CN108387552B - 基于石墨烯spr长周期光纤光栅传感器 - Google Patents

基于石墨烯spr长周期光纤光栅传感器 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于石墨烯SPR长周期光纤光栅传感器，包括输入光纤，长周期光纤光栅探头和输出光纤；输入光纤与长周期光栅探头的一端连接，长周期光栅探头的另一端与输出光纤连接；该长周期光纤光栅探头的栅区侧面镀有石墨烯层，石墨烯厚度为3‑30nm。光经输入光纤进入长周期光纤光栅探头中，激发栅区侧面的石墨烯层产生表面等离子体共振现象。本发明的传感器具有测量精度和灵敏度较高、稳定性高以及无损检测等特点，可以用于实时检测。

Description

基于石墨烯SPR长周期光纤光栅传感器
技术领域
本发明属于光纤传感技术领域，涉及一种表面等离子体共振(SPR)的长周期光纤光栅传感器，特别涉及基于石墨烯(graphene)表面等离子体共振的长周期光纤光栅传感器。
背景技术
表面等离子体共振(SPR：Surface Plasmon Resonance)是一种物理光学现象，能通过衰减全反射进行观测，电磁波(光波)产生表面等离子体共振时将破坏全反射的条件，导致反射光能量急剧下降，在反射谱上出现共振峰。基于表面等离子体共振原理的传感器主要有棱镜型SPR传感器、光纤型SPR传感器和光纤光栅型SPR传感器。相对于棱镜型SPR传感器而言，光纤型SPR传感器中光纤既可以作为光的传输介质又能作为激发SPR效应的基体，巧妙的将光纤的优点与SPR效应结合在一起构成光纤SPR传感器；但是传统光纤SPR传感器存在相位匹配的难题，一些研究者尝试了在光纤纤芯中引入周期性的折射率调制，即通过写入光纤光栅来更高效率地激发表面等离子体并使其满足相位匹配条件
1987年，Tiefenthaler等人提出了将衍射光栅作为光波耦合元件的SPR传感器；Homola等人分析比较了光栅耦合法和棱镜耦合法的灵敏度，采用曲面衍射光栅耦合法则可提供很高的信噪比，获得很高的灵敏度；1997年Nikitin等人开发了基于肖特基结构的衍射光栅型SPR传感器，利用微电子加工技术在硅片上镀上一层40nm金膜将SPR效应转成电信号输出，同时用光谱分析仪器检测表面增强拉曼散射，利用得到的电压——角度曲线和拉曼谱线两类数据，相互补充，用于反应机理和反应过程分析。现有的研究大都以金属膜(金、银)作为提供SPR效应的主体，但由于金膜比表面积较小，在生物检测时，表面固定分子数较少导致基于金膜的SPR传感器灵敏度较低，而银膜SPR传感器又容易被氧化，因此为了制备一种稳定高敏的SPR传感器具有巨大的意义。
石墨烯是单层碳原子以sp2杂化轨道紧密堆积成的二维蜂窝状晶格结构材料，具有独特的零带隙能带结构、优异的机械性能、超高的热导率、极大的比表面积、超宽带的光学响应谱及极强的非线性光学特性，使其在新型光学和光电传感领域具有显著的优势。相对于普通的金属SPR长周期光纤光栅传感器，基于石墨烯的SPR长周期光纤光栅传感器具有以下几个方面的优势：(1)石墨烯具有非常高的表面-体积比率，使其对周围环境十分敏感，并可以吸附多种粒子，包括气体分子、重金属离子、有机染料、蛋白质等；相对于金镀层来说对能更加有效地固定生物分子。(2)石墨烯可增加有机物质和生物大分子的固定量，这些分子的碳基环结构可与石墨烯的六元环单位形成π堆积键。(3)通过控制石墨烯在金属镀层上的层数，可以调控SPR信号和SPR测量的灵敏度。
发明内容
本发明针对技术背景中的问题，提出了一种结合石墨烯和光纤光栅表面等离子体共振传感的技术，设计了一种基于石墨烯SPR长周期光纤光栅传感器，该制作方法能确保光纤光栅SPR传感器的测量精度、灵敏度和稳定性。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
提供一种基于石墨烯SPR长周期光纤光栅传感器，包括输入光纤，长周期光纤光栅探头和输出光纤；输入光纤与长周期光栅探头的一端连接，长周期光栅探头的另一端与输出光纤连接；
该长周期光纤光栅探头的栅区侧面镀有石墨烯层，石墨烯厚度为3-30nm。
光经输入光纤进入长周期光纤光栅探头中，激发栅区侧面的石墨烯层产生表面等离子体共振现象。
接上述技术方案，输入光纤和输出光纤为单模传导光纤。
接上述技术方案，所述石墨烯层采用化学气相沉积法制备。
接上述技术方案，所述长周期光纤光栅探头包括多组不同周期的光栅，不同周期光栅的栅区侧面镀有不同厚度的石墨烯薄膜。
接上述技术方案，长周期光纤光栅探头的光栅周期为100-550μm。
接上述技术方案，所述长周期光纤光栅探头的制作方法为：
取光栅周期为100-550μm的长周期光纤光栅，将长周期光纤光栅置于无水乙醇中用超声波清洗3-8分钟3次，然后用脱脂棉蘸无水乙醇将长周期光栅的包层表面擦拭干净并晾干，将尾纤两端切割形成平整光滑的端面；
以甲烷为碳源，保护气体为Ar与H2，采用CVD法制备的大面积多层石墨烯，气体分解温度为900-1000度，沉积时间不少于2小时；
利用PMMA作为中间物转移石墨烯，在长好的石墨烯旋涂PMMA(4％)，然后放在150℃加热10min，用氯化铁盐酸溶液溶解Cu箔，将PMMA/graphene在去离子水中浸泡两次，各半个小时，用清洗过得长周期光栅将PMMA/graphene平捞到其表面上，溶解掉PMMA，取出吹干，完成转移；
