Волоконно-оптический плазмонный датчик показателя преломления жидкости
FIBRE-OPTIC PLASMON SENSOR OF LIQUID REFRACTION INDEX

Устройство относится к волоконной оптике, в частности, к волоконно-оптическим датчикам для измерения показателя преломления и может быть использовано для высокоточного определения показателя преломления жидкостей, для обнаружения малых концентраций белков и других биологических объектов, в частности, для использования в диагностических системах, основанных на микрофлюидных технологиях.
Все более широкое применение в настоящее время находят микрофлюидные устройства, т.н. «лаборатории на чипе», позволяющие быстро и надежно обнаруживать и количественно определять в образцах, полученных из биологических жидкостей пациента (кровь, моча, слюна и др.), биомаркеры тех или иных заболеваний. Эти устройства, предназначенные для экспресс-диагностики «у постели больного», должны отвечать особым требованиям: они должны быть компактны, мобильны, недороги, просты в изготовлении и использовании и обеспечивать получение стабильных показаний и, как следствие, надежных диагностических результатов вне лабораторных условий. Для этой цели могут быть использованы волоконно-оптические датчики показателя преломления, действие которых основано на явлении поверхностного плазмонного резонанса (ППР). Известные конструкции волоконных чувствительных элементов, создающих условия генерации поверхностного плазмонного резонанса, и позволяющих использовать его для измерения показателя преломления, описаны в обзоре [Christophe Caucheteur, Tuan Guo, Jacques Albert, "Review of plasmonic fiber optic biochemical sensors: improving the limit of detection", Analytical Bioanalytical Chemistry (2015) 407: 3883. doi: 10.1007/s00216-014-8411-6].
Особый интерес, благодаря точности определения спектрального положения резонанса по сравнению с другими конструкциями, представляют датчики, использующие наклонную внутриволоконную брэгговскую решетку, которая обеспечивает возбуждение мод оболочки, эванесцентные поля которых напрямую взаимодействуют с поверхностью. На поверхность участка волокна, в котором записана решетка, наносят тонкий слой (30-50 нм) плазмонного металла, как правило, золота. На металлизированной поверхности волоконного световода вытекающие оболочечные моды возбуждают плазмоны, скорость распространения которых зависит от диэлектрической проницаемости внешней среды. Наиболее эффективной оказывается перекачка энергии в плазмон тех оболочечных мод, фазовая скорость которых вдоль поверхности волоконного световода совпадает со скоростью распространения плазмона. Такой эффект, называемый эффектом поверхностного плазмонного резонанса, находит отражение в спектре пропускания волоконного датчика в виде «перетяжки», спектральное положение которой, очевидно, зависит от показателя преломления внешней среды. Этот принцип лежит в основе работы волоконно-оптического плазмонного датчика на базе наклонной брэгговской решетки. В англоязычной литературе для обозначения этих сенсоров принята аббревиатура TFBG (Tilted Fiber Bragg Grating). Принцип работы сенсора состоит в детектировании изменений положения плазмонного резонанса на спектре пропускания. При изменении показателя преломления внешней среды, обусловленном наличием детектируемого вещества вблизи поверхности чувствительного элемента, положение характерной перетяжки на спектре изменяется. Качественное и количественное изменение спектра дает информацию и составе детектируемых в образце компонентов.
Важная техническая проблема, которую приходится решать при конструировании датчиков подобного типа состоит в том, что спектр выходного сигнала сильно зависит от состояния поляризации возбуждающего излучения. В схеме с применением наклонных брэгговских решеток лишь одна из линейных составляющих поляризации может эффективно возбуждать плазмоны на поверхности волокна. Так как на сигнале в неплазмонном состоянии поляризации не наблюдается перетяжки, то при наложении на полезный сигнал происходит падение контраста в результирующем спектре. В результате, вследствие влияния «неплазмонной» части поляризации возбуждающего сигнала при использовании стандартного волоконного световода, наблюдается размытие положения резонанса. Кроме того, внешние механические и температурные воздействия способны провоцировать частичное перетекание поляризации сигнала из одного состояния в другое, что особенно заметно при изгибании световода. Все это делает выходной сигнал крайне неустойчивым, размывая положение резонанса.
В известных технических решениях эту проблему пытаются решать введением в конструкцию датчика дополнительных устройств, предназначенных для контроля поляризации возбуждающего излучения.
