具有表面波导的单模光纤、SPR生物传感器及制备方法与流程

本发明涉及传感器技术领域，尤其涉及一种具有表面波导的单模光纤、spr生物传感器及制备方法。

背景技术：

目前，市场上具有多种常见的光纤表面等离子体子共振(surfaceplasmonresonance，spr)传感器，例如微纳光纤耦合型spr传感器，侧边抛磨光纤耦合型spr传感器、倾斜光纤光栅耦合型spr传感器及光子晶体光纤耦合型spr传感器。然而上述spr传感器存在各种各样的问题。具体如下：

其中，微纳光纤耦合型spr传感器是将多模光纤或者单模光纤进行拉伸变细，当波导细到一定程度时，表面会产生较强的倏逝场，在锥区表面沉积一定厚度的金属层，倏逝场便能有效激发等离子体元发生共振，产生spr效应。然而，该微纳光纤耦合型spr传感器的缺点是：对光纤进行拉锥变细后破坏了其固有的物理结构，降低了传感器的机械强度。

其中，侧边抛磨光纤耦合型spr传感器是对光纤圆柱面的一侧加工抛磨平面，使得纤芯传输光波模式的倏逝场到达这个平面，进而进入抛磨区表面沉积的金属层，激发金属层内的等离子体共振，产生spr效应，但是仍然存在缺点，即：在不同程度上破坏了光纤固有的物理结构，极大地降低了传感器的机械强度，无法在许多应用场合使用。

其中，对于倾斜光纤光栅耦合型spr传感器，倾斜光纤光栅各阶包层模在包层与外部介质的分界面上发生全反射，利用全反射产生的倏逝波来激励表面等离子体发生共振，产生spr效应，但是仍然存在缺点：全反射产生的倏逝波较弱，激发spr效应的效率较低。

其中，光子晶体光纤耦合型spr传感器，是利用光子晶体光纤的无截止单模特性和可控的倏逝场渗透能力激发等离子体共振。通过在光子晶体光纤的空气孔内镀上膜，将液体填充在该空气孔内来测量液体的折射率。然而，缺点为：需要在光纤内部镀膜，工艺较为复杂，测试时需要将被测溶液精确注入光纤内部，操作较为繁琐。

综上，现有的光纤spr传感器存在破坏了光纤的物理结构，降低了机械强度，或者激发spr效应的效率低，或者制备工艺复杂的问题。

技术实现要素：

本发明的主要目的在于提供一种具有表面波导的单模光纤、spr生物传感器及制备方法，旨在解决现有技术中光纤spr传感器的物理结构被破坏，降低了机械强度，激发spr效应的效率低，制备工艺复杂等技术问题。

为实现上述目的，本发明第一方面提供一种具有表面波导的单模光纤，所述单模光纤包括构成全反射条件的纤芯和包层，所述包层包覆所述纤芯，所述包层内包含表面波导；

所述表面波导贴近所述包层的表面，且所述表面波导是采用飞秒激光直写光波导技术写制，所述表面波导用于产生激发spr效应的强倏逝场。

可选的，所述包层内还包含分束器及合束器，所述表面波导的一端与所述分束器的一端连接，所述表面波导的另一端与所述合束器的一端连接；

所述分束器的另一端及所述合束器的另一端均与所述纤芯平行且距离小于或等于预设距离，或者均写入所述纤芯，或者与所述纤芯形成预设夹角；

所述分束器及所述合束器均采用飞秒激光直写波导技术写制。

可选的，则所述分束器包括第一直线波导及第一s型波导，所述合束器包括第二直线波导及第二s型波导；

所述第一直线波导的一端与所述第一s型波导的一端连接，所述第一s型波导的另一端与所述表面波导的一端连接，所述表面波导的另一端与所述第二s型波导的一端连接，所述第二s型波导的另一端与所述第二直线波导的一端连接；

所述第一直线波导与所述第二直线波导平行于所述纤芯，且与所述纤芯之间的距离为预设值。

可选的，所述分束器包括第三s型波导，所述合束器包括第四s型波导；

所述第三s型波导的一端写入所述纤芯，另一端与所述表面波导的一端连接，所述表面波导的另一端与所述第四s型波导的一端连接，所述第四s型波导的另一端写入所述纤芯。

可选的，所述表面波导的长度为4mm～8mm；

所述第一s型波导及第二s型波导的曲率为35mm～50mm，或者所述第三s型波导及所述第四s型波导的曲率为35mm～50mm。

可选的，所述分束器包括一端具有弧度的第三直线波导、所述合束器包括一端具有弧度的第四直线波导；所述第三直线波导具有弧度的一端与所述表面波导的一端连接，所述表面波导的另一端与所述第四直线波导具有弧度的一端连接，所述表面波导的长度为4mm～8mm；

