CN109060726B - 在线传输式多芯光纤spr传感器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种在线传输式多芯光纤SPR传感器，包括石英管，石英管内设有多根输入用单芯光纤、多芯光纤、多根输出用单芯光纤和多芯光纤SPR传感元，输入、输出用单芯光纤的根数与多芯光纤的纤芯数相同；多根输入、输出用单芯光纤的一端与多芯光纤的两端均设有多芯光纤耦合元，多芯光纤耦合元采用波导定向耦合的方式连接形成了单芯光纤与多芯光纤的连接区域；将多芯光纤的中间段的包层去除，并在裸露的纤芯镀上金属膜和不同的敏感物质而构成的SPR传感区，每一根纤芯均构成了一个独立的SPR传感元。本发明所述的传感器可以根据使用者的需求在SPR敏感元部分涂敷相应的敏感物质，可用于生物传感、化学分析、药品研发、环境监测等多个领域的在线实时测量。

Description

在线传输式多芯光纤SPR传感器

技术领域

本发明涉及传感器技术，隶属于信息领域，具体涉及到一种可以应用到生物传感、化学分析、药品研发、环境监测等多个领域的在线传输式多芯光纤SPR传感器。

背景技术

表面等离体共振(Surface Plasmon Resonance,SPR)，是一种发生在金属层与介质层分界面的物理现象。该现象对物质的折射率非常敏感。一般对于折射率在1.3到1.4之间的物质测量结果非常精确。但对于折射率相同的物质，SPR不能有效的区分。为了实现特征物质的检测，可以在金属膜上涂覆一层与特征物质相作用的敏感物质。只要特征物质能大幅改变敏感物质的折射率，就能被SPR传感器检测到。这一思路最先应用在抗原抗体特征匹配检测方面。随之分别应用于气体传感、湿度检测、PH检测、葡萄糖检测等众多方面。随着SPR应用领域越来越多，科研人员也关心到了SPR传感器的集成方面。能否利用一个SPR传感器，实现多个物理参量的同时测量？由此，各种新型结构的多通道光纤SPR传感器被提出来。目前也是光纤SPR传感器研究的重点和难点。

2003年曹振新教授成功研制了“纵向分布式表面等离子体波传感器”(专利申请号03113077.1)，这种纵向分布式光纤SPR传感器原理与单通道SPR传感器相同，在一段光纤上设置几个不连续的纵向分布的传感区域，每一个传感区用来检测一种物理量。后端连接光谱仪，在可见光波段则可以看到几个共振峰。每一个共振峰代表一种物理量。但这种传感器最大的缺点是，当几种需要检测的物理量的共振波长相近时，光谱会重叠在一起，形成一个较宽的共振峰，此时无法检测所需的物理量。2005年彭伟教授利用直径为600μm的多模光纤研制了“角度调谐式多通道光纤表面等离子体共振传感探头”的发明专利(专利申请号201110089650.4)，这种传感器在光纤端集成了多个通道，但每次只能检测一个通道。对于多参量的检测需要分时测量。因此，基于单芯光纤实现多参量的测量都存在着一定的问题。为了实现实用的多通道光纤SPR传感器，研究人员开始利用多芯光纤实现多通道光纤SPR传感器。2015年赵恩铭利用双芯的光纤实现了“分布式表面等离子体共振光纤传感器”(专利申请号201510400263.6)，这种传感器在双芯光纤的上方刻四个V型槽，并在槽内镀膜，制作出了双通道的光纤SPR传感器。但由于传感区的面积小，所以传感器的灵敏度低。2016年魏勇利用七芯光纤实现了“一种基于七芯光纤的三通道SPR传感器”(专利申请号201611102492.0)的发明专利，这种传感器在七芯光纤端面刻蚀出铅笔结构，并镀上金属膜作为传感区。通过空间耦合的方式将光从某一外侧纤芯耦合到光纤内，经传感区反射到另一与之对应的纤芯，再通过空间耦合的方式将光传输到光谱仪中。这种传感器除了传感区域小，通过空间耦合的方式传光易受外界影响外，还存在没有最大限度利用多芯光纤的纤芯。同年苑立波教授利用螺旋光纤实现了“一种纤维集成多螺旋芯光纤SPR传感阵列芯片”(专利申请号201610136679.6)的发明专利。虽然这种多通道SPR传感器没有上述传感器的缺点，但多芯螺旋光纤的拉制本身就很困难，且市面上没有销售。这也显著增加了传感器的成本。

发明内容

本发明需要解决的技术问题是，针对上述多通道光纤SPR传感器的缺点，以及多芯光纤光耦合困难，提供一种单芯光纤和多芯光纤定向耦合的在线传输式多通道光纤SPR传感器。将单芯光纤的端面和多芯光纤的端面包层及部分纤芯去除，使单芯光纤和多芯光纤的纤芯接触。由于两波导相距很近时，波导折射率分布发生畸变，从而引起两波导中的导模相互耦合，产生功率的交换。使光可以通过单芯光纤耦合到多芯光纤，再耦合到单芯光纤进入光谱仪。在多芯光纤中间某一段制备SPR传感元，使每一根纤芯可以独立检测某一物理量。

