CN110208220B - 一种多芯少模光纤局域表面等离子体共振传感器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种多芯少模光纤局域表面等离子体共振传感器，由光源(1)、输入光纤(2)、光纤分束器(3)、空间相位板(4)、扇入系统(5)、多芯少模光纤(6)、扇出系统(7)和光谱仪(8)组成；多芯少模光纤(6)包括包层(61)、纤芯(62)、纤芯(62)周围六边形排布的气孔(63)；每条纤芯(62)的凹槽表面和周围的气孔(63)内壁上沉积nm量级的纳米金属结构(64)，每条纤芯(62)上涂覆敏感膜(65)；纳米金属结构(64)、敏感膜(65)和待测物质组成SPR传感区。与传统的基模激发方式相比，本发明结合了多芯少模光纤和LSPR的优点，利用高阶模式激发LSPR现象，提升了传感器的灵敏度，且通过LSPR传感器可以获得多路独立的传感光谱。

Description

一种多芯少模光纤局域表面等离子体共振传感器

技术领域

本发明涉及光纤传感技术领域，特别涉及一种可应用于生物、化学传感等多个领域的新型多芯少模光纤局域表面等离子体共振传感器。

背景技术

在波导、棱镜、光纤等各种传感结构之中，光纤最具优势，因为光纤传感器具有灵敏度高、抗电磁干扰、结构紧凑、便于集成、可以进行远距离传输等优点。采用多芯少模光纤作为敏感元件的光纤传感器不仅具有少模光纤模式数少、可灵活调控的特点，还能够利用高阶模式激发局域表面等离子体共振，提高传感器灵敏度。由于具有多个纤芯，该类型的传感器能够实现多个参量同时测量；类比于常规多芯实心光纤，该多芯少模光纤纤芯周围排布的气孔可作为传感通道，显著提高测量外界参量的数量。

局域表面等离子体共振(LSPR)是入射光与金属纳米颗粒表面自由电荷密度振荡耦合的现象，能够产生很强的共振吸收光谱。由于LSPR传感器具有共振波长可调节、空间分辨率高、小分子探测能力更优异、探测方式更简单等优点，越来越多地应用在生物和化学传感器中。这种灵敏度高的光学技术在探测折射率的微小变化上非常有效，因此在生命科学、药物开发、食品安全，环境污染等领域具有重大的研究意义和应用价值。

传统的光纤LSPR传感器只能进行单通道检测，无法实现多通道的同时传感。普通多芯光纤具有多通道同时传感的特点，但不具备多芯少模光纤模式可灵活调控的优点。国内外对多芯少模光纤的研究也刚刚起步，研究主要涉及光通信领域，多芯少模光纤结合空分复用和模分复用技术，在增加信道容量的同时减小了芯间串扰，然而在光纤传感领域的研究较少仅涉及多芯少模光纤压力、温度、弯曲和位移传感器，基本没有涉及应用在化学、生物领域的多芯少模光纤传感器。公开号为CN106596474A《一种基于七芯光纤的三通道SPR传感器》发明专利提出了一种基于七芯光纤的三通道表面等离子体共振(SPR)传感器，通过耦合装置将光注入七芯光纤一组对称的纤芯，输入光在七芯光纤顶端的SPR对称锥角探针处发生三次全反射产生SPR现象，最后用光谱仪接收探针的反射光。该专利可实现多通道测量，在同一传感区对混合物进行多种分析物同时检测；该传感器基于终端反射原理，获得一路SPR传感光谱需要同时利用两根纤芯，对光纤纤芯的利用率较低，无法实现利用率最大化。且耦合方式采用透镜耦合，需要利用精密旋转器来实现七芯光纤中三组对称纤芯的切换，不便于使用。

公开号为CN109060726A《在线传输式多芯光纤SPR传感器》的专利提出了一种在线传输式多芯光纤SPR传感器，将多芯光纤中间段的包层去除，在裸露的纤芯上镀金属膜和敏感物质构成SPR传感区，每一根纤芯作为一个独立的SPR传感元。该专利能够实现多参量的同时测量，但SPR分辨率较低，小分子探测能力不及LSPR优异，且LSPR中的倏逝波是由纳米粒子的光散射产生的，其实现不需要传统SPR技术那样复杂的光学系统。

