CN110987832A - 宏弯曲侧抛塑料光纤表面等离子体共振传感器及制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种宏弯曲侧抛塑料光纤表面等离子体共振传感器，并首次提出了一种宏弯曲侧抛结构光纤探头的制备方法，属于光纤传感技术领域。本发明的传感器由光源、宏弯曲侧抛结构塑料光纤表面等离子体共振传感探头以及光谱仪组成。所述的光纤传感探头的制备包括热定型、抛磨、抛光和镀膜等四个步骤。本发明所提出的光纤抛磨方法操作灵活、工艺简单，所制备的传感器具有成本低廉、结构紧凑等特点。
Description
技术领域
本发明属于光纤传感技术领域，具体涉及一种宏弯曲侧抛塑料光纤表面等离子体共振传感器及其制备方法。
背景技术
表面等离子体共振(SPR)技术是一种利用金属表面等离子体与光子相互耦合所激发出的表面等离子体波而进行传感的技术。对金属表面被测物折射率变化的高度敏感，就是SPR生化传感的物理基础。通过测量SPR光学信号的变化，可以推测出金属薄膜表面附着的被测物质(如溶液、生物分子等)折射率和浓度等信息。目前，该技术已被广泛应用于生物化学、医学诊断、环境监测、食品安全、毒品检测等多个领域当中，且具有高灵敏度、无需标记和实时检测等优势。
传统的SPR传感技术多采用棱镜耦合的方式来激发表面等离子体波，但此种设备体积较大，系统结构复杂，不适合进行远程和临场检测。近年来，研究人员相继设计出了基于光纤的SPR传感器，如：专利授权公告号CN105911025B的中国发明专利“一种分布式螺旋芯光纤表面等离子体共振传感器及其测量方法”提供了一种由螺旋芯光纤和无芯光纤所构成的光纤SPR传感器；专利授权公告号CN103335985B的中国发明专利“准分布式光纤光栅表面等离子体共振传感器及制备方法”提出了一种利用多个光纤光栅级联的准分布式SPR传感器。相比于棱镜型SPR传感器，光纤型SPR传感器具有体积小、重量轻、结构简单，以及可进行远程操作等优势。但目前所报道的光纤基SPR传感器大多数都基于石英光纤，而石英光纤的加工工艺复杂，其经过加工后变得非常脆弱，在一定程度上会影响传感器的稳定性，不利于传感器的实际应用，成本也较高。
相比于石英光纤，塑料光纤是一类由聚合物所构成的光纤，其芯径较大、质地柔软，柔韧性好，易于进行结构修饰和改造，在可见光波段(常用SPR操作波段)有低损耗窗口，并且其具有较好的生物兼容性，是实现低成本、结构简单SPR生化传感的理想光纤。
发明内容
本发明的目的就是提供一种结构简单、制备工艺简单、成本低廉的宏弯曲侧抛塑料光纤SPR传感器及其制备方法。为解决上述问题，作为本发明的第一方面，提供了一种宏弯曲侧抛塑料光纤SPR传感探头的制备方法，包括：
S1：首先，将塑料光纤放置并固定于一个带有凹槽结构，一端为半圆形的金属长方体的模具中，然后使用热吹风机对塑料光纤进行加热，从而可以获得一个具有宏弯曲结构的塑料光纤，其弯曲半径的大小可以通过使用不同尺寸的模具来改变；
S2：其次，利用夹具将固定塑料光纤的模具连同塑料光纤一起固定在一个转动装置上，该转动装置连接在一个可上下移动的微位移台上，并使塑料光纤弯曲部分置于一个光纤研磨盘上。光纤研磨盘接有直流电机，可以驱动其绕中轴自转，其上放有抛磨砂纸，从而可以对光纤进行抛磨。该装置可以通过调节转台的角度，控制光纤抛磨平面与研磨盘的相对角度，并且可以通过移动微位移台来改变抛磨的深度；
S3：再次，由于光纤在抛磨过程中很容易产生划痕和缺陷，这不仅会降低金属膜在光纤上的附着性，还会引入过多的传输损耗，直接影响传感器件性能。因此，在抛磨后还需要对光纤进行抛光处理，该过程需要利用抛光机，通光使用碳化硅的抛光粉对塑料光纤的抛磨面进行抛光；
S4：最后，采用离子溅射的方法将金、银纳米颗粒镀在宏弯曲塑料光纤的侧抛结构区域上。通过调整离子溅射仪的真空度、电流以及时间等参数，可以改变所镀金属膜的厚度。
