多通道终端反射式光纤表面等离激元共振传感检测系统

本专利属于光纤生物传感技术领域，利用多路机械光切换器和一分多路光纤跳线扩展传统表面等离激元光纤传感检测系统的检测通道，结合反射式表面等离激元光纤探针形成小型化、便携式、多通道和高灵敏度的多通道终端反射式光纤表面等离激元共振传感检测系统。

背景技术：

表面等离激元传感器因其灵敏度高、背景干扰小、免标记检测和实时响应等优点已经在临床疾病诊断、食品安全和环境检测等领域受到广泛的关注。表面等离激元由于其波矢大于入射光波矢，入射光无法直接激发表面等离激元，需要对入射光进行波矢补偿。通常表面等离激元主要有三种耦合方式：棱镜耦合、光栅耦合和散射耦合。其中，基于kretschmann结构的棱镜耦合型表面等离激元传感器由于其灵敏度高、稳定性好和容易实现等优势已经实现了商品化并在医疗诊断和药物筛选等方面得到了初步的应用。表面等离激元传感信号的解调方法分为波长解调、角度解调、强度解调和相位解调。其中，角度解调和相位解调灵敏度高、但所需的系统复杂、成本高和易受外界干扰；强度解调系统简单，但对光源稳定性依赖性高；相比于角度和相位解调，波长解调的灵敏度有所降低，但其稳定性高、系统简单、易实现等优点得到人们广泛使用。

基于棱镜耦合的表面等离激元传感器由于其体积庞大和系统复杂，在一定程度上限制了传感器向小型化、便携式方向的发展。光纤表面等离激元传感器将表面等离激元传感技术与光纤本身的优势特性进行融合展现出了结构紧凑、高灵敏度、抗电磁干扰、远程监测和多路复用等优势，正逐渐取代了棱镜耦合型表面等离激元传感器。同时，光纤表面等离激元传感器还具有制备成本低、光学检测设备体积小和便携等优势，尤其在现场即使检测中具有广泛的应用前景。

现有的大部分表面等离激元光纤传感检测系统大部分是单通道透射式检测系统，每次测试仅能实现单一浓度下单个待测目标物的检测。而在科学研究、实际检测应用中，往往需要对多个浓度的多种待测物实现检测，例如在疾病诊断中通常需要对反应人体健康的多种标记物浓度进行标定。单通道检测极大增加了检测时间和人工成本，同时长时间检测时环境温度和湿度的改变会给测试带来不可避免的不良影响，这些因素降低了检测的时效性和准确性。为了实现多通道传感检测，最近人们给出了多种设计方案。两种代表性方案如下：第一种方案，在同一根光纤上不同位置利用不同传感膜层实现双通道检测，这种方案传感信号解调时，需要在同一光谱中识别不同共振峰。当检测通道进一步增加时，信号解调时共振峰的位置很难区分。另外，这种方案中由于多个检测通道位于同一根光纤上，当检测不同待测物时，其中一个通道特异性修饰时，其它通道需要特殊保护，这将增加检测的难度。第二种方案，利用光纤光开光实现多通道透射式检测，在该方案中受光纤光开光本身的限制无法实现近红外波段1100nm～2500nm范围内的光谱传感检测。另外该种方案搭建的多通道检测系统采用透射式的检测方式，这种方式不便于小型化集成，且仅适用于基于金膜的光纤表面等离激元探针，无法测量基于纳米结构的表面等离激元光纤探针。到目前为止，现有的多通道表面等离激元光纤传感检测系统仍然存在许多亟待解决的问题。

技术实现要素：

本发明的目的是针对现有技术存在的问题，提供一种高灵敏度、小型化、便携式、多通道终端反射式光纤表面等离激元共振传感检测系统，其不仅适用于基于膜层结构的表面等离激元光纤探针还适用于基于纳米结构的光纤探针。

本发明采用以下的技术方案：

一种多通道终端反射式光纤表面等离激元共振传感检测系统，包括光源1、一分多路熔融拉锥多模光纤跳线2、一分二熔融拉锥多模光纤跳线3、多路光切换器4、光纤法兰耦合器5、光纤光谱仪6、反射式表面等离激元光纤探针7、单通光纤跳线8、开关电源9和计算机10；

光源1与多路光切换器4均由开关电源9供电，光源1连接一分多路熔融拉锥多模光纤跳线2的公共端，一分多路熔融拉锥多模光纤跳线2中的各分支端分别与各一分二熔融拉锥多模光纤跳线3中的一个分支端通过光纤法兰耦合器5连接；一分二熔融拉锥多模光纤跳线3另一个分支端分别与多路光切换器4的多路输入端相连接，一分二熔融拉锥多模光纤跳线3的公共端与反射式表面等离激元光纤探针7通过光纤法兰耦合器5连接；多路光切换器4的输出端与光纤光谱仪6之间通过单通光纤跳线8连接，计算机10通过串口线控制多路光切换器4实现光路切换，光纤光谱仪6通过usb数据线实现信号采集与解调，构建多通道终端反射式光纤表面等离激元共振传感检测系统。

一分多路熔融拉锥多模光纤跳线2和一分二熔融拉锥多模光纤跳线3的纤芯直径均为200um～600um，数值孔径均为0.22～0.37，一分多路熔融拉锥多模光纤跳线2公共端与所有分支端的传输能量的分配比例为1:1/n，n为通道数；一分二熔融拉锥多模光纤跳线3公共端与分支端的传输能量的分配比例为1:1/2。

