基于扭转光纤的包层型SPR传感器及其生化应用研究

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光纤表面等离子体共振(Surface Plasmon Resonance,SPR)传感器,由于其灵敏度高、结构紧凑、抗电磁干扰能力强等独特优点而受到越来越多的关注,被广泛应用于食品安全、环境监测和生命科学等领域。其中,纤芯型SPR传感器的制作需要去除光纤部分包层从而裸露出光纤纤芯,并以纤芯作为传感基底,在纤芯表面镀制金属膜实现SPR传感,但存在结构脆弱、制作过程繁琐等问题;包层型SPR传感器目的是实现纤芯和包层间的模式耦合,无需通过去除包层暴露纤芯,对光纤物理强度影响较小,因此,包层型SPR传感器具有制作简单、物理强度高的优点。然而,目前关于包层型SPR传感器的报道较少,需要进一步拓展研究。扭转光纤结构是通过在光纤上制作扭转区而形成的一种特殊结构,该结构不仅具有很高的物理强度,还能通过扭转结构将纤芯光耦合进光纤包层。在扭转区后的包层外表面镀上金膜,就可以实现光纤包层SPR传感。本论文是围绕着扭转光纤实现纤芯光向包层模耦合的这一特性,提出了基于扭转光纤的包层型SPR传感器,并将其应用于生化检测领域,主要包括以下内容:(1)制作基于单模扭转光纤的包层型SPR传感器,搭建光纤SPR折射率测试系统。实验结果表明,可以通过控制扭转光纤的螺距调节该包层型SPR传感器的灵敏度与传感范围。(2)在基于单模扭转光纤的螺距优化成果上,对制作扭转光纤的光纤种类进行优化。研究表明,使用阶跃折射率多模光纤作为扭转光纤制作的原材料制成的扭转多模光纤包层型SPR传感器的传感灵敏度最高。(3)基于扭转型SPR传感器的研究基础上,在扭转光纤的扭转区引入锥形结构,提出了一种基于扭转锥型光纤包层SPR传感器,并对扭转锥区的锥腰直径的大小、扭转锥区的直径进行了优化。实验结果表明,锥腰直径为78μm的扭转三锥探针传感灵敏度最高。(4)生化传感:(1)在基于单模扭转光纤的包层型SPR传感器外表面依次修饰壳聚糖与聚丙烯酸(PAA),利用壳聚糖与PAA对铜离子有效的吸附作用,实现了对不同浓度的铜离子溶液进行了测量;(2)在基于多模扭转光纤的包层型SPR传感器外表面依次修饰金属有机框架材料(ZIF-67)、葡萄球菌蛋白A(SPA)、生长分化因子(GDF11)抗体、牛血清白蛋白(BSA)后,实现对不同浓度的GDF11抗原的特异性检测;(3)在基于扭转三锥型包层SPR传感器外表面依次修饰聚二烯丙基二甲基氯化铵(PDDA)以及聚苯乙烯磺酸钠(PSS),实现对不同浓度的亚硝酸根离子浓度的检测。经过与相似的光纤传感器的传感性能相比,本论文提出的传感器在灵敏度和检测限等方面取得了突破。
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