В серии работ Ж. Альбера и коллектива сотрудников задачу управления поляризацией решают применением контроллеров поляризации - как простых механических, так и более сложных - электронных. Например, в работе [Albert J et. al. "High resolution grating-assisted surface plasmon resonance fiber optic aptasensor", Methods 63, pp. 239-254, 2013] описан волоконный плазмонный датчик на базе наклонной брэгговской решетки, включающий чувствительный элемент - оптическое волокно с записанной в нем наклонной брэгговской решеткой, на которое нанесено золотое покрытие, волоконную линию и устройство, контролирующее поляризацию возбуждающего света. Решетка записана посредством облучения оптического волокна излучением импульсного эксимерного лазера на длине волны 248 нм через фазовую маску. Угол наклона штрихов от 4 до 10 градусов. Длина решетки от 1 до 2 см. Золотое покрытие толщиной около 50 нм нанесено вакуумным распылением последовательно с двух противоположных сторон или с помощью электролиза. Для управления поляризацией в конструкции использован расположенный перед чувствительной частью контроллер поляризации JDSU PR2000, однако указано, что также может быть использован обычный механический контроллер без существенных негативных последствий.
В заявке [CN 106289340 (А), опубл. 04.01.2017] предложен мультиканальный оптический TFBG-сенсор, в котором для решения проблем с поляризацией так же использован механический контроллер, а мультиканальность обеспечена применением трех последовательно соединенных сенсоров. Возможность корректной интерпретации результатов измерений, полученных с применением этого устройства, вызывает сомнение, поскольку наложение спектров пропускания трех последовательных сенсоров на близких длинах волн должно искажать картину резонанса, полученную на выходе.
Необходимо отметить, что использование механического контроллера не позволяет полностью решить проблему нестабильности работы устройства, поскольку не обеспечивает полной поляризации излучения. Это приводит к уширению и размытию положения резонанса на спектре, что негативно сказывается на разрешении сенсора. Наличие контроллера и необходимость его настройки снижает мобильность датчика и увеличивает время проведения анализа, при этом влияние спонтанных сдвигов поляризации вследствие механических перемещений и связанное с этим ухудшение разрешения сенсора преодолеть не удается. Все это ограничивает возможности использования таких сенсоров для проведения экспрессных диагностических исследований, особенно вне лаборатории «у постели больного».
В заявке [CN 104458658 (А), опубл. 25.03.2015] описан TFBG-биосенсор, в котором в качестве контроллера поляризации использована поляризующая призма. Необходимость включения в схему сенсора дополнительного элемента - оптического изолятора, а также технические трудности, связанные с передачей излучения из призмы в оптическое волокно, делают это техническое решение громоздким, энергетически не выгодным и неудобным для применения в экспресс-диагностике.
Одно из возможных решений проблемы стабилизации поляризации возбуждающего света описано в публикации [К.А. Томышев, О.В. Бутов «Плазмонный сенсор на оптическом волокне с сохранением поляризации» http://conf59.mipt.ru/static/reports_pdf/2563.pdf], взятой в качестве прототипа. Для стабилизации поляризации возбуждающего излучения в работе использовано специальное оптическое волокно с сохранением поляризации. Далее по тексту это волокно будем обозначать общепринятой англоязычной аббревиатурой PMF (polarization maintaining fiber). Сенсор выполнен в виде оптоволоконной линии, включающей чувствительный элемент, представляющий собой участок PMF, в котором записана наклонная брэгговская решетка в плоскости одной из осей волокна. Поверхность участка PMF с записанной в нем решеткой покрыта слоем золота толщиной около 35 нм. Для получения поляризованного оптического излучения в состав оптоволоконной линии включен участок оптического волокна-поляризатора, приваренный на входе в чувствительный элемент. Датчик характеризуется стабильностью показаний и хорошей воспроизводимостью результатов измерений показателя преломления при механических изгибах подводящего световода. Недостатком описанного устройства является необходимость изготовления брэгговской решетки в PMF, что связано со значительными техническими трудностями. Этот недостаток становится существенными при серийном производстве таких сенсоров для применения, например, в диагностических системах, «лаборатория на чипе», предназначенных для массового использования.
Техническая проблема, решаемая предлагаемым волоконно-оптическим плазмонным датчиком, - упрощение технологии изготовления такого устройства на основе наклонной брэгговской решетки с сохранением его мобильности и стабильности сигнала независимо от возможных механических воздействий, что позволит использовать его для диагностических исследований по технологии «лаборатория на чипе» непосредственно у постели больного.
