基于光纤扭曲技术的食品检测SPR传感器研究.pdf

摘要

以表面等离子体共振（SurfacePlasmonResonance,SPR）为原理的光纤传感

器，由于具有体积小、快速检测、可实时在线检测等优点，已经成功应用于食品安

全检测领域。然而，目前的光纤SPR传感器与传统的检测技术相比，还存在传感器

灵敏度不够高与特异性检测食品困难两个瓶颈问题需要解决。为了解决这两个问题，

本论文提出了两种通过光纤微结构调节入射角从而调节灵敏度的光纤扭曲型SPR传

感器，并在光纤扭曲型SPR传感器表面修饰分子识别元件（Molecularrecognition

element,MRE），实现食品的特异性检测。具体的工作包括：

（1）为解决光纤SPR传感器灵敏度不够高的问题，本论文提出两类方法来提高

光纤SPR传感器灵敏度。首先，本论文通过光纤微加工技术改变光纤几何形状，提

出并制作了两种光纤扭曲型SPR传感器（包括光纤U型锥SPR传感器和光纤S型锥

SPR传感器），调节SPR入射角以提升灵敏度。其中，光纤U型锥SPR传感器是通过

在光纤上制作U型锥结构，调节其光纤类型、锥区直径和弯曲直径，得到了最佳的

实验参数：阶跃折射率多模光纤（SI105/125-22/250，WuhanChangfeiOptical

FiberCableCompany，SIMMF）、U型锥的锥区直径为48μm、弯曲直径为0.3cm；

使得传感器灵敏度调节提升至4324.845nm/RIU。光纤S型锥SPR传感器则是通过在

单模光纤（SMF-28e，corning，SMF）上制作S型锥微结构，调整S型锥的轴向偏移

量和S型锥的锥区直径，得到了最佳的实验参数：轴向偏移量为90μm，锥区直径

为35μm；使得传感器灵敏度调节提升至3244.62nm/RIU。其次，本论文在光纤扭曲

型SPR传感器表面分别修饰氧化石墨烯（Grapheneoxide，GO）和金纳米（Gold

nanoparticles，AuNPs）粒子，通过重新排布金膜表面的电子来增强SPR信号，从

而进一步提高光纤SPR传感器的灵敏度。通过在光纤U型锥SPR传感器表面静电自

组装修饰氧化石墨烯，调节提升了传感器灵敏度，使得传感器灵敏度调节提升到了

4505.06nm/RIU。通过在光纤S型锥SPR传感器表面静电自组装修饰金纳米粒子，调

节提升了传感器灵敏度，使得传感器灵敏度调节提升至3507.37nm/RIU。

（2）为了解决光纤SPR传感器特异性检测食品困难的问题，本论文在参数最佳

的两种扭曲型SPR传感器表面分别修饰其目标分析物所对应的分子识别元件，实现

食品中D-甘露糖（D-mannose）、重金属镍离子（Heavymetalnickelion，Ni２＋）、

抗生素卡那霉素（Antibiotickanamycins）的特异性检测。具体如下：①在光纤U

型锥SPR传感器表面修饰刀豆凝集素A，实现了不同浓度的D-甘露糖的特异性检测，

其检测灵敏度为0.18nm/（pg/mL），检测限为0.93pg/mL。②在光纤S型锥SPR传

感器表面修饰双链DNA，实现了不同浓度的镍离子的特异性检测，其检测灵敏度为

3.587nm/lg（mg/mL），检测限低至8.56pg/mL。③在光纤S型锥SPR传感器表面修

饰卡那霉素适配体，实现了不同浓度的卡那霉素的特异性检测，其检测灵敏度为

3.66nm/lg（mg/mL），检测限低至0.53ng/mL。

关键词：扭曲型SPR传感器光纤SPR灵敏度调节SPR特异性检测食品检测

Abstract

FiberopticsensorsbasedonSurfacePlasmaResonance（SPR）have

beensuccessfullyappliedinthefieldoffoodsafetydetectiondueto

theiradvantagessuchassmallsize,fastdetection,andreal-timeonline

detection.However,comparedwithtraditionaldetecti