CN106066313A - 分布式表面等离子体共振光纤传感器及用于液体折射率测量的方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供的是一种分布式表面等离子体共振光纤传感器及用于液体折射率测量的方法。包括阶跃折射率多模光纤、分别位于阶跃折射率多模光纤的两端的超连续谱光源与光谱仪，所述阶跃折射率多模光纤上加工有两个传感区，第一传感区和第二传感区的形状不同，两个传感区上均镀有纳米金属薄膜。超连续谱光源发出的光耦合到阶跃折射率多模光纤中并在第一传感区激发表面等离子体共振，在对应的共振波长处光强衰减，到达第二传感区再次激发表面等离子体共振，在对应的共振波长处光强也发生衰减，第一传感区和第二传感区产生的共振波长差异显著，因此实现分布式传感。本发明具有体积小、光损耗低、结构简单等突出优点，在生物医学领域有着广阔的应用前景。

Description

分布式表面等离子体共振光纤传感器及用于液体折射率测量 的方法

技术领域

本发明涉及的是一种光纤传感器，特别是一种主要用于环境折射率、溶液浓度等传感测量的分布式SPR光纤传感器。本发明也涉及一种光纤传感器用于液体折射率测量的方法。

背景技术

表面等离子体共振(Surface Plasmon Resonance,SPR)是光在全反射过程中和分界面处的导电介质相互作用所产生的一种物理现象。在全反射过程中，光会透过光疏介质约一个波长，再沿界面传播约半个波长再回到光密介质，透过光疏介质的光波称为消逝波。消逝波激发导电介质产生表面等离子体波，当消逝波的频率与表面等离子体波的频率相等时，将会发生共振现象，光束的全反射被打破，反射光强急剧减小，使得光谱在此频率处出现塌缩形成SPR共振谷，该共振谷对应的光波长称为共振波长。随着外界折射率的变化，SPR的共振波长也随之发生漂移，因此通过对共振波长的实时监测可以实现对环境折射率或溶液浓度的传感。

SPR传感器在生物检测上有着重大的作用，可对分析物(例如抗原，DNA)及固定在SPR传感器金属膜上的特异性结合体(例如抗体，互补DNA)之间的相互作用进行实时灵敏的无标记测量，SPR传感器可以检测分析物结合导致的折射率变化，因此在生物领域有着极大的优势。随着待测目标参量种类和特性的多样化，使得常规单级SPR传感机构已逐渐无法满足实际检测的需要。2005年Homola等人提出了基于棱镜的分布式多通道SPR传感器(J.Homola.Multi-analyte surface plasmon resonance biosensing[J].Methods,2005,37(1):26-36)，可同时监测多种分析物，但存在体积大、成本高、不易携带等缺点。将SPR结合到光纤中，可以极大的降低传感器的尺寸和制作成本，且稳定性高，因此目前SPR光纤传感器已经成为SPR传感器研究的主流方向。

2012年Y.Yuan等人提出了一种通过改变金属膜厚的分布式SPR传感器(Y.Yuan,L.Wang,J.Huang.Theoretical investigation for two cascaded SPR fiber opticsensors[J].Sensors and Actuators B:Chemical,2012,161(1):269-273)，但只在理论上进行了分析，在实际操作中由于光纤尺寸太细容易折断光纤，且这种利用改变金属膜厚来实现分布式SPR传感器产生的两个共振谷太近容易叠加成一个难以辨认。2015年赵恩铭等人成功研制出利用双芯光纤的分布式SPR光纤传感器，并提出“分布式表面等离子体共振光纤传感器”的发明专利(专利申请号为：201510400263.6)，在双芯光纤上加工出多组V型槽实现分布式传感，但由于纤芯尺寸太细，因此需要很高的加工精度且注光困难，另外由于传感区面积太小导致SPR共振谷深度太浅，不容易识别。

发明内容

本发明的目的在于提供一种体积小、结构简单、灵敏度大、成本低廉、能够实现分布式监测的分布式表面等离子体共振光纤传感器。本发明的目的还在于提供一种用分布式表面等离子体共振光纤传感器测量液体折射率的方法。

本发明的分布式表面等离子体共振光纤传感器包括阶跃折射率多模光纤2、分别位于阶跃折射率多模光纤2的两端的超连续谱光源1与光谱仪3，所述阶跃折射率多模光纤2上加工有两个传感区，第一传感区2-1和第二传感区2-2的形状不同，两个传感区上均镀有纳米金属薄膜。

