[发明专利]多通道光纤表面等离子体波共振传感器

说明书

技术领域

 本发明涉及生物化学传感领域，具体涉及一种基于表面等离子体共振原理的多通道生化传感器。

背景技术

基于表面等离子体共振（Surface Plasmon Resonance, 简称SPR）原理的传感器，因其具有很高的灵敏度，且无需分子标记，在生物化学及相关领域倍受青睐。目前，大多数的SPR传感器主要基于单参量探测，即针对某种样品中的某一特定参量进行测量，如样品浓度、pH值或某种目标分子的化学物理特性等。随着生物、化学、医学、农业、环境监测及相关领域的迅速发展，研究对象日益复杂，传统的单参量传感系统已不能满足探测需求。此外，单通道传感系统不具备噪声补偿功能，在实际应用时极易受到各种噪声（如仪器自身不稳定性、环境温度变化、样品中非目标分子的浓度变化或吸收等）的干扰，从而使探测精度大幅降低，因此需要引入参考通道来修正噪声的影响。现有的多通道SPR传感器大多采用棱镜结构，其原理为二维SPR成像如图1所示。将棱镜2表面的金属层3划分为多个区域, 依次覆盖不同的传感材料Ⅰ4、传感材料Ⅱ5，构建二维排列的传感通道。从激光器发出的单色光通过起偏器1变成线偏振光，投射在棱镜和金属层的界面上。入射光在界面发生全反射，反射光被成像光具组6聚焦后由CCD摄像机7接收。当样品与棱镜表面的传感材料接触时，样品各参量的变化会导致相应的传感材料的折射率发生变化，对应通道的反射光强也随之改变，利用二维接收装置即可并行检测样品的多个参量。发明专利“并行检测多个生物学信号的表面等离子体共振生物传感器”（专利申请号01132289.6）和“蛋白质微阵列表面等离子体共振成像检测系统及检测方法”（专利申请号03147877.8）正是棱镜耦合结构的代表。棱镜结构灵敏度高，性能稳定，但其体积大，制作成本较高，且不便于集成和携带，从而限制了此类多通道传感器的适用范围。近年来，国外一些大学利用微制造技术在平板波导和普通光纤上级联了多个传感单元，实现了多通道传感系统的小型化。以亚利桑那州立大学的Karl S. Booksh等人研制的双通道光纤SPR传感器为例（Vol. 30(22), Optics Letters, 2005），如图2所示，它的制作方法是在光纤的两个不同位置各选取一段光纤腐蚀掉包层9, 然后在纤芯8表面依次沉积金属3和传感材料4、5。与棱镜结构不同的是, 该结构采用波分复用技术来区分各通道的响应，目标参量的变化通过光谱上共振吸收峰的移动来体现。除了体积小，光纤还具有制作简单、灵敏度高、抗电磁干扰、机械性能好、便于集成和远程遥测等特点，这使光纤在多通道SPR并行检测方面显示出巨大的优势。但这类传感器在制作方面仍存在一些困难：1）在镀金属膜之前需要人工剥除光纤涂覆材料和包层，很容易造成机械磨损，而且复杂的表面处理也不适于大批量生产；2）制作这类传感器存在封装的困难，把镀有金属膜的光纤和样品微流装置进行集成通常需要额外的工艺和成本。不仅如此，这种传感器的结构使得它在样品检测方面受到一些限制，由于传感器的相邻通道之间间距很小（约为几毫米），在实际应用时很难将不同的探测通道分别浸没在不同的样品中，因而只适用于单一样品的检测。该限制也同样存在于多通道棱镜SPR传感器中。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是克服已有的多通道SPR传感器的不足，提供了一种多通道光纤表面等离子体传感器，既能够实现传感系统的小型化和集成化，又能简化制作工艺，节省成本，而且还可以有效缓解封装的困难。

为解决上述技术问题，本发明提出了一种多通道光纤表面等离子体波共振传感器，包括表面等离子体波共振探测光纤，其特征在于，所述探测光纤的包层外围设有第一探测通道，所述第一探测通道包括第一空气通孔、第一金属膜层、第一传感层，所述第一空气通孔两端分别位于探测光纤两端，所述第一金属膜层涂覆于所述包层之上，所述第一传感层位于所述第一金属膜层之上，所述第一传感层的传感材料与第一待测参量相匹配。

进一步改进的，所述探测光纤的包层外围设有第二探测通道，所述第二探测通道包括第二空气通孔、第二金属膜层、第二传感层，所述第二空气通孔两端分别位于探测光纤两端，所述第二金属膜层涂覆于所述包层之上，所述第二传感层位于所述第二金属膜层之上，所述第二传感层的传感材料与第二待测参量相匹配；所述第二金属膜层、第二传感层之间涂有高折射率介质薄膜。

更加优化的，所述第一探测通道、第二探测通道的数量为一个或多个。

优选的，所述包层沉积厚度为1~2μm。并选取折射率略低于光纤背景的材料，以便利用全内反射机理将光约束在纤芯中传导。