多模-单模结构光纤表面等离子体共振传感实验

郜洪云，陈 哲，黎 敏

(武汉理工大学 理学院物理系，湖北 武汉 430000)

SPR(表面等离子体共振)技术是用于分析生物分子间相互作用的一项重要检测技术，在航空航天，生物化学等领域应用广泛，受到众多相关科研人员的关注。SPR光学生物传感器可实时、动态地研究蛋白质-蛋白质、蛋白质-核酸、新药分子-靶分子等生物分子的相互作用过程，具有实时监测反应动态过程、分析样品不需纯化、生物样品无需标记、灵敏度高等优点。相对于棱镜型SPR传感器而言，光纤型SPR传感器在小型化和实时在线监测等方面具有其独特的优势，成为SPR生物传感领域中一个重要的前沿课题[1]。目前，生物、农药和兽药的残留以及食品添加剂中的小分子进行准确检测面临一定的困难，主要是因为较大分子而言同样浓度的小分子引起的介电常数变化很小，超过了普通SPR传感器的检测下限。此外，在AIDS(艾滋病)、p53蛋白(抑癌基因)、尿酸(UA)等的早期诊断中同样需要传感器具有很高的检测灵敏度。因此，如何有效提高传感器的灵敏度成为国内外众多学者不断探索的重要问题之一。典型的光纤传感器的光纤结构主要有：D型光纤[2,3]、侧边抛磨光纤[4,5]、锥形光纤[6]、楔形光纤[7]、对接光纤[8]、双芯光纤[9]、空芯光纤[10]、微结构光纤[11]等等。虽然上述SPR传感器在灵敏度上有一定的提高，但制作敏感单元时均需要抛磨或腐蚀光纤包层，制作成功率较低，难以实现产品化。

本文提出了一种新型多模-单模(MS)结构光纤SPR传感实验，MS结构避免了单模光纤和多模光纤的光耦合，明显提高了传感器的光传输效率，降低了检测难度，且提高了检测准确度。

1 传感原理及理论计算

图1为MS结构光纤SPR传感实验的原理示意图。

图1 MS结构光纤SPR传感实验原理

图1中，从光源发出的光线以一定角度(满足临界角)入射到多模光纤纤芯中传输，当传输到多模的末端，即多模光纤和单模光纤的交界时，有一部分光会泄漏到单模光纤包层中，并在单模光纤包层表面与银膜交界处发生全反射，产生的倏适波进入银膜中，并在银膜和待测物交界处激发SPW，当入射光波矢与SPW波矢相匹配时，就会发生表面等离子体共振，产生共振吸收，在单模光纤的出射端利用光谱仪对光信号进行检测可检测到共振吸收，进而实现对待测物折射率的实时检测。

根据菲涅尔公式，入射光激发一次SPR效应对应的反射率可写为：

(1)

式中，k0z,k1z,k2z分别为单模光纤包层，银膜和待测介质处沿z方向的波矢。ε0,ε1,ε2分别为单模光纤包层，银膜和待测介质的介电常数。d为银膜厚度。r01为单模光纤包层和银膜交界处的反射系数，r12为银膜和待测介质交界处的反射系数，从式(1)可以看出，激发SPR效应时，入射光的反射率与波长存在一一对应关系。

光经过光纤敏感单元(单模光纤包层镀银膜区域)时，会发生多次反射，其总的反射次数为：

(2)

则，模型的总反射率为：

(3)

综合式(1)～(3)可知，模型总的反射率与待测介质介电常数及入射波长存在对应关系：

R～[ε2,λ]

(4)

2 仿真及分析

影响SPR传感实验的因素主要有金属薄膜种类、厚度、光入射角度等，下面对这几种影响因素进行逐一分析。

本文选取SPR传感器中四种常用的金属：Au、Ag、Cu、Al进行分析，从图2可以看出，相同条件下，对同一待测介质进行检测时，四种金属共振波长从长波到短波方向依次为：Au、Ag、Cu、Al，共振深度从浅到深依次为：Al、Cu、Au、Ag，半高宽从宽到窄依次为：Al、Cu、Au、Ag。共振深度越深，SPR效应越明显，半高宽越窄，对应的相应波长值越精确，检测精度越高，因此，本文选择共振深度深，半高宽窄的金属银作为光学SPR传感器敏感单元处的金属薄膜。

Wavelength/nm

在对同种待测介质进行检测时，不同银膜厚度对共振波长的影响如图3所示。从图3中可以看出，随着银膜厚度的增加，共振波长向长波长方向移动。

Thickness/nm

多模光纤中可以传输多个模式，即同时有多个角度的光在纤芯中传输。由图4可知，对同一折射率物质进行检测时，随着传输角度的增大，共振波长向长波长方向移动。

Refractive index

图5为不同折射率介质对应的SPR光谱图，从图5中可以看出，随着折射率的增大，共振波长向长波长方向移动。

Wavelength/nm

3 实验结果及分析

图6为MS结构光纤SPR传感系统的实验框图。银膜采用磁控溅射法制作。光源选用宽谱光源(海洋光学，波谱范围350～2 500 nm)，多模光纤和单模光纤均为普通光纤，其芯径分别为62.5 μm和4.3 μm，二者的光纤包层直径均为125 μm，单模光纤镀膜区域的长度为15 mm左右，多模光纤的长度为4 m，光谱仪选用的是BWTEK光纤光谱仪，最后由电脑进行数据处理。

图6 实验系统框图

图7是利用传感系统检测水、丙酮、乙醇、异丙醇和正硅酸乙酯五种待测介质的共振光谱图。图8是待测介质的折射率和共振波长之间的关系曲线图。从图7和8中可以看出：1.随着折射率的增大，共振波长向长波长方向移动，且折射率和波长间呈良好的线性关系；2.随着折射率的增大，光谱展宽，深度增加；3.传感系统的平均灵敏度可以达到2 902 nm/RIU，最高折射率灵敏度为5 970。

Wavelength/nm

Refractive index

仿真和实验结果存在差异，主要是由于以下原因造成的：

① 单模光纤包层和银膜交界处入射角会对共振光谱产生较大影响，对共振波长位置最大影响可以达到250 nm,本次仿真中，采用的入射角为88°，光纤中其它入射角会对实验结果产生影响，因此仿真和实验结果有差别；

② 薄膜厚度均匀性对实验结果的影响。实验采用的镀膜方法为磁控溅射，采用了光纤自转夹具，提高了光纤截面方向的镀膜均匀性，但由于溅射时光纤轴向方向不同位置和靶材的距离存在差异，同时光纤距晶振片的位置较远，镀膜厚度和理想结果会有较大差别，从图5可以看出，银膜厚度的差异会导致共振光谱发生显著变化。

4 结 语

本文系统地研究了一种多模-单模结构光纤表面等离子体共振传感器实验。仿真和实验结果均表明，随着待测折射率的增加传感系统的共振波长会向长波方向移动，该传感系统的平均灵敏度为2902 nm/RIU，可以实现待测液的准确检测。不需去包层直接在单模光纤外镀纳米膜的特点非常有利于在本科实验中开展实验和教学。