为了解决上述技术问题，本发明提出一种在线传输式多芯光纤SPR传感器，包括石英管，所述石英管的两端均设有橡胶塞，所述石英管的前段设有上支口，所述石英管的后段设有下支口；所述石英管内设有多根输入用单芯光纤、多芯光纤、多根输出用单芯光纤和多芯光纤SPR传感元，所述输入用单芯光纤的根数、输出用单芯光纤的根数与所述多芯光纤的纤芯数相同；多根输入用单芯光纤的一端与多芯光纤的一端之间，和所述多芯光纤的另一端与多根输出用单芯光纤的一端之间均设有多芯光纤耦合元，所述多芯光纤耦合元采用波导定向耦合的方式连接，从而在所述多芯光纤的两端分别形成了单芯光纤与多芯光纤的连接区域；所述多芯光纤SPR传感元是由将所述多芯光纤的中间段的包层去除，并在裸露的纤芯镀上金属膜而构成的SPR传感区，所述多芯光纤中的每一根纤芯均构成了一个独立的SPR传感元；输入用单芯光纤的另一端从所述的石英管一端的橡胶塞中穿出，输出用光纤的另一端自所述的石英管另一端的橡胶塞中穿出。

进一步讲，本发明中，所述金属膜的厚度为纳米级。

根据待测物质的不同，位于所述SPR传感区的所述多芯光纤的每一根纤芯的金属膜上再对应涂敷不同的敏感物质，与敏感层相互作用的待测物质改变敏感层的折射率，从而反映在输出光谱上。

所述多芯光纤为双芯光纤、三芯光纤、四芯光纤、七芯光纤和十九芯光纤中的任何一种。

所述多芯光纤的纤芯距大于30um。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

本发明与其他多芯光纤多通道SPR传感器相比的优势是:

1.在光耦合方面，为了克服多芯光纤不易熔接的缺点，选择波导定向耦合的方式注入光。波导定向耦合的方式注入光与空间耦合注入光相比，可以有效避免因空间耦合注入而带来杂散光的影响。波导定向耦合的方式注入光与空间耦合注入光相比，耦合效率更高，且便于移动。

2.本发明与其他多芯光纤制作的SPR传感器相比，可以最大限度的利用多芯光纤的纤芯，制作尽可能多的SPR传感通道。每一个通道作为一个独立的通道，与其他通道之间没有串扰。因此每一个通道涂敷不同的敏感物质，可以单独的检测某一种物质，实现多参量的测量。与多个单通道的光纤SPR传感器相比，本发明的尺寸更小，集成度更高。

3.SPR传感区选择在线传输式，可以有效的控制感应区的长度，提升传感区的面积提升传感器的灵敏度。

附图说明

图1是利用本发明传感器实现多参量(多种物质)检测系统图；

图2是本发明传感器的结构示意图；

图3(a)是两芯光纤与单芯光纤制备的传感器3D示意图；

图3(b)是图3(a)所示传感器耦合区的端面示意图；

图4(a)是三芯光纤与单芯光纤制备的传感器3D示意图；

图4(b)是图4(a)所示传感器耦合区的端面示意图；

图5(a)是四芯光纤与单芯光纤制备的传感器3D示意图；

图5(b)是图5(a)所示传感器耦合区的端面示意图；

图6(a)是七芯光纤与单芯光纤制备的传感器3D示意图；

图6(b)是图6(a)所示传感器耦合区的端面示意图。

图中：1-超连续光谱光源，2-光纤1×N耦合器，4-单芯光纤与多芯光纤连接区域，5-多芯光纤，6-SPR传感区，7-石英管，8-橡胶塞，9-多通道光谱仪，10-金属膜或敏感物质，11-待测物质，12-两芯耦合元，13-三芯光纤耦合元，14-四芯光纤耦合元，15-七芯光纤耦合元，16-输入用单芯光纤，17-输出用单芯光纤。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明技术方案作进一步详细描述，所描述的具体实施例仅对本发明进行解释说明，并不用以限制本发明。

如图1所示，本发明提出的一种在线传输式多芯光纤SPR传感器，包括石英管7，所述石英管7的两端均设有橡胶塞8，所述石英管7的前段设有上支口，所述石英管7的后段设有下支口。所述石英管7内设有多根输入用单芯光纤16、多芯光纤5、多根输出用单芯光纤17和多芯光纤SPR传感元，所述输入用单芯光纤16的根数、输出用单芯光纤17的根数与所述多芯光纤5的纤芯数相同。