公开号为CN207096102U《一种基于光纤的单细胞精准检测实验装置》的专利提出了一种基于光纤的单细胞精准检测实验装置，检测探针由微结构多芯光纤制成，同时用微结构多芯光纤制作光纤光镊，对单细胞进行控制。但是该专利采用透镜进行光纤之间的耦合，不便于实现小型化，且整体结构复杂；同时，该发明专利将金属膜沉积在光纤锥角的端面上，使其难以实现分布式传感。

公开号为JP2015206786A《Localized surface plasmon resonance sensor,gassensor,and manufacturing method》的日本专利提出了一种局域表面等离子体共振传感器，主要包括：透光衬底和金属纳米结构，金属纳米结构设置在透光衬底上用来激发局域表面等离子体共振，同时在金属纳米结构上附着一层多孔透光吸附剂，光源和光接收器分别设置在透光衬底的两侧用来激发和接收LSPR。该装置采用平板波导结构，由于传感通道单一，无法实现多通道传感。

公开号为MX2014010281A《Fiber optic sensor based on surface plasmonresonance arranged for measuring refraction indices》的墨西哥专利提出了一种用于测定水介质的折射率的LSPR光纤传感器。该发明专利将银纳米粒子粘附在多模光纤的表面，通过光沉积(photodeposition)技术将纳米粒子固定在光纤上，钨灯光线与纳米粒子相互作用产生LSPR现象，然后传输到光谱仪进行分析。该专利采用多模光纤作为敏感元件，然而多模光纤产生的激励模式较多，导致共振峰展宽，探测精度降低。

发明内容

针对上述专利所提及的传感器存在灵敏度和纤芯利用率低、无法同时实现多参量测量、传感结构和耦合装置复杂等问题，本发明提出了一种多芯少模光纤局域表面等离子体共振传感器，纤芯通过传输高阶模式激发LSPR现象，从而提高了传感器灵敏度；金属纳米粒子可以调节共振波长；由于光纤含有多个感知空气孔，解决了纤芯利用率低的问题，可以同时实现多通道的测量。

本发明提供一种多芯少模光纤局域表面等离子体共振传感器，该传感器结构由光源1、输入光纤2、光纤分束器3、空间相位板4、扇入系统5、多芯少模光纤6、扇出系统7和光谱仪8组成；光源1的输出端连接至输入光纤2的输入端，输入光纤2的输出端连接至光纤分束器3的输入端，光纤分束器3的多个输出端与扇入系统5之间加入空间相位板4，扇入系统5将高阶模式耦合进多芯少模光纤6的每条纤芯，扇出系统7与多芯少模光纤6的另一端相连，传输LSPR传感光谱到光谱仪8；所述多芯少模光纤6包括包层61、纤芯62、纤芯62周围六边形排布的气孔63；其中：

所述光源1为光谱宽度400nm-2000nm的超连续谱光源，用于激发LSPR现象；所述输入光纤2用于传输光源发出的超连续光谱；所述光纤分束器3用于将输入光纤的光分为多束；所述空间相位板4用来调控输入多芯少模光纤的光场模式；所述扇入系统5用于将高阶模式耦合进多芯少模光纤内；所述多芯少模光纤6用于感知待测分析物折射率的变化，激发LSPR现象；所述扇出系统7用于传输LSPR传感光谱；

所述多芯少模光纤6包括包层61、纤芯62、纤芯62周围六边形排布的气孔63。

所述每条纤芯62的凹槽表面和周围的气孔63内壁上沉积nm量级的纳米金属结构64，每条纤芯62上涂覆敏感膜65。

所述纳米金属结构、敏感膜和待测物质组成SPR传感区，敏感膜位于纳米金属结构周围，待测物质直接填充至传感凹槽里。

所述纳米金属结构材料为金、银，粒子尺寸为纳米量级。

所述纳米金属结构材料为可以激发LSPR的任意一种金属，粒子尺寸为纳米量级。

所述敏感膜65根据所述待测分析物的种类而选择地涂覆在不同纤芯，膜厚度为纳米量级。

本发明的一种多芯少膜光纤的制作工艺方法，包括以下流程：

在第一纤芯周围沉积nm量级大小的Ag纳米颗粒，然后在上面沉积GCNT/PMMA纳米复合材料作为CH4探测通道；在第二纤芯周围六边形排布的空气孔内沉积Ag纳米颗粒，接着再镀一层氧化铟锡，最后在上面沉积壳聚糖/吡咯复合水凝胶来探测Pb2+；在第三纤芯周围的气孔和凹槽内沉积金纳米颗粒，然后再镀PVA(聚乙烯醇)薄膜，作为湿度探测通道；在第四纤芯外围先沉积纳米金属颗粒，在其上沉积一层热光高分子材料用于感知温度变化。

