專利名稱：一種基于沸石膜光纖諧振腔的生物化學(xué)傳感器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種基于沸石膜光纖諧振腔的生物化學(xué)傳感器，屬于微傳感器領(lǐng) 域。
背景技術(shù)：
基于諧振腔的傳感器由于具有很高的品質(zhì)因數(shù)，可以實(shí)現(xiàn)極低濃度的檢測，從 而在生物化學(xué)傳感檢測中具有廣泛的應(yīng)用。常用的諧振腔結(jié)構(gòu)有盤、環(huán)、柱、球等， 一般利用光纖錐倏逝場激發(fā)這些諧振腔內(nèi)的回音廊模式(WhisperingGallery Modes,簡稱 WGMs)而制作生物化學(xué)傳感器。但是，這種類型的傳感器是組裝式的，不利于集成，需 要精確調(diào)節(jié)諧振腔與光纖錐的相對位置，難以實(shí)現(xiàn)工業(yè)化應(yīng)用。微光纖型諧振器以其結(jié)構(gòu)簡單，便于操作與集成而引起了廣泛的關(guān)注，在傳 感器的應(yīng)用上也有了初步的研究。利用微光纖型諧振器在溶液中實(shí)現(xiàn)了一定濃度的檢 測(Guo X， et al.Supported microfiber loops for optical sensing, Optics Express, 16(19) 14429-14434，2008)，但是由于品質(zhì)因數(shù)的限制，不能實(shí)現(xiàn)更低濃度的檢測。同時(shí)，常 用微光纖諧振器結(jié)構(gòu)，是將光纖在熱源作用下拉制到幾個(gè)微米甚至零點(diǎn)幾個(gè)微米，然后 再依靠范得華力或靜電力的吸附作用使兩端接觸而形成環(huán)形或螺旋形。這種接觸力很 弱，形成的諧振器結(jié)構(gòu)不夠穩(wěn)定，有專利(公開號CN 101105554A)公開一種金屬棒支 撐的微光纖環(huán)形諧振器，這種支撐結(jié)構(gòu)在液體測試時(shí)容易受到周圍溶液的影響而松動， 尤其是在測試流動的液體時(shí)，這種影響更為明顯。也有文獻(xiàn)使用粘性膠將整個(gè)光纖諧振 器粘合在一個(gè)基片上，但這樣會大大降低諧振器與周圍待檢測物質(zhì)的接觸面積，降低了 檢測精度。這種基于諧振器類的傳感器不能實(shí)現(xiàn)特定直徑分子的檢測，而納米孔沸石分子 篩具有很高的比表面積，它能有效地從周圍環(huán)境中吸附被檢測物質(zhì)的分子，使其聚集并 濃縮在一起。而被吸附的分子將改變沸石孔的光學(xué)結(jié)構(gòu)和光學(xué)性質(zhì)，如折射率發(fā)生改 變，進(jìn)而導(dǎo)致諧振波長發(fā)生偏移，使得其具備制作實(shí)現(xiàn)更低濃度檢測傳感器的潛能。沸 石分子篩的孔徑在ΙΟ,ιη，與很多分子直徑相當(dāng)，通過制備不同孔徑和形狀的分子篩， 便可獲得對不同分子檢測的高靈敏度、高選擇性及快速響應(yīng)時(shí)間。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明目的是為了解決常用微光纖諧振器結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定、易受周圍溶液影響、檢 測精度低等問題，而提出一種基于沸石膜光纖諧振腔的生物化學(xué)傳感器，具有吸收選擇 性、高集成性與高可靠性；可用于同時(shí)檢測環(huán)境中多種分子的存在及濃度，靈敏度達(dá)到 ppm甚至ppb量級。