D型双芯PCF-SPR折射率传感器及检测系统

技术领域

本发明属于光纤传感技术领域，具体涉及一种D型双芯PCF-SPR折射率传感器以以此为基础建立的血红蛋白浓度检测系统。

背景技术

血红蛋白浓度异常升高或降低等血红蛋白浓度异常情况的发生均会严重威胁人们的身体健康，血红蛋白浓度降低说明人体存在贫血症状，可能是包括缺铁性贫血、再生障碍性贫血、巨幼红细胞性贫血、骨髓增生异常综合征等在内的多种疾病引起的；血红蛋白浓度增高多见于骨髓增生性的疾病，如真性红细胞增多症、原发性血小板增多症等。血红蛋白检测是临床上对血红蛋白浓度异常的相关疾病进行诊断和治疗的重要环节，但是现有的一些血红蛋白浓度检测方法无法达到实时反馈以及快速检测的效果，因此，开发一种检测有效、反馈灵敏、结果可靠的血红蛋白浓度检测系统和方法具有极为重要的现实意义。

近年来，常使用光学传感的方法来检测溶液中蛋白质的浓度，而表面等离子体共振(SPR)传感技术是目前发展较快的一种光学传感技术。如果传播的光以入射光子和表面电子的匹配频率撞击表面界面处的金属膜，就会发生SPR。SPR检测自由电子的集体振荡，其中光传播到称为等离子金属的金属膜中，这些自由电子被称为表面等离子体。靠近等离子体金属周围的折射率(RI)的任何微小变化都会导致纤芯的有效模式折射率的显著变化。表面等离子体激元(SPP)模式的有效RI也被改变，随后即可检测到共振波长的移动。光纤的外表面可以直接放置待检测的等离子体金属/液体，在检测过程中，通过测量被测物质的光学信号得到波长灵敏度(WS)，从而推测传感器金属薄膜表面附着的被测物质的折射率以及浓度等信息。SPR技术凭借其灵敏度高、体积小和实时检测等突出优势而被广泛应用于生命科学、医疗诊断、食品安全等领域，成为了最有前途的传感技术之一。

光子晶体光纤(PCF)出现后，进一步推动了光学传感领域的发展，PCF是由周期性排列的空气孔组成，不同空气孔的设计使其含有相应的传输模式，与传统传感器相比，光子晶体光纤传感器具有结构布局灵活多变、灵敏度高、传输损耗低等特殊优势。近年来，SPR被引入PCF中，基于表面等离子体共振的光子晶体光纤传感技术(PCF-SPR)成为了一种用于检测生化物质液体的新型高效检测技术。且由于基于光学方法的连续血红蛋白检测并不会消耗待测物血红蛋白，并且这一方法不会受生物电的电信号影响，对待测物质折射率及其浓度可以达到实时测量，因此小型化的PCF-SPR传感器被广泛运用于生物检测之中。

但是，之前提出的PCF-SPR传感器普遍存在折射率检测范围窄和灵敏度较低的问题。如G.An等人构想了一种镀金D形PCF-SPR传感器，该传感器的检测范围为1.33-1.38，最大波长灵敏度(WS)为10,493nm/RIU，在1.38处达到最高。2018年，Chen等人提出了WS为11,055nm/RIU的D形PCF传感器。2020年，Li等人设计了一种具有U形凹槽的Ag-graphene层涂覆的PCF-SPR传感器，当分析物RI从1.33变化到1.41时，该传感器表现出12,600nm/RIU的WS。这些传感器的最高WS普遍处于6000-13000nm/RIU范围内，所以其灵敏度仍旧有待提升。

为了进一步提升PCF-SPR传感器的性能，本领域技术人员又提出在D型结构光纤的抛磨面上涂覆银(Ag)、金(Au)、氧化铟锡(ITO)、氮化锆(ZrN)、氮化钛(TiN)、二氧化钛(TiO

因此，针对传感器结构做进一步的研究，设计出一种可用于检测血液中血红蛋白浓度的高灵敏度、可识别RI小于1.33的分析物的PCF-SPR生物传感器将具有非常重要的现实意义，在光电传感领域也必将拥有极高的应用前景。

