CN110865052B - 一种全光纤表面等离子体共振传感分析仪 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种全光纤表面等离子体共振传感分析仪。本发明提供的SPR(表面等离子体共振)全光纤传感器基于表面等离子体共振原理，以固定波长激发光作为激励光源，光纤表面发生等离子体共振，产生信号，通过非对称光纤耦合光学结构将光信号收集至灵敏探测器中，经软件处理后可直接读出信号值，本发明的SPR传感器为全光纤传感器，不需要复杂的光学结构和信号处理装置，具有结构简单，灵敏度高的特点。该全光纤表面等离子体共振传感分析仪结构简单、体积小、灵敏度高，可快速、精准检测溶液折射率变化。

Description

一种全光纤表面等离子体共振传感分析仪

技术领域

本发明属于分析仪器领域，涉及一种全光纤表面等离子体共振传感分析仪。

背景技术

SPR(表面等离子体共振)传感器由于其免标记、高灵敏度等特点，在食品、环境、生物医药等领域具有广泛的应用前景。SPR检测技术可通过对表面折射率的变化而产生相应的角度、波长或者强度的变化，来实现不同分子的定性、定量以及分子间相互作用等情况的分析。与其他检测技术相比，具有灵敏度高、无需标记、可实时检测等特点。

目前，商业化SPR仪器主要采用棱镜型激发结构和角度型调制方式，仪器体积较大，价格昂贵，且机械结构不具灵活性，无法实现遥测。与传统的SPR传感器不同，光纤SPR传感器具有体积小、价格低、灵敏度高、抗干扰性能好、能够进行远程实时检测等优点。

然而，已报道的光纤SPR传感器需要通过光谱仪实现波长型调制，实时监测上依赖于复杂的数据处理，同时其发展也受到结构复杂和难以小型化的限制。基于光纤SPR传感器的显著优越性，其在医疗诊断、食品检测、环境监测领域有着广泛的应用前景和市场，波长型和角度型SPR传感器由于其光路系统复杂以及数据处理较为繁琐等问题，强度型SPR传感器逐步走向人们的视野。但是现有的强度型SPR传感器光学系统复杂，灵敏度低、稳定性差，且需要复杂的调试和专业人员操作，这直接限制了强度型SPR传感器的应用。

发明内容

本发明的目的是提供一种全光纤表面等离子体共振传感分析仪。

本发明提供的全光纤表面等离子体共振传感分析仪，其包括激励光源、非对称光纤耦合光学结构、光电探测器、光纤探头和信号处理装置；

所述光纤探头尾端封闭，依次由渐变段和细段组成；

所述细段的表面覆盖衬底层和金属膜层；

所述非对称光纤耦合光学结构包括非对称光纤耦合器、一根单模光纤和两根多模光纤；所述非对称光纤耦合器的一端并联连接单模光纤和第一多模光纤的一端；所述非对称光纤耦合器的另一端连接第二多模光纤的一端，其中，单模光纤的另一端连接激励光源，第一多模光纤的另一端通过光电探测器连接所述信号处理装置，第二多模光纤的另一端耦合所述光纤探头；所述非对称光纤耦合光学结构用于激发光源的输入和光信号的收集；

所述光纤探头尾端设置在样品池中；

所述信号处理装置，用于通过检测光纤探头反射光的光强变化完成所述样品池内介质折射率的测量。上述全光纤表面等离子体共振传感分析仪中，所述激励光源发出的激光的波长为635nm。

所述光纤探头尾端的总长度为1-3cm；

所述细段的芯径为300-500微米；

构成所述衬底层的材料为铬；

所述衬底层的厚度为2-10nm；

所述金属膜层的厚度为30-100nm；

所述金属膜层为金膜层；

所述渐变段的锥角为30度±5度；

所述渐变段的长度为0.5cm。

所述光纤为石英光纤；具体的，所述多模石英光纤的长度为5.5cm；所述单模光纤的芯径为4微米；所述多模光纤的芯径为600微米；

所述光纤的纤芯直径为575-600微米；

所述光纤的数值孔径为0.22。

所述光电探测器为半导体硅基探测器；所述光电探测器用于将光信号转换为电信号；

构成所述样品池的材质为黑色聚四氟乙烯；所述样品池的管内直径为1毫米。

另外，上述本发明提供的全光纤表面等离子体共振传感分析仪在检测折射率中的应用及在检测盐溶液的折射率中的应用，也属于本发明的保护范围。

本发明具有以下优点：

1、本发明的SPR(表面等离子体共振)全光纤传感器基于表面等离子体共振原理，以固定波长激发光作为激励光源，光纤表面发生等离子体共振，产生信号，通过非对称光纤耦合光学结构将光信号收集至灵敏探测器中，经软件处理后可直接读出信号值，本发明的SPR传感器为全光纤传感器，不需要复杂的光学结构和信号处理装置，具有结构简单，灵敏度高的特点。