本发明的分布式表面等离子体共振光纤传感器还可以包括：

1、第一传感区2-1是通过腐蚀使阶跃折射率多模光纤2的纤芯裸露所形成的圆柱形传感区，长度为10mm。

2、第二传感区2-2是通过研磨在两段阶跃折射率多模光纤2的端部形成圆台，两个圆台端焊接形成的双圆台形传感区，圆台角度α满足8°<α<20°。

3、圆台的上底直径为下底直径的一半。

4、所述纳米金属薄膜是金膜或者银膜，厚度为35～55nm。

用分布式表面等离子体共振光纤传感器测量液体折射率的方法为：

(1)、分布式表面等离子体共振光纤传感器的阶跃折射率多模光纤2的两端剥除涂覆层20～30mm，将两端面切割平整；

(2)、使用光谱范围覆盖450～1200nm的超连续谱光源1，阶跃折射率多模光纤2任一端将光注入到阶跃折射率多模光纤2中；

(3)、将阶跃折射率多模光纤2的另一端连接至光谱仪3，并调整光谱仪的检测波长范围为450～1200nm；

(4)、用光谱仪3采集一组该分布式表面等离子体共振光纤传感器放置在空气中时的光谱作为参考光谱；

(5)、将第一传感区2-1和第二传感区2-2放置到需要测量的液体中，用光谱仪3采集光谱，并与步骤(4)中的参考光谱做差，由于表面等离子体共振现象的发生，做差后的光谱中在某两个波长处光强明显的减弱，其中，短波长为第一传感区2-1的表面等离子体共振波长，长波长为第二传感区2-2的表面等离子体共振波长；

(6)、通过分布式表面等离子体共振光纤传感器的标定曲线，由共振波长得到所测溶液的折射率。

本发明的分布式表面等离子体共振光纤传感器的超连续谱光源1发出的光耦合到阶跃折射率多模光纤2中并在第一传感区2-1激发表面等离子体共振，在对应的共振波长处光强衰减，到达第二传感区2-2再次激发表面等离子体共振，在对应的共振波长处光强也发生衰减，第一传感区2-1和第二传感区2-2产生的共振波长差异显著，因此实现分布式传感。

本发明的优点在于：

1、采用粗芯径的阶跃折射率多模光纤，能更好的注光并减小光损耗；

2、将光纤研磨成圆台形状，增大了传感区面积，因而加深了共振谷的深度，更易于辨认；

3、采用的光纤价格低廉，制作工艺简单，适合大规模生产。

本发明的SPR传感器使用多模光纤，具有体积小、光损耗低、结构简单等突出优点，在生物医学领域有着广阔的应用前景。

附图说明

图1为分布式SPR光纤传感器的三维结构示意图。

图2为在第二传感区2-2发生SPR的光束的光路图。

具体实施方式

下面结合附图举例对本发明进行更为详细的描述：

结合图1，本发明的分布式SPR光纤传感器包括超连续谱光源1、阶跃折射率多模光纤2和光谱仪3；阶跃折射率多模光纤2的纤芯直径为105μm，包层直径为125μm，数值孔径为0.22，在光纤的不同部位加工有两个不同形状的第一传感区2-1和第二传感区2-2，第一传感区2-1通过腐蚀裸露纤芯，第二传感区2-2通过研磨和焊接形成双圆台结构，圆台的角度α需满足光的全内反射条件；在两个传感区上均镀有纳米金属薄膜。阶跃折射率多模光纤2选择包层厚度尽可能小的阶跃折射率多模光纤。第一传感区2-1通过腐蚀裸露纤芯获得，长度大约为10mm。第二传感区2-2通过研磨和焊接形成双圆台结构，圆台角度α满足8°<α<20°，圆台的上底直径为下底直径的一半。纳米金属薄膜可以是金膜或者银膜，厚度为35～55nm。

本发明的分布式SPR光纤传感器，采用如下制作方法制备：

步骤1、取一段阶跃折射率多模光纤2，其纤芯直径为105μm，包层直径为125μm，数值孔径为0.22；其长度一般约为1米(此长度视实际需要而定)，在光纤的一端，剥除光纤的涂覆层20～30mm，使用无纺布蘸取酒精和乙醚混合液，反复擦拭光纤外包层，直至清洁后备用。