作为本发明的第二方面，提供了一种宏弯曲侧抛塑料光纤SPR传感器，它由白光光源、宏弯曲侧抛结构塑料光纤SPR传感探头以及可见光光谱仪等装置组成。
本发明还可以包括：
1、所述的塑料光纤为多模塑料光纤，光纤的直径为250～1000μm，光纤纤芯折射率为1.49，包层折射率为1.41；
2、所述的宏弯曲侧抛结构塑料光纤SPR传感探头的弯曲半径为3～15mm。
3、所述的宏弯曲侧抛结构塑料光纤SPR传感探头，其侧抛结构的抛磨深度为100～500μm，抛磨角度为0～20°，其表面所镀制的金属膜材料为金或者银，金属膜的厚度为30～60nm。
本发明所提出的光纤传感器是基于表面等离子体共振效应进行工作的，所述的宏弯曲侧抛结构塑料光纤会增强其中传输光的倏逝波，进而在其表面金属膜上激发表面等离子体共振效应，此时，金属的表面等离子波会吸收光子部分能量，从而使输出端检测到的透射光强减弱，并可以在透射光谱的固定波长处观察到共振吸收峰。该过程可以表示为倏逝波与表面等离子体波的耦合过程，即满足波矢匹配条件kx＝ksp，式中kx为倏逝波的波矢，ksp为金属表面等离子体波的波矢。当金属表面的环境折射率发生改变时，会使上述匹配条件发生变化，从而导致透射光谱中共振峰位置的偏移。因此，通过监测共振峰位置的变化就可以检测出被测溶液折射率的变化。
与现有技术相比，本发明具有如下优点：
1)本发明的宏弯曲侧抛塑料光纤SPR传感器的制备工艺简单、易于控制和进行批量化生产。
2)本发明的塑料光纤SPR传感器具有结构紧凑、成本低廉等优点。
3)本发明的SPR传感器采用的是多模塑料光纤，其芯径较大，柔韧性好，操作起来十分简单，并且该传感器工作在可见光波段，安装与调试都十分的方便。
附图说明
图1是本发明的宏弯曲侧抛塑料光纤SPR传感器的结构示意图；
图2是本发明的宏弯曲侧抛结构塑料光纤的制作过程示意图；
图3是本发明的宏弯曲侧抛结构塑料光纤SPR传感探头的结构示意图；
图4是本发明的宏弯曲侧抛塑料光纤SPR传感器在不同折射率溶液中的归一化光谱图；
图5是本发明的宏弯曲侧抛塑料光纤SPR传感器的共振波长与溶液折射率的关系曲线图。
具体实施方式
为了使本发明的目的及优点更加清楚明白，下面结合附图对本发明的具体实施作进一步详细的说明，但本发明的实施和保护范围不限于此，对本发明作实质相同的等同替换均属于本发明的保护范围。
参见图1，为本发明的宏弯曲侧抛塑料光纤SPR传感器的结构示意图，其由光源1、宏弯曲侧抛结构塑料光纤SPR传感探头2和可见光光谱仪3组成。工作时，由光源1发出的光经过光纤到达了具有侧抛结构的塑料光纤SPR传感区域，当该传感探头插入到被测溶液中时，由于金膜表面的折射率发生了改变，会引起SPR共振条件发生改变，该过程可以体现为透射光谱中SPR共振峰位置的偏移，而该偏移可以通过光谱分析仪3测量得到。因此，通过测量得到SPR共振峰的位置，进而拟合出共振峰位置与被测溶液折射率间的响应曲线，再利用这个响应曲线，通过测量得到的SPR共振峰位置就可以计算出被测溶液的折射率值。
参见图2，为本实施例所设计的宏弯曲侧抛结构塑料光纤的制备方法。其主要包括热定型和抛磨两个过程。热定型的过程需要将塑料光纤放置并固定于一个带有凹槽结构，一端为半圆形的金属长方体的模具中，然后使用热吹风机对塑料光纤进行加热，从而可以获得一个具有宏弯曲结构的塑料光纤，其弯曲半径的大小可以通过使用不同尺寸的模具来改变；抛磨的过程需要将固定塑料光纤的模具连同塑料光纤一起固定在一个转动装置上，该转动装置连接在一个可上下移动的微位移台上，并使塑料光纤弯曲部分置于一个光纤研磨盘上。光纤研磨盘接有直流电机，可以驱动其绕中轴自转，其上放有抛磨砂纸，从而可以对光纤进行抛磨。该装置可以通过调节转台的角度，控制光纤抛磨平面与研磨盘的相对角度，并且可以通过移动微位移台来改变抛磨的深度。