在长周期光纤光栅的栅区侧面涂覆石墨烯薄膜，石墨烯厚度为3-30nm。
本发明还提供一种用于测量样品浓度的传感系统，包括光源、长周期光纤光栅传感器、信号接收与处理单元，所述长周期光纤光栅传感器为权利要求1所述的传感器，输出光纤与信号接收与处理单元连接，该长周期光纤光栅传感器置于待测样品中；
从光源发出的光经由输入光纤进入长周期光纤光栅探头中，激发石墨烯层产生表面等离子体共振现象，信号通过输出光纤传导进入信号接收与处理单元，信号接收与处理单元采集透射光信息，并计算出待测样品的折射率，进而计算出样品浓度。
接上述技术方案，所述信号接收及处理单元包括依次连接的光谱仪、计算机。
本发明产生的有益效果是：本发明通过在光纤光栅的栅区侧面镀石墨烯层，激发栅区侧面的石墨烯层产生表面等离子体共振现象。表面等离子体共振波长信号的波长会随着样品离子浓度变化而发生偏移，通过共振峰峰位即可确定待测样品的折射率，进而得知样品的其他参数。本发明的光纤传感器具有测量精度高、灵敏度高、稳定性好，以及无损检测等特点；且传感器制作方法简单，易于实现，便于推广应用。
附图说明
下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：
图1是本发明实例基于石墨烯SPR长周期光纤光栅传感系统的结构示意图；
图2是光栅探头的俯视图；
图3是光栅探头的剖面图；
图4是实施例4的不同周期光栅探头的剖面图；
其中：1、宽带光源；2、输入光纤；3、光纤光栅探头；4、输出光纤；5、光谱仪；6、计算机；7、涂覆层；8、石墨烯层；9、栅区；10包层；11、栅区1；12、石墨烯层1；13、栅区2；14石墨烯层2。
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用以解释本发明，并不用于限定本发明。
本发明的基于石墨烯SPR长周期光纤光栅传感器，如图1-4所示，包括输入光纤2，长周期光纤光栅探头3和输出光纤4；输入光纤2与长周期光栅探头3的一端连接，长周期光栅探头3的另一端与输出光纤2连接；
该长周期光纤光栅有涂覆层7，探头的栅区侧面镀有石墨烯层8，石墨烯厚度为3-30nm。
光经输入光纤2进入长周期光纤光栅探头3中，激发栅区9侧面的石墨烯层产生表面等离子体共振现象。
本发明实施例用于测量样品浓度的传感系统，如图1所示，包括光源1、长周期光纤光栅传感器、信号接收与处理单元，所述长周期光纤光栅传感器为上述实施例的传感器，输出光纤与信号接收与处理单元连接，该长周期光纤光栅传感器置于待测样品中。
从光源发出的光经由输入光纤进入长周期光纤光栅探头中，激发石墨烯层产生表面等离子体共振现象，信号通过输出光纤传导进入信号接收与处理单元，信号接收与处理单元采集透射光信息，并计算出待测样品的折射率，进而计算出样品浓度。
本发明实施例中，输入光纤和输出光纤均为单模传导光纤。
石墨烯层可采用化学气相沉积法制备。
进一步地，所述长周期光纤光栅探头包括多组不同周期的光栅，不同周期光栅的栅区侧面镀有不同厚度的石墨烯薄膜。
进一步地，长周期光纤光栅探头的光栅周期为100-550μm。
如图1所示，所述信号接收及处理单元包括依次连接的光谱仪5、计算机6。
实施例1：
一种基于石墨烯SPR长周期光纤光栅传感器的制作方法，用于制作实施实例1的一种基于石墨烯SPR长周期光纤光栅传感器，主要包括以下步骤：
1)、制作长周期光纤光栅探头，使光纤光栅探头的栅区侧面沉积石墨烯；
取光栅周期为550μm的长周期光纤光栅，将光栅置于无水乙醇中用超声波清洗8分钟3次，然后用脱脂棉蘸无水乙醇将长周期光栅的包层表面擦拭干净并晾干，将尾纤两端切割形成平整光滑的端面；
以甲烷为碳源，Cu箔为基底，Ar与H2为保护气体，采用CVD法制备的大面积多层石墨烯，碳源气体分解温度为900℃，沉积时间2小时。
利用PMMA(聚甲基丙烯酸甲酯)作为中间物转移石墨烯，用氯化铁盐酸溶液溶解Cu箔，用清洗过得长周期光栅将PMMA/graphene(graphene为石墨的单原子层)平捞到其表面上，用丙酮溶解掉PMMA，取出吹干，完成转移。按上述技术方案，最终在长周期光栅的栅区表面涂覆石墨烯薄膜，石墨烯厚度为10nm。
2)、输入光纤与1)中的长周期光栅探头一端连接，探头另一端与输出光纤、光谱仪、计算机以此连接，完成传感器的制作。光源的波长范围1510-1610nm，从光源发出的光经由输入光纤进入长周期光纤光栅探头中，光信号再经过输出光纤进入光谱仪，最终通过计算机进行光信号的解调和分析。完成传感器的制作。
实施例2：
使用的长周期光纤光栅探头侧面石墨烯厚度为3nm，其他实施方法同实施例1。
实施例3：
使用的长周期光纤光栅探头周期为450μm，探头侧面石墨烯厚度为6nm，其他实施方法同实施例1。
实施例4：
如图4所示，使用的长周期光纤光栅包括2组不同周期的光栅，周期为300μm的长周期光纤光栅在其栅区11侧面涂覆有石墨烯层12，厚度为15nm；周期为500μm的长周期光纤光栅在其栅区13侧面涂覆有石墨烯层14，厚度为8nm。其他实施方法同实施例1。
应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。

