專利名稱：聚合物光子晶體光纖表面等離子共振測試方法及傳感器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及光纖傳感和物質(zhì)檢測，特別是生化物質(zhì)檢測領(lǐng)域，具體講涉及聚合物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(shù)：
在日常生產(chǎn)生活中的許多重要領(lǐng)域中，比如醫(yī)藥、環(huán)境、生物、食品等等，對于生化物質(zhì)的檢測和分析有著廣泛的需求。自從上世紀(jì)80年代低損耗光纖問世以來，光纖傳感技術(shù)一直處于傳感器技術(shù)發(fā)展的前沿，并與光纖通信技術(shù)一起成為光纖技術(shù)的兩個重要領(lǐng)域。與傳統(tǒng)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(zhì)安全、多參量測量(溫度、應(yīng)力、振動、位移、轉(zhuǎn)動、電磁場、化學(xué)量和生物量等)、靈敏度高、 質(zhì)量輕、體積小、可嵌入(物體)等特點(diǎn)，容易組成光纖傳感網(wǎng)絡(luò)(本征型分布式光纖傳感器本身就組成網(wǎng)絡(luò))并可接入因特網(wǎng)和無線網(wǎng)。光纖傳感技術(shù)已經(jīng)在國家安全、重大工程、 生物醫(yī)藥等多個領(lǐng)域具有重大的社會需求并有廣闊的應(yīng)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(jìn)的無標(biāo)記，實(shí)時檢測技術(shù)，在化學(xué)、生物、環(huán)境與醫(yī)藥等領(lǐng)域具有非常重要的應(yīng)用。常用的光激發(fā)等離子的裝置主要采用棱鏡耦合，波導(dǎo)耦合，光纖耦合，光柵耦合等方法。棱鏡耦合是最早出現(xiàn)的方法，包括Otto方法和Kretschmarm-Reather方法。經(jīng)過幾十年的發(fā)展，已經(jīng)出現(xiàn)了實(shí)用化的產(chǎn)品應(yīng)用于生化物質(zhì)檢測。然而，尺寸大，成本高極大限制了棱鏡耦合的應(yīng)用范圍。隨著光纖制作工藝的快速發(fā)展，傳感器小型化集成化的需求，促進(jìn)了光纖耦合等離子共振傳感器的研究與發(fā)展，許多結(jié)構(gòu)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(zhì)的密切接觸，傳統(tǒng)單模光纖往往需要通過物理的或者化學(xué)的方法去除部分包層，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(wěn)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sra傳感器，這種傳感機(jī)理是將纖芯的泄露模和沿光纖微結(jié)構(gòu)中的等離子激模耦合而實(shí)現(xiàn)共振。光子晶體光纖以其靈活的結(jié)構(gòu)設(shè)計，容易做到傳導(dǎo)模有效折射率和待測物質(zhì)折射率相等，從而可以方便地在需要的波長處實(shí)現(xiàn)纖芯模和表面等離子模的匹配和共振。并且不需要像常規(guī)光纖那樣腐蝕掉包層或者拉很細(xì)的錐，使傳感器設(shè)計不存在封裝問題。國內(nèi)外許多科學(xué)家及學(xué)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(shè)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(yōu)勢和應(yīng)用前景。2006年Hassani et al.提出了基于微結(jié)構(gòu)光纖SPR傳感器與優(yōu)化型微流體的設(shè)計理念，具有10-4RIU的靈敏度。2008年Hautakorpi et al.提出并數(shù)值分析了三孔光子晶體光纖Sra傳感器，其中金膜沉積在三孔的內(nèi)壁上。 數(shù)值結(jié)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(nèi)均勻鍍上幾十納米的金屬膜還是填充各種待測物質(zhì)，都無比困難和復(fù)雜，雖然已有文獻(xiàn)報道過鍍膜和填充方法。

