技术领域
[0001] 本
发明涉及生化检测和光纤传感技术领域，具体涉及一种基于
表面等离子体共振原理的探测光纤及传感器。
背景技术
[0002] 表面等离子体共振(Surface Plasmon Resonance, 简称SPR)是发生在金属和
电介质界面的一种物理光学现象。由于SPR现象对光的入射条件以及环境介质的
介电常数变化极其敏感，SPR传感技术以其高灵敏度、免标记、非破坏性、可远程实时在线监测等优点，在生化传感领域得到了各国研究者的持久关注。为了实现局部测量和远程监测，早在1990年就有学者提出了将光纤作为激励介质的光纤SPR传感器，通常需要将普通光纤进行
腐蚀包层或拉锥等预处理，再在裸露的纤芯上
镀一层厚度均匀的金属膜（通常为金膜或
银膜）作为表面
等离子体波的载体。近年来，一种新型的光纤——
光子晶体光纤，以其天然的多孔结构、设计的灵活性和多样性，在解决传统光纤SPR传感器的
相位匹配和封装问题上提供了完美的解决方案。发明
专利“一种光纤表面等离子体共振传感检测装置”（专利
申请号200820212280.2）和“基于光子晶体光纤表面等离子体共振传感器”（专利申请号
201110190079.5）正是利用光子晶体光纤实现SPR传感技术的代表。加拿大的A. Hassani研究组在该领域做出了很大的贡献，自2006年以来，他们分别基于折射率导引型光子晶体光纤和光子带隙型光子晶体光纤设计了多种不同的SPR传感器，获得了较高的灵敏度。其中一种典型的折射率导引型光子晶体光纤SPR传感器结构如图1所示。这种以
石英玻璃5为衬底的光子晶体光纤由内到外包含三层空气孔2，在芯区1引入了较小空气孔2来降低导模的有效折射率以便满足激发SPR效应的相位匹配条件。在最外围的较大空气孔内壁利用高压化学气相淀积法涂覆一层厚度为40nm左右的金膜3，最后利用
毛细现象在
镀膜之后的外围空气孔中注入液态待测样品4。
[0003] 现有的基于光子晶体光纤的SPR传感器，如图1所示，动态测量范围较小，折射率探测上限低于1.42，这就无法测量一些高折射率的化学有机溶液（例如苯，硝基苯，苯胺等）。此外，由于外围样品溶液通道排列紧密，相邻溶液通道之间的相互干扰导致SPR共振
光谱曲线展宽，同时还存在多个共振峰，使得实际系统的
信噪比降低。多个溶液通道的同时存在不仅增加了纳米尺度金属膜镀制和待测溶液填充的工作量，而且很难保证每个溶液通道的金属膜厚度的均匀性和
质量的一致性。这种基于光子晶体光纤的SPR传感器已经不能满足当前生化检测领域对大折射率测量范围、高灵敏度、高线性度和高信噪比的需求。
发明内容
[0004] 本发明的目的在于提供一种封闭式的、全光纤的、具有大动态测量范围的表面等离子体共振探测光纤及传感器，旨在解决现有的基于光子晶体光纤的SPR传感器动态测量范围小、线性度不高、信噪比低、金属膜镀制和待测样品填充工作量大的
缺陷。
[0005] 为解决上述技术问题，本发明提供了一种表面等离子体共振探测光纤，包括纤芯以及在纤芯轴向上排列的空气孔，其特征在于，所述空气孔包括第一空气孔、第二空气孔，所述第一空气孔位于光纤横截面正中心，所述第一空气孔内壁镀有厚度为30-60nm的金属膜，所述金属膜内表面镀有厚度为20-60nm的传感材料，所述第一空气孔作为探测用的溶液通道；所述纤芯、第一空气孔的外围分别均匀分布N个所述第二空气孔，N为大于3的整数，在光纤横截面上，所述N个第二空气孔的中心点连线呈正N边形；所述光纤的纤芯数量M大于等于1。