Claims (8)

1.一种基于石墨烯SPR长周期光纤光栅传感器，其特征在于，包括输入光纤，长周期光纤光栅探头和输出光纤；输入光纤与长周期光栅探头的一端连接，长周期光栅探头的另一端与输出光纤连接；
该长周期光纤光栅探头的栅区侧面镀有石墨烯层，石墨烯层的厚度为3-30nm；
光经输入光纤进入长周期光纤光栅探头中，激发栅区侧面的石墨烯层产生表面等离子体共振现象。
2.根据权利要求1所述的基于石墨烯SPR长周期光纤光栅传感器，其特征在于，输入光纤和输出光纤为单模传导光纤。
3.根据权利要求1所述的基于石墨烯SPR长周期光纤光栅传感器，其特征在于，所述石墨烯层采用化学气相沉积法制备。
4.根据权利要求1所述的基于石墨烯SPR长周期光纤光栅传感器，其特征在于，所述长周期光纤光栅探头包括多组不同周期的光栅，不同周期光栅的栅区侧面镀有不同厚度的石墨烯薄膜。
5.根据权利要求1所述的基于石墨烯SPR长周期光纤光栅传感器，其特征在于，长周期光纤光栅探头的光栅周期为100-550μm。
6.根据权利要求1所述的基于石墨烯SPR长周期光纤光栅传感器，其特征在于，所述长周期光纤光栅探头的制作方法为：
取光栅周期为100-550μm的长周期光纤光栅，将长周期光纤光栅置于无水乙醇中用超声波清洗3-8分钟3次，然后用脱脂棉蘸无水乙醇将长周期光栅的包层表面擦拭干净并晾干，将尾纤两端切割形成平整光滑的端面；
以甲烷为碳源，保护气体为Ar与H2，采用CVD法制备的大面积多层石墨烯，气体分解温度为900-1000度，沉积时间不少于2小时；
利用PMMA作为中间物转移石墨烯，在长好的石墨烯上旋涂PMMA，然后放在150℃加热10min，用氯化铁盐酸溶液溶解Cu箔，将PMMA/graphene在去离子水中浸泡两次，各半个小时，用清洗过的长周期光纤光栅将PMMA/graphene平捞到其栅区表面上，溶解掉PMMA，取出吹干，完成石墨烯转移，石墨烯厚度为3-30nm。
7.一种用于测量样品浓度的传感系统，其特征在于，包括光源、长周期光纤光栅传感器、信号接收与处理单元，所述长周期光纤光栅传感器为权利要求1所述的基于石墨烯SPR长周期光纤光栅传感器，输出光纤与信号接收与处理单元连接，该长周期光纤光栅传感器置于待测样品中；
从光源发出的光经由输入光纤进入长周期光纤光栅探头中，激发石墨烯层产生表面等离子体共振现象，信号通过输出光纤传导进入信号接收与处理单元，信号接收与处理单元采集透射光信息，并计算出待测样品的折射率，进而计算出样品浓度。
8.根据权利要求1所述的用于测量样品浓度的传感系统，其特征在于，所述信号接收及处理单元包括依次连接的光谱仪、计算机。
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