基于光纤表面等离子体共振的分布式液体折射率传感装置的制造方法
【专利摘要】本发明提供的是一种基于光纤表面等离子体共振的分布式液体折射率传感装置。塑料包层光纤上加工有两个镀制有厚度不同的纳米金属薄膜的SPR传感区，光源出射的光，经过单模光纤入射到塑料包层光纤中，在第一SPR传感区和第二SPR传感区的纳米金属薄膜与待测折射率液体的交界面上均激发SPR，在对应的共振波长处光强衰减，厚度较薄的纳米金属薄膜在短波长处产生SPR，厚度较厚的纳米金属薄膜在长波长处产生SPR，最终通过光谱仪对传感光谱进行分析，进而推知液体折射率。本发明具有结构简单，制作方便，灵敏度高且实现分布式传感等突出优势，其在生物传感、药品研发、食品安全、环境监测、医学诊断等领域具有巨大的应用潜力。
【专利说明】
基于光纤表面等离子体共振的分布式液体折射率传感装置
技术领域
[0001]本发明涉及的是一种光纤传感装置，具体涉及一种基于光纤SPR的高灵敏度分布式液体折射率传感装置。
【背景技术】
[0002]折射率是物质的重要光学参数之一，借助折射率能了解物质的光学性能、纯度、浓度以及色散等性质，同时在化工、医药、食品、石油等工业部门及高校实验中，经常要测定一些液体的折射率和浓度。因此，对液体折射率的准确测量，在许多研究领域都有重要意义。
[0003]光纤表面等离子体共振(Surface Plasmon Resonance，SPR)是光束经光纤以全反射方式传播过程中，在裸露纤芯处的介质层与外界待测介质的分界面处相互作用所产生的一种物理现象。光纤SPR的液体折射率传感装置中，主要分为终端反射式和在线传输式两种，传感区都是由敏感层、金属薄膜和纤芯构成。不同之处在于终端反射式光纤SPR传感器的传感探头位于光纤尾端，同时在光纤尾端需要增设反射镜，光源发出的光和尾端反射镜反射回来的光都将发生共振，最后对返回的光强度或光谱进行定量分析。而在线传输式光纤SPR传感器的传感探头位于光纤中间位置，尾端不需要增设反射镜，在光纤尾端对输出光强度或光谱与待测液体折射率的关系进行定量分析。两者比较而言，各有优缺点，本发明以在线传输式作为基础。
[0004]2007年，曾捷(中国激光，2007，34:243-248)等人在文章中提出了一种准分布式光纤表面等离子体波传感器，同样是基于在线传输式不同膜厚控制实现液体折射率分布式传感，方案为:在一段多模光纤探头上选取一段作为传感区，在该传感区连续分布有三段子传感区，每段子传感区长约15mm。传感区上在镀有一定厚度的金膜，在此基础上三段连续的子传感区镀有不同厚度的Ta205薄膜作为调制层，分别为0nm，15nm和30nm。当光波到达三个传感区域时，在不同波长处激发相应的SPR，形成三个典型的表面等离子体波共振波谷。上述方案中，需要传感区上镀制一定厚度金膜，在此基础上，在三段连续的子传感区镀有不同厚度的Ta2O5薄膜作为调制层，因为其三段子传感区是连续的，所以对每段子传感区长度进行精确的控制较为困难，如若控制不好必影响其它子传感区；而且需要多次镀制纳米金属膜，制备过程相对复杂。
【发明内容】
[0005]本发明的目的在于提供一种体积小、结构简单、灵敏度大、操作便捷、价格低廉的基于光纤表面等离子体共振的分布式液体折射率传感装置。
[0006]本发明的目的是这样实现的:
[0007]包括光源1、单模光纤2、塑料包层光纤3和光谱仪4，塑料包层光纤3上加工有第一SPR传感区3-1和第二 SPR传感区3-2，第一 SPR传感区3-1与第二 SPR传感区3-2镀制有厚度不同的纳米金属薄膜，光源I出射的光，经过单模光纤2入射到塑料包层光纤3中，在第一SPR传感区3-1和第二 SPR传感区3-2的纳米金属薄膜与待测折射率液体的交界面上均激发SPR，在对应的共振波长处光强衰减，厚度较薄的纳米金属薄膜在短波长处产生SPR，厚度较厚的纳米金属薄膜在长波长处产生SPR，最终通过光谱仪4对传感光谱进行分析，进而推知液体折射率。
[0008]本发明还可以包括:
[0009]1、第一SPR传感区3-1和第二SPR传感区3-2是在去除塑料包层的裸露纤芯上镀制厚度不同的纳米金属薄膜制作而成的。
[0010]2、所述的光源I是光谱宽度为450nm — IlOOnm的超连续谱光源。
[0011]3、所述的塑料包层光纤3是纤芯直径20(^111，包层外径为23(^111，数值孔径为0.37的塑料包层光纤。
