D型双芯PCF-SPR折射率传感器及检测系统技术方案

本发明专利技术公开一种D型双芯PCF

【技术实现步骤摘要】
D型双芯PCF
‑
SPR折射率传感器及检测系统


[0001]本专利技术属于光纤传感
，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。

技术介绍

[0002]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。
[0003]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。
[0004]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。
[0005]但是，之前提出的PCF
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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
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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。
[0006]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(TiO2)、石墨烯等材料来激发表面等离子共振的方案。如中国专利CN 112858186 A公开的一种基于D型双金属涂层的双折射PCF折射率传感器，该传感器由一段包层区域抛磨掉部分形成的D型PCF、二氧化钛和金薄膜组成，PCF结构的D型设计和空气孔的不对称排布使得纤芯产生的倏逝波向包层泄露更多，PCF
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SPR效应更强烈；在金薄膜和基底材料之间沉积一定厚度的TiO2材料，不仅有助于将金膜牢固地附着在石英纤维上，还可起到增敏作用；该传感器在有效折射1.37
‑
1.42范围内能实现高灵敏度检测，平均波长灵敏度7920nm/RIU，最大波长灵敏度能到16000nm/RIU，WS有明显提升，但是上述提及的这些传感器结构均只能识别RI大于1.33的分析物，折射率检测范围存在明显限制。
[0007]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。

技术实现思路

[0008]本专利技术的目的是解决现有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。
[0009]本专利技术是这样来实现的：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TiO2层。
[0010]进一步地，微通道的直径为2.2
‑
2.4μm。
[0011]进一步地，Au层的厚度为28
‑
30nm，TiO2层的厚度为8
‑
10nm。
[0012]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。
[0013]进一步地，抛磨深度H为3.55
‑
3.65μm。
[0014]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
‑6RIU。
[0015]作为优选，核心单孔的孔径为0.22μm。
[0016]作为优选，微通道的直径为2.2μm。
[0017]根据上述D型双芯PCF
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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
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SPR折射率传感器、输出光纤、光谱分析仪OSA以及计算机，本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种D型双芯PCF
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SPR折射率传感器，其特征在于，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TiO2层。2.如权利要求1所述的一种D型双芯PCF
‑
SPR折射率传感器，其特征在于，微通道的直径为2.2
‑
2.4μm。3.如权利要求1所述的一种D型双芯PCF
‑
SPR折射率传感器，其特征在于，Au层的厚度为28
‑
30nm，TiO2层的厚度为8
‑
10nm。4.如权利要求1所述的一种D型双芯PCF
‑
SPR折射率传感器，其特征在于，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。5.如权利要求1所述的一种D型双芯PCF
‑
SPR折射率传感器，其特征在于，抛磨深度H为3.55
‑
3.65μm。6.如权利要求1所述的一种D型双芯PCF
‑
SP...

【专利技术属性】
技术研发人员：王静，彭江，
申请(专利权)人：南京邮电大学，
类型：发明
国别省市：