CN102213675A

CN102213675A - 角度调谐式多通道光纤表面等离子体共振传感探头

Info

Publication number: CN102213675A
Application number: CN2011100896504A
Authority: CN
Inventors: 彭伟; 荆振国; 李虹
Original assignee: Dalian University of Technology
Current assignee: Dalian University of Technology
Priority date: 2011-03-31
Filing date: 2011-03-31
Publication date: 2011-10-12

Abstract

角度调谐式多通道光纤表面等离子体共振传感探头，属于生化检测和光纤传感技术领域。其特征是：角度调谐式多通道光纤表面等离子体共振传感探头由SPR传感表面和反射表面构成。相对的SPR传感表面和反射表面夹角为90°，形成一个传感通道。SPR传感表面上紧贴光纤纤芯镀制2-7nm厚的Cr膜，紧贴Cr膜镀制35-65nm厚的Au膜或Ag膜；反射表面上镀制Au膜或Ag膜形成微反射镜。每个SPR传感表面相对于光纤轴线的角度可调，多组互余的SPR传感表面和反射表面集中在同一光纤的一端并交于一点，形成多面棱锥结构，多组SPR传感表面同时发生表面等离子体共振传感。本发明的效果和益处是，能够实现光纤中对于入射角的控制，以实现多通道多参量的便携式并行检测，具有广阔的应用价值。

Description

角度调谐式多通道光纤表面等离子体共振传感探头

技术领域

本发明属于生化检测和光纤传感技术领域。涉及一种多通道、高灵敏度的光纤表面等离子体共振(SPR)传感器的设计和消除温度、湿度等环境干扰的实现方法，特别适于医疗卫生、工业生产以及安全检测等领域中用于各类气体和液体的实时检测和报警。

背景技术

表面等离子共振(Surface Plasmon Resonance，SPR)传感器是一种新型的光电检测技术，它的关键探测部分是一个基于表面等离子体共振效应的敏感区域，当入射光在满足一定条件时，引起金属自由电子的共振，从而使反射光大大减弱来实现传感效应。与传统的传感器相比，它具有设备简单、灵敏度高、稳定性好、响应速度快等优点，已经在医学、生物、环境、食品检测、制药等许多重要领域得到广泛的应用并逐渐走向成熟，具有良好的发展前景。

目前，棱镜式SPR传感器在国外已经有了商品化的成品仪器，并且也可以实现多通道在线检测，但是由于其结构复杂、体积庞大、不适宜便携式测量等，应用推广受到很大的限制。光纤因其本身的小尺寸、高灵活性以及成本低等独特优势，成为便携式传感器的一种发展方向。光纤SPR传感器与棱镜SPR传感器相比，具有灵敏度高，响应速度快，动态范围大，防电磁干扰，超高绝缘，无源性，适于实时检测，体积小，灵活性高等优点。但是，目前的光纤SPR传感探头多为SPR传感区在光纤侧面的实施方案，与此相对应的探测光谱多为宽带光在光纤中各个入射角的累积光谱，半峰宽及共振信号强度都不够理想，还没有出现在光纤端面的实施的入射角可调、可控的光纤表面等离子体共振传感器。另外，现有的光纤SPR信号容易受到温度、湿度等环境的影响，在消除背景干扰以及多通道检测方面还没有很好的解决办法。虽然已有用于多通道检测的多个传感光纤组合形式的探头的实施方案，但在同一根光纤上实现多通道、多参量同时探测，特别是通过调节光纤中传感光束的入射角来实现多通道并行检测的实施方案还鲜有报道。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种能够实现入射角可控、可调的多通道多参量同时检测的光纤SPR传感器，从而对传感信号进行实时的温度、湿度补偿，精确地对气体、液体的物理、化学等特性进行便携式检测。

本发明的技术方案是，该角度调谐式多通道光纤表面等离子体共振传感探头具有位于光纤端面的棱锥结构(参见图1)，相对的两个面为一组传感单元，每组传感单元的两个表面互相垂直(参见图2)，其中一个表面所镀制较厚金膜作为反射表面使用，另一表面上镀制Cr膜之后再镀制Au或Ag膜，该表面为SPR敏感区，用以实现对待测物质的探测。

本发明的传感探头采用大孔径多模光纤，反射表面镀制金膜或银膜形成微反射镜实现对于入射光的反射，与其互补的SPR传感表面上镀制的Au或Ag膜厚度为35-65nm，并采用厚度为2-7nm的Cr膜增强Au膜或Ag膜同光纤纤芯的附着性。解决各个通道间串扰问题、实现通道隔离通过调节各个传感表面相对于光纤轴线的角度以及在SPR传感表面生长对SPR共振峰位置具有调制功能的聚合物膜系结构来实现。

