CN103048292A - 高灵敏度内置调制层型spr传感器及其传感检测系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高灵敏度内置调制层型SPR传感器，包括光纤接头1、涂覆层2、包层3和纤芯4，所述包层3、涂覆层2和光纤接头1由内向外依次包裹住纤芯4的一端，所述纤芯4的另一端由内向外依次包裹有内调制层6和金膜5。本发明还设计了一种基于高灵敏度内置调制层型SPR传感器的传感检测系统。本发明所设计的高灵敏度内置调制层型SPR传感器及其传感检测系统能够更好的满足对折射率监测效果的需求。

Description

高灵敏度内置调制层型SPR传感器及其传感检测系统

技术领域

本发明涉及一种高灵敏度内置调制层型SPR传感器及其传感检测系统，能够测量液体折射率，可应用于生物、医学和化工领域。

背景技术

表面等离子体共振效应（Surface Plasmon Resonance）是存在于金属与非导电介质界面处的物理光学现象，可利用它实现对金属层和介质层属性微小变化的测量。基于SPR效应的光学传感技术已在生化检测等多个领域得到应用。传统的光纤SPR传感器是基于纤芯-金膜-环境介质三层结构，由于SPR效应其反射光谱会形成一个凹谷。随着被测环境介质折射率的增加，波形向长波方向偏移，共振波谷位置与折射率存在一定对应关系，所以可通过测量共振波谷的位置得到环境介质的折射率。该方法具有传输损耗小、体积小、集成性好等优点，但是存在灵敏度不高的缺点。

为提高传感器灵敏度，中国科技大学的陈勇等人研究了以MgF2为外调制层的光纤表面等离子体共振传感器。采用纤芯-银膜-调制层-环境介质四层结构，其中纤芯数值孔径为0.37，直径为0.2mm，银膜厚度为40nm，调制层使用氟化镁，厚度为10nm，折射率为1.377。在分析物的折射率范围为1.33-1.40时，实验中取得了4464nm/RIU的高灵敏度。但该传感器结构采用的是在线反射式，在线反射式的检测方法是光源在光纤的一端，经过激发SPR效应后的反射光在另一端接收检测，如图3所示。由于光纤不宜折的特点，所以不便于将这种结构的传感区域放入盛装分析物的容器中，并不适用于实际测量，目前该结构已不经常被使用。（Yong Chen,Rongsheng Zheng,Yonghua Lu,Pei Wang,and Hai Ming.Fiber-optic surface plasmon resonant sensor with low-indexanti-oxidation coating[J],Chinese Optics Letters,2011,100605:1~4）

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种具有更优的灵敏性和实用性，能够更好的满足对折射率监测效果需求的高灵敏度内置调制层型SPR传感器及其传感检测系统。

为了解决上述技术问题，本发明设计了一种高灵敏度内置调制层型SPR传感器，包括光纤接头1、涂覆层2、包层3和纤芯4，所述包层3、涂覆层2和光纤接头1由内向外依次包裹住纤芯4的一端，所述纤芯4的另一端由内向外依次包裹有内调制层6和金膜5。

作为本发明的一种优化结构：所述纤芯4的折射率为1.45，直径为0.6mm；所述包层3的折射率为1.39，厚度为0.2mm；所述内调制层6的折射率为3.5，厚度为200nm；所述金膜5的厚度为50nm。

本发明还设计了一种基于高灵敏度内置调制层型SPR传感器的传感检测系统，包括宽带光源、光纤耦合器、高灵敏度内置调制层型SPR传感器、光谱仪和计算机，其中；

所述宽带光源产生入射光，通过多模光纤传输至光纤耦合器；

所述光纤耦合器将接收到的入射光传输至高灵敏度内置调制层型SPR传感器；

所述高灵敏度内置调制层型SPR传感器放置在待测液体中，所述光纤耦合器发出的入射光经过高灵敏度内置调制层型SPR传感器的SPR效应处理后以反射光的形式再次通过光纤耦合器传输至光谱仪；

所述光谱仪通过数据线与计算机连接，所述光谱仪将上述反射光以光谱信号的形式传输至计算机；

所述计算机从上述光谱信号中采集共振光谱信号，从而得到待测液体折射率与共振波长的关系。

本发明与现有技术相比具有如下优点：

1.本发明通过増覆折射率3.5、厚度200nm的铬膜，得到的传感器具有高灵敏度；

2.本发明所设计的高灵敏度内置调制层型SPR传感器为终端反射式，传感器伸入盛装待测物质的容器中，便于实际测量，更加实用。

附图说明

图1是内调制层型光纤SPR传感器结构示意图；

图2是内调制层型光纤SPR传感器检测系统组成示意图；

图3是在线反射式光纤SPR传感器结构示意图；

图4是终端反射式光纤SPR传感器结构示意图；

图5是基于内置调制层结构的光纤SPR传感模型沿轴向方向Z=0.8cm（传输区域）的坡印亭矢量图；

图6是基于内置调制层结构的光纤SPR传感模型沿轴向方向Z=2.22cm（共振区域）处X-Y截面的坡印亭矢量图；

图7是金膜与内调制层界面处坡印亭矢量随内调制层厚度的变化曲线图；

图8是金膜与内调制层界面处坡印亭矢量随折射率变化曲线；

图9是传感器末端功率谱密度随内调制层折射率变化曲线；

图10是无内调制层光纤SPR探针测量不同液体折射率对应的模拟共振光谱曲线图；

图11是含200nm厚度内调制层的光学SPR探针测量不同液体折射率对应的模拟共振光谱曲线图。

1-光纤接头，2-涂覆层，3-包层，4-纤芯，5-金膜，6-内调制层。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步的具体说明：