发明内容

本发明的目的是解决现有PCF-SPR生物传感器灵敏度较低和检测范围窄的问题，提出一种D型双芯PCF-SPR折射率传感器，使其可高效运用于血红蛋白浓度检测项目。

本发明是这样来实现的：一种D型双芯PCF-SPR折射率传感器，在光子晶体光纤的包层的中心设有核心单孔，在核心单孔外部的包层内设有呈六边形分布的外层空气孔，在PCF包层区域两侧抛磨一定深度形成两个对称的抛磨面并且在中心形成微通道结构，抛磨面外侧两端依次设有固定的Au层和TiO

进一步地，微通道的直径为2.2-2.4μm。

进一步地，Au层的厚度为28-30nm，TiO

进一步地，外层空气孔包括四个对称分布的外层小空气孔和六个对称分布的外层大空气孔，外层小空气孔靠近核心单孔设计，外层大空气孔设在外层小空气孔的外侧；核心单孔的孔径为0.12-0.22μm，外层小空气孔的直径为0.62-0.72μm，外层大空气孔的直径为1.4-1.5μm。

进一步地，抛磨深度H为3.55-3.65μm。

进一步地，该传感器的RI识别范围为1.26–1.41，传感器获得的最大波长灵敏度为24,600nm/RIU，RI分辨率为4.07×10

作为优选，核心单孔的孔径为0.22μm。

作为优选，微通道的直径为2.2μm。

根据上述D型双芯PCF-SPR折射率传感器可建立血红蛋白浓度检测系统，系统包括光学可调谐源OTS、输入光纤、D型双芯PCF-SPR折射率传感器、输出光纤、光谱分析仪OSA以及计算机，组件间通过单模光纤SMF依次连接，D型双芯PCF-SPR折射率传感器的TiO

进一步地，D型双芯PCF-SPR折射率传感器的TiO

有益效果：

1.本申请公开的D型双芯PCF-SPR折射率传感器在包层区域进行双面抛光处理，上下双面抛光且中心形成微通道的结构设计可以有效提升纤芯对反射、散射能量的吸收，提升纤芯模式和SPP模式之间的耦合强度；

2.本申请中将Au-TiO

3.PCF中设计核心单孔有助于调节纤芯模式有效RI进而影响模式耦合，外层空气孔呈六边形排列可以控制光的传播方向，限制光的散射进而减小损耗，并且该外层空气孔的几何排列模式简单，也有助于生产制造；

4.本申请公开的基于光子晶体光纤表面等离子体共振的折射率传感器的检测范围为1.26～1.41RIU，其可识别RI小于1.33的分析物，较现有传感材料而言有重大突破，且折射率灵敏度高达24,600nm/RIU，分辨率为4.07×10

5.本申请公开的PCF-SPR折射率传感器不仅在抛光面涂覆TiO

6.本申请公开的D型双芯PCF-SPR传感器解决了传统传感器灵敏度低、生物分子吸附性低的问题，非常适于在生物传感、医疗诊断等领域推广使用。

附图说明

图1是基于D型双芯PCF-SPR折射率传感器建立的血红蛋白浓度检测系统的系统结构示意图，其中，1-光学可调谐源(OTS)，2-单模光纤(SMF)，3-D型双芯PCF-SPR折射率传感器，4-血红蛋白分子，5-光谱分析仪(OSA)，6-计算机，7-二氧化硅，8-Au层，9-TiO

图2是实施例一制备的D型双芯PCF-SPR折射率传感器发生耦合时纤芯模式和SPP模式之间的色散关系图；

图3是实施例一制备的D型双芯PCF-SPR折射率传感器中核心单孔直径大小变化与损耗谱的关系图；

图4是实施例一制备的D型双芯PCF-SPR折射率传感器中微通道直径大小变化与损耗谱的关系图；

图5是实施例一制备的D型双芯PCF-SPR折射率传感器在不同折射率下波长和归一化共振损耗峰强度的关系曲线仿真图；

图6是实施例一制备的D型双芯PCF-SPR折射率传感器用于检测时、外界折射率与共振峰波长的关系图。

具体实施方式

下面对本发明的较佳实施例进行详细阐述，以使本发明的优点和特征能更易于被本领域技术人员理解，从而对本发明的保护范围做出更为清楚明确的界定。

实施例一、一种D型双芯PCF-SPR折射率传感器

图1中同时给出了D型双芯PCF-SPR折射率传感器的结构示意图以及以此为基础建立的血红蛋白浓度检测系统的系统结构示意图，光子晶体光纤的材料为二氧化硅7，在光子晶体光纤的包层的中心设有核心单孔10；在核心单孔10外部的包层内设有呈六边形分布的外层空气孔，具体包括四个对称分布的外层小空气孔11和六个对称分布的外层大空气孔12，可以通过使用粗细不同的毛细管将气孔缩放到不同的尺寸来制造空气孔，外层小空气孔11靠近核心单孔10设计，外层大空气孔12设在外层小空气孔11的外侧，外层小空气孔11的直径d

