面向微流控应用的光纤SPR传感器及其特性研究
摘要
生物化学分子的检测在药理学研究和早期诊断中起着至关重要的作用。一般情况下，
目标分子通常以极低的浓度存在，而且样品中不可避免地掺杂了其他各种分子，使得生
物化学分子的识别和检测成为一项艰巨的任务。随着生物信息学、结构生物学和基因治
疗的快速发展，生物医学领域越来越趋向于微观方案。因此，开发一种高性能、低成本
的检测平台对于疾病的早期诊断、预防和治疗具有重要意义。微流控技术可以在微米尺
度分析和处理微量液体，为高通量、小剂量样品的检测提供了理想的解决方案，然而对
微量液体的高灵敏度和大动态范围检测是阻碍其发展的技术难点。
光纤SPR传感器具有抗电磁干扰、微型化、易于表面修饰、无标记等优点，可以解
决以上难题。本文以SPR的共振耦合理论为基础，围绕光纤微流器件的制备、SPR传感
器灵敏度的提升和大动态范围折射率的检测等问题，提出了基于不同光纤构型的SPR微
流传感方案，并通过理论分析和实验论证了方案的可行性，为光纤SPR传感器面向微流
控应用提供了参考。
主要创新性研究成果如下：
（1）为了提升微流器件的集成度，提出了一种基于悬挂芯光纤的SPR传感器。悬挂
芯光纤内置一条微流通道，直径为130μm，有利于液体样品的渗透。通过激光微加工技
术打开光纤的包层使纤芯裸露，使用离子溅射仪将金膜沉积在悬挂芯表面用于激发SPR。
实验研究了金膜厚度与折射率灵敏度的关系。随着金膜厚度的增加，共振波长发生红移，
折射率灵敏度提升。当金膜厚度为30-70nm，样品折射率范围为1.333-1.433时，传感
器的灵敏度为1444-2013nm/RIU。此外，实验研究了传感器对牛血清蛋白溶液的传感特
性，测得浓度灵敏度为6.19nm/(mg/mL)。采用悬挂芯光纤制备的SPR微流传感器可以
将微流体的检测过程集成到一根光纤中，进一步缩小了器件的尺寸。
（2）为了提升微流器件的灵敏度，提出了一种基于全光纤类贝塞尔光束的SPR传感
器。将一段单模光纤与一段多模光纤焊接在一起构建单-多光纤结构用于产生类贝塞尔
光束，类贝塞尔光束包含一系列同轴的环形光场，数量由多模光纤的长度决定。实验设
计并制作了一种双锥光纤结构用于激发和接收SPR信号，研究了不同类贝塞尔光束和
研磨角度对传感器性能的影响。通过增加光纤端面同轴环形光场的数量和研磨角度，可
以显著提升传感器的灵敏度，测得最大折射率灵敏度为6908.3nm/RIU，理论检测极限
-6
可以达到10RIU量级。当用于牛血清蛋白溶液检测时，传感器测得的浓度灵敏度可以
达到8.77nm/(mg/mL)。该传感器采用类贝塞尔光束作为输入源，减小了共振角度的发
散，相比高斯光束作为输入源的光纤SPR传感器更加灵敏。
哈尔滨工程大学博士学位论文
（3）为了提升微流器件的折射率检测范围，提出了一种基于聚合物涂层的锥形光纤
SPR传感器。采用熔融拉伸法制备锥形光纤，通过空间光耦合器将532nm激光耦合进
光纤中，利用泄露的包层模固化一层光致聚合物涂层，在涂层表面沉积一层金膜构建传
感区域。实验研究了不同聚合物涂层厚度对传感器性能的影响。随着聚合物涂层厚度的
增加，SPR的折射率灵敏度呈下降趋势。当涂层厚度为1.8μm时，传感器分别测得折射
率灵敏度为6422.9nm/RIU（RI：1.423-1.493）和1332.9nm/RIU（RI：1.333-1.403）。此
外，实验研究了传感器的温度敏感特性，当涂层厚度为1.8μm，温度范围为20-50℃时，
温度灵敏度为1.43nm/℃。当用于免疫球蛋白溶液检测时，传感器测得的浓度灵敏度为
0.06nm/(μg/mL)。该工作通过增加波导折射率进一步提高了SPR传感器的折射率检测范
围，拓展了其在生物化学领域的应用。
关键词:光纤SPR传感器；微流控；类贝塞尔光束；光纤微结构加工
面向微流控应用的光纤SPR传感器及其特性研究
ABSTRACT
Thedetectionofbioch