本发明是基于非线性有限元差分法（FDTD）与MATLAB的数值模拟。非线性有限元差分法是将Maxwell方程式在时间和空间领域上进行差分化，利用空间领域内的电场和磁场进行交替计算，以达到数值计算的目的。

传感器结构采用终端反射式如图4所示，这种结构方便将传感器伸入盛装待测物质的容器中，从而能灵敏感知待测物质折射率变化情况。纤芯折射率为1.45，直径为0.6mm；包层折射率为1.39，厚度为0.2mm；金膜选用Lorentz Drude模型金膜，厚度为50nm，端面金属膜厚度为200nm；环境介质为空气，折射率为1，入射光源选用TM波（即垂直极化波）。为获得末端的功率谱密度，在末端设置观察线。内置调制层型光纤SPR传感模型是在以上模型的基础上，在纤芯与金膜之间增加一层调制层。

图5和图6分别为基于内置调制层结构的光纤SPR传感模型沿轴向方向Z=0.8cm（传输区域）和Z=2.22cm（共振区域）处X-Y截面的坡印亭矢量图。在传输区域，光波能量主要集中在纤芯中心即x=0处。在共振区域，能量峰值出现在纤芯与调制层的两侧分界面。这是由于共振区域发生SPR效应，使得光波能量泄漏到金膜和纤芯的分界面。能量出现峰值后立刻急剧减小，说明在此处发生了强烈的能量衰减，而这也是由SPR效应所引起。

令内调制层折射率为3.5，分别对内调制层厚度为100nm、150nm、200nm、250nm、300nm、350nm和400nm的模型进行仿真。在共振区域沿纤芯径向X=300um处设置观察点，得到观察点处的坡印廷矢量如图7所示。当内调制层厚度为100nm时，观察点处的能量远大于其他厚度时该点的能量值。随着内调制层厚度的增加，观察点处的能量不断下降，这主要是由于SPR现象更加明显，使得更多共振能量发生转移所致。而当厚度大于200nm时，观察点处能量随着厚度的增加变化不大，这说明厚度继续增加对SPR效应的影响不大。

令内调制层厚度为200nm，分别对内调制层折射率为1.5、2.0、2.5、3.0、3.5、4.0和4.5的模型进行仿真，在光纤传感器末端（Z=5.8cm）及发生SPR效应的金膜与内调制层的分界面处分别设置观察点。图8所示为金膜5与内调制层6分界面处X-Y截面的坡印廷矢量随内调制层折射率变化曲线。当内调制层折射率为3.5时，坡印亭矢量最大，即此时能量泄露到金膜与调制层表面最多，SPR效应最强烈。图9为传感器末端功率谱密度随内调制层折射率变化曲线；内调制层折射率为3.5时，传感器末端对应的功率谱密度最低，这是由于光纤中激发的SPR效应会导致光波传输能量的逐渐泄漏，进而使得光纤传感器末端能量呈现急剧衰减。SPR效应越强烈，在光纤传感器末端观察点处的能量就越低，相对应的平均功率谱密度值也就越小。

利用MATLAB对光纤SPR传感器进行仿真时令光纤长度为20mm，纤芯直径0.6mm，折射率1.45；内调制层厚度折射率3.5；金膜厚度50nm，介电常数是随波长变化的函数，如公式(1)所示：

n_AU=((1.8305e-6)×λ²-0.0029818×λ+1.2385)

+i×((1.6277e-6)×λ²+0.010483×λ-3.1186)                （1）

无内调制层和増覆200nm调制层光纤SPR传感器随环境介质折射率变化的模拟共振光谱曲线图如图10所示。由图所知，增覆200nm厚度的内置调制层后，可以发现随着被测液体折射率的增加，共振波形偏移量明显增加。

无内调制层时，共振波长变化范围为650.47nm~760.13nm。而当调制层为200nm时，共振波长变化范围是610.81nm~820.36nm，不仅共振光谱偏移范围发生变化，而且曲线斜率明显增大，其斜率即为传感器灵敏度。经过计算，无内调制层的三层光纤SPR传感器灵敏度为1096.6nm/RIU，200nm内调制层光纤SPR传感器灵敏度为2095.5nm/RIU。

