基于倏逝波技术的特种光纤生化传感器的制造方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及到应用特种亚纳米结构光纤通过与激光相结合达到生物化学材料探测目的，属于生物医学光子学中的生物光纤传感领域。
【背景技术】
[0002]随着中国经济的快速发展，环境问题(包括空气和水的质量问题)、食物安全、药品安全、和医疗保健都成为提高人民生活质量而优先需要解决的问题。小型化、可携带、低成本、高灵敏的用于化学和生物领域的生物化学传感器件是实现实时监控，并迅速准确地在技术上解决这些问题的必要辅助手段。
[0003]用于化学检测的光传感器，可以广泛地应用于生物医学研究、医疗保健、药品、环境监测、国土安全、以及战场的多个领域。其特点是具有强大的检测和分析功能，不受电磁干扰，能够进行遥感，并且可以在单个设备内提供多重检测。和其他光波导传感器相比较，光纤具有低传输损耗、长的光程、单位长度上的成本低的优势，而且光纤形式的传感器可以很容易地和普通低损耗通信光纤进行对接，从而实现远距离监控的目的。所以，光纤显然是极理想的用来实现低成本、可小型化和便携化、且具有高灵敏度的检测化学物质的介质形式。
[0004]从上世纪底至今的近20年中，多孔微结构光纤(又经常被称为微结构光纤或光子晶体光纤)(如图1所示)作为一种新型的结构光纤，得到了极大的重视和发展。
[0005]多孔微结构光纤除了被应用在大功率激光器、远距离光通信等传统领域外，由于其包层中的空心结构使得光纤的纤芯和包层具有极大的折射率差，使得光纤的芯径可以很小，到接近于光波长的尺度，从而使纤芯中传播的光的单位面积的强度达到极大；同时，在芯外的倏逝波(evanescent field)的光和环境的重合度也相当大。同时，多孔结构的包层，为容纳气体和液体提供了一个微结构尺度的通道。当使用非石英玻璃(如氟化物玻璃、重金属氧化物玻璃、硫系玻璃)作为多孔微结构光纤的基质材料时，光纤的透过波段可以从可见光(400-700纳米)和近红外(700-1700纳米)波段延伸到中红外波段(2-20微米)，从而可以直接通过倏逝波吸收光谱法探测许多种以气体或液体形式存在的有机和无机分子的基频振动并量化其含量。以上四个基本特点，决定了小芯径的多孔微结构光纤是理想的、可小型化、便携式、且具有高灵敏度的倏逝波化学传感器的平台。
【发明内容】
[0006]本发明的目的在于创造出以特种多孔微结构光纤为探针材料来进行生物化学材料探测的生物化学传感器。
[0007]本发明是以纤芯直径只有I±0.2微米的特种多孔微结构光纤，作为探测探针，结构如图2(电镜图)所示，这种光纤的纤芯材料是商用的Schott N-BK7系列玻璃;支撑纤芯的薄膜将光纤的空腔分为独立的两部分，其中支撑纤芯的薄膜的两端分别与光纤连接在一起;支撑纤芯的薄膜的厚度一般为160nm，材质属于D263T系列玻璃，这种玻璃薄膜相当于光纤两孔之间的分界;上面所提到的这两种玻璃都属于硼硅酸盐玻璃，只是两种玻璃的热力学特性有一些细小的不同。接下来，激光通过空间光耦合进这种光纤的纤芯中，由于这种光纤的芯径接近光波长尺寸，而且光纤纤芯的外部是空气，与纤芯的折射率(1.5左右)相差较大，这样就会在纤芯的外部会产生极强的倏逝波，这种倏逝波(evanescent field)为生物化学传感提供了极大的便利。
[0008]本发明基于倏逝波技术的特种光纤生化传感器，其特征在于，以纤芯直径只有I土