發(fā)明內(nèi)容
為克服現(xiàn)有技術(shù)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(yōu)點(diǎn)，提供一種聚合物光子晶體光纖表面等離子共振生化物質(zhì)傳感器，為達(dá)到上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案是聚合物光子晶體光纖表面等離子共振測試方法，包括下列步驟 將寬譜光源出射光經(jīng)光纖連接器輸出到單模光纖中，再經(jīng)耦合器按光功率均分成兩路，經(jīng)過待測物質(zhì)，其中一路的光子晶體光纖鍍有銀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沒有鍍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(jī)處理。光子晶體光纖鍍有銀膜和被測樣品敏感膜作為探測信號光路是在光子晶體光纖外部側(cè)壁鍍40納米厚度的銀膜，在銀膜外部再鍍上對被測樣品敏感的分子敏感薄。聚合物光子晶體光纖表面等離子共振測試傳感器，構(gòu)成為光子晶體光纖外部側(cè)壁鍍有銀膜，在銀膜外部再鍍上對被測樣品敏感的分子敏感薄。光子晶體光纖為聚甲基丙烯酸甲酯PMMA光子晶體光纖，鍍有銀膜厚度40納米。本發(fā)明可帶來如下效果本發(fā)明從實(shí)用角度出發(fā)，采用聚合物光子晶體光纖來實(shí)現(xiàn)表面等離子共振生化物質(zhì)傳感，金屬膜不需要鍍在微小的氣孔內(nèi)，只需要鍍在光纖的外部側(cè)面，待測物質(zhì)在光纖外表面檢測，也不需要填充到小孔中，方便于傳感系統(tǒng)多次重復(fù)檢測使用，省卻了諸多麻煩。 并有較高的可靠性、穩(wěn)定性和靈敏度，是等離子共振傳感系統(tǒng)的一大創(chuàng)新，并有巨大實(shí)用價值；傳感系統(tǒng)為全光纖光路設(shè)計，調(diào)試簡單，應(yīng)用方便，便于重復(fù)使用，靈敏度高，可靠性好。


圖1是聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)光子晶體光纖橫剖面圖。外部側(cè)面鍍有厚度40 納米的銀膜，銀膜外部鍍有對被測樣品敏感的分子敏感薄，待測物質(zhì)分布于光纖周圍。圖2是模擬光纖模場分布圖。圖3(a)是基模限制損耗與光波長的關(guān)系曲線，曲線1、2分別表示樣品折射率為 1. 33、1. 335的情況(Δ λ · 6nm) ； (b)為光強(qiáng)檢測靈敏度曲線，光強(qiáng)靈敏度單位每單位折射率光強(qiáng)變化率。圖4是本新型結(jié)構(gòu)聚合物光子晶體光纖表面等離子共振生化物質(zhì)傳感器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖。其中1、寬譜光源，2、隔離器，3、光纖連接器，4、單模光纖，5、3dB耦合器，6、待測樣品，7、未鍍膜聚合物光子晶體光纖，8、鍍膜聚合物光子晶體光纖，9、光譜儀。
具體實(shí)施例方式為了實(shí)現(xiàn)上述目的，設(shè)計出一種基于聚合物光子晶體光纖表面等離子共振生化物質(zhì)傳感器。技術(shù)方案如下一種聚合物光子晶體光纖表面等離子共振生化物質(zhì)傳感器，所述的光子晶體光纖為聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)光子晶體光纖，其外部側(cè)壁鍍有40納米厚度的銀膜，在銀膜外部再鍍上對被測樣品敏感的分子敏感薄。偶聯(lián)在傳感片上的生物分子可以捕獲能與之進(jìn)行特異反應(yīng)的生物分子。