在PCF包层区域两侧抛磨一定深度形成两个对称的抛磨面，抛磨深度H优选为3.65μm，抛磨面上依次采用化学气相沉积(CVD)技术均匀涂覆固定的Au层8和TiO

本实施例中，抛光面两端涂覆增敏材料，该设计可调谐中心纤芯模式与表面等离激元模式产生强耦合的效应，通过测量待测物质损耗峰共振波长的偏移量得到传感器的波长灵敏度。以TiO

为了能进一步提升纤芯对反射、散射能量的吸收，提升纤芯模式和SPP模式之间的耦合强度，本实施例除了在光子晶体光纤包层两侧进行抛磨处理外，在抛磨面的中间位置还一体抛磨出弧形的微通道，微通道的直径dy为2.2-2.4μm。PCF的双面抛光微通道设计与中心单个小空气孔(核心单孔)的存在使得纤芯产生的倏逝波与抛光表面涂覆的Au-TiO

图2显示了满足相位匹配条件时，耦合模式中纤芯模式和SPP模式之间的色散关系，可以在窄带中观察到限制损耗峰，其显示出与金属层相邻的介电介质的RI的任何变化相对应的波长偏移。在共振条件下，由于芯模的有效RI的实部与表面等离子体激元模的有效RI匹配，最大能量从芯模交换到表面等离子体激振模，即当入射波长满足一定值时，入射光的大部分能量会转换成等离子体波(SPW)的能量，从而使反射光的能量急剧下降，在反射谱上出现共振吸收峰，此时的入射波长称为SPR的共振波长。在核心模式下(如图2插图(a)所示)，传感器收集大部分能量。从图2的插图(b)可以明显看出，在SPP模式下，金属表面和分析物之间的界面处的能量完全穿透。然而，当波长为0.899μm时，当满足相位匹配条件时会发生强耦合(图2的插图(c))，损耗达到峰值60.23dB/cm。

图3为核心单孔10的直径d

图4为微通道15的直径dy的大小发生变化时的损耗谱曲线图，该图显示了通过改变微通道15的直径dy会引起共振波长和强度变化。随着微通道15直径的增加，共振波长呈现出明显的蓝移，损耗峰逐渐减小，这是由于PCF的传感表面和中心之间的差异造成的。这种现象产生于较长的距离，这会降低模式耦合强度。为了获得最大波长灵敏度，微通道15的直径dy优选为2.2μm。

图5为本实施例制备的D型双芯PCF-SPR折射率传感器对不同折射率溶液的波长和归一化共振损耗峰关系仿真图，仿真结构为Au/TiO

图6为本实施例制备的D型双芯PCF-SPR折射率传感器用于检测时、外界折射率与共振峰波长的关系图。横坐标为外界折射率，纵坐标为共振峰波长。由图可知外界折射率与其所对应的共振峰波长的数值关系。由于TiO

实施例二、一种血红蛋白浓度检测系统

该检测系统是以实施例一中制备的D型双芯PCF-SPR折射率传感器为基础建立的，其包括光学可调谐源OTS(1)、输入光纤(inlet)、D型双芯PCF-SPR折射率传感器(3)、输出光纤(outlet)、光谱分析仪OSA(5)和计算机(6)，这些组件通过单模光纤SMF(2)连接；分析物或传感层位于PCF的外部，可以通过泵控制入口(inlet)(待测血红蛋白溶液)和出口(inlet)(待测血红蛋白溶液)。

不过考虑到该系统主要是用于血红蛋白浓度检测项目，且TiO

当分析物(由RI感应)和光纤表面薄膜之间发生相互作用时，可以观察到损失峰的蓝移(移至较短波长)或红移(移至较长波长)，这很容易通过OSA监测。由于表面等离子体共振峰的波长位置与外界折射率相关，而血红蛋白浓度决定外界折射率。因此将光谱图结合波长偏移量与折射率的关系曲线，即可计算得到蛋白质的浓度。

以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。