[0006] 进一步地，所述空气孔还包括第三空气孔，在光纤横截面上，一个第三空气孔的中心点以及与之邻近的两个第二空气孔的中心点连线，或者二个第三空气孔的中心点以及与之邻近的一个第二空气孔的中心点连线，或者三个相互邻近的第三空气孔的中心点连线，均分别呈正三
角形。所述第三空气孔，用以增强纤芯的独立性。
[0007] 优选的，所述三角形为正三角形。
[0008] 进一步地，当M大于等于3时，所述纤芯的中心点连线呈正M边形。
[0009] 最优的，纤芯数量M的值为3。
[0010] 最优的，所述N的值为6。
[0011] 还优选的，所述空气孔均为圆形空气孔。
[0012] 优选的，纤芯由单一石英玻璃拉制而成。
[0013] 本发明还提供一种基于上述表面等离子体共振探测光纤的SPR传感器，包括宽带
光源、起偏器、耦合装置、传输光纤、传感光纤和光谱分析仪，其特征在于，所述传感光纤采用上述表面等离子体共振探测光纤。
[0014] 本发明结合气孔选择性填充法，利用液体的毛细现象将待测样品注入探测光纤的溶液通道。在光源耦合端调整入射光的入射条件和偏振态，使探测光纤的基模具有最大的激发效率。不同于已有的基于光子晶体光纤的SPR传感器，本发明中的SPR传感器的基模仅仅表现为单个共振峰，因此共振光谱较窄，信噪比较高。本发明的探测光纤的SPR传感器以
波长扫描的方式观察待测样品的SPR
信号。共振光谱以透射吸收峰的形式体现在光谱分析仪上，当待测样品的折射率发生变化时，该透射吸收峰也随之发生漂移，进而实现对待测样品的浓度或其他参量的实时在线测量与监控。本发明的新颖性在于，首次在基于光子晶体光纤的SPR传感器中实现了较大的折射率测量范围，其测量的折射率范围为1.33-1.53，突破了以往的同类传感器折射率探测上限低于1.42的限制。扩大了基于光子晶体光纤的SPR传感器的动态探测范围，可以有效地探测一些高折射率的化学有机溶液。
[0015] 相比现有的基于光子晶体光纤的SPR传感器，本发明具有以下优势：
[0016] 一、本发明采用单样品通道，有效避免了诸多排列紧密的样品通道之间的相互影响，共振光谱更窄，信噪比更高。同时还减少了金属和待测样品的消耗量，减少了纳米尺度金属膜镀制和微
流体填充的工作量。
[0017] 二、大折射率测量范围（1.33-1.53）和高线性度，可以有效地探测高折射率化学有机溶液，扩大了基于光子晶体光纤的SPR传感器的应用范围。
[0018] 三、独特的单芯或多芯结构设计，保证了基模只有一个共振峰，避免了高阶共振峰导致的共振光谱展宽。
[0019] 四、光纤由单一石英玻璃构成，所有空气孔尺寸相同，降低了光纤拉制过程中的工艺难度。
附图说明
[0020] 下面结合附图和具体实施方式对本发明的技术方案作进一步具体说明。
[0021] 图1为已有的表面等离子体共振探测光纤横截面示意图。
[0022] 图2为本发明的表面等离子体共振六纤芯探测光纤横截面示意图。
[0023] 图3为添加第三空气孔的六纤芯探测光纤横截面示意图。
[0024] 图4为本发明的表面等离子体共振单纤芯探测光纤横截面示意图。
[0025] 图5为本发明的表面等离子体共振三纤芯探测光纤横截面示意图。
[0026] 图6为本发明的SPR传感装置的结构示意图。
[0027] 其中，1：纤芯，2：空气孔，3：金属膜，4：第一空气孔(溶液通道)，5：石英玻璃衬底，6：传感层，7：由一个第三空气孔和与之相邻的二个第二空气孔形成的正三角形，8：由三个相互相邻的第三空气孔形成的正三角形，9：由一个第二空气孔和二个第三空气孔形成的正三角形，11～16：由第二、第三空气孔区隔形成的第1～第6个纤芯，10、17：第二空气孔，18：第三空气孔，31—超连续谱光源，32—起偏器，33—耦合单元，34—传感光纤，35—光谱分析仪。
