[发明专利]一种传感探头及其制备方法和应用该传感探头的传感器

说明书

本发明公开了一种传感探头及其制备方法和应用该传感探头的传感器，传感探头包括单模光纤，单模光纤内设置有相连的倾斜光栅和布拉格光栅，光在单模光纤中传输，当经过倾斜光栅时一部分纤芯模经反射泄漏到包层中，作为后向传输包层模；另一部分透射纤芯模继续向前传输，经布拉格光栅反射回倾斜光栅，产生二次反射泄漏到包层中，作为前向传输包层模；光纤表面沉积金膜，当包层模满足共振条件时，同时激发前向和后向SPR；前向SPR传感区域表面涂覆蛋白涂层；通过前向SPR传感区域完成外界湿度传感，后向SPR信号作为传感系统的自校准参考信号。本发明实现了湿度传感和自校准功能，结合天然蛋白，为其用于生物化学传感提供了一种可行方案。

技术领域

本发明涉及一种传感探头及其制备方法和应用该传感探头的传感器，特别是一种基于蛋白涂层的自校准湿度SPR传感探头及其制备方法和应用该传感探头的传感器，属于光纤传感领域。

背景技术

光纤生物传感器由于其结构紧凑、抗电磁干扰能力强、耐腐蚀、易于集成等优点，被广泛应用于环境监测、食品加工、化学检测以及生物医药工程等领域。小型化、高响应和生物相容性是影响此类传感器的关键因素。然而，传统的石英光纤表现出的化学惰性和生物不相容性，限制了装置的微型化和体内生物传感技术的发展。人们必须在光纤探头上涂覆特殊的敏感材料来检测PH、温湿度等。例如，2018年，Semwal Vivek等人使用聚苯胺作为敏感涂层，涂覆于光纤表面，用于PH值传感(SPR based fiber optic pH sensor usingpolyaniline as a sensing layer)；2019年，Rozalina Zakaria等人利用二硫化钼/二硫化钨作为敏感涂层，并涂覆于D型光纤表面，用于外界湿度传感(R.Zakaria,et al.,Micromachines,2019,10(7):465.)。但是这些涂层一般生物不兼容和不可生物降解，容易引起环境污染，而且复杂的制备过程限制了此类生物传感器的实际应用。

与合成材料相比，天然生物材料作为一种可再生资源，并具有生物相容性，生物可降解性等优势，可以作为合成材料的理想替代品用于生物传感。早在2014年，BorknerChristian等人通过将蚕丝和蜘蛛丝加工成高度定制的各向同性和各向异性涂层，证实了蛋白材料在生物医学领域、光学和生物传感器领域具有很高的应用价值(C.B.Borkner,M.B.Elsner,T.Scheibel,ACS Applied MaterialsInterfaces,2014,6(18):15611-15625.)。天然蛋白材料是由一系列氢键连接的氨基酸序列组成，当外界湿度变化时引起氢键破坏，从而改变蛋白质的光学特性(K.H.Tow,D.M.Chow,et al.,Journal of LightwaveTechnology,2017,36(4):1138-1144.)。基于这一特性，可以使用天然蛋白材料作为敏感材料用于湿度传感。

发明内容

针对上述现有技术，本发明要解决的技术问题是提供一种利用天然蛋白材料作为敏感涂层，结合光纤光栅，实现高灵敏度、高响应，自校准的光纤湿度SPR传感探头及其制备方法及应用该传感探头的传感器。

为解决上述技术问题，本发明的一种传感探头，包括单模光纤，单模光纤内设置有相连的倾斜光栅和布拉格光栅，光在单模光纤中传输，当经过倾斜光栅时一部分纤芯模经反射泄漏到包层中，作为后向传输包层模；另一部分透射纤芯模继续向前传输，经布拉格光栅反射回倾斜光栅，产生二次反射泄漏到包层中，作为前向传输包层模；光纤表面沉积金膜，当包层模满足共振条件时，同时激发前向和后向SPR；前向SPR传感区域表面涂覆蛋白涂层；通过前向SPR传感区域完成外界湿度传感，后向SPR信号作为传感系统的自校准参考信号。

本发明还包括：

1.倾斜光栅的反射波长范围和倾斜角度满足能够激发SPR现象。

2.布拉格光栅的反射波长范围应包含倾斜光纤的反射波长范围，且具有高反射率。

上述任意一种传感探头的制备方法，包括以下步骤：