[0012]4、第一 SPR传感区3-1镀有厚度为30nm的金膜，其传感液体环境折射率在1.33-1.40之间。
[0013]5、第二 SPR传感区3-2镀有厚度为55nm的金膜，其传感液体环境折射率在1.33-1.40之间，与第一SPR传感区3-1所传感的液体折射率相同或不同。
[0014]本发明搭建了一种基于光纤SPR高灵敏度的分布式液体折射率传感装置，其最大创新点在于本装置利用一根塑料包层光纤，在一根光纤上制作两个传感区，仅仅通过对传感区上纳米金属膜厚度的控制即可实现对两种未知折射率液体的分布式测量。与类似的光纤分布式液体折射率传感装置相比，不仅具有系统结构简易，操作便捷的特点，而且在对液体的折射率测量结果上具有与单级传感器相同的高灵敏度的特点，不存在两级相互干扰最终导致灵敏度降低的情况。通过光纤对实验数据的传输，可以实现远距离的实时检测;结合光纤本身柔软、耐腐蚀、不发热、无辐射、可绕曲、电绝缘可以在强电磁干扰、易燃易爆、毒性气体等复杂环境条件下工作的优点。
[0015]本发明的优点在于:
[0016]1、本发明提出的分布式液体折射率传感器基于一根且连续的塑料包层光纤制成，其结构简单，成本低廉，易制作，适合于大规模生产。
[0017]2、本发明在一根塑料包层光纤上制做两个光纤SPR液体折射率传感区，且仅通过对传感区上纳米金属膜厚度的控制，使两个传感区产生的SPR共振位置具有明显差异，最终达到使两级波谷互不干扰，从而形成分布式传感的目的，因此本发明的传感器具有各级灵敏度与单级灵敏度相同的特点，从而实现高灵敏度的特性。
[0018]3、本发明分布式液体折射率传感装置，由两个SPR传感区组成，其构成双通道参考测量系统，其可有效弥补背景折射率的干扰及非特异性结合、物理吸收等造成的干扰。
[0019]本发明具有结构简单，制作方便，灵敏度高且实现分布式传感等突出优势，其在生物传感、药品研发、食品安全、环境监测、医学诊断等领域具有巨大的应用潜力。
【附图说明】
[0020]图1为本发明的结构示意图。
[0021]图2为SPR传感区示意图，为图1中3-1与3-2结构处的放大图，其框为表示光纤需传感的液体环境。
【具体实施方式】
[0022]下面结合附图对本发明进行更为详细的论述:
[0023]结合图1，本发明的基于光纤SPR的高灵敏度分布式液体折射率传感装置包括光源
1、单模光纤2、塑料包层光纤3、第一 SPR传感区3-1、第二 SPR传感区3-2和光谱仪4。塑料包层光纤3上加工有第一 SPR传感区3-1和第二 SPR传感区3-2，两处SPR传感区是在去除塑料包层的裸露纤芯上镀制厚度不同的纳米金属薄膜制作而成。光源I出射的光，经过单模光纤2入射到塑料包层光纤3中，在第一 SPR传感区3-1、第二 SPR传感区3-2的纳米金属薄膜与待测折射率液体的交界面上均激发SPR，在对应的共振波长处光强衰减。由于第一 SPR传感区3-1、第二SPR传感区3-2镀制的纳米金属薄膜厚度不同，产生的SPR共振波谷位置也不同，厚度较薄的金属膜在短波长处产生SPR，而厚度较厚的金属膜在长波长处产生SPR，因而可以通过对纳米金属膜厚度的控制，使两个SPR传感区对应的SPR共振谷位置产生明显差异，从而实现SPR分布式传感，最终通过光谱仪4对传感光谱进行分析，进而推知液体折射率。本发明的优化设计包括:
[0024]光源I选择光谱宽度为450nm — IlOOnm的超连续谱光源。
[0025]塑料包层光纤3选择纤芯直径为20(^111、包层外径为23(^111、数值孔径为0.37的塑料包层光纤。
[0026]第一SPR传感区3-1镀有厚度为30nm的金膜，其传感液体环境折射率在1.33-1.40之间，第一SPR传感区3-1的长度为lcm-2cm0
[0027]第二所述SPR传感区3-2镀有厚度为55nm的金膜，其传感液体环境折射率在1.33-1.40之间，与第一SPR传感区3-1所传感的液体折射率可以相同，也可不同。第二SPR传感区3-2的长度为lcm_2cm。
[0028]本发明的基于光纤SPR的高灵敏度分布式液体折射率传感装置的制造方法具体步骤为:
[0029]1、取一段200μπι塑料包层光纤3，将光纤的两端剥除光纤的涂覆层lcm-2cm，使用无纺布蘸取酒精和乙醚的混合液，反复擦拭光纤外包层，直至清洁后备用；
[0030]2、用光纤切割刀将清洁后的200μπι塑料包层光纤3端面切割平整；