2、本发明的全光纤表面等离子体共振传感分析仪结构简单、体积小、灵敏度高，可快速、精准检测溶液折射率变化。

附图说明

图1为本发明的整体结构示意图；

图2为本发明中光纤探头示意图；

图3为本发明中光纤芯径为300微米时检测溶液折射率结果图。

图4为非对称光纤耦合光学结构示意图。

图5为氯化钠浓度与折射率关系图。

图6为折射率溶液检测过程示意图。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明作进一步阐述，但本发明并不限于以下实施例。所述方法如无特别说明均为常规方法。所述原材料如无特别说明均能从公开商业途径获得。

实施例1、

以下结合附图来对本发明进行详细的描绘。然而应当理解，附图的提供仅为了更好地理解本发明，它们不应该理解成对本发明的限制。在本发明的描述中，需要理解的是，术语“第一”、“第二”等仅仅是用于描述的目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

如图1所示，本发明提供的全光纤表面等离子体共振传感分析仪包括激励光源、非对称光纤耦合光学结构、光电探测器、光纤探头和信号处理装置；

如图2所示，所述光纤探头尾端封闭，依次由渐变段和细段组成；

所述细段的表面由下至上依次覆盖衬底层和金属膜层；

如图4所示，所述非对称光纤耦合光学结构包括非对称光纤耦合器、一根单模光纤和两根多模光纤；所述非对称光纤耦合器的一端并联连接单模光纤和第一多模光纤的一端；所述非对称光纤耦合器的另一端连接第二多模光纤的一端，其中，单模光纤的另一端连接激励光源，第一多模光纤的另一端通过光电探测器连接所述信号处理装置，第二多模光纤的另一端耦合所述光纤探头；所述非对称光纤耦合光学结构用于激发光源的输入和光信号的收集；

所述光纤探头尾端设置在样品池中；

所述信号处理装置，用于通过检测光纤探头反射光的光强变化完成所述样品池内介质折射率的测量。上述全光纤表面等离子体共振传感分析仪中，所述激励光源发出的激光的波长为635nm。

所述光纤探头尾端的总长度为1-3cm；

所述细段的芯径为300-500微米；

构成所述衬底层的材料为铬；

所述衬底层的厚度为2-10nm；

所述金属膜层的厚度为30-100nm；

所述金属膜层为金膜层；

所述渐变段的锥角为30度±5度；

所述渐变段的长度为0.5cm。

上述光纤探头的尾端可按照各种常规方法制备衬底层和金属膜层。

所述多模石英光纤的长度为5.5cm；所述单模光纤的芯径为4微米；所述多模光纤的芯径为600微米。

所述光纤的纤芯直径为575-600微米；

所述光纤的数值孔径为0.22；

所述光纤较宽端面(也即纤芯直径为575-600微米的端面)通过光纤匹配膏与非对称光纤耦合光学结构耦合，使收集回光纤的光耦合入非对称光纤耦合光学结构中，被光电探测器探测，经软件处理后达到检测和读数的目的。

所述光电探测器为半导体硅基探测器；所述光电探测器用于将光信号转换为电信号；

构成所述样品池的材质为黑色聚四氟乙烯；所述样品池的管内直径为1毫米。样品池具有进样口和出样口。

将所述光纤探头未腐蚀一端置于金属连接头中，金属连接头一端与样品池相接，另一端与非对称光纤耦合光学结构相接。

本发明的原理如下：

本发明基于光在光纤内部发生全内反射，形成的倏逝波与光纤表面金属层的等离子波发生共振，入射光能量耦合至表面等离子体波中，反射回光纤中的能量减弱，即在光纤中传播的光能量减弱，光强降低，通过实时检测光纤内传播的光强，可达到高灵敏检测的目的。表面等离子体共振强度与金属薄膜表面介质有关，以检测不同折射率溶液为例，倏逝波与表面等离子体波发生共振，当介质折射率发生变化时，耦合入光纤表面金属膜的能量发生变化，即表面等离子共振强度发生变化，从而反射光强发生变化而使得检测信号发生变化，检测信号强弱与溶液折射率成比例，因此可实现溶液折射率的定量检测。

上述高灵敏度光纤SPR传感器的制备方法，步骤如下：

1)制备光纤探头

将长度为5.5厘米，芯径为600微米的多模石英光纤，去除光纤下部3cm涂覆层，将光纤下部插入浓度为40％的氢氟酸溶液中，腐蚀光纤，每隔一段时间在显微镜下观察光纤形态，直至光纤芯径变为300-500微米。

最终得到具有锥角的组合光纤探头，其中光纤锥角约为0.3.锥形部分长度约为0.5毫米，纤芯为300-500微米。腐蚀好的光纤用超纯水清洗三次，用硫酸浸泡腐蚀好的光纤，待半个小时至一个小时后，硫酸将剩余涂覆层去除并清洁光纤后，取出光纤，超纯水洗至中性，放入烘箱烘干。

2)镀金膜

本发明采用镀金膜方法为蒸发镀膜法，将制备好的光纤探头固定于硅片上，倒置于真空蒸发镀膜仪中，镀30-100nm Au金膜，待一次镀膜结束后，将固定光纤探头的硅片取下，将固定好的光纤进行翻面，露出未镀膜的一面，以同样方式镀好另一面的金膜。