0.2微米的特种多孔微结构光纤，作为探测探针，支撑纤芯的薄膜将光纤的空腔分为独立的两部分，其中支撑纤芯的薄膜的两端分别与光纤连接在一起;具体结构:三维调整平台(I)上固定特种多孔微结构光纤探针(2)，特种多孔微结构光纤探针(2)的前端设有第一光纤耦合透镜(3)，光纤耦合透镜的前端设有45°倾斜放置的二向色镜(4)，二向色镜(4)的前端设有一对反射镜，为反射镜A和反射镜B，反射镜B的前端设有第二光纤耦合透镜(5)，第二光纤耦合透镜(5)的前端设有大芯径多模光纤(6);还设有激光器能够将激光照射到二向色镜⑷上。
[0009]测试时，特种多孔微结构光纤探针(2)由于微米级的芯孔，将待测物从特种多孔微结构光纤探针(2)的尾端通过特种多孔微结构光纤探针(2)芯孔的毛细作用快速充入到特种多孔微结构光纤探针(2)芯孔中，特种多孔微结构光纤探针(2)芯孔部分充入待测物，SP特种多孔微结构光纤探针(2)的尾端部分充入，而特种多孔微结构光纤探针(2)的起始端没有充入，仍保留空气;激光器将激光照射到二向色镜(4)上，二向色镜(4)上反射的激光通过第一光纤耦合透镜(3)耦合到特种多孔微结构光纤探针(2)中，当激光在特种多孔微结构光纤探针(2)的纤芯中传输时，由于这种光纤的芯径特别小的特殊性，那么就会在纤芯外的空气孔中产生极强的倏逝波，倏逝波会激发充入光纤孔中的待测物，待测物会被倏逝波激发产生荧光，荧光会通过弹射效应经过特种光纤返回到特种光纤的起始端，再依次通过第一耦合透镜、二向色镜、反射镜A、反射镜B进入到接受荧光的大芯径的多模光纤中，进而进入到光谱仪或者单色仪中，通过荧光探测器测定荧光光谱强度，进而量化待测物的浓度。
[0010]由于这种特种多孔微结构光纤的直径比较小，我们可以通过毛细作用将被探测的生物或化学材料填充到光纤中，由于这种多孔结构光纤的直径只有微米量级，所以待测物质会很快的充进光纤中，这种特点使快速的光纤传感成为了可能，当待测溶液充入到光纤长度的一部分(如2/3处)，另一部分还是空气，在强烈的倏逝波的作用下，被测物质会与倏逝波产生作用，这样就可以通过倏逝波吸收光谱法或者倏逝波激发荧光产生荧光光谱法来探测物质的存在并且量化。
[0011]对于传感器性能而言，所需被测物质的体积、检测时间、仪器的灵敏度及仪器的探测极限是几个重要的评估传感器性能的参数。
[0012]本发明通过在特种多孔微结构光纤纤芯中附着纳米金或者银颗粒，增加探测的灵敏度。
[0013]与现有技术相比，本发明具有如下优势:
[0014]1.被测物质体积小。当我们进行探测实验时，考虑到光纤损耗或者物质吸收系数等因素，我们一般会用0.3m-0.5m长度的特种光纤，再加上我们这种特种光纤孔的直径在微米量级，算下来我们所需被探测物质的体积在nL量级，这在传感界也是一大优势。
[0015]2.检测时间短。如果我们已经将激光耦合进特种光纤的纤芯中时，它的纤芯周围会马上产生倏逝波，那么当被测物质充进光纤之中时，倏逝波会与被测物质立即反应，这样光谱的变化会立即在光谱显示仪器上探测出来，所以这种特种光纤传感器的检测时间是非常短的。
[0016]3.探测极限低。传感器检测极限DL(或下限)是另一个重要用来表征传感器性能的参数。该参数可由传感器把分析物质的变化转换成信号时存在的噪声水平σ(即最小可分辨信号)来推出:DL = o/S(S为仪器灵敏度)。改善DL可以通过增加灵敏度或减小的噪声水平来实现。那么在仪器噪声一定的情况下，纤芯直径越小，倏逝波越大，灵敏度越高。所以，基于小芯径的多孔微结构光纤的化学传感器对改善检测极限必然也是有利的。
[0017]总的来看，仅通过优化光纤结构而使光纤化学传感器的性能(特别是灵敏度)得以提高的可能的光纤结构设计通过实验和理论模拟都