多模光纤上的两段涂覆层和包层剥去形成两个长度为5mm-10mm的传感通道；一个传感通道表面固定纳米金球，另一个传感通道表面按照银-ITO的顺序溅射银-ITO双层膜，其中银层厚度为35-45nm，ITO层为5-15nm。采用较为简单的溅射镀膜工艺与层层自主装方法实现双调制信号的解调，避免采用单一调制模式产生的精确度影响。

说明书

技术领域

本发明属于光纤传感技术领域，涉及一种具有自精确功能的双调制光纤表 面等离子体共振生化检测传感器。

背景技术

目前采用表面等离子体共振原理的双通道生化传感器多采用棱镜耦合结 构，该类传感器结构复杂、体积较大、制作成本昂贵，难以在工业生产中形成 广泛应用；目前虽有多层金属交替膜系的表面等离子体共振传感器出现，但是 多为单通道结构，在对生化样品的传感检测中容易受到温度或样品溶液本体折 射率变化及样品挥发等因素的影响，传感器不具备补偿能力，检测的准确度较 差。而目前已出现的基于表面等离子体共振原理的双通道光纤传感器多采用镀 膜调制波长的方式，调制方式单一，检测精确度较差。

发明内容

本发明的目的是提供一种具有自精确功能的双调制模式光纤表面等离子体 共振生化检测传感器，对于两个通道的信号解调无需对传感表面进行复杂的靶 材替换与重复交替镀膜方式，采用简单镀膜工艺与自主装方式即可实现；采用 光纤跳线传输信号，避免了棱镜耦合式表面等离子体共振传感器的复杂结构； 层层自主装方法固定纳米金球在一个传感通道，通过调控镀膜传感通道纤芯表 面的镀膜材料、镀膜厚度实现两个通道对样品折射率和温度变化响应的灵敏性， 波长与强度调试方式同时发生，从而可避免在生化检测中温度或样品本体折射 率变化对检测造成的干扰，实现传感器的自精确功能，提高检测的精确度。

本发明的技术方案：

一种双调制模式自精确光纤表面等离子体共振生化传感器，该传感器采用 终端反射式传感结构，采用塑料包层多模光纤，其纤芯直径为400-600μm、数值 孔径不低于0.24；端面抛光的塑料包层多模光纤的纤芯端面溅射厚度为200nm 以上的银膜，形成反射镜面；在靠近反射镜面端，剥去塑料包层多模光纤上的 两段涂覆层和包层，形成两个传感通道，两个传感通道的长度为5mm-10mm， 两个通道间有适当间隔；一个传感通道表面通过层层自组装方法固定纳米金球， 纳米金球的直径为15-30nm；另一个传感通道表面均匀溅射镀膜，按照银-氧化 铟锡(ITO)的顺序溅射总厚度为50nm的银-ITO双层膜，其中银层厚度为 35-45nm，ITO层为5-15nm；通过调控镀膜通道表面的镀膜材料、镀膜厚度使两 个通道的光谱分离，两个通道对温度及样品溶液折射率均具有响应灵敏度，镀 膜通道对不同折射率溶液具有波长调制效应，纳米金球传感通道则具有强度调 制效应，使该双调制传感器具备对温度及折射率的自精确功能，实现更精确的 传感检测。

采用Y型的多模光纤跳线进行信号的耦合传输。光纤光源发射的宽谱光经 Y型光纤跳线的一支进入双调制自补偿光纤表面等离子体共振生化传感器，在 传感通道纤芯和金属薄膜界面激发表面等离子体共振，传感信号在反射端面发 生镜面反射，经跳线一支耦合到光谱仪CCD上进行探测。

本发明的效果和益处是：采用较为简单的磁控溅射镀膜工艺与化学自组装 方法实现了双调制信号的解调，通过调控镀膜通道纤芯表面的镀膜材料、镀膜 厚度使两个通道的光谱分离且对温度及样品折射率均具有较高响应灵敏度，实 现对于温度及样品折射率的两种方式调制，从而使传感器具备了自精确功能。 传感器性能稳定、工艺简单、成本较低并对传感检测具有较高的精确度。

附图说明

附图是双调制自精确光纤表面等离子体共振生化检测传感器结构示意图。

图中：1纳米金膜；2银-ITO双层膜；3反射镜面。

具体实施方式

以下结合技术方案和附图详细叙述本发明的具体实施方式。

本发明以表面等离子体共振作为传感原理，该效应的产生依赖于宽谱光源， 目的是在光纤中实现波长调制与强度调制方式的传感检测。为了增强信号强度、 优化传感性能，制作传感器的光纤选择大孔径多模光纤。本发明采用的光纤为 纤芯、包层、涂覆层直径分别为400μm、430μm、730μm，数值孔径0.37的大 孔径塑料包层光纤。

本发明的制备过程如下：

(1)首先取一段60mm长塑料包层多模光纤，在距光纤端面10mm和20mm 的位置处，使用光纤钳分别剥去5mm的光纤涂覆层。

(2)将光纤纤芯端面用砂纸抛光，并用镀膜机镀镀制300nm厚度的银膜，形 成反射镜面。

(3)将环氧树脂A、B胶1:1比例混合后封装反射镜面，防止使用过程中对反 射镜面造成损坏。

(4)将剥去涂覆层的传感通道的光纤包层去除。采用丙酮溶液浸泡传感通道， 使光纤塑料包层完全脱落。

(5)其中一个通道表面通过层层自组装方法，在用食人鱼洗液处理后，在聚 合物PDDA、PSS和PAH聚合物溶液中交替浸泡，每种聚合物溶液浸泡10分钟， 之后浸泡在直径为15-30nm的纳米金球溶液中1小时，完成强度调制传感通道 的制备。

(6)传感器的镀膜通道在镀膜机中采用360°旋转的方式镀膜，使镀膜材料均 匀溅射到传感通道全部表面；镀膜传感通道表面按照银-ITO(氧化铟锡)交替 的顺序溅射总厚度为50nm的银-ITO双层膜系，其中银层厚度为40nm，ITO层 为10nm，完成波长调制传感通道的制备。