与传统基模激发方式相比，本发明结合了多芯少模光纤和LSPR的优点，克服了传统多芯光纤SPR传感器灵敏度较低的缺点，利用高阶模式激发LSPR现象，提升了传感器的灵敏度，且通过一个LSPR传感器可以获得多路独立的传感光谱；

采用多芯少模光纤作为传感器的敏感单元，与传统多芯光纤相比，多芯少模光纤具有少量模式，可以实现模式的灵活调控。使用高阶模式激发LSPR具有更高的灵敏度；

此外，本发明抗电磁干扰能力强，结构紧凑，能够实时反映动态过程还能够长距离传输，可广泛应用于生化检测、制药工程、食品安全等领域。

附图说明

图1为本发明的一种多芯少模光纤局域表面等离子体共振传感器结构示意图；

图2为本发明的一种多芯少模光纤结构的截面示意图；

图3为多芯少模光纤沉积纳米结构和敏感膜后的部分截面图。

附图标记：

1、光源，2、输入光纤，3、光纤分束器，4、空间相位板，5、扇入系统，6、多芯少模光纤，7、扇出系统，8、光谱仪，61、多芯少模光纤包层，62、多芯少模光纤纤芯，63、气孔，64、纳米金属膜，65、敏感膜，66、待测物质。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明技术方案进行详细描述。

如图1所示，本发明的一种多芯少模光纤局域表面等离子体共振传感器由光源1、输入光纤2、光纤分束器3、空间相位板4、扇入系统5、多芯少模光纤6、扇出系统7和光谱仪8组成；其中，光源1的输出端连接至输入光纤2的输入端，输入光纤2的输出端连接至光纤分束器3的输入端，光纤分束器3的多个输出端与扇入系统5之间加入空间相位板4以调控进入多芯少模光纤的光场模式，扇入系统5将高阶模式耦合进多芯少模光纤6的每条纤芯，扇出系统7与多芯少模光纤6的另一端相连，传输LSPR传感光谱到光谱仪7。

所述光源1为光谱宽度400nm-2000nm的超连续谱光源，用于激发LSPR现象；

所述输入光纤2用于传输光源发出的超连续光谱；

所述光纤分束器3用于将输入光纤的光分为多束；

所述空间相位板4用来调控输入多芯少模光纤的光场模式；

所述扇入系统5用于将高阶模式耦合进多芯少模光纤的每条纤芯内；

所述多芯少模光纤6用于感知待测分析物折射率的变化，激发LSPR现象；

所述扇出系统7用于传输LSPR传感光谱；

所述光谱仪8用于接收、显示并记录LSPR的传感光谱。

所述多芯少模光纤(6)至少为双芯光纤、三芯光纤、四芯光纤、七芯光纤、十二芯光纤、十九芯光纤、三十二芯光纤等多芯光纤中的任意一种。

如图2所示，为多芯少模光纤的截面结构示意图；多芯少模光纤6包括包层61、纤芯62、纤芯62周围六边形排布的气孔63。

如图3所示，为沉积纳米结构和敏感膜后的多芯少模光纤截面图。其中，在每条纤芯62的凹槽表面和周围的空气孔内沉积nm量级的纳米金属结构64，然后根据待测分析物的种类在不同纤芯涂覆不同的敏感膜65，每条纤芯周围涂覆相同敏感膜厚度也为nm量级。

以样品的多参量检测为具体实施例，本发明的一种多芯少模光纤LSPR传感器工艺制作及传感过程描述如下：

大量汽车尾气的排放、雾霾的产生使得空气混合物中存在大量重金属离子和各种废气，待测样品即为这样的气体混合物，目标参量为混合物中的气体成分、重金属离子浓度、气体湿度、和气体温度；气体混合物中气体成分主要包括CH₄、H₂S和NH₃，重金属离子包括Mn²⁺和Pb2⁺。每种目标参量分别对应一个纤芯进行检测，在第一纤芯周围沉积nm量级大小的Ag纳米颗粒，然后在上面沉积GCNT/PMMA纳米复合材料作为CH4探测通道；在第二纤芯周围六边形排布的空气孔内沉积Ag纳米颗粒，接着再镀一层氧化铟锡(ITO)，最后在上面沉积壳聚糖/吡咯复合水凝胶来探测Pb2+；在第三纤芯周围的气孔和凹槽内沉积金纳米颗粒，然后再镀PVA(聚乙烯醇)薄膜，作为湿度探测通道；在第四纤芯外围先沉积纳米金属颗粒，在其上沉积一层热光高分子材料用于感知温度变化。

