CN110220870A - 一种基于钛酸钡的薄膜光纤spr传感器 - Google Patents

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牛立业
宋行
王雪州
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Abstract

本发明公开了一种基于钛酸钡的薄膜光纤SPR传感器，具体结构包括：去包层的单模光纤，所述单模光纤的两端固定连接有多模光纤，所述单模光纤的表面镀有金膜，所述金膜的表面镀有钛酸钡薄膜。由于钛酸钡具有高介电常数和低介电损耗，使得金膜和钛酸钡之间存在较强的电荷转移，两者之间的电荷转移增强了传感器传感区域的电场强度，从而提高了传感器的灵敏度，因此本发明解决了现有技术中的传感器灵敏度低、精确度低的问题，非常适于在传感等领域广泛推广。

Description

一种基于钛酸钡的薄膜光纤SPR传感器
技术领域
本发明传感器技术领域，尤其涉及一种基于钛酸钡的薄膜光纤SPR传感器。
背景技术
近几十年来，基于SPR效应而发展起来的表面增强技术得到了蓬勃发展和广泛关注，并出现了许多研究方向，如SPR生物传感技术、表面增强拉曼散射光谱、金属增强荧光等。光谱学、非线性光学信号放大、纳米激光、SPR生化分析技术等。随着科学技术的不断发展，对各种检测技术的检测灵敏度要求也越来越高。光纤SPR传感器与棱镜SPR传感器相比，在生物传感领域具有许多优点，可以实现在线检测，具有无标签、小型化、低成本、设计灵活等优点，具有广阔的应用前景。在此背景下，随着材料合成技术的快速发展，SPR的相关研究已不再局限于单一贵金属材料的简单结构，各种复合贵金属纳米结构和各种高介电损耗化合物也在不断的被设计、开发、研究。贵金属纳米结构包括:金纳米球和银纳米球、金纳米棒和银纳米棒、金纳米和银纳米板、金五角星和银五角星以及金纳米核壳结构。贵金属纳米结构与各种材料之间的作用机理也逐渐被发现。与单一的贵金属薄膜结构相比，纳米粒子与材料的相互作用使这些复合结构具有更加丰富多彩的光学特性。应用前景也更加广阔。光纤SPR传感器采用新材料，提高了传感器的灵敏度。目前，SPR传感器的检测性能主要通过贵金属纳米结构和新型功能材料来提高。贵金属纳米粒子由于具有表面等离子体共振(SPR)效应和显著增强的近表面局部电场，可用于增强附近分子的光谱强度，因此得到了广泛的研究。在此基础上，基于SPR效应的敏感检测使得许多低层检测问题得到了有效的解决。大量的理论和实验结果证实，利用贵金属复合纳米结构可以进一步提高局部电场增强效果，在敏感检测领域具有很大的潜力。一些新型材料功能材料因其高介电常数在光纤传感中得到了广泛的应用，其功能材料包括:二硫化钼、二氧化锡和二氧化钛。因此，利用SPR效应和贵金属与功能材料之间的相互作用机理，开展灵敏检测和应用研究具有重要的应用价值和现实意义。
发明内容
根据现有技术存在的问题，本发明公开了一种基于钛酸钡的薄膜光纤SPR传感器，具体结构包括：去包层的单模光纤，所述单模光纤的两端固定连接有多模光纤，所述单模光纤的表面镀有金膜，所述金膜的表面镀有钛酸钡薄膜。
所述单模光纤的长度为5mm—20mm。
所述金膜的厚度为10nm—150nm。
所述钛酸钡薄膜的厚度为5nm—20nm。
由于采用了上述技术方案，本发明提供的一种基于钛酸钡的薄膜光纤SPR传感器，由于钛酸钡具有高介电常数和低介电损耗，使得金膜和钛酸钡之间存在较强的电荷转移，两者之间的电荷转移增强了传感器传感区域的电场强度，从而提高了传感器的灵敏度，因此本发明解决了现有技术中的传感器灵敏度低、精确度低的问题，非常适于在传感等领域广泛推广。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明基于钛酸钡的薄膜光纤SPR传感器结构示意图；
图2是本发明实施例1中的单模光纤/金膜SPR传感器在不同折射率溶液中的敏感光谱图；
图3是本发明实施例1中的单模光纤/金膜/钛酸钡SPR传感器在不同折射率溶液中的敏感光谱图；
图1中：1、多模光纤，2、单模光纤，3、金膜，4、钛酸钡薄膜。
具体实施方式
