專利名稱：一種基于沸石膜光纖諧振腔的生物化學傳感器的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種基于沸石膜光纖諧振腔的生物化學傳感器，屬于微傳感器領 域。
背景技術：
基于諧振腔的傳感器由于具有很高的品質因數，可以實現極低濃度的檢測，從 而在生物化學傳感檢測中具有廣泛的應用。常用的諧振腔結構有盤、環、柱、球等， 一般利用光纖錐倏逝場激發這些諧振腔內的回音廊模式(WhisperingGallery Modes,簡稱 WGMs)而制作生物化學傳感器。但是，這種類型的傳感器是組裝式的，不利于集成，需 要精確調節諧振腔與光纖錐的相對位置，難以實現工業化應用。微光纖型諧振器以其結構簡單，便于操作與集成而引起了廣泛的關注，在傳 感器的應用上也有了初步的研究。利用微光纖型諧振器在溶液中實現了一定濃度的檢 測(Guo X， et al.Supported microfiber loops for optical sensing, Optics Express, 16(19) 14429-14434，2008)，但是由于品質因數的限制，不能實現更低濃度的檢測。同時，常 用微光纖諧振器結構，是將光纖在熱源作用下拉制到幾個微米甚至零點幾個微米，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形或螺旋形。這種接觸力很 弱，形成的諧振器結構不夠穩定，有專利(公開號CN 101105554A)公開一種金屬棒支 撐的微光纖環形諧振器，這種支撐結構在液體測試時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，這種影響更為明顯。也有文獻使用粘性膠將整個光纖諧振 器粘合在一個基片上，但這樣會大大降低諧振器與周圍待檢測物質的接觸面積，降低了 檢測精度。這種基于諧振器類的傳感器不能實現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境中吸附被檢測物質的分子，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結構和光學性質，如折射率發生改 變，進而導致諧振波長發生偏移，使得其具備制作實現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，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時間。
發明內容
本發明目的是為了解決常用微光纖諧振器結構不穩定、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傳感器，具有吸收選擇 性、高集成性與高可靠性；可用于同時檢測環境中多種分子的存在及濃度，靈敏度達到 ppm甚至ppb量級。本發明的目的是通過以下技術方案實現的；本發明的一種基于沸石膜光纖諧振腔的生物化學傳感器，包括承載基片、沸石 薄膜、微光纖；承載基片上加工有環形槽和一個通槽，且環形槽與通槽相切；一根微光纖同時穿過環形槽與通槽，且環形槽與通槽相切處的微光纖相交，使其達到最佳耦合狀 態，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；環形槽的個數為一個或一個以上；環形槽的內徑為50um IOOOum ；環形槽與 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，微光纖在穿過環形槽與通槽的部分去除涂覆 層，微光纖在穿過環形槽位置涂鍍沸石膜，沸石膜涂鍍長度為環形槽圓周的1/3 2/3;沸石膜的種類由待檢測物質分子大小決定，沸石膜的厚度為2 10um，平均孔 徑小于Inm ；本發明的一種基于沸石膜光纖諧振腔的生物化學傳感器的制作方法，其具體步 驟如下1)在承載基片上加工有環形槽和一個通槽，且環形槽與通槽相切；環形槽的內 徑為50um IOOOum ；環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，根據待檢測物質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穿過環形槽與通槽，且環形槽與 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諧激光源和光強探測器， 組成光譜測試系統；在顯微鏡下，利用微移動平臺使微光纖貼合在支柱上，同時調整耦 合接觸長度，使其達到最佳耦合狀態，微光纖兩端與通槽固定。工作原理將本發明傳感器用于檢測環境中的化學、生物分子濃度時，傳感器的微光纖的 兩端分別連接激光器和功率探測器，波長連續變化的入射光從光纖的入射端進入到光纖 時，在接觸區會發生耦合，功率探測器上會產生一系列共振吸收帶，這些共振帶對應的 波長對沸石鍍膜的折射率變化非常敏感。當沸石分子篩吸附到環境中某種物質分子時， 將引起沸石膜層的折射率發生改變，從而導致光纖諧振腔的共振波長發生變化。對其光 譜變化的分析計算，可以得到折射率的改變量，而折射率的改變與環境相應物質分子濃 度相對應，由此可以實現生物化學分子的檢測。有益效果本發明具有結構簡單，可操作性強，具有高穩定性與高可靠性，根據對沸石分 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 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，則可以實現多種分 子的同時檢測。