所述第三直线波导长于所述第四直线波导，所述第三直线波导的另一端与所述纤芯交叉，形成预设夹角，所述第四直线波导的另一端写入所述纤芯，且形成所述预设夹角，所述预设夹角为0.01rad～0.05rad。

为实现上述目的，本发明第二方面提供一种spr生物传感器，包括如第一方面所述的单模光纤，该单模光纤上镀有镀膜层，所述镀膜层上覆盖有氧化后的多巴胺薄膜层，所述多巴胺薄膜层上包含脱氧核糖核酸dna探针。

为实现上述目的，本发明第三方面提供一种spr生物传感器的制备方法，包括：

利用飞秒激光直写光波导技术在初始单模光纤内写制表面波导，得到具有表面波导的单模光纤；

采用磁控溅射镀膜方法在所述单模光纤上镀上镀膜层；

采用自聚合方式在所述镀膜层上形成预设厚度的多巴胺薄膜层，得到spr生物传感器样品；

将所述spr生物传感器样品放入dna探针分子溶液中进行氧化，使得氧化后的多巴胺薄膜层上包含脱氧核糖核酸dna探针。

可选的，所述采用磁控溅射镀膜方法在所述单模光纤上镀上镀膜层，包括：

将所述单模光纤放置在光纤旋转装置上，由所述光纤旋转装置带动所述单模光纤旋转，且在旋转的过程中，采用磁控溅射镀膜方法在所述单模光纤上均匀镀膜，得到镀膜层。

可选的，所述镀膜层的材料包括ti/ag/au复合金属膜，所述镀膜层的厚度为45nm～60nm。

可选的，所述采用自聚合方式在所述镀膜层上形成预设厚度的多巴胺薄膜层，得到spr生物传感器样品，包括：

将具有镀膜层的单模光纤放入已稀释多巴胺溶剂的缓冲液中存放第一时长；

将所述具有镀膜层的单模光纤从所述缓冲液中取出，放入多巴胺溶液进行生物交联膜自组装，以便在所述镀膜层上形成预设厚度的多巴胺薄膜层，得到spr生物传感器样品。

本发明提供的技术方案的有益效果如下：

在本发明实施例中，单模光纤包括构成全反射条件的纤芯和包层，该包层包覆纤芯，且包层内包含表面波导，该表面波导贴近包层的表面，且表面波导采用飞秒激光直写波导技术写制，表面波导用于产生激发spr效应的强倏逝场。相对于现有技术，由于单模光纤内的表面波导是利用飞秒激光直写光波导技术写制的，使得不会破坏光纤的物理结构，使得单模光纤具有较强的机械强度，且由于单模光纤内包含表面波导，使得能够将光纤纤芯内的光波能量引导至光纤表面，产生强倏逝场，且制作简单，激发效率高。且进一步的，包含上述单模光纤的spr生物传感器也将避免物理结构被破坏，机械强度低的问题，且还具有激发spr效应的效率高，制备工艺简单等优点。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例中具有表面波导的单模光纤的结构示意图；

图2为本发明实施例中另一具有表面波导的单模光纤的结构示意图；

图3为本发明实施例中另一具有表面波导的单模光纤的结构示意图；

图4为本发明实施例中spr生物传感器的制备方法的流程示意图；

图5为本发明实施例中spr生物传感器制备流程示意图。

具体实施方式

为使得本发明的发明目的、特征、优点能够更加的明显和易懂，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明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发明一部分实施例，而非全部实施例。基于本发明中的实施例，本领域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，都属于本发明保护的范围。