为使本发明的技术方案和优点更加清楚，下面结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚完整的描述：
如图1所示的一种基于钛酸钡的薄膜光纤SPR传感器除去包层的单模光纤2，所述单模光纤2作为传感区，所述单模光纤2的两端固定连接有多模光纤1，所述多模光纤1的作用是传输光信号，所述单模光纤2的表面镀有金膜3，所述金膜3的表面镀有钛酸钡薄膜4。
进一步的，所述单模光纤2的长度为5mm—20mm。
进一步的，所述金膜3的厚度为10nm—150nm。
进一步的，所述钛酸钡薄膜4的厚度为5nm—20nm。
实施例：
本实施例中，制备一种用于检测溶液折射率的钛酸钡的薄膜光纤SPR传感器。
1、传感器制作，使用光纤熔接机将两级多模光纤(MMF，直径62.5/125μm、)与长度为10mm的单模光纤(SMF，直径8.2/125μm)熔接成一段。然后，使用真空离子束溅射在SMF的表面上溅射厚度为约50nm的薄金膜。
在单模光纤表面溅射金膜之后，将厚度为10nm的BaTiO 3薄膜固定在金膜的表面上。为了固定BaTiO3薄膜，需要将纳米钛酸钡粉末加入到用乙醇稀释的钛酸丁酯溶液中。以钛酸丁酯为中间体对BaTiO3纳米粒子进行改性，将对氨基苯基苯硫酚试剂加入到BaTiO3纳米粒子的分散液中。搅拌5小时后，通过氢键或其他可能的力将对氨基苯酚在BaTiO 3表面上改性。将镀Au的传感器浸入上述溶液中12小时，并通过化学键Au-S将对氨基苯基苯硫酚中的硫醇基与Au膜连接。取下传感器并用去离子水冲洗。在室温下自然干燥。完成上述步骤，传感器生产完成。
2、折射率实验：传感器制作完成后，下面开始折射率传感实验。在实验之前，首先，制备具有不同折射率的葡萄糖溶液，并且使用去离子水和固体葡萄糖通过阿贝折射计测量折射率。葡萄糖溶液的折射率范围是1.3332-1.4140。使用波长范围为215nm至1100nm的卤钨灯和海洋光谱仪检测共振光谱。在实验中，传感器通过跳线连接到光源和光谱仪，然后将传感器放在V形玻璃槽中，光纤由支架固定，然后光源和相应的打开频谱分析软件以存储参考值。对于暗电流的操作，首先用滴管向V形玻璃罐中加入蒸馏水，记录此时的共振光谱，然后依次加入不同浓度的葡萄糖溶液，观察并记录共振的变化频谱位置。每次测量不同的折射率葡萄糖溶液时，必须用蒸馏水洗涤液体罐以除去最后剩余的葡萄糖液体，并且整个测量过程在室温下进行。在完成折射率实感测试实验后，处理数据以计算传感器的折射率灵敏度。
3、传感器折射率：折射率测试探索了光纤/金膜SPR传感器和光纤/金膜/钛酸钡(BaTiO3)SPR传感器的传感特性。光纤/金膜SPR传感器的折射率实验共振光谱和灵敏度拟合曲线如图2(a)和(b)所示。首先，在低折射率范围内测试传感器的传感特性。实验中使用的葡萄糖溶液的折射率范围是1.3332-1.3710。光纤/金膜SPR传感器的灵敏度为2048.71nm/RIU，线性度为99.00％。光纤/金膜/BaTiO3SPR传感器的折射率实验共振光谱和灵敏度拟合曲线如图3(a)和(b)所示。该光纤/金膜/BaTiO3SPR传感器，BaTiO3膜厚度为10nm，灵敏度为2543.33nm/RIU，线性度为99.44％。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种基于钛酸钡的薄膜光纤SPR传感器，其特征在于包括：除去包层的单模光纤(2)，所述单模光纤(2)的两端固定连接有多模光纤(1)，所述单模光纤(2)的表面镀有金膜(3)，所述金膜(3)的表面镀有钛酸钡薄膜(4)。
2.根据权利要求1所述的一种基于钛酸钡的薄膜光纤SPR传感器，其特征还在于：所述单模光纤(2)的长度为5mm—20mm。
3.根据权利要求1所述的一种基于钛酸钡的薄膜光纤SPR传感器，其特征还在于：所述金膜(3)的厚度为10nm—150nm。
4.根据权利要求1所述的一种基于钛酸钡的薄膜光纤SPR传感器，其特征还在于：所述钛酸钡薄膜(4)的厚度为5nm—20nm。
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