Техническая проблема решена предлагаемым волоконно-оптическим плазмонным датчиком показателя преломления жидкости, включающим участок оптического волокна-поляризатора и чувствительный элемент, представляющий собой оптическое волокно с записанной в нем наклонной брэгговской решеткой, поверхность которого на участке с наклонной брэгговской решеткой покрыта слоем золота. Предлагаемый волоконно-оптический плазмонный датчик показателя преломления жидкости дополнительно включает участок оптического волокна с сохранением поляризации, размещенный между участком оптического волокна-поляризатора и чувствительным элементом, при этом оптическое волокно чувствительного элемента, в котором записана наклонная брэгговская решетка, представляет собой стандартное изотропное оптическое волокно.
Следующие иллюстрации поясняют сущность заявляемого технического решения:
Фиг. 1. Схема патентуемого волоконно-оптического плазмонного датчика показателя преломления жидкости.
Фиг. 2. Сравнение отклонения положения плазмонного резонанса при изгибах для патентуемого волоконно-оптического плазмонного датчика показателя преломления жидкости и датчика по прототипу:
А - патентуемый волоконно-оптический плазмонный датчик показателя преломления жидкости;
Б - датчик по прототипу.
По оси абсцисс - порядковый номер эксперимента (измерения), соответствующего различным положениям и уровням деформации подводящего волокна, по оси ординат - рассчитанное изменение положения плазмонного резонанса.
Как схематически показано на фиг. 1, устройство патентуемого волоконно-оптического плазмонного датчика включает участок оптического волокна-поляризатора 1, соединенный сварным соединением 2 с участком оптического волокна с сохранением поляризации 3, который, в свою очередь, соединен через сварное соединение 4 с чувствительным элементом 5.
Оптическое волокно-поляризатор характеризуется тем, что одна из его осей обладает высоким коэффициентом затухания сигнала, другая - малыми потерями. Коэффициент затухания ортогональной поляризации - не менее 20 дБ/м на длине волны 1550 нм. Вследствие подавления ортогональной поляризации в чувствительный элемент попадает линейно поляризованное излучение. Включение в состав устройства участка волокна-поляризатора 1, в отличие от широко применяемых контроллеров, обеспечивает практически полную линейную поляризацию излучения, направляемого на чувствительный элемент.
Оптическое волокно-поляризатор получают по технологии, аналогичной известной технологии создания PMF
[http://www.fujikura.co.jp/eng/resource/pdf/16pnb04.pdf], при этом подбирая волноводные параметры (толщина сердцевины или разница показателей преломления между сердцевиной и оболочкой) для одной из двух осей двулучепреломления таким образом, чтобы по этой оси коэффициент затухания был на уровне не менее 10 дБ/м. Длину участка волокна-поляризатора выбирают таким образом, чтобы эффективное подавление ортогональной поляризации было на уровне не менее 20 дБ. На практике достаточно использовать участок волокна-поляризатора длиной 1-1,5 м. В наших экспериментах использовано оптическое волокно-поляризатор собственного изготовления длиной 1 м с эффективным подавлением ортогональной поляризации 25 дБ/м.
Оптическое волокно с сохранением поляризации 3, размещенное между участком волокна-поляризатора 1 и чувствительным элементом 5 и соединенное с ними сварными соединениями 2 и 4 соответственно, выполняет функцию передачи линейно поляризованного света от волокна-поляризатора к чувствительному элементу, обеспечивая сохранение линейной поляризации, что особенно важно в условиях, когда невозможно исключить влияние на сенсор внешних воздействий, которые могут вызвать изгибы оптического волокна. Для изготовления заявляемого устройства могут быть использованы известные марки PMF, например, "Fujikura Panda Fiber" или "Corning Panda Fiber". Длину участка оптического волокна с сохранением поляризации выбирают таким образом, чтобы минимизировать длину участка изотропного оптического волокна, в котором записана брэгговская решетка. На практике достаточно использовать участок оптического волокна с сохранением поляризации длиной 0,1-0,5 метра. В наших экспериментах использован участок длиной 0,3 метра волокна собственного изготовления с эллиптической сердцевиной с характерной длиной биений 5 мм.