本發(fā)明的目的是通過以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的；本發(fā)明的一種基于沸石膜光纖諧振腔的生物化學(xué)傳感器，包括承載基片、沸石 薄膜、微光纖；承載基片上加工有環(huán)形槽和一個(gè)通槽，且環(huán)形槽與通槽相切；一根微光纖同時(shí)穿過環(huán)形槽與通槽，且環(huán)形槽與通槽相切處的微光纖相交，使其達(dá)到最佳耦合狀 態(tài)，微光纖兩端與通槽固定；其中承載基片為硅、銅或鋁等與光纖折射率相差較大的材料；環(huán)形槽的個(gè)數(shù)為一個(gè)或一個(gè)以上；環(huán)形槽的內(nèi)徑為50um IOOOum ；環(huán)形槽與 通槽的寬度分別大于鍍膜后的微光纖直徑5um ；采用的微光纖直徑為0.5 3um，微光纖在穿過環(huán)形槽與通槽的部分去除涂覆 層，微光纖在穿過環(huán)形槽位置涂鍍沸石膜，沸石膜涂鍍長度為環(huán)形槽圓周的1/3 2/3;沸石膜的種類由待檢測物質(zhì)分子大小決定，沸石膜的厚度為2 10um，平均孔 徑小于Inm ；本發(fā)明的一種基于沸石膜光纖諧振腔的生物化學(xué)傳感器的制作方法，其具體步 驟如下1)在承載基片上加工有環(huán)形槽和一個(gè)通槽，且環(huán)形槽與通槽相切；環(huán)形槽的內(nèi) 徑為50um IOOOum ；環(huán)形槽與通槽的寬度分別大于鍍膜后的微光纖直徑5um ；2)取一根單模光纖，去除中間部分的涂覆層，并將裸露部分拉長至直徑為0.5 3um ；3)在微光纖的裸露部分涂鍍一段長度為環(huán)形槽圓周的1/3 2/3、厚度為2 IOum,平均孔徑小于Inm的沸石膜，根據(jù)待檢測物質(zhì)分子大小選擇的沸石膜的種類；4)將第3)步制備好的鍍有沸石膜的微光纖同時(shí)穿過環(huán)形槽與通槽，且環(huán)形槽與 通槽相切處的微光纖相交，然后將微光纖的兩端分別連接可調(diào)諧激光源和光強(qiáng)探測器， 組成光譜測試系統(tǒng)；在顯微鏡下，利用微移動平臺使微光纖貼合在支柱上，同時(shí)調(diào)整耦 合接觸長度，使其達(dá)到最佳耦合狀態(tài)，微光纖兩端與通槽固定。工作原理將本發(fā)明傳感器用于檢測環(huán)境中的化學(xué)、生物分子濃度時(shí)，傳感器的微光纖的 兩端分別連接激光器和功率探測器，波長連續(xù)變化的入射光從光纖的入射端進(jìn)入到光纖 時(shí)，在接觸區(qū)會發(fā)生耦合，功率探測器上會產(chǎn)生一系列共振吸收帶，這些共振帶對應(yīng)的 波長對沸石鍍膜的折射率變化非常敏感。當(dāng)沸石分子篩吸附到環(huán)境中某種物質(zhì)分子時(shí)， 將引起沸石膜層的折射率發(fā)生改變，從而導(dǎo)致光纖諧振腔的共振波長發(fā)生變化。對其光 譜變化的分析計(jì)算，可以得到折射率的改變量，而折射率的改變與環(huán)境相應(yīng)物質(zhì)分子濃 度相對應(yīng)，由此可以實(shí)現(xiàn)生物化學(xué)分子的檢測。有益效果本發(fā)明具有結(jié)構(gòu)簡單，可操作性強(qiáng)，具有高穩(wěn)定性與高可靠性，根據(jù)對沸石分 子篩涂層孔徑的控制，適用于各種氣體液體分子的檢測，尤其用于流動氣體液體檢測時(shí) 可靠性更為明顯；承載基片的增加提高了可靠性，為在流動氣體液體的在線檢測提供了 便利；在環(huán)形諧振腔陣列的不同諧振腔表面鍍上不同孔徑的沸石膜，則可以實(shí)現(xiàn)多種分 子的同時(shí)檢測。


圖1為本發(fā)明的整體結(jié)構(gòu)示意圖。圖2為承載基片示意圖。