在本发明实施例中，提供一种具有表面波导的单模光纤，该单模光纤包括构成全反射条件的纤芯和包层，该包层包覆纤芯，且该包层内包含表面波导；

其中，表面波导贴近包层的表面，表面波导采用飞秒激光直写光波导技术写制，表面波导用于产生激发spr效应的强倏逝场。优选的，表面波导与包层表面的距离为0～5um。

进一步的，上述包层内还包含分束器及合束器，其中，表面波导的一端与分束器的一端连接，该表面波导的另一端与合束器的一端连接；

上述分束器的另一端及合束器的另一端均与包层内的纤芯平行且距离小于或等于预设距离，或者均写入纤芯，或者与纤芯形成预设夹角；优选的，分束器及合束器均可以采用飞秒激光直写波导技术写制。

可以理解的是，上述分束器、表面波导及合束器构成了完整的波导器，其中，当分束器及合束器的一端与纤芯平行且距离小于或等于预设距离时，该波导器可以是定向耦合型波导器，当分束器及合束器均写入纤芯时，该波导器可以是s型波导器，当分束器的一端与纤芯交叉，形成预设夹角，且合束器的一端写入纤芯时，该波导器可以是x型波导器。

其中，分束器是用于将光从纤芯中耦合到表面波导，合束器是用于将光从表面波导耦合回纤芯中。

为了更好的理解本发明实施例中的技术方案，下面将分别进行介绍。

请参阅图1，为本发明一个可选的实施例中具有表面波导的单模光纤的结构示意图，该单模光纤包括构成全反射条件的纤芯和包层，包层包覆纤芯，且包层内包含定向耦合型波导器，该波导器包含分束器、表面波导l3及合束器，其中，分束器包括：第一直线波导l1及第一s型波导s1，合束器包括第二直线波导l2及第二s型波导s2。

其中，第一直线波导l1的一端与第一s型波导s1的一端连接，第一s型波导s1的另一端与表面波导l3的一端连接，表面波导l3的另一端与第二s型波导s2的一端连接，第二s型波导s2的另一端与第二直线波导l2的一端连接。

其中，第一直线波导l1和第二直线波导l2平行于纤芯，且与纤芯之间的距离为预设值，该预设值大于0，且在图1中，该预设值以距离为d为例。优选的，该d的值具体可以为2～10um。

其中，表面波导与包层表面的距离为0～5um，表面波导采用飞秒激光直写光波导技术写制，表面波导用于产生激发spr效应的强倏逝场。

在本发明实施例中，单模光纤由纤芯和包层构成全反射条件，使得光可以低损耗地在纤芯中长距离传输，上述的第一直线波导l1和第二直线波导l2用于与纤芯发生定向耦合，第一s型波导s1和第二s型波导s2用于将光能量传输到表面波导l3，表面波导l3将光能量引导至光纤表面，产生强倏逝场。

其中，波导器为定向耦合波导器时，在一种可行的实现方式中，上述第一s型波导s1及第二s型波导s2的曲率为35mm～50mm，优选为50mm，表面波导l3的长度为4mm～8mm，优先为5mm。

需要说明的是，在本发明实施例中，第一直线波导l1和第二直线波导l2与纤芯的距离是相同的，均为d，且该定向耦合型波导器的耦合效率与第一直线波导l1和第二直线波导l2的长度有关，与第一直线波导l1和第二直线波导l2与纤芯之间的距离有关，在实际应用中，可以通过大量实验的方式确定耦合效率满足预设值(如75％)时，直线波导的长度和上述距离之间的关系，此处不做限定。

请参阅图2，为本发明另一个可选的实施例中具有表面波导的单模光纤的结构示意图，该单模光纤包括构成全反射条件的纤芯和包层，包层包覆纤芯，且包层内包含s型波导器，该s型波导器包含分束器、表面波导l3及合束器，其中，分束器包括第三s型波导s3，合束器包括第四s型波导s4。

其中，第三s型波导s3的一端写入纤芯，另一端与表面波导l3的一端连接，表面波导的另一端与第四s型波导的一端连接，第四s型波导的另一端写入纤芯。

其中，上述表面波导的长度为4mm～8mm，表面波导与包层表面的距离为0～5um，表面波导采用飞秒激光直写光波导技术写制，表面波导用于产生激发spr效应的强倏逝场。