2
Чувствительный элемент 5 может быть изготовлен на основе любого стандартного изотропного одномодового оптического волокна, пригодного для записи брэгговских решеток (например, продукты компаний Corning, Draka Comteq, Fujikura или Furukawa). В наших экспериментах использован стандартный телекоммуникационный волоконный световод Corning SMF-28. Для повышения эффективности записи брэгговской решетки световод предварительно насыщают молекулярным водородом. Брэгговскую решетку с наклонными штрихами записывают, как описано в работе [Albert J. et. al. "High resolution grating-assisted surface plasmon resonance fiber optic aptasensor", Methods 63, pp. 239-254, 2013] с помощью фазовой маски и излучения эксимерного ArF лазера с длиной волны генерации 193 нм. Длина решетки 0,8-1,5 см, угол наклона штрихов 5°-11°. Для обеспечения наклона штрихов маску вместе со световодом располагают под углом к плоскости фронта лазерного излучения. После записи решетки образец покрывают слоем золота толщиной 35-50 нм методом термического распыления металла в вакуумной камере. Для обеспечения лучшей адгезии основного слоя золота к поверхности световода с помощью дополнительного испарителя наносят промежуточный слой хрома толщиной 2-3 нм. Равномерное осаждение слоя на цилиндрическую поверхность волоконного световода обеспечивают его равномерным вращением вокруг своей оси над испарителем, как описано в работе [Butov, O.V., Golant, K.M., Tomyshev, K.A., "Recoating of Fiber Bragg Gratings with metals", 11-th International Symposium on SiO, Advanced Dielectrics and Related Devices (2016)].
Важно отметить, что технология записи брэгговских решеток в стандартном волокне значительно проще, чем в волокне с сохранением поляризации, как в прототипе. Во-первых, фоточувствительность PMF крайне неоднородна по объему и затруднена наведенным двулучепреломлением, а во-вторых в волокнах, сохраняющих поляризацию, необходимо при записи точно ориентировать наклон штрихов решетки относительно осей двулучепреломления волокна, что является нетривиальной задачей. Применение стандартного оптического волокна для изготовления чувствительного элемента вместо PMF не только позволяет упростить технологию изготовления сенсора, но и обеспечить хорошую воспроизводимость и стандартизацию его характеристик, что имеет большое значение при изготовлении серийных изделий.
В качестве источника возбуждающего света 6 (см. фиг. 1) используют суперлюминесцентный диод, представляющий собой широкополосный источник оптического сигнала с центральной длиной волны в диапазоне 1530-1560 нм и шириной полосы 60-100 нм. При попадании света в участок оптического волокна-поляризатора 1 свет линейно поляризуется, и на выходе из него излучение является линейно поляризованным. Затем оно попадает в участок оптического волокна с сохранением поляризации 3, которое доводит линейно-поляризованный свет до чувствительного элемента 5, сохраняя его поляризацию. При попадании света в область чувствительного элемента возбуждаются поверхностные плазмоны, и на спектре пропускания наблюдается плазмонный резонанс. Спектры пропускания сенсора измеряют с помощью анализатора оптического спектра 7 и обрабатывают с использованием программно-математического аппарата, определяющего положение плазмонного резонанса по измеренным спектрам.
Для проведения сравнительных измерений датчик по прототипу и патентуемый волоконно-оптический плазмонный датчик показателя преломления жидкости устанавливают параллельно таким образом, что любое внешнее механическое воздействие, имитирующее изгиб подводящего оптического кабеля сенсора (участок между витком волокна-поляризатора 1 и чувствительным элементом 5), с одинаковой степенью передается на оба погруженных в кювету с водой сенсора. Спектры фиксируют при различных положениях подводящего волокна. Результаты измерений показаны на фиг. 2, где сопоставлены отклонения положения плазмонного резонанса от стационарного состояния при изгибе волокна для патентуемого волоконно-оптического плазмонного датчика показателя преломления жидкости (кривая А) и для датчика по прототипу (кривая Б). По оси абсцисс - порядковый номер эксперимента (измерения), соответствующего различным положениям и уровням деформации подводящих волокон, по оси ординат -рассчитанное изменение положения плазмонного резонанса. Как видно из фиг. 2, патентуемый волоконно-оптический плазмонный датчик показателя преломления жидкости, чувствительный элемент которого изготовлен с использованием стандартного оптического волокна, проявляет стабильность при изгибах подводящего световода, сопоставимую с датчиком по прототипу, чувствительный элемент которого выполнен из оптического волокна с сохранением поляризации. Этот эффект, обусловленный сочетанием в конструкции патентуемого волоконно-оптического плазмонного датчика показателя преломления жидкости участков волокна-поляризатора и волокна с сохранением поляризации, позволяет использовать его не только в условиях лаборатории, где можно обеспечить его неподвижность, но и в мобильных устройствах, предназначенных для диагностических исследований «у постели больного».