步骤2、用光纤切割刀将清洁后的光纤端面切割平整。

步骤3、使用光纤研磨机，将光纤磨成角度为α的圆台形状，且8°<α<20°，圆台上底直径为下底直径的一半，圆台的角度α将会影响对折射率的传感范围和检测灵敏度。

步骤4、在光纤中间部位剥除光纤涂覆层约10mm，使用无纺布蘸取酒精和乙醚混合液，反复擦拭光纤外包层，直至清洁。

步骤5、对步骤4所述的光纤，将剥除涂覆层的部位用氢氟酸进行腐蚀，直至将包层完全腐蚀露出纤芯形成第一传感区2-1。

步骤6、另取一段阶跃折射率多模光纤2，用光纤研磨机把光纤一端研磨成和步骤3中一样的圆台形状。

步骤7、使用光纤焊接机，将步骤3和步骤6中的两个圆台形光纤尖进行焊接形成第二传感区2-2，调整焊接电流和焊接时间使光纤在焊接过程中不变形。

步骤8、使用等离子清洗机，将步骤7所述光纤进行清洗。

步骤9、利用离子溅射真空镀膜技术，在第一传感区2-1和第二传感区2-2表面镀上金膜，厚度为50nm。

利用本发明分布式SPR光纤传感器实现对液体折射率的测量的具体步骤如下：

步骤1、取一个制作完成的分布式SPR光纤传感器，光纤两端剥除涂覆层20～30mm，用无纺布蘸取酒精和乙醚混合液，反复擦拭光纤外包层，直至清洁，并用光纤切割刀将两端面切割平整。

步骤2、使用光谱范围覆盖450～1200nm的超连续谱光源1，在光纤2任一端将光源输出的光注入到光纤中。

步骤3、将光纤2的另一端连接至光谱仪3，并调整光谱仪的检测波长范围为450～1200nm。

步骤4、用光谱仪3采集一组该光纤传感器放置在空气中时的光谱作为参考光谱。

步骤5、将第一传感区2-1和第二传感区2-2放置到需要测量的液体中，用光谱仪3采集此光谱，并与步骤4中的参考光谱做差，由于SPR现象的发生，做差后的光谱中在某两个波长处光强明显的减弱，其中，短波长为第一传感区2-1的SPR共振波长，长波长为第二传感区2-2的SPR共振波长。

步骤6、通过该传感器的标定曲线，就可以由共振波长得到所测溶液的折射率。

Claims (10)

1.一种分布式表面等离子体共振光纤传感器，包括阶跃折射率多模光纤(2)、分别位于阶跃折射率多模光纤(2)的两端的超连续谱光源(1)与光谱仪(3)，其特征是：所述阶跃折射率多模光纤(2)上加工有两个传感区，第一传感区(2-1)和第二传感区(2-2)的形状不同，两个传感区上均镀有纳米金属薄膜。

2.根据权利要求1所述的分布式表面等离子体共振光纤传感器，其特征是：第一传感区(2-1)是通过腐蚀使阶跃折射率多模光纤(2)的纤芯裸露所形成的圆柱形传感区，长度为10mm。

3.根据权利要求1或2所述的分布式表面等离子体共振光纤传感器，其特征是：第二传感区(2-2)是通过研磨在两段阶跃折射率多模光纤(2)的端部形成圆台，两个圆台端焊接形成的双圆台形传感区，圆台角度α满足8°<α<20°。

4.根据权利要求1或2所述的分布式表面等离子体共振光纤传感器，其特征是：圆台的上底直径为下底直径的一半。

5.根据权利要求3所述的分布式表面等离子体共振光纤传感器，其特征是：圆台的上底直径为下底直径的一半。

6.根据权利要求1或2所述的分布式表面等离子体共振光纤传感器，其特征是：所述纳米金属薄膜是金膜或者银膜，厚度为35～55nm。

7.根据权利要求3所述的分布式表面等离子体共振光纤传感器，其特征是：所述纳米金属薄膜是金膜或者银膜，厚度为35～55nm。

8.根据权利要求4所述的分布式表面等离子体共振光纤传感器，其特征是：所述纳米金属薄膜是金膜或者银膜，厚度为35～55nm。

9.根据权利要求5所述的分布式表面等离子体共振光纤传感器，其特征是：所述纳米金属薄膜是金膜或者银膜，厚度为35～55nm。

10.一种用权利要求1所述的分布式表面等离子体共振光纤传感器测量液体折射率的方法，其特征是：

(1)、分布式表面等离子体共振光纤传感器的阶跃折射率多模光纤(2)的两端剥除涂覆层20～30mm，将两端面切割平整；

(2)、使用光谱范围覆盖450～1200nm的超连续谱光源(1)，阶跃折射率多模光纤2任一端将光注入到阶跃折射率多模光纤(2)中；

(3)、将阶跃折射率多模光纤(2)的另一端连接至光谱仪(3)，并调整光谱仪的检测波长范围为450～1200nm；

(4)、用光谱仪(3)采集一组该分布式表面等离子体共振光纤传感器放置在空气中时的光谱作为参考光谱；

(5)、将第一传感区(2-1)和第二传感区(2-2)放置到需要测量的液体中，用光谱仪(3)采集光谱，并与步骤(4)中的参考光谱做差，由于表面等离子体共振现象的发生，做差后的光谱中在某两个波长处光强明显的减弱，其中，短波长为第一传感区(2-1)的表面等离子体共振波长，长波长为第二传感区(2-2)的表面等离子体共振波长；

(6)、通过分布式表面等离子体共振光纤传感器的标定曲线，由共振波长得到所测溶液的折射率。