圖3為鍍膜的微光纖環(huán)形諧振腔示意圖。圖4為測試裝置示意圖。圖5為三個(gè)微光纖環(huán)形成的諧振腔陣列.圖6為三個(gè)微光纖環(huán)形成的諧振腔陣列傳感器示意圖。其中1-承載基片；2-環(huán)形槽；3-微光纖；4-通槽；5-MFI沸石薄膜；6_可調(diào) 諧激光器；7-功率探測器；8-方沸石薄膜；9-FAU沸石薄膜。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對本發(fā)明做進(jìn)一步說明。實(shí)施例1采用SOOrnn飛秒激光直寫在承載基片(1)上加工一個(gè)環(huán)形槽(2)和一個(gè)通槽 (4)，且環(huán)形槽(2)與通槽(4)相切，其中環(huán)形槽(2)的內(nèi)徑120畫，寬度4um，通槽(4) 寬度128um，如圖2所示。取一根單模光纖，將中間部分的涂覆層剝?nèi)ゲ⒙冻龉饫w包層，用氫氧焰加熱， 兩端在步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動下拉伸，得到長度為2mm，中間直徑為1.2um的微光纖(3)。在微光纖(3)的中部采用晶體附著法生成孔徑為0.55nm的MFI沸石薄膜(5)， 膜厚3um，沿光纖的直線長度80um。將鍍有MFI沸石膜的微光纖(3)同時(shí)穿過環(huán)形槽與 通槽，使沸石膜在環(huán)形槽內(nèi)部的區(qū)域形成光纖環(huán)形諧振腔。形成的光纖諧振腔如圖3所
7J\ ο如圖4所示，微光纖(3)的兩端分別連接在由激光器(6)和功率探測器(7)組成 的光譜檢測系統(tǒng)上，調(diào)整耦合接觸長度，在探測器(7)上觀察耦合狀態(tài)，使其達(dá)到最佳 耦合。然后在微光纖(3)的兩端，在離前后端面Imm處分別點(diǎn)上紫外膠，在紫外燈下照 射5min，使其固化，得到如圖1所示的基于MFI沸石膜光纖諧振腔的生物化學(xué)傳感器。將本實(shí)施例的傳感器用于檢測環(huán)境中的化學(xué)、生物分子濃度時(shí)，傳感器的微光 纖的兩端分別連接激光器(6)和功率探測器(7)，波長連續(xù)變化的入射光從光纖的入射端 進(jìn)入到光纖時(shí)，在接觸區(qū)會發(fā)生耦合，功率探測器(7)上會產(chǎn)生一系列共振吸收帶，這 些共振帶對應(yīng)的波長對沸石鍍膜的折射率變化非常敏感。當(dāng)沸石分子篩吸附到環(huán)境中某 種物質(zhì)分子時(shí)，將引起沸石膜層的折射率發(fā)生改變，從而導(dǎo)致光纖諧振腔的共振波長發(fā) 生變化。對其光譜變化的分析計(jì)算，可以得到折射率的改變量，而折射率的改變與環(huán)境 相應(yīng)物質(zhì)分子濃度相對應(yīng)，由此可以實(shí)現(xiàn)生物化學(xué)分子的檢測。實(shí)施例2為了實(shí)現(xiàn)高的品質(zhì)因數(shù)和同時(shí)實(shí)現(xiàn)多種分子的檢測，在承載基片(1)上加工三 個(gè)環(huán)形槽，相隔的中心間距為135um，在微光纖(3)的三個(gè)環(huán)形槽位置分別涂鍍孔徑為 0.55nm的MFI沸石薄膜(5)、孔徑為0.26nm的方沸石薄膜(8)、孔徑為0.74nm的FAU 沸石薄膜(9)，三段沸石薄膜的膜厚均3um，沿光纖的直線長度均為80um，如圖5所示， 三個(gè)微光纖環(huán)組成諧振腔陣列；其他實(shí)施工藝同實(shí)施例1，得到如圖6所示的基于沸石膜 光纖諧振腔陣列的生物化學(xué)傳感器。
權(quán)利要求
