专利名称：基于表面等离子共振和受激拉曼散射的光纤型传感系统的制作方法
技术领域：
本发明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。
背景技术：
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(AEQ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。
发明内容
为克服现有技术的上述缺点，本发明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sra光谱的sra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sra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sra探头包括头部纤芯裸露的光纤，裸露纤芯的端面均勻沉积有作为端面 反射镜的第一金属膜，裸露纤芯的周围均勻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士0. Inm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2X2光纤分束器。进一步，所述的sra探头的光纤为普通单模光纤。本发明的“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2X2 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 X 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sra传感器的共振波长与待测溶液折射率之间存在对应关系。 SI3R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(SERQ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IO6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SI3R传感系统是把光纤技术与SPR/SERS技术结合在一起，将SI3R敏感部分缩 小到光纤芯径尺寸，光纤直径一般在600um以下，SI3R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。本发明将表面等离子共振(SPR)效应和光纤技术结合起来。SI^R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sra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sra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 X 2光纤分束器后输入至SI^R探头，在光纤传输过程中，满足SI^R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Sra光谱，产生的Sra光谱经2 X 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SI^R光谱。本发明具有通用性强，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。
图1是本发明的示意图。图2是SI3R探头的结构示意图。
具体实施例方式参照附图，进一步说明本发明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Sra光谱的Sra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Sra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Sra探头8包括头部纤芯裸露的光纤81，裸露纤芯82的端面均勻沉积有作 为端面反射镜的第一金属膜83，裸露纤芯82的周面均勻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，所述纳米膜上均勻沉积一层敏感膜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士0. Inm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2X2光纤分束器。所述的sra探头8的光纤为普通单模光纤。本发明的“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2X2 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 X 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sra传感器的共振波长与待测溶液折射率之间存在对应关系。 SI3R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(SERQ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IO6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Sra传感系统是把光纤技术与SPR/SERS技术结合在一起，将SI3R敏感部分缩 小到光纤芯径尺寸，光纤直径一般在600um以下，SI3R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。本发明将表面等离子共振(SPR)效应和光纤技术结合起来。SI^R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sra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sra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 X 2光纤分束器后输入至SI^R探头，在光纤传输过程中，满足SI^R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sra光谱，产生的sra光谱经2 χ 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SI^R光谱。如图ι所述示，sra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IOOOnm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2X2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sra探头。sra探头直接插入到被测溶液，入射光到达sra探头后，与溶液介质相互作用 产生sra效应，再经过纤芯端面的全反射镜作用后形成反射sra光，反射光经过2X2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。本发明使用方便灵活，只需将sra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发明构思的实现形式的列举，本发明的保护 范围不应当被视为仅限于实施例所陈述的具体形式，本发明的保护范围也及于本领域技术 人员根据本发明构思所能够想到的等同技术手段。
权利要求
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Sra光谱的sra探头，和检测共振波长的光纤光谱仪；所述的ρ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sra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sra探头包括头部纤芯裸露的光纤，裸露纤芯的端面均勻沉积有作为端面反射 镜的第一金属膜，裸露纤芯的周围均勻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，所述的纳米膜上沉积一层敏感膜。
2.如权利要求ι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士0. Inm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2X2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sra探头的光纤为普通单模光纤。
全文摘要
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。本发明具有通用性好，灵敏度高，稳定性好，可实现远程监测的优点。
文档编号G01N21/17GK102095719SQ20101061314
公开日2011年6月15日 申请日期2010年12月30日 优先权日2010年12月30日
发明者刘恺, 常丽萍, 李刚, 王颖娜, 郭淑琴 申请人:浙江工业大学