上述第三s型波导及第四s型波导的曲率为35mm～50mm。

请参阅图3，为本发明另一可选的实施例中具有表面波导的单模光纤的结构示意图，该单模光纤包括构成全反射条件的纤芯和包层，该包层包覆纤芯，且包层内包含x型波导器，该x型波导器包括分束器、表面波导l3及合束器，其中，分束器包括：一端具有弧度的第三直线波导l4，合束器包括：一端具有弧度的第四直线波导l5；其中，第三直线波导l4具有弧度的一端与表面波导l3的一端连接，表面波导l3的另一端与第四直线波导l5具有弧度的一端连接，上述表面波导的长度为4mm～8mm，且表面波导与包层表面的距离为0～5um，表面波导采用飞秒激光直写光波导技术写制，表面波导用于产生激发spr效应的强倏逝场。

其中，表面波导l3贴近单模光纤的包层的表面，其中，第三直线波导l4长于第四直线波导l5，第三直线波导l4与纤芯交叉，形成预设夹角，第四直线波导l5的一端延伸至纤芯，且形成预设夹角，如图中的夹角θ。可以理解的是，该形成的预设夹角为0.10rad～0.05rad。

需要说明的是，第三直线波导l4与第四直线波导l5的一端具有的弧度具体可以是圆弧状，使得与表面波导l3连接后，光能够顺畅通过。

在本发明实施例中，还提供一种srp生物传感器，该spr生物传感器包括图1或图2或3任意一个实施例中的具有表面波导的单模光纤，且该单模光纤上镀有镀膜层，在镀膜层上覆盖有氧化后的多巴胺薄膜层，在多巴胺薄膜层上包含dna(脱氧核苷酸，deoxyribonucleicacid)探针。

其中，镀膜层使用的是金属膜材料，金属膜用来提供与光纤表面倏逝波发生共振的等离子体，dna探针是一种以病原微生物dna或rna的特异性片段为模板，人工合成的带有放射性或生物素标记的单链dna片段，本申请中的dna分子主要用于特异性识别生物分子，多巴胺用于作为dna探针与光纤表面波导的交联剂，可将生物分子与基底交联，并且通过简单的自聚合方式在基底表面形成厚度可控的薄膜层。

需要说明的是，本发明实施例中的spr生物传感器是指光纤spr生物传感器。

为了更好的理解本发明实施例中的spr生物传感器，请参阅图4，为本发明一个可行的实施例中spr生物传感器的制备方法的流程示意图，包括：

步骤401、利用飞秒激光直写光波导技术在初始单模光纤内写制表面波导，得到具有表面波导的单模光纤；

在本发明实施例中，以制备图1所示的具有表面波导的单模光纤为例描述制备过程，在图1中，定向耦合型波导器的两端是平行于单模光纤的纤芯的第一直线波导l1和第二直线波导l2，且第一直线波导l1和第二直线波导l2与纤芯的距离均为d，定向耦合型波导器的耦合效率与第一直线波导l1、第二直线波导l2以及上述距离d的大小有关，表面波导l3是spr生物传感器的感应区域。

上述步骤401具体包括以下过程：取一段普通单模光纤作为初始单模光纤，用光纤剥线钳在初始单模光纤的中间部位剥除掉预设长度(例如：2cm)的涂覆层，用蘸有酒精的无尘纸将裸露的光纤包层搽拭干净；然后将裸露光纤包层的部分固定在激光位移平台的中间，保持无应力绷直状态，并且使光纤轴线平行于位移平台面；将少量石蜡油滴在裸露包层部位，移动浸油物镜使镜头刚好浸入石蜡油之中，石蜡油的折射率与光纤折射率近似或相同，用来减少光纤圆柱形曲面引起的光学像差；将物镜聚焦点聚焦在光纤纤芯中间，使用控制位移平台的软件分别设置第一直线波导l1、第二直线波导l2及表面波导l3的长度以及第一s型波导s1和第二s型波导s2的曲率；飞秒激光沿着设定好参数的曲线在光纤底部包层内写制分束器、合束器及表面波导，表面波导位于光纤底部界面。分别测试表面波导在石蜡油和空气中的光谱，当表面波导在空气中的插入损耗接近于0db，并且在石蜡油的损耗远大于在空气中的损耗时，说明表面波导写制成功，得到具有表面波导的单模光纤。耦合效率可以用表面波导在石蜡油中的光能量与表面波导在空气中的光能量计算得出。

可选的，上述第一s型波导和第二s型波导的曲率为35mm～50mm，表面波导的长度设置为4mm～8mm，飞秒激光直写波导技术使用的激光器的波长为513nm，频率为200khz，脉冲宽度为250fs，单脉冲能量为120nj，上述位移平台的位移速度为0.2mm/s，波导传输损耗为1db/cm。