光源1为可见光及近红外光谱范围的卤素灯光源或超连续的白光光源，或激光光源。根据传感信号的解调方式选择不同的光源：强度解调选择激光光源和波长解调选择宽谱光源。

光纤光谱仪6是波长范围为400nm～1100nm可见光谱仪或波长范围为900nm～2500nm的红外光谱仪。

反射式表面等离激元光纤探针7包括两种：第一种探针，采用纤芯直径为400um～600um、数值孔径不低于0.22和长度为5cm～15cm的石英光纤；传感区域长度为1mm～10mm且需要去掉光纤表面的涂覆层和包层；传感区表面的传感层为30-70nm厚的金膜、银膜、铝膜、金属或介质多层膜，或是各种纳米粒子颗粒均匀生长在传感区域表面；传感探针的两个光纤端面依次采用颗粒尺寸为9um、3um、1um、0.03um的金刚石砂纸抛光,其中一个端面用光纤连接头封装，另一个端面先沉积100nm～200nm的银膜，再用胶封装形成反射端面；第二种探针，首先将光纤的两个端面利用金刚石砂纸抛光，然后利用微纳加工工艺将纳米结构制备在光纤的一个端面，另一个端面用光纤连接头封装。

本发明的有益效果：本发明将能实现快速切换的机械光切换器和一分多路光纤跳线相结合扩展传统表面等离激元光纤传感检测系统的检测通道，实现同一目标物多浓度同时检测或者多种目标物的同时检测，有效提高了检测效率、节省了检测时间，同时消除了测试环境和光源稳定性等对不同样品测试时的不良影响，提高检测的准确度。本发明解决了当前多通道传感检测技术中的3个主要不足：第一、采用反射式光路检测系统，进一步提高了检测系统的集成度；第二、利用机械传动的方式将出射准直镜精准定位实现光路对准，光谱传输的范围为360nm～2500nm,极大扩展了待测光谱的范围；第三、所述的检测传感系统不仅适用于基于膜层结构的表面等离激元光纤探针还适用于纳米结构光纤探针，传感检测系统具有普适性和通用性，克服了当前多通道检测系统只适用于膜层结构的表面等离激元光纤探针难题。

附图说明

图1为多通道终端反射式光纤表面等离激元共振传感检测系统的示意图。

图2为基于膜层结构的反射式光纤探针示意图。

图3为基于纳米结构的反射式光纤探针示意图。

图中：1光源；2一分多路熔融拉锥多模光纤跳线；3一分二熔融拉锥多模光纤跳线；4多路光切换器；5光纤法兰耦合器；6光纤光谱仪；7反射式表面等离激元光纤探针；8单通光纤跳线；9开关电源；10计算机。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本申请方案，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本申请保护的范围。

如图1所示的多通道终端反射式光纤表面等离激元共振传感检测系统，包括1光源、2一分多路熔融拉锥多模光纤跳线、3一分二熔融拉锥多模光纤跳线、4多路光切换器、5光纤法兰耦合器、6光纤光谱仪、7反射式表面等离激元光纤探针、8单通光纤跳线、9开关电源和10计算机。

多通道反射式测量光路的工作原理：如图1所示，光源1连接一分多路熔融拉锥多模光纤跳线2的公共端，将入射光均匀分配到多模光纤跳线2的n路分支端，每个分支端分别经光纤法兰耦合器5与y型熔融拉锥多模光纤跳线3的一个分支端连接。一分二熔融拉锥多模光纤跳线3的另一个分支端与多路光切换器4的输入端光纤准直器相连接。所有一分二熔融拉锥多模光纤跳线3的公共端与反射式表面等离激元光纤探针7通过光纤法兰耦合器5相连接。多路光切换器4输出端与光纤光谱仪6之间通过光纤法兰耦合器5连接，计算机10通过usb串口线控制光切换器4输出端光纤准直器的位置实现光路切换。开关电源9分别给多路光切换器4和光源1供电。光纤光谱仪6通过usb数据线与计算机9连接按照时间顺序依次实现多个传感探头信号的采集与解调，构建多通道表面等离激元传感系统。

如图2所示为基于膜层结构的反射式表面等离激元光纤探针的示意图。最常采用的膜层结构为50nm厚的金膜，其它膜层结构也同样适合于我们的传感检测系统。采用纤芯直径为400um～600um、数值孔径不低于0.22和长度为5cm～15cm的一段石英光纤；传感区域长度为1mm～10mm。光纤的一个端面磨平、镀100nm以上的银膜，然后用胶封装，另一个端头用光纤连接头封装。

如图3所示为基于纳米结构的光纤探针的示意图。利用微纳加工工艺将各种纳米结构制备在光纤的一个端面形成传感区域，另一个端面用光纤连接头封装。

在本专利中所述的光纤光谱仪可以采用波长范围为400nm～1100nm的可见光谱仪，也可采用900nm～2500nm的红外光谱仪。为了调高检测系统的集成度，所述的光源通常采用小型化的钨灯光源，光波长范围为360nm～2500nm。

所述的光纤跳线采用直径均为200um～600um，数值孔径均为0.22～0.37，长度根据实际需要进行定制。一分多路光纤跳线采用熔融拉锥方式实现光纤分光，多个光纤采用合束绑定的方式也可实现该功能。

所述的多路光切换器为通过步进电机精准控制丝杆运动实现光纤准直器光路对准的机械光切换器，输入端为多个具有光纤接口的光纤准直器，输出端为单个光纤准直器直接通过光纤跳线与光纤光谱仪连接，光切换器可以是2通道、4通道、8通道甚至更多，每个通道切换时间为1-10s，根据需要也可采用角替切换的方式。

以上所述仅为本专利的优选实施例而已，并不用于限制本专利，对于本领域的技术人员来说，本专利可以有各种更改和变化。凡在本专利的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。