基于上述分析，本文选择厚度为200nm、折射率为3.5的材料作为内调制层，研制高灵敏度内置调制层型SPR传感器。

如图1所示，本发明设计了一种高灵敏度内置调制层型SPR传感器，包括光纤接头1、涂覆层2、包层3和纤芯4，所述纤芯4的相对于光纤接头1的另一端由内向外依次包裹有内调制层6和金膜5。

作为本发明的一种优化结构：所述纤芯4的折射率为1.45，直径为0.6mm；所述包层3的折射率为1.39，厚度为0.2mm；所述内调制层6的折射率为3.5，厚度为200nm；所述金膜5的厚度为50nm。

在光纤传感器探针加工环节，首先使用光纤切割刀截取长度为200mm的光纤，对其两端面用光纤研磨机进行磨平、抛光。接着将处理过的光纤一部分浸入浓硫酸中浸泡15分钟，去除光纤的涂覆层2。再将光纤下端插入装有浓度为40%HF酸溶液的聚四氟乙烯容器中静置约1小时，去除光纤包层3。最后用蒸馏水和丙酮溶液交替反复冲洗，这样就得到除去了涂覆层2和包层3，只有裸纤芯4的光纤。

在镀膜环节，将光纤探针插入专用夹具中，夹具在电机的带动下围绕炉壁进行匀速转动，使光纤外侧可以均匀的镀上200nm铬膜（内调制层6）和50nm金膜5。

光纤的一头剥去涂覆层2和包层3，在裸光纤的外侧镀内调制层6和金膜5，光线从另一头入射后，在此共振区域发生表面等离子体波共振效应（SPR），然后被光纤端面的金膜5反射回去。

如图2所示，本发明还设计了一种基于高灵敏度内置调制层型SPR传感器的传感检测系统，包括宽带光源、光纤耦合器、高灵敏度内置调制层型SPR传感器、光谱仪和计算机，其中；

所述宽带光源产生入射光，通过多模光纤传输至光纤耦合器；

所述光纤耦合器将接收到的入射光传输至高灵敏度内置调制层型SPR传感器；

所述高灵敏度内置调制层型SPR传感器放置在待测液体中，所述光纤耦合器发出的入射光经过高灵敏度内置调制层型SPR传感器的SPR效应处理后以反射光的形式再次通过光纤耦合器传输至光谱仪；

所述光谱仪通过数据线与计算机连接，所述光谱仪将上述反射光以光谱信号的形式传输至计算机；

所述计算机从上述光谱信号中采集共振光谱信号，从而得到待测液体折射率与共振波长的关系。

在具体操作时，在室温下将内置调制层型SPR传感器(1)依次放入乙醇、异丙醇、N,N-二甲基甲酰胺、水、乙酸乙酯、邻苯二甲基二丁酯(DBP)分析纯溶液，这些液体折射率依次为1.335、1.341、1.344、1.371、1.381、1.392。图11为内置调制层型SPR传感器在6种不同折射率溶液中的共振光谱曲线图。由图可知随着溶液折射率的增加，内置调制层型SPR传感探针的共振光谱发生向右偏移，共振波长从617.43nm依次逐渐变化为746.15nm，且共振光谱偏移量较无内调制层时呈现明显增大。

结果表明，通过在纤芯4与金膜5内侧增加内置调制层6，使得SPR传感器灵敏度得以大幅提高，常规三层结构SPR传感器的灵敏度系数为1140.3nm/RIU，而内置调制层SPR传感器的灵敏度系数达到2263.1nm/RIU，灵敏度提高了98.5%。

Claims (3)

1.一种高灵敏度内置调制层型SPR传感器，包括光纤接头(1)、涂覆层(2)、包层(3)和纤芯(4)，所述包层(3)、涂覆层(2)和光纤接头(1)由内向外依次包裹住纤芯(4)的一端，其特征在于：所述纤芯(4)的另一端由内向外依次包裹有内调制层(6)和金膜(5)。

2.根据权利要求1所述的高灵敏度内置调制层型SPR传感器，其特征在于，所述纤芯(4)的折射率为1.45，直径为0.6mm；所述包层(3)的折射率为1.39，厚度为0.2mm；所述内调制层（6）的折射率为3.5，厚度为200nm；所述金膜（5）的厚度为50nm。

3.基于权利要求1所述的高灵敏度内置调制层型SPR传感器的传感检测系统，其特征在于，包括宽带光源、光纤耦合器、高灵敏度内置调制层型SPR传感器、光谱仪和计算机，其中；

所述宽带光源产生入射光，通过多模光纤传输至光纤耦合器；

所述光纤耦合器将接收到的入射光传输至高灵敏度内置调制层型SPR传感器；

所述高灵敏度内置调制层型光纤SPR传感器放置在待测液体中，所述光纤耦合器发出的入射光经过高灵敏度内置调制层型SPR传感器的SPR效应处理后以反射光的形式再次通过光纤耦合器传输至光谱仪；

所述光谱仪通过数据线与计算机连接，所述光谱仪将上述反射光以光谱信号的形式传输至计算机；

所述计算机从上述光谱信号中采集共振光谱信号，从而得到待测液体折射率与共振波长的关系。

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