CN106226271A - 一种基于螺旋芯的spr‑pcf传感器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于螺旋芯的SPR‑PCF传感器，包括：柱状纤芯、石英基底、填充待测样品的通道、金层和石墨烯层；柱状纤芯内填充空气；在石英基底上且以所述柱状纤芯为中心规则排列有第一螺旋空气孔和第二螺旋空气孔，第一螺旋空气孔的直径与第二螺旋空气孔的直径不同；在石英基底外涂覆有石墨烯层，在石墨烯层上涂覆有金层，在金层外设置有填充待测样品的通道；第一螺旋空气孔和第二螺旋空气孔构成螺旋状的传感通道，产生不同的泄露模；其对应的SPR共振波长均与扭曲率呈线性比例；纤芯中的导模与泄露模实现相位匹配，引起透射谱中的一系列凹陷峰；可以实现高灵敏度、无损伤的实时探测。

Description

一种基于螺旋芯的SPR-PCF传感器
技术领域
本发明属于生物化学领域，更具体地，涉及一种基于螺旋芯的SPR-PCF传感器。
背景技术
表面等离子体共振(Surface Plasmon Resonance，简称SPR)，是一种发生在金属和电介质界面的物理现象，利用光发生全内反射产生的倏逝波，在金属表面激发出等离子元，当调整入射光的波长或者入射角，使得入射光与表面等离子元发生共振，从而产生沿着界面纵向传播的表面等离子波。在发生共振时，能量从光子转移到表面等离子体激元上，使得反射波能量急剧减少，形成一个损耗峰值。不同的待测液体分析物的共振波长不同或者损耗峰位置不同，因此常用于光学传感。
随着光子晶体光纤(Photonic Crystal Fiber，简称PCF)理论分析方法的不断完善和制备方法的日益成熟，基于PCF的SPR传感技术引起了广泛关注。然而由于PCF的尺寸多为微米级甚至纳米级，为实现高灵敏度传感，需要很高的光纤制备工艺；因此目前提出的多种传感结构均难以实现，只能通过仿真软件对其性质加以研究。因此，设计一种便于实现的、高灵敏度的SPR-PCF传感器迫在眉睫。
发明内容
针对现有技术的缺陷，本发明提供了一种基于螺旋芯的SPR-PCF传感器，其目的在于简化工艺、实现高灵敏度传感。
本发明提供的基于螺旋芯的SPR-PCF传感器，包括：柱状纤芯、石英基底、填充待测样品的通道、金层和石墨烯层；所述柱状纤芯内填充空气；在所述石英基底上且以所述柱状纤芯为中心规则排列有第一螺旋空气孔和第二螺旋空气孔，所述第一螺旋空气孔的直径与所述第二螺旋空气孔的直径不同；在所述石英基底外涂覆有所述石墨烯层，在所述石墨烯层上涂覆有所述金层，在所述金层外设置有填充待测样品的通道；所述第一螺旋空气孔和第二螺旋空气孔构成螺旋状的传感通道，在传感通道的导引下，光的传播被迫遵循螺旋路径，使得一部分轴向能量转移至方位角方向，使得离散的轨道角动量状态，产生不同的泄露模；其对应的SPR共振波长均与扭曲率呈线性比例；纤芯中的导模与泄露模实现相位匹配，引起透射谱中的一系列凹陷峰；当通道内的待测样品的种类或者浓度发生改变时，等离子体模式发生改变，通过改变共振波长和透射谱的峰值功率，可以实现高灵敏度、无损伤的实时探测。
更进一步地，所述螺旋状的传感通道的缠距为5cm-1～20cm-1，这一数值的设定是通过对其电磁场性质进行仿真实验后得到的，在该数值范围内可以得到良好的传感特性。
更进一步地，在所述第一螺旋空气孔和第二螺旋空气孔中，相邻空气孔之间的距离为1.5um～2.5um。这样可以确保在较大的入射光波长范围内，光纤内都有单模传输，尽可能减少高阶模式的干扰。