如图5所示，为spr生物传感器制备流程示意图，其中，图5中的a即为制备得到的具备表面波导的单模光纤。

步骤402、采用磁控溅射镀膜方法在所述单模光纤上镀上镀膜层；

如图5中的b所示，为具有镀膜层的单模光纤的示意图，且步骤402具体包括：将步骤401制备得到的具有表面波导的单模光纤放置在光纤旋转装置上，由所述光纤旋转装置带动所述单模光纤旋转，且在旋转的过程中，采用磁控溅射镀膜方法在所述单模光纤上均匀镀膜，得到镀膜层，以实现光纤的圆柱面均匀镀膜。且使用到的材料可以为金属膜材料，且镀的金属膜的厚度可以通过控制镀膜时间来控制，其中，厚度的大小与spr生物传感器的灵敏度和分辨率相关。其中，上述金属膜材料可选的为ti/ag/au复合金属膜，相比于传统单层金属膜，这种复合薄膜具有更宽的折射率检测范围和更好的检测分辨率。

其中，镀膜层的厚度为45nm～60nm，优选为50nm。

步骤403、采用自聚合方式在所述镀膜层上形成预设厚度的多巴胺薄膜层，得到spr生物传感器样品；

如图5中的c所示，即为具有多巴胺薄膜层的spr生物传感器样品的示意图，步骤403具体包括：为了使得上述步骤402得到的具有镀膜层的单模光纤适应多巴胺溶液，将其放入稀释有多巴胺溶剂的缓冲液中存放预置的第一时长，然后，将具有镀膜层的单模光纤从缓冲液中取出，将其放入多巴胺溶液中进行生物交联膜自组装，且组装时长为预置的第二时长，其中，该第二时长可以根据需要设置，例如可以为1小时。组装后即可在单模光纤的镀膜层上形成预设厚度的多巴胺薄膜层，得到spr生物传感器样品。

可以理解的是，在组装之后，还需要将完成生物交联膜自组装的传感器放入超纯水中清洗，且清洗之后再次放入缓存液体中保存。

步骤404、将所述spr生物传感器样品放入dna探针分子溶液中进行氧化，使得氧化后的多巴胺薄膜层上包含dna探针。

在本发明实施例中，需要将上述步骤403得到的spr生物传感器样品放入dna探针分子溶液中进行生物检测膜修饰，即实现氧化，使得氧化后的多巴胺薄膜层上包含dna探测，得到spr生物传感器。其中，氧化的时长为预置的第三时长，该第三时长可以依据具体的情况设置，可选的，该第三时长可以为2.5小时，且为了实现对spr生物传感器的保护，得到的spr生物传感器放入超纯水中清洗后再次放入缓冲液中。如图5所示的d和e，为多巴胺交联剂发生氧化反应前后的示意图。

可以理解的是在，在本发明实施例中，可以利用制备得到的spr生物传感器观察生物分子的spr共振峰的漂移情况。具体可以是：配置两种相同浓度的生物分子，其中，一种是可以与dna探针发生特异性结合的生物分子，另一种作为对照组，不与dna探针分子发生特异性结合，将上述的spr生物传感器分别放入这两种生物分子中，可以观察到spr共振峰的漂移情况。请参阅图5，图5中的f即为spr生物传感器的dna探针与生物分子发生特异性结合的示意图，且特异性结合后得到标志物mirna。

在本发明实施例的spr生物传感器的突出的优势是利用飞秒激光直写波导技术在单模光纤内写制表面波导，将纤芯内的光波引导至光纤表面激发spr效应的强倏逝场，具有制作简单快捷，无结构破坏及spr激发效率高的优点。

可以理解的是，上述的spr生物传感器不仅可用于抗原抗体识别，还可以通过改变生物修饰膜的成分，在信号传导、药物筛选、抗体定性以及蛋白质构象变化等领域发挥重要作用。

在上述实施例中，对各个实施例的描述都各有侧重，某个实施例中没有详述的部分，可以参见其它实施例的相关描述。

以上为对本发明所提供的一种具有表面波导的单模光纤、spr生物传感器及制备方法的描述，对于本领域的技术人员，依据本发明实施例的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。