CN201955305U - 基于表面等离子共振和受激拉曼散射的光纤型传感系统 - Google Patents
基于表面等离子共振和受激拉曼散射的光纤型传感系统 Download PDFInfo
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Abstract
基于表面等离子共振和受激拉曼散射的光纤型传感系统，包括宽带光源，P型偏振片，聚焦凸透镜，偏振控制器，光纤分束器，光纤斜面端，SPR探头和光纤光谱仪；P型偏振片位于宽带光源和聚焦凸透镜之间，聚焦凸透镜将偏振宽带光耦合入偏振控制器，偏振控制器与光纤分束器的一个输入端连接，光纤光谱仪与光纤分束器的另一个输入端连接，光纤斜面端与光纤分束器的一个输出端连接，SPR探头与光纤分束器的另一个输出端连接；光纤斜面端的自由端呈斜面；SPR探头包括光纤，裸露纤芯的端面有第一金属膜、周围有第二金属膜，第二金属膜表面有纳米膜，纳米膜上有敏感膜。本实用新型具有通用性好，灵敏度高，稳定性好，可实现远程监测的优点。
Description
技术领域
本实用新型涉及一种基于表面等离子共振和受激拉曼散射的光纤型传感系统。
技术背景
生化传感技术被广泛应用到基础生命科学、医学、生化、环境和食品检测等领域，传统的生物传感技术很难实现生物分析相互作用的实时在线检测，如X射线光电子光谱(XPS)、俄歇电子能谱(AES)等，价格昂贵，设备庞大，实验条件苛刻(高真空)，另外的一些常用免疫测试技术，如荧光免疫测定，一般都需要标记，而且测试过程复杂，测试时间较长。随着测试技术的发展，人们对检测的精度以及多样性提出了更高的要求。
实用新型内容
为克服现有技术的上述缺点，本实用新型提供了一种通用性好，灵敏度高，稳定性好，可实现远程监测的微型的基于表面等离子共振和受激拉曼散射的光纤型传感系统。
基于表面等离子共振和受激拉曼散射的光纤型传感系统，包括发出入射光的宽带光源，将入射光转变为偏振宽带光的P型偏振片，聚焦凸透镜，调节偏振宽带光的偏振、增强共振效果的偏振控制器，光纤分束器，防止光波反射形成自激的光纤斜面端，进入被分析溶液中产生SPR光谱的SPR探头，和检测共振波长的光纤光谱仪；
所述的P型偏振片位于所述的宽带光源和聚焦凸透镜之间，所述的聚焦凸透镜将偏振宽带光耦合入所述的偏振控制器中，所述的偏振控制器与光纤分束器的一个输入端连接，所述的光纤光谱仪与光纤分束器的另一个输入端连接，所述的光纤斜面端与光纤分束器的一个输出端连接，所述的SPR探头与所述的光纤分束器的另一个输出端连接；所述的光纤斜面端的自由端呈斜面；
所述的SPR探头包括头部纤芯裸露的光纤，裸露纤芯的端面均匀沉积有作为端面反射镜的第一金属膜，裸露纤芯的周面均匀沉积一层第二金属膜，所述的第二金属膜表面修饰有纳米膜，所述纳米膜上沉积一层敏感膜。
进一步，所述的第一金属膜为厚度约300nm的金膜或银膜；所述的第二金属膜为通过射频磁控溅射沉积而成的厚度为50nm±0.1nm的金膜(Au膜)；所述的纳米膜为通过激光诱导在Au膜上修饰而成的Au纳米膜。
进一步，所述的光纤分束器为2×2光纤分束器。
进一步，所述的SPR探头的光纤为普通单模光纤。
本实用新型的“连接”是指针对光路而言的连接，例如所述光纤偏振控制器与所述2×2光纤分束器输入端的一端连接，即理解为“从光纤偏振控制器输出的光信号输入到2×2光纤分束器输入端的一端”，其他地方也同理解释。
表面等离子体共振(Surface Plasmon Resonance，SPR)技术是光在玻璃和金属界面处发生全反射时产生的倏逝波会引发金属表面的自由电子产生表面等离子，当表面等离子体和倏逝波的频率和波数相同时，就会产生表面等离子体共振(SPR)，其共振波长主要和金属膜的介电常数、待测溶液的浓度、折射率等参数密切相关，因此在只改变待测溶液而其他参数不变的条件下，光纤SPR传感器的共振波长与待测溶液折射率之间存在对应关系。SPR技术具有待测物无需纯化、样品无需标记、实时监测反应的动态过程、灵敏度高、背景干扰小、响应速度快、检测时间短等优点，目前得到了广泛的重视和迅速发展；而金属纳米结构的表面增强拉曼散射效应(SERS)使得吸附在具有SERS活性的金属表面分子的拉曼信号和溶液中相同数量分子的拉曼信号相比发生了高达106的巨大增强，导致SERS技术对表面物质具有极高检测灵敏度和选择性，可在分子水平上实时观测到界面各种物质“指纹”信息(化学结构和组成)。