更进一步地，所述石英基底的折射率为1.43～1.45，所述第一螺旋空气孔的直径为1.2um～1.8um，所述第二螺旋空气孔的直径为0.6um～0.9um。孔径的尺寸由孔间距和归一化截止频率共同决定，减少高阶模式干扰。
更进一步地，所述第一螺旋空气孔的直径小于所述第二螺旋空气孔的直径。
通过本发明所构思的以上技术方案，与现有技术相比，由于螺旋芯光纤的制备技术已经实现产业化，而且螺旋结构对周围环境物理参数的变化敏感，因此能够取得制备工艺简单、传感灵敏度高的效果。
附图说明
图1为本发明的三维结构图。
图2为本发明沿垂直于轴向方向的横截面示意图。
图3为本发明内部空气孔分布的三维示意图。
图中：1为填充待测样品的通道；2为金层；3为石墨烯材料；4为石英基底；5为柱状纤芯，填充空气；6为第一螺旋空气孔；7为第二螺旋空气孔，第一螺旋空气孔的直径与第二螺旋空气孔的直径不同。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
本发明提供的基于螺旋芯的SPR-PCF传感器涉及生物化学领域，可以通过对折射率、PH值等物理量的高灵敏度传感，对待测样品物质的种类、浓度进行探测。
由于SPR现象对介质介电常数的改变相当敏感，并且具有高灵敏度、免标记、非破坏性、可远程实时在线监测等优点，因此在生化传感领域得到了广泛应用。与传统光纤相比，基于光子晶体光纤(PCF)的SPR传感器更容易实现导模与等离子体模式的相位匹配，从而发生等离子体共振，而且传感距离、耦合效率与灵敏度等特性都优于传统光纤传感器。此外，利用PCF的多孔结构，可以进行多通道传感，实现多种物质同时测量。利用光谱检测可以减少外界干扰，更为准确可靠，由于温度、压力、湿度等物理量的变化也会导致共振波长发生漂移，因此还可用于物理量传感测量。
将光子晶体光纤、表面等离子体技术和金属纳米颗粒技术相结合，利用PCF结构的灵活性和多样性，实现相位匹配，使得纤芯导模与等离子体模式发生共振耦合，此外，在PCF中引入扭转的螺旋芯光纤，改变了模式耦合条件，这导致共振波长发生漂移，而且不同旋向的圆偏振光的共振波长发生分裂，更利于控制在非圆纤芯光纤中的损失、色散和偏振状态。
该传感器的纤芯处是柱状空气孔，包层处则是在石英基底中引入两层规则排列的螺旋空气孔，其中第一层中尺寸较大的第一螺旋空气孔与其他空气孔的直径不同。在包层外部依次涂覆了低成本、易合成的石墨烯结构和化学性质稳定的金层，最后在最外部的通道中填充有待测液体样品。金表面的等离子体波对环境变化非常敏感，当液体样品的折射率、浓度、PH值等改变，传感器的共振波长和共振强度都会随之改变，从而实现传感。
通过扭转光纤制备螺旋芯结构，可以调整SPR共振的重要参数，而且不影响基模圆偏振光的SPR损耗特性。当调节扭转率(即螺旋芯的缠距)在5cm-1～20cm-1范围内时，纤芯与金层之间的距离发生改变，SPR损耗可以增加至少两个数量级。当扭转率较低时，只有基模可以与等离子体波发生耦合共振；对于更高的扭曲率，等离子体波与包层模式之间发生耦合，导致SPR谐振峰值明显增加，并在透射谱曲线中出现新的峰值损耗，产生多个可用于传感定位的峰值波长。
SPR传感器在传感通道的内壁上涂覆有金属结构，对金属周围介质的折射率变化非常敏感，环境介质折射率的任何微小变化都将导致共振曲线的漂移。而且螺旋芯结构使得包层中的物理参数(如介电常数、磁导率)不再是各项同性的，对周围介质折射率的改变更加敏感，从而实现高灵敏度传感。