如图2所示，多根输入用单芯光纤16的一端与多芯光纤5的一端之间，和所述多芯光纤5的另一端与多根输出用单芯光纤17的一端之间均设有多芯光纤耦合元，所述多芯光纤耦合元采用波导定向耦合的方式连接，从而在所述多芯光纤5的两端分别形成了单芯光纤与多芯光纤的连接区域4。所述多芯光纤SPR传感元是由将所述多芯光纤5的中间段的包层去除，并在裸露的纤芯镀上金属膜10而构成的SPR传感区6，所述多芯光纤5中的每一根纤芯均构成了一个独立的SPR传感元；如图1所示，输入用根光纤16的另一端从所述的石英管7一端的橡胶塞8中穿出，输出用单芯光纤17的另一端自所述的石英管7另一端的橡胶塞8中穿出。

单芯光纤16的光经过多芯光纤耦合元，耦合到多芯光纤5的每一根纤芯内，并传输。多芯光纤5传输的光经过多芯光纤SPR传感元，在特定需要测量物理量的刺激下激发SPR效应，对应在某一波段的光被大量吸收。再通过多芯光纤耦合元传输至单芯光纤17。每一根单芯光纤连接多通道光谱仪9的某一通道，则可以通过多通道光谱仪9观察到多芯光纤5中每一根纤芯的输出光谱。然后，通过一定算法得到需要检测物理量的信息。

本发明中，多芯光纤耦合元为单芯光纤(包括输入用单芯光纤16和输出用单芯光纤17)和多芯光纤5的连接部分。由于一般的多芯光纤5和单芯光纤包层直径相似，纤芯直径相同，所以无法将多个单芯光纤和一个多芯光纤熔接在一起。因此，本发明中采取波导定向耦合的方式将单芯光纤与多芯光纤连接。

本发明中，多芯光纤SPR传感元为在线传输式，即把多芯光纤中间某一段包层去除，并在裸露纤芯镀上金属膜10，如图2所示。多芯光纤5的每一根纤芯均作为一个独立的SPR传感元，可以分别检测某一个物理量。具体检测的物理量可以根据使用者的需求在金属膜10上涂敷相应的敏感物质。只有需要检测的物理量或物质才能引起特定通道的SPR光谱发生明显的变化，其余通道的光谱维持不变。

实施例，如图1所示，超连续光谱光源1(400nm-2400nm)发出的光经光纤1×N耦合器2平均分成N束。每一束光进入与多芯光纤5芯径相同的输入用单芯光纤16。输入用单芯光纤16的光通过多芯光纤耦合元4，耦合到多芯光纤5的每一个纤芯。当光通过多芯光纤5的SPR传感区6时，会有相应波段的光被吸收。接着光再次经过多芯光纤耦合元4耦合至输出用单芯光纤17。输出用单芯光纤17连接多通道光谱仪9(也可以选择与传感器通道数量相同的单通道光谱仪)获得每一个通道的SPR光谱。此时，向石英管7(作为与测量物质相互作用的反应釜)的上支口注入需要检测的单一物质，则会在光谱仪上看到相应通道的SPR光谱发生漂移，其他基本不变。以此注入不同的单一物质，检测多通道光谱仪9的每一个通道。再注入一定比例的混合物，检测光谱的漂移与通入单一物质是否一致。检测结束后向石英管内通入无水乙醇清洗传感器。

图2所示为本传感器的结构和原理示意图。选择和多芯光纤5相同纤芯直径的输入用单芯光纤16和输出用单芯光纤17并分别去除其包层，使输入用单芯光纤16与多芯光纤5的纤芯的一端可以接触，这样输入用单芯光纤16便可以通过定向耦合向多芯光纤5的某一根纤芯注入光，为了提升耦合效率，可以再去除少量纤芯，使多芯光纤5的纤芯和两端的输入用单芯光纤16及输出用单芯光纤17的纤芯贴合构成“花生结构”。如图3(a)、图3(b)至图6(a)和图6(b)分别为用两芯，三芯，四芯和七芯光纤与单芯光纤制备的传感器3D示意图及耦合区的端面图，图中的附图标记12为两芯耦合元，13为三芯光纤耦合元，14为四芯光纤耦合元，15为七芯光纤耦合元。在选择多芯光纤时，应选择纤芯距大于30um的光纤。由于纤芯距大，每一根纤芯的导模可以独立传播，而不会发生耦合，即纤芯之间没有串扰。因此，通过单芯光纤注入到多芯光纤某一纤芯的光可以独立传播，不会耦合到其他纤芯内。SPR传感区6为多芯光纤的中间一段，去除包层，使纤芯裸露，并在裸露的纤芯上镀纳米级别厚的金属膜。由于光纤中的光以全反射传播，光波在SPR传感区6与金属膜10的等离体波波矢匹配产生共振，反映在光谱上为某一波段的光被大量吸收。