光纤SPR传感系统是把光纤技术与SPR/SERS技术结合在一起，将SPR敏感部分缩小到光纤芯径尺寸，光纤直径一般在600um以下，SPR探头的长度在5mm-25mm，十分小巧，而且，检测时无需标记样品，保持了分子结构和活性，灵敏度高，同时使用光纤的传导作用，可实现远距离的在线检测，检测过程方面快捷，是今后技术发展和系统微型化要求的自然延伸。
本实用新型将表面等离子共振(SPR)效应和光纤技术结合起来。SPR技术及金属纳米结构的表面增强拉曼散射效应，具有高检测灵敏度的特点，可使得拉曼信号得到巨大增强，检测精度提高；采用光纤作为传感器探头，结构小巧，有利于系统的微型化，同时克服了棱镜型SPR结构中易受机械结构、光源波动等外界因素的影响。
终端反射式光纤SPR探头的构造方法是在光纤端头取一定长度，光纤为普通单模光纤，把纤芯外的包层和涂覆层腐蚀掉，抛光光纤的端面，在光纤端头沉积一层金属膜(金或银)作为全反射镜，而后在此端一段纤芯上沉积生物敏感膜和金属Au膜，并在金属Au膜上修饰Au纳米膜。宽带光源经P型偏振片和聚焦凸透镜后耦合进光纤偏振控制器中，经2×2光纤分束器后输入至SPR探头，在光纤传输过程中，满足SPR共振条件的光将在被金属膜全反射镜反射后，经过共振，产生SPR光谱，产生的SPR光谱经2×2光纤分束器反向输出至光纤光谱仪，观测到被分析物质的SPR光谱。
本实用新型具有通用性强，灵敏度高，稳定性和重现型好，价格低廉，可实现微型和远程检测的优点。
附图说明
图1是本实用新型的示意图。
图2是SPR探头的结构示意图。
具体实施方式
参照附图，进一步说明本实用新型：
基于表面等离子共振和受激拉曼散射的光纤型传感系统，包括发出入射光的宽带光源1，将入射光转变为偏振宽带光的P型偏振片2，聚焦凸透镜3，调节偏振宽带光的偏振、增强共振效果的偏振控制器4，光纤分束器5，防止光波反射形成自激的光纤斜面端6，进入被分析溶液中产生SPR光谱的SPR探头8，和检测共振波长的光纤光谱仪7；
所述的P型偏振片2位于所述的宽带光源1和聚焦凸透镜3之间，所述的聚焦凸透镜3将偏振宽带光耦合入所述的偏振控制器4中，所述的偏振控制器4与光纤分束器5的一个输入端连接，所述的光纤光谱仪7与光纤分束器5的另一个输入端连接，所述的光纤斜面端6与光纤分束器5的一个输出端连接，所述的SPR探头8与所述的光纤分束器5的另一个输出端连接；所述的光纤斜面端6的自由端呈斜面；
所述的SPR探头8包括头部纤芯裸露的光纤81，裸露纤芯82的端面均匀沉积有作为端面反射镜的第一金属膜83，裸露纤芯82的周面均匀沉积一层第二金属膜84，所述的第二金属膜84表面修饰有纳米膜85，所述纳米膜上均匀沉积一层敏感膜86。
所述的第一金属膜83为厚度约300nm的金膜或银膜；所述的第二金属膜84为通过射频磁控溅射沉积而成的厚度为50nm±0.1nm的金膜(Au膜)；所述的纳米膜85为通过激光诱导在Au膜上修饰而成的Au纳米膜。
所述的光纤分束器5为2×2光纤分束器。
所述的SPR探头8的光纤为普通单模光纤。
本实用新型的“连接”是指针对光路而言的连接，例如所述光纤偏振控制器与所述2×2光纤分束器输入端的一端连接，即理解为“从光纤偏振控制器输出的光信号输入到2×2光纤分束器输入端的一端”，其他地方也同理解释。
表面等离子体共振(Surface Plasmon Resonance，SPR)技术是光在玻璃和金属界面处发生全反射时产生的倏逝波会引发金属表面的自由电子产生表面等离子，当表面等离子体和倏逝波的频率和波数相同时，就会产生表面等离子体共振(SPR)，其共振波长主要和金属膜的介电常数、待测溶液的浓度、折射率等参数密切相关，因此在只改变待测溶液而其他参数不变的条件下，光纤SPR传感器的共振波长与待测溶液折射率之间存在对应关系。SPR技术具有待测物无需纯化、样品无需标记、实时监测反应的动态过程、灵敏度高、背景干扰小、响应速度快、检测时间短等优点，目前得到了广泛的重视和迅速发展；而金属纳米结构的表面增强拉曼散射效应(SERS)使得吸附在具有SERS活性的金属表面分子的拉曼信号和溶液中相同数量分子的拉曼信号相比发生了高达106的巨大增强，导致SERS技术对表面物质具有极高检测灵敏度和选择性，可在分子水平上实时观测到界面各种物质“指纹”信息(化学结构和组成)。
