基于光纤表面等离子体共振的葡萄糖检测装置及方法制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种基于光纤表面等离子体共振的葡萄糖检测装置及方法，包括通过光纤依次连接的光源、起偏器、偏振控制器、传感器探头、滤波器和光电探测器；传感器探头包括刻有倾斜光纤光栅的光纤，光纤包层外表面镀有纳米级厚度的金属膜，光源发出的光经过起偏器和偏振控制器后入射到传感器探头刻有倾斜光纤光栅的光纤中，光纤中产生的包层模耦合至光纤包层外表面的金属膜，激发表面等离子体共振，传感器探头将光纤输出的含有等离子体共振波的光通过滤波器传送到光电探测器中。本发明专利技术在待测血清溶液中加入葡萄糖氧化酶生成过氧化氢腐蚀金属膜，通过光电探测器探测得到的光强能量随时间变化的响应速率得出血清溶液中葡萄糖浓度。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于光纤生物医学传感器设计领域，特别涉及一种。
技术介绍
糖尿病是人类最常见的疾病之一。依据世界健康组织2010年调查数据，世界范围内有超过2.85亿人口的糖尿病患者，并且预测这一数据到2030年会增加一倍。快速有效的血糖含量检测手段成为现代医学与大众患者的重要需求。在众多的血糖检测传感器中，电化学传感器居多，但此类传感器无法实现动态实时血糖含量检测，因此不能实时的掌握患者血液当前的血糖含量，为及时供药带来困难。高精度与微创化是未来血糖检测传感器的发展趋势。光纤传感技术以细如发丝的光纤为物理媒质，以光波为信息载体，具有结构小巧、灵敏度高、抗电磁干扰、耐腐蚀、生物兼容性强等优点，成为近十年来发展最为迅速的生物传感技术之一。在光纤生物传感研究的相关报道中，倾斜光纤光栅成为近些年的研究热点。在兼具常规光纤传感器特点之外，倾斜光纤光栅可激发数百个对周围环境敏感度不同的模式，因此大大丰富了其检测对象，并提高了测量精度。例如，利用一根倾斜光纤光栅，可实现折射率和温度的同时区分测量，这为复杂温变环境下微量生物变化信号的精确测量提供手段。随着倾斜光纤光栅制作工艺的日臻完善，其在生物医学检测领域中具有非常广阔的应用前景。通过在光纤表面镀金、银等金属薄膜，可将满足相位匹配条件的倾斜光纤光栅包层模耦合至金属薄膜，形成等离子体共振波。较传统倏逝场效应的光纤传感方式，等离子体共振波具有更高的生物检测灵敏度，相关领域已成为国内外研究热点。已报道的等离子体共振光纤生物检测方法通常需要在金属镀膜表面修饰一层生物敏感膜，用以实现对待测生物样品的特异性检测。生物敏感膜的制备和绑定需要复杂的工艺，且在一定程度上影响了传感器的重复性和稳定应。此外，传统等离子体共振波的检测方法是基于波长检测方式，需要价格昂贵的精密波长解调仪，这也限制了此技术的推广应用。
技术实现思路
本专利技术的目的在于克服现有技术的缺点与不足，提供一种结构简单且检测精度高的基于光纤表面等离子体共振的葡萄糖检测装置。本专利技术无需在金属薄膜表面修饰生物敏感膜，并通过光强探测方式取代波长解调方法，不仅简化了葡萄糖检测装置的制备工艺，同时大大降低了装置成本。本专利技术的第二目的在于提供一种基于上述葡萄糖检测装置的葡萄糖检测方法。本专利技术的第一目的通过下述技术方案实现:一种基于光纤表面等离子体共振的葡萄糖检测装置，包括通过光纤依次连接的光源、起偏器、偏振控制器和传感器探头，还包括滤波器和光电探测器，所述传感器探头通过滤波器与光电探测器连接；所述传感器探头包括刻有倾斜光纤光栅的光纤，所述光纤包层外表面镀有纳米级厚度的金属膜，光源发出的光经过起偏器和偏振控制器后入射到传感器探头刻有倾斜光纤光栅的光纤中，光纤中产生的包层模耦合至光纤包层外表面的金属膜，激发表面等离子体共振，传感器探头将光纤输出的含有等离子体共振波的光输入通过滤波器输入到光电探测器中；滤波器中心波长匹配光纤包层外表面所激发的表面等离子体共振波峰值衰减波长。优选的，光纤中倾斜光纤光栅的倾角为10至25度，轴向为长度小于20mm。优选的，光纤包层外表面镀有的金属膜为银膜、铜膜或者铝膜，其中金属膜的厚度为 40 至 50nm。优选的，光纤包层外表面通过磁控溅射方式镀上纳米级厚度的金属膜。优选的，所述光源输出光谱为1400至1600nm，所述光源输出光谱的范围与传感器探头光纤中倾斜光纤光栅光谱匹配；滤波器带宽为2至5nm。优选的，所述传感器探头光纤中倾斜光纤光栅通过准分子激光器及相位掩膜板方式写制而成。