本发明提供的螺旋芯光子晶体光纤横截面如图所示。在本发明实施例中，石英基底4的折射率为1.45，第一螺旋空气孔的直径为1.6um，第二螺旋空气孔的直径为0.8um，扭转率为5cm-1～20cm-1，在光纤中心处有一个填充了空气的柱状纤芯，以便于实现纤芯导引模式和等离子模的相位匹配。周围分布两层规则分布的螺旋状空气孔，相邻空气孔间的距离为pitch＝2um，其中第一层空气孔由两种不同尺寸的孔组成，其直径分别为d1＝0.4*pitch、d2＝0.8*pitch；这种机构打破了传统PCF的旋转对称性，引入了双折射效应，从而使得在金属和电介质界面上光波尽量沿一个方向传播。基体材料为石英，与空气孔一起，满足折射率导光机制和全反射条件。在光纤最外围有一层可填充待测液体的通道。为实现SPR传感，在液体通道和石英基底之间涂覆有石墨烯材料和金层。单层石墨烯的厚度约为0.34nm，因此我们设计的结构中，石墨烯层厚度为3nm(约3层石墨烯结构)；所镀金层厚度为40nm。
在中空的螺旋通道的导引下，包层中光的传播被迫遵循螺旋路径，导致一部分轴向能量转移至方位角方向，从而导致离散的轨道角动量状态，产生不同的泄露模；其对应的SPR共振波长均与扭曲率呈线性比例。纤芯中的导模与包层中的泄露模实现相位匹配，引起透射谱中的一系列凹陷峰。当通道内的待测样品的种类或者浓度发生改变时，等离子体模式发生改变，改变共振波长和透射谱的峰值功率，从而实现高灵敏度、无损伤的实时探测。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种基于螺旋芯的SPR-PCF传感器，其特征在于，包括：柱状纤芯(5)、石英基底(4)、填充待测样品的通道(1)、金层(2)和石墨烯层(3)；
所述柱状纤芯(5)内填充空气；
在所述石英基底(4)上且以所述柱状纤芯(5)为中心规则排列有第一螺旋空气孔(6)和第二螺旋空气孔(7)，所述第一螺旋空气孔(6)的直径与所述第二螺旋空气孔(7)的直径不同；
在所述石英基底(4)外涂覆有所述石墨烯层(3)，在所述石墨烯层(3)上涂覆有所述金层(2)，在所述金层(2)外设置有填充待测样品的通道(1)；
所述第一螺旋空气孔(6)和第二螺旋空气孔(7)构成螺旋状的传感通道，在传感通道的导引下，光的传播被迫遵循螺旋路径，使得一部分轴向能量转移至方位角方向，使得离散的轨道角动量状态，产生不同的泄露模；其对应的SPR共振波长均与扭曲率呈线性比例；纤芯中的导模与泄露模实现相位匹配，引起透射谱中的一系列凹陷峰；当通道内的待测样品的种类或者浓度发生改变时，等离子体模式发生改变，通过改变共振波长和透射谱的峰值功率，可以实现高灵敏度、无损伤的实时探测。
2.如权利要求1所述的SPR-PCF传感器，其特征在于，所述螺旋状的传感通道的缠距为5cm-1～20cm-1。
3.如权利要求1或2所述的SPR-PCF传感器，其特征在于，在所述第一螺旋空气孔(6)和第二螺旋空气孔(7)中，相邻空气孔之间的距离为1.5um～2.5um。
4.如权利要求1-3任一项所述的SPR-PCF传感器，其特征在于，所述石英基底(4)的折射率为1.43～1.45，所述第一螺旋空气孔的直径为1.2um～1.8um，所述第二螺旋空气孔的直径为0.6um～0.9um。
5.如权利要求1所述的SPR-PCF传感器，其特征在于，所述第一螺旋空气孔(6)的直径小于所述第二螺旋空气孔(7)的直径。
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