上述光纤SPR探头配合光源、探测系统，可以实现对于多参量的高灵敏度并行探测，并且消除温度、湿度对于传感系统的干扰。

本发明所述角度调谐式多通道光纤表面等离子体共振传感探头，配以宽带光源及光谱检测系统(参见图3)，通过下述方式实现多参量的并行检测：

(1)单模光纤和分路器将光源发出的宽带复合光耦合进光纤探头，保证光纤SPR传感头中的入射光传输方向与光纤轴平行。

(2)每一个SPR敏感表面使入射光具有固定的入射角，并使特定波长的光发生入射角一定的表面等离子体共振，随后光束经反射表面的反射翻转180°，分路器及传输光纤将携带探测信息的光束耦合进光谱仪中。

(3)多组角度可调的SPR传感表面使同一光束同时发生多次表面等离子体共振现象，并使其反射光谱出现多个SPR共振峰(参见图4)，从而实现多通道多参量同时传感，并且消除温度、湿度对于测量的影响。

本发明的效果和益处是能够实现光纤中对于入射角的控制，以实现多通道多参量的同时检测，从而对传感器实现温度、湿度等环境的补偿。其探测获得的共振信号灵敏度高、分辨率高、稳定性好，能够精确、快速地对气体、液体的各项待测特性进行便携式检测，具有广阔的应用价值。

附图说明

图1是角度调谐式多通道光纤表面等离子体共振传感探头的三维视图。

图中：(a)角度调谐式单通道光纤表面等离子体共振传感探头的三维视图；

(b)角度调谐式单通道光纤表面等离子体共振传感探头的刨切视图；

(c)角度调谐式六通道光纤表面等离子体共振传感探头的三维视图；

(d)角度调谐式六通道光纤表面等离子体共振传感探头的刨切视图。

图2是角度调谐式多通道光纤表面等离子体共振传感探头的一对传感单元的纵剖面图结构图。

图中：1反射表面；2SPR敏感表面。

图3是传感系统的组成结构图。

图中：3光电信号采集系统；4光源；5角度调谐式多通道光纤表面等离子体共振传感探头。

图4是角度调谐式多通道光纤表面等离子体共振传感探头的模拟光谱图。

图中：

(a)角度调谐式三通道光纤表面等离子体共振传感探头的模拟光谱图；

(b)角度调谐式六通道光纤表面等离子体共振传感探头的模拟光谱图。

图5是角度调谐式光纤表面等离子体共振传感探头对氨气测量的实验曲线图。

具体实施方式

以下结合技术方案和附图详细叙述本发明的具体实施方式。

本角度调谐式多通道光纤表面等离子体共振传感头具体实施时使用了QTH灯、角度调谐式光纤表面等离子体共振传感头、Chromex 500IS光谱仪(f/8with0.5m focal length)以及数值孔径为0.22的单模光纤跳线。QTH是由直流电源控制的。光谱仪中光栅(300g mm^-1)光谱范围为87nm，图像采集器件为1024×1024像素的Andor CCD相机。待测气体为氨气。在氨气的浓度配比过程中，采用干燥的空气用来稀释浓度为4％的氨气，空气流量的控制由质量流量计来控制，测试的氨气浓度范围为0.08％-2.00％。在实施过程中，还要用氧化钙来干燥氨气，以及通风设备来保证实施的安全性。将QTH灯发出的光由跳线耦合到棱锥结构光纤探头中，经过SPR敏感表面、反射表面翻转180°，再由跳线耦合到光谱仪中，由CCD相机进行数字图像的记录、计算机的分析测试。经过测试，得到了SPR共振波长和氨气浓度呈线性关系(参见图5)，并通过理论计算，得到了如下方程：

Δλ_SPR＝0.63ΔC+0.0088

其中是Δλ_SPR波长变化量，ΔC是浓度变化量。氨气浓度为0.0397％的均方差误差为0.00-2.00％。氨气浓度变化0.08％，共振波长变化为0.05nm。

Claims

1.角度调谐式多通道光纤表面等离子体共振传感探头，其特征是：该探头包含SPR传感表面和反射表面，相对的SPR传感表面和反射表面夹角为90°且均为扇形，形成一个传感通道，每个SPR传感表面相对于光纤轴线的角度可调，多组互余的SPR传感表面和反射表面集中在同一光纤的一端并交于一点，形成多面棱锥结构，多组SPR传感表面同时发生表面等离子体共振传感。

2.根据权利要求1所述的角度调谐式多通道光纤表面等离子体共振传感探头，其特征是：每一SPR传感表面上紧贴光纤纤芯镀制2-7nm厚的Cr膜，紧贴Cr膜镀制35-65nm厚的Au膜或Ag膜。

3.根据权利要求1所述的角度调谐式多通道光纤表面等离子体共振传感探头，其特征是：每个反射表面均有一与其互余的SPR传感表面相对应，反射表面上镀制Au膜或Ag膜形成微反射镜。

4.根据权利要求1所述的角度调谐式多通道光纤表面等离子体共振传感探头，其特征是：光纤探头材料为多模光纤。

5.根据权利要求1所述的角度调谐式多通道光纤表面等离子体共振传感探头，其特征是：SPR传感表面相对于光纤轴线的角度调节以及SPR传感表面上生长对SPR共振峰位置具有调制功能的聚合物膜系结构是解决通道串扰、实现通道隔离以及调制SPR共振峰位置的实施方法。