1.一種基于沸石膜光纖諧振腔的生物化學(xué)傳感器，其特征在于包括承載基片(1)、 沸石薄膜(5)、微光纖(3)；承載基片(1)上加工有環(huán)形槽(2)和一個(gè)通槽(4)，且環(huán)形 槽(2)與通槽(4)相切；一根微光纖(3)同時(shí)穿過環(huán)形槽(2)與通槽(4)，且環(huán)形槽(2) 與通槽(4)相切處的微光纖(3)相交，使其達(dá)到最佳耦合狀態(tài)，微光纖(3)兩端與通槽固 定；其中承載基片(1)為硅、銅或鋁；采用的微光纖(3)直徑為0.5 3um，微光纖(3)在穿過環(huán)形槽(2)與通槽(4)的部 分去除涂覆層，微光纖(3)在穿過環(huán)形槽(2)位置涂鍍沸石膜(5)，沸石膜(5)涂鍍長度 為環(huán)形槽圓周的1/3 2/3。
2.如權(quán)利要求1所述的一種基于沸石膜光纖諧振腔的生物化學(xué)傳感器，其特征在于 環(huán)形槽(2)的個(gè)數(shù)為一個(gè)或一個(gè)以上；環(huán)形槽的內(nèi)徑為50um IOOOum ；環(huán)形槽(2)與 通槽(4)的寬度分別大于鍍膜后的微光纖直徑5um。
3.如權(quán)利要求1所述的一種基于沸石膜光纖諧振腔的生物化學(xué)傳感器，其特征在于 沸石膜的種類由待檢測物質(zhì)分子大小決定，沸石膜(9)的厚度為2 10um，平均孔徑小 于 Inm0
4.一種基于沸石膜光纖諧振腔的生物化學(xué)傳感器的制作方法，其特征在于具體步驟 如下1)在承載基片上加工有環(huán)形槽(2)和一個(gè)通槽(4)，且環(huán)形槽(2)與通槽(4)相切； 環(huán)形槽的內(nèi)徑為50um IOOOum ；環(huán)形槽(2)與通槽(4)的寬度分別大于鍍膜后的微光 纖直徑5um ；2)取一根單模光纖，去除中間部分的涂覆層，并將裸露部分拉長至直徑為0.5 3um ；3)在微光纖(3)的裸露部分涂鍍一段長度為環(huán)形槽圓周的1/3 2/3、厚度為2 IOum,平均孔徑小于Inm的沸石膜，根據(jù)待檢測物質(zhì)分子大小選擇的沸石膜的種類；4)將第3)步制備好的鍍有沸石膜的微光纖(3)同時(shí)穿過環(huán)形槽(2)與通槽(4)，且 環(huán)形槽(2)與通槽(4)相切處的微光纖(3)相交，然后將微光纖(3)的兩端分別連接可調(diào) 諧激光源(6)和光強(qiáng)探測器(7)，組成光譜測試系統(tǒng)；在顯微鏡下，利用微移動平臺使微 光纖(3)貼合在支柱上，同時(shí)調(diào)整耦合接觸長度，使其達(dá)到最佳耦合狀態(tài)，微光纖(3)兩 端與通槽(4)固定。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種基于沸石膜光纖諧振腔的生物化學(xué)傳感器，屬于微傳感器領(lǐng)域。本發(fā)明包括承載基片、沸石薄膜、微光纖；承載基片上加工有環(huán)形槽和一個(gè)通槽；一根微光纖同時(shí)穿過環(huán)形槽與通槽，且環(huán)形槽與通槽相切處的微光纖相交，微光纖兩端與通槽固定；本發(fā)明的制作方法，首先在承載基片上加工有環(huán)形槽和通槽；將單模光纖去除涂覆層，并將裸露部分拉長，在裸露部分涂鍍沸石膜；將該微光纖同時(shí)穿過環(huán)形槽與通槽，且環(huán)形槽與通槽相切處的微光纖相交，然后在光譜測試系統(tǒng)下，調(diào)整耦合接觸長度，使其達(dá)到最佳耦合狀態(tài)，微光纖兩端與通槽固定。本發(fā)明具有結(jié)構(gòu)簡單，可操作性強(qiáng)，具有高穩(wěn)定性與高可靠性，適用于各種氣體液體分子的檢測。
文檔編號G01N21/41GK102012366SQ20101053472
公開日2011年4月13日 申請日期2010年11月3日 優(yōu)先權(quán)日2010年11月3日
發(fā)明者姜瀾, 李本業(yè), 王素梅 申請人:北京理工大學(xué)