本专利技术的第二目的通过下述技术方案实现:一种基于上述装置实现的基于光纤表面等离子体共振的葡萄糖检测方法，步骤如下:S1、将传感器探头浸入葡萄糖待测血清溶液中，光源输出光经过起偏器后转变成偏振光，偏振控制器将偏振光的偏振方向调节成与传感器探头内倾斜光纤光栅写制方向相一致;S2、在葡萄糖待测血清溶液中加入定量葡萄糖氧化酶，葡萄糖氧化酶催化葡萄糖产生过氧化氢腐蚀传感器探头光纤包层外表面的金属膜；S3、与倾斜光纤光栅侧向写制方向一致的偏振光输入到正在感测葡萄糖待测血清溶液的倾斜光纤光栅中，倾斜光纤光栅将入射光从光纤纤芯耦合至光纤包层中，其中满足相位匹配条件的包层模可耦合至光纤包层外表面的金属膜，激发产生表面等离子体共振波，并在光纤透射谱中产生一个衰减包络；传感器探头输出的光通过该滤波器后，将含有表面等离子共振波衰减包络的光能量传输至光电探测器获得光强信息；S4、随着传感器探头光纤包层外表面的金属膜被过氧化氢腐蚀，光纤包层外表面的金属膜厚度变小，金属膜表面的等离子体共振波激发条件被破坏，表面等离子体共振波衰减包络幅度减小，通过滤波器进入光电探测器的光强能量上升，根据探测得到的光强能量随时间变化的响应速率得出血清溶液中葡萄糖浓度。优选的，偏振光为平行于倾斜光纤光栅写制方向的偏振光分量。更进一步的，步骤SI中偏振光平行于倾斜光纤光栅写制方向的偏振方向通过光纤包层外表面的金属膜表面所激发的表面等离子体共振波的共振峰幅度来确定，即平行于倾斜光纤光栅写制方向时表面等离子体共振峰幅度最大。优选的，所述步骤S4中光电探测器将温度变化引起的纤芯模波长漂移转变为光强变化信息，得到葡萄糖待测血清溶液的温度变化信息。本专利技术相对于现有技术具有如下的优点及效果:(I)本专利技术在传感器探头光纤中刻上倾斜光纤光栅，并且在光纤包层外表面镀上金属膜，偏振光入射到刻有倾斜光纤光栅的光纤后，光纤中产生的包层模耦合至光纤包层外表面的金属膜，激发产生表面等离子体共振波，并在光纤透射谱中产生一个衰减包络，传感器探头输出的光通过该滤波器后，将含有表面等离子共振波衰减包络的光能量传输至光电探测器获得光强信息；本专利技术在葡萄糖浓度检测过程中，在待测血清溶液中加入葡萄糖氧化酶催化产生过氧化氢腐蚀光纤包层外表面金属膜，使得金属膜厚度变小，进而使得金属膜表面激发的表面等离子体共振波衰减包络幅度减小，不同浓度葡萄糖加入同量的葡萄糖氧化酶后产生的过氧化氢量也不同，因此对光纤包层外表面金属膜的腐蚀速度也不相同，过氧化氢量越多，腐蚀速度越快，金属膜表面激发的表面等离子体共振波衰减包络幅度减小的越快，而光电探测器的光强能量上升的越快。因此本专利技术通过光电探测器探测得到的光强能量随时间变化的响应速率能够精确的得出血清溶液中葡萄糖浓度。并且本专利技术无需在金属薄膜表面修饰生物敏感膜，通过光强探测方式取代波长解调方法，不仅简化了葡萄糖检测装置的制备工艺，同时大大降低了装置成本。具有检测过程简便且检测装置结构简单的优点。(2)本专利技术通过添加葡萄糖氧化酶实现葡萄糖浓度检测的方法可实现葡萄糖特异性检测，由于血清中的其他成分不会因添加葡萄糖氧化酶而产生过氧化氢，因此本专利技术方法可特异性检测血清中葡萄糖。(3)本专利技术较传统电化学传感器，基于光纤载体的光波传感方式具有相应速度快的特点，因此可实现葡萄糖浓度的实时监测。(4)本专利技术由于光纤纤芯模仅对温度敏感，而对环境折射率不敏感；因此通过检测光纤纤芯模式，可实现温度信息的实时测量，进而消除温度变化对测量结果的影响，具有温度自补偿功能。(5)本专利技术方法将高灵敏度表面等离子体共振技术由传统数十毫米尺度的三角棱镜替代为仅有百微米尺度的光纤探针，实现了传感器探头的小型化。此外，本发本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于光纤表面等离子体共振的葡萄糖检测装置，包括通过光纤依次连接的光源、起偏器、偏振控制器和传感器探头，其特征在于，还包括滤波器和光电探测器，所述传感器探头通过滤波器与光电探测器连接；所述传感器探头包括刻有倾斜光纤光栅的光纤，所述光纤包层外表面镀有纳米级厚度的金属膜，光源发出的光经过起偏器和偏振控制器后入射到传感器探头刻有倾斜光纤光栅的光纤中，光纤中产生的包层模耦合至光纤包层外表面的金属膜，激发表面等离子体共振，传感器探头将光纤输出的含有等离子体共振波的光输入通过滤波器输入到光电探测器中；滤波器中心波长匹配光纤包层外表面所激发的表面等离子体共振波峰值衰减波长。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：郭团，唐勇，关柏鸥，张学军，吴泽，
申请(专利权)人：暨南大学，
类型：发明
国别省市：广东;44