CN108414453B - 一种综合时分复用和波分复用技术的多通道光纤spr系统 - Google Patents
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Abstract
本发明属于光纤传感技术领域，涉及一种综合时分复用和波分复用技术的多通道光纤SPR传感系统。在光纤传感器件上构建2个传感通道，采用不同的镀膜结构使其具有不同的SPR共振波长，基于波分复用的技术实现双通道检测。同时结合时分复用技术，在仅使用一个光源和一台光谱仪的条件下，计算机端输出TTL信号控制光纤双路开关实现两条光路中的光源控制，采集对应的光谱数据进行实时SPR信号解调，进而实现四通道光纤SPR传感。本发明保持光纤SPR系统体积小、高灵敏、实时响应、可远程传感的优势下扩展了检测通道数目，可应用于食品安全和环境监测等多分析物检测领域。
Description
技术领域
本发明属于光纤传感技术领域，涉及一种综合时分复用和波分复用技术的多通道光纤SPR系统。
背景技术
光纤表面等离子体共振传感器(SPR)是将高灵敏度的表面等离子体共振传感技术与低能量消耗的光纤传输技术有机结合的产物。它集合了SPR效应对环境介质折射率变化非常敏感的优点，同时又兼有光纤本身柔软、可绕曲、电绝缘、耐腐蚀，使用时不发热、无辐射，能在强电磁干扰、易燃易爆、毒性气体等复杂环境条件下工作等独特的优点。当光从光密介质入射光疏介质时会在两种介质的界面处发生全反射，此时光波的电磁场强度在分界面处并不立即减小为零，而是随入射深度呈指数衰减，形成消逝波。消逝波的有效深度一般为100-200nm，由于光纤SPR传感器金属膜厚度小于消逝波的深度，在金属膜与溶液或空气界面处，消逝波仍起作用。同时在金属膜与样品的界面处，金属表面的自由电子被激发，形成表面等离子体波。当消逝波波矢与表面等离子波波矢相等时，有最小反射率。它能够对传感器表面待测介质组成的微小变化作出灵敏的响应,适用于研究传感器表面敏感层中物质与介质溶液的生物及化学反应,进而定量测定介质溶液中的微量生物和化学活性物质。由于实际应用场景中通常不仅仅需要检测一种物质，而是多种目标检测物的混合物，比如疾病诊断过程中通常需要检测多种待测物的浓度，水质检测过程中需要检测多种污染物水平等，构建一种低成本、小型化、高灵敏，并且可以多通道检测的SPR系统成为光纤传感领域的迫切需求。
发明内容
本发明为解决上述问题，旨在提供一种综合时分复用和波分复用技术的多通道光纤SPR系统，利用波分复用技术实现双通道光纤SPR传感器；同时结合时分复用技术，实现一个光源和一台光谱仪的条件下的四通道、高灵敏检测。
一种综合时分复用和波分复用技术的多通道光纤SPR系统，包括宽谱光源1、光纤跳线a2、TTL光纤双路开关3、光纤跳线b4、双通道光纤SPR传感器5、光谱仪6、数据线7和计算机8；
宽谱光源1发射的宽谱光依次经过光纤跳线a2分为两束宽谱光，再分别依次经过TTL光纤双路开关3、光纤跳线b4和双通道光纤SPR传感器5；计算机8输出的TTL信号经过数据线7输入到TTL光纤双路开关3中，控制TTL光纤双路开关3的快门，实现两路光信号的控制；双通道光纤SPR传感器5输出的光信号再经过光纤跳线a2汇总为一束宽谱光入射到光谱仪6中；光谱仪6输出的光谱信号经过数据线7输入到计算机8中。
所述的光纤跳线a2，为1分2Y型光纤跳线；所述的光纤跳线b4，为直线型光纤跳线。
所述的双通道SPR传感器5，根据不同金属膜层调制来调节共振波段；采用纤芯直径为300-500μm、数值孔径不低于0.22的光纤，构建两个传感通道，长度为5mm-10mm；在传感通道表面均匀溅射镀膜，其中一个传感通道表面按照银-金的顺序溅射总厚度为45nm的银-金双层膜9，其中，银膜的厚度为30nm，金膜的厚度为15nm；另一个传感通道表面按照金-ITO-金的顺序溅射总厚度为63nm的金-ITO-金三层膜10，其中，底层金膜的厚度为30nm，ITO膜厚为18nm，外层金膜的厚度为15nm；两个传感通道的共振波长均处于可见光与近红外波段，降低检测系统成本。