[0031 ] 3、将200μπι塑料包层光纤3上，选取两段，均为大约lcm_2cm，将其剥去涂覆层，用刀片将其塑料包层去掉，并将处理后的两段依次贴在载玻片上。
[0032]4、清洗小型离子溅射仪，并将制作好贴在载波片上的光纤先后放置在小型离子溅射仪的镀膜区域，分别镀制30nm和55nm的金膜，即完成第一 SPR传感区3-1和第二 SPR传感区3-2的制作。
[0033]4、在光纤焊接机中，将光源I的单模光纤2和200μπι塑料包层光纤3—端纤芯正对焊接，取出焊好的光纤。
[0034]5、将20(^111塑料包层光纤3另一端接至测量范围可以覆盖450醒一1100腹的光谱仪。
[0035]6、用甘油和蒸馏水调配折射率不同的液体，在调配过程中用阿贝折射率分析仪来测量所调配的液体折射率，分别调配液体折射率在I.33—1.40范围内的液体，将其放在相应的滴瓶中备用。
[0036]7、在第一SPR传感区3-1和第二SPR传感区3-2，即金膜厚度较薄和金膜厚度较厚的SPR传感区域滴上已经配好折射率的液体，该两个结构处可滴相同的折射率液体，也可不同，采集光谱，将光谱仪4中的数据进行存储。
[0037]8、将数据拷出，在计算机上用MATLAB程序进行处理即可知道所测的液体的折射率，进而形成高灵敏度的分布式液体折射率传感器。
【主权项】
1.一种基于光纤表面等离子体共振的分布式液体折射率传感装置，包括光源[I ]、单模光纤[2]、塑料包层光纤[3]和光谱仪[4]，其特征是:塑料包层光纤[3]上加工有第一 SPR传感区[3-1 ]和第二SPR传感区[3-2]，第一SPR传感区[3_1 ]与第二SPR传感区[3_2]镀制有厚度不同的纳米金属薄膜，光源[I]出射的光，经过单模光纤[2]入射到塑料包层光纤[3]中，在第一 SPR传感区[3-1 ]和第二 SPR传感区[3-2]的纳米金属薄膜与待测折射率液体的交界面上均激发SPR，在对应的共振波长处光强衰减，厚度较薄的纳米金属薄膜在短波长处产生SPR，厚度较厚的纳米金属薄膜在长波长处产生SPR，最终通过光谱仪[4]对传感光谱进行分析，进而推知液体折射率。2.根据权利要求1所述的基于光纤表面等离子体共振的分布式液体折射率传感装置，其特征是:第一SPR传感区[3-1 ]镀有厚度为30nm的金膜，其传感液体环境折射率在1.33-1.40之间。3.根据权利要求2所述的基于光纤表面等离子体共振的分布式液体折射率传感装置，其特征是:第二SPR传感区[3-2]镀有厚度为55nm的金膜，其传感液体环境折射率在1.33-1.40之间，与第一SPR传感区[3-1 ]所传感的液体折射率相同或不同。4.根据权利要求1、2或3所述的基于光纤表面等离子体共振的分布式液体折射率传感装置，其特征是:第一SPR传感区[3-1]和第二SPR传感区[3-2]是在去除塑料包层的裸露纤芯上镀制厚度不同的纳米金属薄膜制作而成的。5.根据权利要求1、2或3所述的基于光纤表面等离子体共振的分布式液体折射率传感装置，其特征是:所述的光源[I ]是光谱宽度为450nm—I 10nm的超连续谱光源。6.根据权利要求4所述的基于光纤表面等离子体共振的分布式液体折射率传感装置，其特征是:所述的光源[I ]是光谱宽度为450nm—I 10nm的超连续谱光源。7.根据权利要求1、2或3所述的基于光纤表面等离子体共振的分布式液体折射率传感装置，其特征是:所述的塑料包层光纤[3]是纤芯直径200μπι，包层外径为230μπι，数值孔径为0.37的塑料包层光纤。8.根据权利要求4所述的基于光纤表面等离子体共振的分布式液体折射率传感装置，其特征是:所述的塑料包层光纤[3]是纤芯直径20(^111，包层外径为23(^111，数值孔径为0.37的塑料包层光纤。9.根据权利要求5所述的基于光纤表面等离子体共振的分布式液体折射率传感装置，其特征是:所述的塑料包层光纤[3]是纤芯直径20(^111，包层外径为23(^111，数值孔径为0.37的塑料包层光纤。10.根据权利要求6所述的基于光纤表面等离子体共振的分布式液体折射率传感装置，其特征是:所述的塑料包层光纤[3]是纤芯直径20(^111，包层外径为23(^111，数值孔径为0.37的塑料包层光纤。
【文档编号】G01N21/41GK105866070SQ201610363079
【公开日】2016年8月17日
【申请日】2016年5月27日
【发明人】赵恩铭, 王雨杉, 魏勇, 刘志海, 张羽, 张亚勋, 苑立波
【申请人】哈尔滨工程大学