CN111077111A - 一种基于低折射率的探针型近红外石墨烯pcf传感器 - Google Patents

一种基于低折射率的探针型近红外石墨烯pcf传感器 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种基于低折射率的探针型近红外石墨烯PCF传感器，所述的近红外低折射率光子晶体光纤表面等离子体共振(PCF‑SPR)传感器由D型PCF、金纳米线和二维材料石墨烯组成。本发明利用D型PCF上的金纳米线产生的SPR对待测介质折射率变化十分敏感的特性，来实现传感。当待测介质折射率的发生变化时，其损耗峰会发生偏移，通过测量损耗峰值的偏移量来实现近红外低折射率高灵敏度的PCF‑SPR传感器的传感测量。本发明的优点是：D型结构石墨烯PCF传感器的设计增强SPR效应，石墨烯包覆金纳米线的设计能够显著提高传感器的灵敏度，可实现在近红外波段对低折射率范围介质的测量。该传感器结构和工艺简单，体积小，灵敏度高，在低折射率范围内具有良好传感特性。

Description

一种基于低折射率的探针型近红外石墨烯PCF传感器
(一)技术领域
本发明涉及一种基于低折射率的探针型近红外光子晶体光纤(pohotoniccrystal fiber,PCF)传感器，属于光子晶体光纤、光纤传感领域。
(二)背景技术
表面等离子体共振(surface plasmon resonance,SPR)是一种物理光学现象，由入射 光波和金属导体表面的自由电子相互作用而产生。其具有两个突出的优点，一个是金属表 面的物质特别敏感，微量的分子吸附就可以导致表面等离子体共振频率的改变。另一个在 金属表面产生显著地局域场增强。本发明利用SPR效应，通过外界待测介质折射率的变 化影响共振波长峰值的移动，来实现传感检测。光子晶体光纤表面等离子体共振(PCF-SPR) 传感器不仅继承了传统光纤SPR传感技术的特性：免标记、高灵敏度和特异性检测等，同时还具有抗电磁干扰、体积小、集成性好、便于安装、可远程在线监测及操作灵活等优点，使其在医学诊断、免疫技术、制药、环境监测、食品安全和生物化学等领域获得广泛 的应用。
PCF-SPR传感器是利用SPR原理，采用PCF作为波导介质。利用一束光在两 种不同介质分界面处发生全内反射时产生的倏逝波，激发金属表面的自由电子产生表面等 离子体共振。产生的倏逝波从光密介质进入光疏介质中，而金属表面又存在一定的等离子 波，二种波在一定条件下会发生共振，此时倏逝波的能量耦合到等离子波中，入射光的能 量被吸收，使得反射光强相应曲线出现一个峰，即共振吸收峰。PCF感器利用这一现象， 通过分析外界待测介质折射率的变化影响共振吸收峰值的偏移量，检测外界待测物质折射 率的变化，计算出该传感器的灵敏度。
由于PCF-SPR传感器其结构设计的灵活性及其优点，沿传播方向有排列规则分 布的直径为波长量级的空气孔，近年来PCF-SPR传感器克服了耦合损耗大、保偏性差的 缺点而被很多研究者青睐。2015年，Ahmmed A.Rifat等人提出了一种光子晶体光纤表 面等离子体共振生物传感器，该传感器在分析物折射率为1.33～1.37的范围内， 显示了光谱灵敏度为2000nm/RIU。2015年Dash等人描述了一种基于石墨烯的 D形PCF-SPR生物传感器，其光谱灵敏度为3700nm/RIU。2018年Haiwei Mu等 人设计了一种低折射率探测器，在折射率范围为1.27～1.33内，其光谱灵敏度为2350nm/RIU。
本文设计了一种新的结构，在近红外波段对低折射率的介质有高的灵敏度检测。设计一种新型的石墨烯包覆金纳米线的D型PCF-SPR传感器，该PCF-SPR传感器的结构 在传统光纤传感器的基础上加以改进，PCF侧面抛磨成D型，在抛磨平面上放置一根制 备好的金纳米线作为探针，在折射率范围1.29～1.33内，灵敏度达到2750nm/RIU，测量 精度达到3.6×10-5RIU，从而实现在低折射率范围内有着高灵敏度和高精度的PCF-SPR 传感测量。研究发现改变空气孔半径、金纳米线半径、剩余包层厚度、石墨烯层数都可以 改变传感器的灵敏度，通过合理的设置金纳米线的半径和空气孔半径等参数，可以得到一 个最佳的灵敏度。