利用上述本发明提供的全光纤表面等离子体共振传感分析仪检测折射率溶液：

检测原理：将制备好的SPR光纤放入样品池中，采用激发波长为635nm的激发光作为激励光源进行检测，根据不同浓度盐溶液折射率变化导致共振强度发生变化，从而耦合入非对称光纤耦合光学结构的光强发生变化的原理，达到检测目的。

具体而言，光纤中的传输光耦合至光纤表面金膜中，产生表面等离子体共振，在光纤中传输的光强发生变化，经端面反射至多模光纤中的光强也随之发生变化，当光纤表面折射率增大时，耦合至光纤表面金膜的光增多，在光纤中传输的光强减弱，经端面反射回多模光纤中被探测器探测的光强也随之减弱，因而可通过探测光强变化达到检测的目的。

检测步骤：

1.配制质量百分比为0％、1％、5％、10％、15％、20％、25％的氯化钠溶液作为待测折射率溶液，分别使用阿贝折射仪测定其折射率(RIU)，结果如表1所示:

表1、不同浓度待测折射率溶液的折射率

NaCl％	0	1	5	10	15	20	25
								RIU	1.3328	1.3347	1.3417	1.3502	1.3600	1.3690	1.3781

对检测结果进行线性拟合，所得结果如图5所示：

2.制作使用细段芯径为300微米，表面镀50nm金膜的光纤探头作为测试光纤。

3.分别向样品池通入质量百分比为0％、1％、5％、10％、15％、20％、25％的氯化钠溶液得到不同折射率溶液检测信号值。

样品检测过程分为3步：

步骤一：通入超纯水35秒，使样品池中充满超纯水，读取35秒处信号值为信号值1。

步骤二：通入待测溶液20秒，使样品池中充满待测液体，并在样品池内与光纤探头反应50秒,即在样品池中停留50秒，读取105秒处信号值为信号值2。

步骤三：通入超纯水65秒，洗去样品池内残余待测液体，使样品池中充满超纯水。

实时检测过程如图6所示。

检测SPR信号值＝信号值1-信号值2

通过以上步骤，获得通入质量百分比为0％、1％、5％、10％、15％、20％、25％的氯化钠溶液时的七个检测信号值。

4.检测结果如图3所示，以折射率溶液的折射率为横坐标，检测信号值为纵坐标，将检测结果进行线性拟合，拟合结果为y＝-10321.78+7764.30x,线性相关性为0.9946，检测灵敏度为1.29*10^-7a.u/RIU。

5.检测溶液折射率：假设通入一样品，得到检测结果为235.623，代入y＝-10321.78+7764.30x，得到溶液折射率为1.3597，若待测溶液为氯化钠溶液还可得到待测溶液浓度为14.95％。

上述各实施例仅用于说明本发明，其中各部件的结构、连接方式和制作工艺等都是可以有所变化的，凡是在本发明技术方案的基础上进行的等同变换和改进，均不应排除在本发明的保护范围之外。

Claims (4)

1.一种全光纤表面等离子体共振传感分析仪，其特征在于：包括激励光源、非对称光纤耦合光学结构、光电探测器、光纤探头和信号处理装置；

所述光纤探头尾端封闭，依次由渐变段和细段组成；

所述细段的表面覆盖衬底层和金属膜层；

所述非对称光纤耦合光学结构包括非对称光纤耦合器、一根单模光纤和两根多模光纤；所述非对称光纤耦合器的一端并联连接单模光纤和第一多模光纤的一端；所述非对称光纤耦合器的另一端连接第二多模光纤的一端，其中，单模光纤的另一端连接激励光源，第一多模光纤的另一端通过光电探测器连接所述信号处理装置，第二多模光纤的另一端耦合所述光纤探头；

所述光纤探头尾端的总长度为1-3cm；

所述细段的芯径为300-500微米；

构成所述衬底层的材料为铬；

所述衬底层的厚度为2-10nm；

所述金属膜层的厚度为30-100nm；

所述金属膜层为金膜层；

所述渐变段的锥角为30度±5度；

所述渐变段的长度为0.5cm；

所述光纤为石英光纤；

所述光纤探头尾端设置在样品池中；

所述信号处理装置，用于通过检测光纤探头反射光的光强变化完成所述样品池内介质折射率的测量；

所述激励光源发出的激光的波长为635nm。

2.根据权利要求1所述的全光纤表面等离子体共振传感分析仪，其特征在于：所述多模光纤的纤芯直径为575-600微米；

所述光纤的数值孔径为0.22。

3.根据权利要求1或2所述的全光纤表面等离子体共振传感分析仪，其特征在于：所述光电探测器为半导体硅基探测器；

构成所述样品池的材质为黑色聚四氟乙烯；所述样品池的管内直径为1毫米。

4.权利要求1-3任一所述全光纤表面等离子体共振传感分析仪在检测盐溶液的折射率中的应用。