圖1為本發明的整體結構示意圖。圖2為承載基片示意圖。
圖3為鍍膜的微光纖環形諧振腔示意圖。圖4為測試裝置示意圖。圖5為三個微光纖環形成的諧振腔陣列.圖6為三個微光纖環形成的諧振腔陣列傳感器示意圖。其中1-承載基片；2-環形槽；3-微光纖；4-通槽；5-MFI沸石薄膜；6_可調 諧激光器；7-功率探測器；8-方沸石薄膜；9-FAU沸石薄膜。
具體實施例方式下面結合附圖和實施例對本發明做進一步說明。實施例1采用SOOrnn飛秒激光直寫在承載基片(1)上加工一個環形槽(2)和一個通槽 (4)，且環形槽(2)與通槽(4)相切，其中環形槽(2)的內徑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去并露出光纖包層，用氫氧焰加熱， 兩端在步進電機的驅動下拉伸，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)同時穿過環形槽與 通槽，使沸石膜在環形槽內部的區域形成光纖環形諧振腔。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 的光譜檢測系統上，調整耦合接觸長度，在探測器(7)上觀察耦合狀態，使其達到最佳 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傳感器。將本實施例的傳感器用于檢測環境中的化學、生物分子濃度時，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)，波長連續變化的入射光從光纖的入射端 進入到光纖時，在接觸區會發生耦合，功率探測器(7)上會產生一系列共振吸收帶，這 些共振帶對應的波長對沸石鍍膜的折射率變化非常敏感。當沸石分子篩吸附到環境中某 種物質分子時，將引起沸石膜層的折射率發生改變，從而導致光纖諧振腔的共振波長發 生變化。對其光譜變化的分析計算，可以得到折射率的改變量，而折射率的改變與環境 相應物質分子濃度相對應，由此可以實現生物化學分子的檢測。實施例2為了實現高的品質因數和同時實現多種分子的檢測，在承載基片(1)上加工三 個環形槽，相隔的中心間距為135um，在微光纖(3)的三個環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， 三個微光纖環組成諧振腔陣列；其他實施工藝同實施例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傳感器。
權利要求
1.一種基于沸石膜光纖諧振腔的生物化學傳感器，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)上加工有環形槽(2)和一個通槽(4)，且環形 槽(2)與通槽(4)相切；一根微光纖(3)同時穿過環形槽(2)與通槽(4)，且環形槽(2) 與通槽(4)相切處的微光纖(3)相交，使其達到最佳耦合狀態，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)在穿過環形槽(2)與通槽(4)的部 分去除涂覆層，微光纖(3)在穿過環形槽(2)位置涂鍍沸石膜(5)，沸石膜(5)涂鍍長度 為環形槽圓周的1/3 2/3。
2.如權利要求1所述的一種基于沸石膜光纖諧振腔的生物化學傳感器，其特征在于 環形槽(2)的個數為一個或一個以上；環形槽的內徑為50um IOOOum ；環形槽(2)與 通槽(4)的寬度分別大于鍍膜后的微光纖直徑5um。
3.如權利要求1所述的一種基于沸石膜光纖諧振腔的生物化學傳感器，其特征在于 沸石膜的種類由待檢測物質分子大小決定，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形槽(2)和一個通槽(4)，且環形槽(2)與通槽(4)相切； 環形槽的內徑為50um IOOOum ；環形槽(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，根據待檢測物質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)同時穿過環形槽(2)與通槽(4)，且 環形槽(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 諧激光源(6)和光強探測器(7)，組成光譜測試系統；在顯微鏡下，利用微移動平臺使微 光纖(3)貼合在支柱上，同時調整耦合接觸長度，使其達到最佳耦合狀態，微光纖(3)兩 端與通槽(4)固定。
全文摘要
本發明涉及一種基于沸石膜光纖諧振腔的生物化學傳感器，屬于微傳感器領域。本發明包括承載基片、沸石薄膜、微光纖；承載基片上加工有環形槽和一個通槽；一根微光纖同時穿過環形槽與通槽，且環形槽與通槽相切處的微光纖相交，微光纖兩端與通槽固定；本發明的制作方法，首先在承載基片上加工有環形槽和通槽；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；將該微光纖同時穿過環形槽與通槽，且環形槽與通槽相切處的微光纖相交，然后在光譜測試系統下，調整耦合接觸長度，使其達到最佳耦合狀態，微光纖兩端與通槽固定。本發明具有結構簡單，可操作性強，具有高穩定性與高可靠性，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 優先權日2010年11月3日
發明者姜瀾, 李本業, 王素梅 申請人:北京理工大學