具体实施方式
[0028] 以下结合附图及
实施例，对本发明的具体实施方式做进一步详细说明。
[0029] 如图2所示，第一空气孔4位于光纤横截面正中心，第一空气孔4内壁镀有厚度为30-60nm的金膜或银膜3，金膜或银膜3内为表面镀有厚度为20-60nm的传感材料形成的传感层6，第一空气孔4作为探测用的溶液通道。第一空气孔4的外围分别分布六个第二空气孔10，在光纤横截面上，这6个第二空气孔的中心点连线呈正六边形。标识11～16分别指向由第二空气孔10、17区隔形成的第一～第六个纤芯，第一～第六纤芯的中心点连线呈正六边形。
[0030] 除了第一、第二空气孔外，如图3所示，在光纤横截面上，还设有若干第三空气孔18，第一、第二、第三空气孔均为圆形孔。无论图2、3所示的6芯探测光纤，还是图4所示的单芯探测光纤，图5所示的三芯探测光纤，一个第三空气孔的中心点以及与之邻近的两个第二空气孔的中心点连线7，或者二个第三空气孔的中心点以及与之邻近的一个第二空气孔的中心点连线9，或者三个相互邻近的第三空气孔的中心点连线8，均分别呈正三角形，如图5所示。
[0031] 最优选的是图5所示的由第二空气孔和第三空气孔区隔且呈中心对称均匀分布的三芯探测光纤，由单一石英玻璃拉制而成。
[0032] 如图6所示，本发明实施例提供的基于多芯多孔光纤SPR传感检测装置包括超连续谱光源31，其在400-2300nm范围内有稳定的连续光谱输出。还包括起偏器32，用以调整入射光的偏振态，耦合单元33由一系列的耦合
光学透镜及显微物镜组成，其作用是通过空间耦合，将入射光
能量较高效率地耦合进入传感光纤中。通过控制入射条件，可使传感光纤34中的基模具有最大的激发效率，光谱分析仪35用来实时观察SPR信号的变化。
[0033] 以样品的折射率测量为具体实施例。当传感光纤完成样品填充以后，调整其在三维平移台上的
位置，使其保持
水平状态并与光学耦合系统共轴。然后利用起偏器调整入射光为线偏振光，使其偏振方向与第一个纤芯11的对称轴平行。控制耦合条件使超连续谱光源发出的光最高效率地耦合进入传感光纤的纤芯，在接收端利用光谱分析仪观察并记录透射吸收峰的位置。当流经溶液通道的待测样品的折射率发生变化时，光谱分析仪上的透射吸收峰就会发生相应的漂移。具体地讲，当待测样品的折射率变大时，表面等离子
体模式的有效折射率随之变大，而纤芯基模的有效折射率几乎不受影响，最终导致了相位匹配点向长波长方向移动，即光谱分析仪上的透射吸收峰发生了红移。同样地，当待测样品的折射率变小时，光谱分析仪上的透射吸收峰将会发生蓝移。通过本发明提供的多芯多孔光纤SPR传感器可以对待测样品的折射率变化进行实时在线监测。
[0034] 选择适当的传感层材料，还可以对待测样品的
温度进行监测。例如，当传感层为具-4有高热光系数的有机物异丙醇（热光系数为-4.5×10 /K）时，当待测样品的温度升高时，异丙醇的有效折射率减小，进而导致表面等离子体模式的有效折射率减小，光谱分析仪上的透射吸收峰将会发生蓝移。相应地，当待测样品的温度降低时，光谱分析仪上的透射吸收峰将会发生红移。除此之外，通过选择传感层材料的种类和厚度还可以对本发明的共振波长进行有效地调控，可将共振波长调至设计所需的光谱范围，以适应现有的光学系统。
[0035] 最后所应说明的是，以上具体实施方式仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行
修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的
权利要求范围当中。