为制备出光纤SPR传感探头，在经过上述两个步骤后还需对光纤的抛磨部分进行抛光和镀膜处理。抛光过程需要利用抛光机，通光使用碳化硅的抛光粉对塑料光纤的抛磨面进行抛光。这个过程可以减少光纤在抛磨过程中所产生划痕和缺陷，以增加金属膜在光纤上的附着性，并减少过多的传输损耗。最后，还需在抛磨面镀制金膜，该过程可以通过采用离子溅射的方法将金纳米颗粒镀在宏弯曲塑料光纤的侧抛结构区域上，通过调整离子溅射仪的真空度、电流以及时间等参数，可以改变所镀金属膜的厚度。
参见图3，为本实施例所设计的宏弯曲侧抛塑料光纤SPR传感探头的结构示意图。该探头的结构参数主要有光纤直径D，光纤探头宏弯曲半径R，光纤抛磨平面角度θ，光纤抛磨深度d，以及所镀金属膜的种类和厚度d等。优选地，塑料光纤直径为500μm，光纤探头宏弯曲半径为4mm，光纤抛磨平面角度为0°，光纤抛磨深度为200μm，所镀金属膜材料为金，其厚度为40nm。
参见图4，为本实施例的宏弯曲侧抛塑料光纤SPR传感探头在不同折射率(1.335-1.41)溶液中的归一化透射功率曲线。该曲线为不同溶液折射率条件下得到的透射功率与空气中传感探头的透射功率之比。测试时需要将宏弯曲侧抛塑料光纤SPR传感探头浸入到被测溶液当中，然后记录输出光谱数据。在每一次测量之后，需要使用酒精和去离子水将探头洗净，然后吹干再进行下一次的测量。从结果中可以看出，随着被测溶液折射率的增加，SPR共振峰将向长波方向移动，并且其半高全宽会逐渐增大，共振峰的深度也会相应的减小。
图5为本实施例的宏弯曲侧抛塑料光纤SPR传感器所测得的不同溶液折射率值与共振波长位置的关系曲线。可以看出，共振峰波长的位置与被测甘油溶液折射率变化呈非线性的关系。并且随着折射率的增大，其共振峰位置移动得越明显。该传感器灵敏度S的表达式可以定义为，
其中λ和n分别是共振峰位置和折射率，由于共振波长位置和折射率呈非线性的关系，因此在不同折射率值的条件下，该传感器的灵敏度并不相同。由拟合曲线可以得到，当被测溶液折射率为1.41时，其灵敏度可达4793.1nm/RIU。
Claims (3)
1.一种宏弯曲侧抛塑料光纤表面等离子体共振传感器，其特征在于：由白光光源、宏弯曲侧抛结构塑料光纤表面等离子体共振传感探头以及可见光光谱仪组成，宏弯曲侧抛结构塑料光纤表面等离子体共振传感探头的一端与光源相连，另一端则与光谱仪相连。
2.如权利要求1所述的一种宏弯曲侧抛结构塑料光纤表面等离子体共振传感探头，其制备方法包括：
S1：首先，将塑料光纤放置并固定于一个带有凹槽结构，一端为半圆形的金属长方体的模具中，然后使用热吹风机对塑料光纤进行加热，从而可以获得一个具有宏弯曲结构的塑料光纤，其弯曲半径的大小可以通过使用不同尺寸的模具来改变；
S2：其次，利用夹具将固定塑料光纤的模具连同塑料光纤一起固定在一个转动装置上，该转动装置连接在一个可上下移动的微位移台上，并使塑料光纤弯曲部分置于一个光纤研磨盘上。光纤研磨盘接有直流电机，可以驱动其绕中轴自转，其上放有抛磨砂纸，从而可以对光纤进行抛磨。该装置可以通过调节转台的角度，控制光纤抛磨平面与研磨盘的相对角度，并且可以通过移动微位移台来改变抛磨的深度；
S3：再次，由于光纤在抛磨过程中很容易产生划痕和缺陷，在抛磨后还需要对光纤进行抛光处理，该过程需要利用抛光机，通光使用碳化硅的抛光粉对塑料光纤的抛磨面进行抛光；
S4：最后，采用离子溅射的方法将金、银纳米颗粒镀在宏弯曲塑料光纤的侧抛结构区域上。通过调整离子溅射仪的真空度、电流以及时间等参数，可以改变所镀金属膜的厚度。
3.如权利要求1所述的一种宏弯曲侧抛结构塑料光纤表面等离子体共振传感探头，其特征在于传感探头的结构参数主要有光纤直径，光纤探头宏弯曲半径，光纤抛磨平面角度，光纤抛磨深度，以及所镀金属膜的种类和厚度等。所述的塑料光纤直径为500μm，光纤探头宏弯曲半径为4mm，光纤抛磨平面角度为0°，光纤抛磨深度为200μm，所镀金属膜材料为金，其厚度为40nm。
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