而表面等離子共振條件對于周圍環(huán)境的變化非常敏感，通過探測輸出光譜的變化(采用寬譜光源)或者光強(qiáng)變化(采用單色光源)達(dá)到檢測生化物質(zhì)、獲得動態(tài)生化反應(yīng)信息、以便采取實(shí)時控制的目的。本發(fā)明提出的新型結(jié)構(gòu)聚合物光子晶體光纖表面等離子共振生化物質(zhì)傳感器，從實(shí)用角度出發(fā)，提出采用聚合物光子晶體光纖來實(shí)現(xiàn)表面等離子共振生化物質(zhì)傳感，金屬膜不需要鍍在微小的氣孔內(nèi)，只需要鍍在光纖的外部側(cè)面，待測物質(zhì)在光纖外表面檢測，也不需要填充到小孔中，方便于傳感系統(tǒng)多次重復(fù)檢測使用，省卻了諸多麻煩。并有較高的可靠性、穩(wěn)定性和靈敏度，是表面等離子共振傳感系統(tǒng)的一大創(chuàng)新，并有巨大實(shí)用價值。下面結(jié)合附圖對本傳感系統(tǒng)進(jìn)行進(jìn)一步地描述。如圖1所示，聚合物光子晶體光纖結(jié)構(gòu)簡單，容易制作，外部側(cè)面鍍有40納米厚的銀膜和對被測樣品敏感的分子敏感薄， 待測物質(zhì)分布在光纖周圍。本傳感器系統(tǒng)整體為全光纖光路設(shè)計，調(diào)試簡單，穩(wěn)定性高，可靠性好。寬譜光源出射光經(jīng)光纖連接器到單模光纖中，可遠(yuǎn)距離傳輸，在3dB耦合器中光功率均分二路，經(jīng)過待測物質(zhì)，其中一路的光子晶體光纖鍍有銀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沒有鍍膜作為參考信號光路，光譜儀接收兩路光信號后交由計算機(jī)處理。
權(quán)利要求
1.一種聚合物光子晶體光纖表面等離子共振測試方法，其特征是，包括下列步驟將寬譜光源出射光經(jīng)光纖連接器輸出到單模光纖中，再經(jīng)耦合器按光功率均分成兩路，經(jīng)過待測物質(zhì)，其中一路的光子晶體光纖鍍有銀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沒有鍍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(jī)處理。
2.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征是，光子晶體光纖鍍有銀膜和被測樣品敏感膜作為探測信號光路是在光子晶體光纖外部側(cè)壁鍍40納米厚度的銀膜，在銀膜外部再鍍上對被測樣品敏感的分子敏感薄。
3.一種聚合物光子晶體光纖表面等離子共振測試傳感器，其特征是，構(gòu)成為光子晶體光纖外部側(cè)壁鍍有銀膜，在銀膜外部再鍍上對被測樣品敏感的分子敏感薄。
4.如權(quán)利要求3所述的傳感器，其特征是，光子晶體光纖為聚甲基丙烯酸甲酯PMMA光子晶體光纖，鍍有銀膜厚度40納米。
全文摘要
本發(fā)明涉及光纖傳感和檢測生化物質(zhì)、獲得動態(tài)生化反應(yīng)信息領(lǐng)域。為提供一種聚合物光子晶體光纖表面等離子共振生化物質(zhì)傳感器，為達(dá)到上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案是聚合物光子晶體光纖表面等離子共振測試方法，包括下列步驟將寬譜光源出射光經(jīng)光纖連接器輸出到單模光纖中，再經(jīng)耦合器按光功率均分成兩路，經(jīng)過待測物質(zhì)，其中一路的光子晶體光纖鍍有銀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沒有鍍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(jī)處理。本發(fā)明主要應(yīng)用于檢測生化物質(zhì)、獲得動態(tài)生化反應(yīng)信息。
文檔編號G01N21/17GK102288546SQ20111019004
公開日2011年12月21日 申請日期2011年7月7日 優(yōu)先權(quán)日2011年7月7日
發(fā)明者伏祥勇, 姚建銓, 陸穎, 黃曉慧 申請人:天津大學(xué)