所述的TTL光纤双路开关3，进行两条平行光路的光源控制，宽谱光源一直保持开启状态，计算机8输出命令控制TTL光纤双路开关3的shutter实现两路光信号的控制，传输信号最终送至光谱仪6及计算机8进行信号采集与解调，实现基于时分复用技术的多通道光纤SPR传感。
所述的光谱仪6，基于LabVIEW开发光谱采集和处理程序，有效实现两条光路信号的解调与实时监测。
本发明的一种综合时分复用和波分复用技术的多通道光纤SPR系统，可以实时监测四个通道的响应情况，将四个检测通道分别修饰不同的抗体，可实现多种目标物质的同时检测。另外，可以将其中一个通道作为参考通道，能够有效补偿温度、本体折射率变化给检测带来的干扰。
本发明的有益效果：本发明利用时分复用和波分复用技术，扩展传统的光纤SPR检测系统的检测通道数目。在保持光纤SPR传感器高灵敏、免标记、实时响应、可远程检测、易于小型化的优势的同时，结合波分复用技术实现双通道SPR传感器，进而结合时分复用技术，互不干扰的检测两条平行的光路，实现四通道SPR系统。在食品安全、环境监测、疾病诊断等需要多样品混合检测的领域有广阔应用前景。
附图说明
图1为综合时分复用和波分复用技术的多通道光纤SPR系统示意图。
图2为双通道光纤SPR传感器示意图。
图3为基于波分复用技术的双通道SPR传感器在去离子水环境下的归一化光谱曲线图。
图中：1宽谱光源；2光纤跳线a；3TTL光纤双路开关；4光纤跳线b；5双通道光纤SPR传感器；6光谱仪；7数据线；8计算机；9银-金双层膜；10金-ITO-金三层膜。
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，但不应以此限制本发明的保护范围。
本发明提出一种综合时分复用和波分复用技术的多通道光纤SPR系统，如图1所示，包括宽谱光源1、光纤跳线a2、TTL光纤双路开关3、光纤跳线b4、双通道光纤SPR传感器5、光谱仪6、数据线7和计算机8。
首先采用不同金属膜层调制方式制造双通道光纤SPR传感器5，结构示意图如图2所示。采用纤芯、包层直径分别为400μm和430μm，数值孔径为0.37的塑料包层光纤，在光纤上构建两个5mm长的传感通道。采用磁控溅射镀膜仪在传感通道表面均匀溅射镀膜，其中一个传感通道表面按照银-金的顺序溅射30nm银膜和15nm金膜，形成银-金双层膜9；另一个传感通道表面按照金-ITO(氧化铟锡)-金的顺序溅射30nm金膜，18nm ITO膜和15nm金膜，形成金-ITO-金三层膜10。
图3为去离子水环境下该双通道SPR传感器的归一化光谱曲线。其中传感通道一的共振波长处于580nm左右，传感通道二的共振波长处于760nm左右。两个检测通道互不干扰，经过不同膜层厚度的优化，具有较高的灵敏度，平均水平在2000nm/RIU左右。最外层金属层均为金膜，利于使用成熟的氨偶联法进行抗体修饰，从而实现特异性蛋白质定量检测。
基于LabVIEW开发光谱采集和实时处理程序。采用海洋光学HR4000微型高分辨率光谱仪，光谱检测范围为200-1100nm。宽谱光源采用海洋光学HL2000卤钨灯光源，光波长范围为360-2400nm。可实现基于波分复用技术的双通道SPR传感器实时监测。为了结合时分复用技术，采用1分2Y型光纤跳线实现两条传感光路与光源以及光谱仪之间的连接。
为了提高光源的稳定性，以维持系统的高分辨率，采用TTL光纤双路开关进行两条平行光路的光源控制。计算机输出命令控制光纤双路开关的shutter开闭，实现两路光信号的控制，传输信号最终送至光谱仪及计算机进行信号采集与解调。
该多通道光纤SPR系统可以实时监测四个通道的响应情况，将四个检测通道分别修饰不同的抗体，可实现多种目标物质的同时检测。另外，可以将其中一个通道作为参考通道，能够有效补偿温度、本体折射率变化给检测带来的干扰。
Claims (5)