光纤SPR传感系统是把光纤技术与SPR/SERS技术结合在一起，将SPR敏感部分缩小到光纤芯径尺寸，光纤直径一般在600um以下，SPR探头的长度在5mm-25mm，十分小巧，而且，检测时无需标记样品，保持了分子结构和活性，灵敏度高，同时使用光纤的传导作用，可实现远距离的在线检测，检测过程方面快捷，是今后技术发展和系统微型化要求的自然延伸。
本实用新型将表面等离子共振(SPR)效应和光纤技术结合起来。SPR技术及金属纳米结构的表面增强拉曼散射效应，具有高检测灵敏度的特点，可使得拉曼信号得到巨大增强，检测精度提高；采用光纤作为传感器探头，结构小巧，有利于系统的微型化，同时克服了棱镜型SPR结构中易受机械结构、光源波动等外界因素的影响。
终端反射式光纤SPR探头的构造方法是在光纤端头取一定长度，光纤为普通单模光纤，把纤芯外的包层和涂覆层腐蚀掉，抛光光纤的端面，在光纤端头沉积一层金属膜(金或银)作为全反射镜，而后在此端一段纤芯上沉积生物敏感膜和金属Au膜，并在金属Au膜上修饰Au纳米膜。宽带光源经P型偏振片和聚焦凸透镜后耦合进光纤偏振控制器中，经2×2光纤分束器后输入至SPR探头，在光纤传输过程中，满足SPR共振条件的光将在被金属膜全反射镜反射后，经过共振，产生SPR光谱，产生的SPR光谱经2×2光纤分束器反向输出至光纤光谱仪，观测到被分析物质的SPR光谱。
如图1所述示，SPR探头应用在测量溶液折射率的系统中，使用入射光为波长400nm到1000nm的宽带光源，经P型偏振片处理后变为偏振宽带光，经聚焦凸透镜耦合进入光纤偏振控制器，光纤偏振控制器的作用是通过调节偏振，达到更好的共振效果，偏振宽带光经2×2光纤分束器，输出一端连接光纤斜面端，防止光反射回去形成自激，另一端连接至SPR探头。SPR探头直接插入到被测溶液，入射光到达SPR探头后，与溶液介质相互作用产生SPR效应，再经过纤芯端面的全反射镜作用后形成反射SPR光，反射光经过2×2光纤分束器另一输入端进入光纤光谱仪。经过计算机处理后输出反射光强与光波长之间的关系曲线。光谱仪的检测范围为500-900nm，分辨率为0.5nm，即可检测到500-900nm之间变化的共振波长。如果更换更高分辨率的光谱仪可以进一步提高系统的测量精度和灵敏度，同时可以根据实际需要更换检测系统中的光谱仪。
本实用新型使用方便灵活，只需将SPR探头浸入被分析溶液，即可通过测量共振波长，实时检测被测液体折射率的变化，稳定性和重现性好；同时利用光纤传导和计算机技术结合，可实现远距离传送光信号，满足一些特殊危险区域检测的应用。其通用性强，灵敏度高等特点，使其可广泛应用在化学、生物和环境医学等领域。
本说明书实施例所述的内容仅仅是对实用新型构思的实现形式的列举，本实用新型的保护范围不应当被视为仅限于实施例所陈述的具体形式，本实用新型的保护范围也及于本领域技术人员根据本实用新型构思所能够想到的等同技术手段。
Claims (4)
1.基于表面等离子共振和受激拉曼散射的光纤型传感系统，其特征在于：包括发出入射光的宽带光源，将入射光转变为偏振宽带光的P型偏振片，聚焦凸透镜，调节偏振宽带光的偏振、增强共振效果的偏振控制器，光纤分束器，防止光波反射形成自激的光纤斜面端，进入被分析溶液中产生SPR光谱的SPR探头，和检测共振波长的光纤光谱仪；
所述的P型偏振片位于所述的宽带光源和聚焦凸透镜之间，所述的聚焦凸透镜将偏振宽带光耦合入所述的偏振控制器中，所述的偏振控制器与光纤分束器的一个输入端连接，所述的光纤光谱仪与光纤分束器的另一个输入端连接，所述的光纤斜面端与光纤分束器的一个输出端连接，所述的SPR探头与所述的光纤分束器的另一个输出端连接；所述的光纤斜面端的自由端呈斜面；
所述的SPR探头包括头部纤芯裸露的光纤，裸露纤芯的端面均匀沉积有作为端面反射镜的第一金属膜，裸露纤芯的周围均匀沉积一层第二金属膜，所述的第二金属膜表面修饰有纳米膜，所述纳米膜上沉积一层敏感膜。
2.如权利要求1所述的基于表面等离子共振和受激拉曼散射的光纤型传感系统，其特征在于：所述的第一金属膜为厚度约300nm的金膜或银膜；所述的第二金属膜为通过射频磁控溅射沉积而成的厚度为50nm±0.1nm的金膜(Au膜)；所述的纳米膜为通过激光诱导在Au膜上修饰而成的Au纳米膜。
3.如权利要求2所述的基于表面等离子共振和受激拉曼散射的光纤型传感系统，其特征在于：所述的光纤分束器为2×2光纤分束器。
4.如权利要求3所述的基于表面等离子共振和受激拉曼散射的光纤型传感系统，其特征在于：所述的SPR探头的光纤为普通单模光纤。
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