所述多芯少模光纤6不仅限于四芯光纤，所探测参量也不限于上述参量，此外还可以沉积nm量级大小的Cu纳米颗粒，然后在上面沉积ZnO薄膜作为H₂S探测通道；在空气孔内沉积nm大小的Ag纳米颗粒，然后在上面沉积SnO₂薄膜作为NH₃探测通道；在纤芯上和六边形排布的空气孔内沉积nm量级大小的Ag纳米颗粒,然后在上面沉积ZnO_(1-x ^)PPy _x纳米复合材料作为Mn²⁺探测通道。

本发明所涉及的多种探测通道不受限制，任意纤芯都可作为一种物质的探测通道。所涉及的目标参量也不受限制，如与上述参量不同可以改变对应纳米金属结构和敏感膜，即可探测新的参量。

最后应说明的是，但本发明并不局限于上述具体的实施方式，它仅是示意性而不带有限制性。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理念的前提下，做出的相应变形，均属于本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种多芯少模光纤局域表面等离子体共振传感器，其特征在于，该传感器结构由光源、输入光纤、光纤分束器、空间相位板、扇入系统、多芯少模光纤、扇出系统和光谱仪组成；光源的输出端连接至输入光纤的输入端，输入光纤的输出端连接至光纤分束器的输入端，光纤分束器的多个输出端与扇入系统之间加入空间相位板，扇入系统（5）将高阶模式耦合进多芯少模光纤的每条纤芯，扇出系统与多芯少模光纤的另一端相连，传输LSPR传感光谱到光谱仪；所述多芯少模光纤包括包层、纤芯、纤芯周围六边形排布的气孔，所述多芯少模光纤包括包层、纤芯以及纤芯周围六边形排布的气孔；所述每条纤芯的凹槽表面和周围的气孔内壁上沉积nm量级的纳米金属结构，每条纤芯涂覆敏感膜；所述纳米金属结构、敏感膜和待测物质组成SPR传感区，敏感膜位于纳米金属结构周围，待测物质直接填充至传感凹槽里；其中：

所述光源为光谱宽度400nm-2000nm的超连续谱光源，用于激发LSPR现象；所述输入光纤用于传输光源发出的超连续光谱；所述光纤分束器用于将输入光纤的光分为多束；所述空间相位板用来调控输入多芯少模光纤的光场模式；所述扇入系统用于将高阶模式耦合进多芯少模光纤内；所述多芯少模光纤用于感知待测分析物折射率的变化，激发LSPR现象；所述扇出系统用于传输LSPR传感光谱；所述光谱仪用于接收、显示并记录LSPR的传感光谱。

2.如权利要求1 所述的一种多芯少模光纤局域表面等离子体共振传感器，其特征在于，纳米金属结构材料为金、银，粒子尺寸为纳米量级。

3.如权利要求1 所述的一种多芯少模光纤局域表面等离子体共振传感器，其特征在于，纳米金属结构材料为可以激发LSPR的任意一种金属，粒子尺寸为纳米量级。

4.如权利要求1 所述的一种多芯少模光纤局域表面等离子体共振传感器，其特征在于，所述敏感膜根据所述待测分析物的种类而选择地涂覆在不同纤芯，膜厚度为纳米量。

5.如权利要求1至4所述的任一多芯少模光纤局域表面等离子体共振传感器，其特征在于，所述多芯少膜光纤的制作工艺方法包括以下流程：

在第一纤芯周围沉积nm量级大小的Ag纳米颗粒，然后在上面沉积GCNT/PMMA纳米复合材料作为CH4探测通道；在第二纤芯周围六边形排布的空气孔内沉积Ag纳米颗粒，接着再镀一层氧化铟锡，最后在上面沉积壳聚糖/吡咯复合水凝胶来探测Pb²⁺；在第三纤芯周围的气孔和纤芯凹槽内沉积金纳米颗粒，然后再镀PVA薄膜，作为湿度探测通道；在第四纤芯外围先沉积纳米金属颗粒，在其上沉积一层热光高分子材料用于感知温度变化。

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