1.一种综合时分复用和波分复用技术的多通道光纤SPR系统，其特征在于，所述的多通道光纤SPR系统包括宽谱光源(1)、光纤跳线a(2)、TTL光纤双路开关(3)、光纤跳线b(4)、双通道光纤SPR传感器(5)、光谱仪(6)、数据线(7)和计算机(8)；
宽谱光源(1)发射的宽谱光依次经过光纤跳线a(2)分为两束宽谱光，再分别依次经过TTL光纤双路开关(3)、光纤跳线b(4)和双通道光纤SPR传感器(5)；计算机(8)输出的TTL信号经过数据线(7)输入到TTL光纤双路开关(3)中，控制TTL光纤双路开关(3)的快门，实现两路光信号的控制；双通道光纤SPR传感器5输出的光信号再经过光纤跳线a(2)汇总为一束宽谱光入射到光谱仪(6)中；光谱仪(6)输出的光谱信号经过数据线(7)输入到计算机(8)中；所述的双通道SPR传感器(5)，根据不同金属膜层调制来调节共振波段；采用纤芯直径为300-500μm、数值孔径不低于0.22的光纤，构建两个传感通道，长度为5mm-10mm；在传感通道表面均匀溅射镀膜，其中一个传感通道表面按照银-金的顺序溅射总厚度为45nm的银-金双层膜(9)，其中，银膜厚度为30nm，金膜厚度为15nm；另一个传感通道表面按照金-ITO-金的顺序溅射总厚度为63nm的金-ITO-金三层膜(10)，其中，底层金膜的厚度为30nm，ITO膜厚为18nm，外层金膜的厚度为15nm；两个传感通道的共振波长均处于可见光与近红外波段，降低检测系统成本。
2.根据权利要求1所述的多通道光纤SPR系统，其特征在于，所述的TTL光纤双路开关(3)，进行两条平行光路的光源控制，宽谱光源一直保持开启状态，计算机(8)输出命令控制TTL光纤双路开关(3)的shutter实现两路光信号的控制，传输信号最终送至光谱仪(6)及计算机(8)进行信号采集与解调，实现基于时分复用技术的多通道光纤SPR传感。
3.根据权利要求1或2所述的多通道光纤SPR系统，其特征在于，所述的光纤跳线a(2)，为1分2Y型光纤跳线；所述的光纤跳线b(4)，为直线型光纤跳线。
4.根据权利要求1或2所述的多通道光纤SPR系统，其特征在于，所述的光谱仪(6)，基于LabVIEW开发光谱采集和处理程序，有效实现两条光路信号的解调与实时监测。
5.根据权利要求3所述的多通道光纤SPR系统，其特征在于，所述的光谱仪(6)，基于LabVIEW开发光谱采集和处理程序，有效实现两条光路信号的解调与实时监测。
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Non-Patent Citations (3)
| Title |
|---|
| A multi-channel fiber SPR sensor based on TDM technology;Liu Zhihai et al.;《Sensors and Actuators B: Chemical》;20151128;第226卷;第328-329页第3.2.1节，图6，图7 * |
| Dual-Channel Fiber-Optic Biosensor for Self-Compensated Refractive Index Measurement;L.Li et al.;《IEEE Photonics Technology Letters》;20161001;第28卷(第19期);第2110页图1，第2111页第Ⅲ部分 * |
| Liu Zhihai et al..A multi-channel fiber SPR sensor based on TDM technology.《Sensors and Actuators B: Chemical》.2015,第226卷 * |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN108414453A (zh) | 2018-08-17 |
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