为了使本发明传感器能实现多参量(多种物质)的测量。对于不同浓度，相同折射率的物质不能有效的区分。为了实现多参量(多种物质)的测量，在SPR传感区6的多芯光纤的每一根纤芯上方对应涂敷不同的敏感物质。则只有与敏感层相互作用的待测物质11，才能改变敏感层的折射率，才能反映在输出光谱上。而其余不与该物质相互作用的敏感层的折射率不变，则光谱仪上相对应通道的输出光谱也不变。因此，使用者可以根据自己的实际需求在SPR传感区涂敷相应的敏感物质。

本发明中，所述多芯光纤是市面上可以购买到的双芯光纤、三芯光纤、四芯光纤、七芯光纤和十九芯光纤等的任何一种。将多芯光纤中间某一区域设置为SPR传感元。每一根纤芯可以用来检测一种物质。利用光波导定向藕合的方式，将光耦合到多芯光纤的每一根纤芯，并分别传输至光谱仪。克服了多芯光纤不宜熔接的弊病，做到实时检测。对于各种芯数的光纤，可以最大限度地利用外侧纤芯，实现尽量多的感知通道。相比传统的多通道光纤SPR传感器具有更大的潜力和性价比。

综上，本发明利用多芯光纤实现多参量测量的在线传输式表面等离子体共振(SPR)传感器。光束由单芯光纤经多芯光纤耦合元进入到多芯光纤的纤芯内，并传输至SPR传感元产生表面等离子体共振，再经过多芯光纤耦合元传输至连接光谱仪的单芯光纤。本发明中的多芯光纤耦合元采取波导定向耦合的方式，解决了多芯光纤与多跟单芯光纤不易熔接的弊病，使多芯光纤的每一根纤芯都可以作为一个独立的SPR传感单元。充分利用多芯光纤的纤芯，实现多参量测量的目的。SPR传感元设置为在线传输式,即多芯光纤中间某段去掉包层，使纤芯裸漏，并在裸漏的纤芯上镀上金属膜和不同的敏感物质。在线传输式的SPR传感元可以方便地设置传感区的长度，有效地提升SPR传感器的灵敏度。本发明所述的传感器可以根据使用者的需求在SPR敏感元部分涂敷相应的敏感物质，因此本发明公开的传感器可用于生物传感、化学分析、药品研发、环境监测等多个领域的在线实时测量。

尽管上面结合附图对本发明进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨的情况下，还可以做出很多变形，这些均属于本发明的保护之内。

Claims (5)

1.一种在线传输式多芯光纤SPR传感器，包括石英管(7)，所述石英管(7)的两端均设有橡胶塞(8)，所述石英管(7)的前段设有上支口，所述石英管(7)的后段设有下支口；其特征在于：

所述石英管(7)内设有多根输入用单芯光纤(16)、多芯光纤(5)、多根输出用单芯光纤(17)和多芯光纤SPR传感元，所述输入用单芯光纤(16)的根数、输出用单芯光纤(17)的根数与所述多芯光纤(5)的纤芯数相同；

多根输入用单芯光纤(16)的一端与多芯光纤(5)的一端之间，和所述多芯光纤(5)的另一端与多根输出用单根光纤(17)的一端之间均设有多芯光纤耦合元，所述多芯光纤耦合元采用波导定向耦合的方式连接，从而在所述多芯光纤(5)的两端分别形成了单芯光纤与多芯光纤的连接区域(4)；

所述多芯光纤SPR传感元是由将所述多芯光纤(5)的中间段的包层去除，并在裸露的纤芯镀上金属膜(10)而构成的SPR传感区(6)，所述多芯光纤(5)中的每一根纤芯均构成了一个独立的SPR传感元；

输入用单芯光纤(16)的另一端从所述的石英管(7)一端的橡胶塞(8)中穿出，输出用单芯光纤(17)的另一端自所述的石英管(7)另一端的橡胶塞(8)中穿出。

2.根据权利要求1所述在线传输式多芯光纤SPR传感器，其特征在于，所述金属膜(10)的厚度为纳米级。

3.根据权利要求1所述在线传输式多芯光纤SPR传感器，其特征在于，根据待测物质的不同，位于所述SPR传感区(6)的所述多芯光纤(5)的每一根纤芯的金属膜上再对应涂敷不同的敏感物质，与敏感层相互作用的待测物质改变敏感层的折射率，从而反映在输出光谱上。

4.根据权利要求1所述在线传输式多芯光纤SPR传感器，其特征在于，所述多芯光纤为双芯光纤、三芯光纤、四芯光纤、七芯光纤和十九芯光纤中的任何一种。

5.根据权利要求1所述在线传输式多芯光纤SPR传感器，其特征在于，所述多芯光纤的纤芯距大于30um。

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