低折射率范围内的传感器研究有重要的意义，因为许多卤代醚和药物的折射率位于较低的折射率范围，而该PCF-SPR传感器结构和工艺简单，体积小，灵敏度高，测量 精度高，可以在低折射率范围内有好的传感效果的实用传感器。
(三)发明内容
针对上述问题，本发明主要是提供一种结构简单工艺易于实现，稳定性好、分辨率高、在低折射率范围内有着高灵敏度的PCF-SPR传感器。
本发明通过以下技术方案实现的：
基于D型PCF侧抛面制备石墨烯涂覆金纳米线的SPR传感器，采用侧抛的技术， 把一段PCF光纤侧抛成D型，在侧抛区即传感区(2)上放置一根制备好的石墨烯(5)包 覆的金纳米线(3)，所述的金纳米线在D型PCF的轴向延伸的平滑表面上。
近一步地，所述D型PCF的纤芯半径rc＝5um，空气孔半径ra＝0.36um，空气孔 的间距∧＝1.5um，所述D型PCF的轴向延伸的平滑表面到其纤芯的距离为H＝2.5um，金 纳米线的半径rg＝0.2um，石墨烯为单层，厚度d1＝0.34nm。
近一步地，在PCF-SPR传感器的侧抛面加载待测介质，由于金纳米线对待测介 质折射率变化十分敏感，当待测介质折射率发生微小变化时，损耗吸收峰位置会发生改变，我们通过测量损耗吸收峰位置的偏移量解调出待测介质折射率的变化，计算出在低折射率范围内的灵敏度。
本文设计的D型PCF-SPR传感器建构简单，避免了孔内镀膜的复杂工艺，PCF 抛磨成D型增强了纤芯的倏逝波，进一步增强SPR效应，有效实现了低折射率范围内高 灵敏度的传感检测。利用该模型结构制成的石墨烯PCF-SPR传感器在有效折射率为 1.29～1.33范围内能实现高灵敏度检测，最高光谱灵敏度达3500nm/RIU，平均光谱灵敏度 为2750nm/RIU。高折射率区间(n＝1.34～1.36)内，最高光谱灵敏度达6500nm/RIU。平 均光谱灵敏度为5750nm/RIU。
(四)附图说明
图1为本发明的三维结构示意图。
图2为本发明的截面图和传感器截面的局部放大示意图。
图3为本发明在低折射率区间(n＝1.29～1.33)损耗谱曲线图。
图4为本发明在高折射率区间(n＝1.34～1.36)损耗谱曲线图。
图5为本发明的金纳米线的半径变化时的损耗谱曲线图。
图6为本发明的空气孔半径变化时的损耗谱曲线图。
图7本发明的振幅灵敏度随波长变化的曲线图。
图中标号为：1、光子晶体光纤，2、分析物传感区，3、石墨烯包覆的金纳米线， 4、金纳米线，5、石墨烯，6、空气孔。
(五)具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。
本发明是基于一种石墨烯涂覆金纳米线作探针的D型PCF-SPR传感器，如图1 所示，采用纤芯包层结构，材料是硅材料，由一段PCF侧抛后形成D型侧抛区即传感区 (2)和石墨烯(5)包覆的金纳米线(3)组成，(1)为光子晶体光纤。通过抛磨的方法 在PCF光纤包层中抛磨出一个平面(2)为传感层，距离纤芯的距离为2.5um，在抛磨平 面上放置一根制备好的金纳米线作探针。本发明PCF-SPR传感器，将二维材料石墨烯引 入PCF传感器中，可以有效的提高传感器的灵敏度，采用一根金纳米线作为探针，降低 传感器的损耗，D型结构设计增强SPR效应，使该传感器在低折射率范围内具有更佳的 探测效果。为了获得一个最佳的传感灵敏度，可以优化剩余包层厚度、空气孔的半径、金 纳米线的半径等参量，实现该传感器在低折射率范围有高灵敏度的传感测量。该PCF-SPR 传感器具有体积小、低折射率范围内灵敏度高、不易受外界环境的影响的优点，可应用在 医学诊断、免疫技术、制药、环境监测、食品安全和生物化学等领域。
上述基于石墨烯PCF-SPR传感器的制备过程：抛磨PCF成D型，使得抛磨后的 平滑表面距离纤芯的距离为2.5um，在D型光纤平滑表面制备一根半径为0.02um的金纳 米线作探针，金纳米线表面包覆一层厚度为0.34nm的石墨烯。
石墨烯的光学折射率可表示为：
Figure BDA0002280710090000041
C＝5.446um-1,λ是入射波的波长。
单层石墨烯的厚度为0.34nm。
在本发明实例中，采用D型PCF以增强纤芯的倏逝波，表面等离子共振效应也 会增强，侧抛面制备一根金纳米线探针，实现了在低折射率范围内高灵敏度的测量，相对 于其他高折射率的传感器研究，测量低折射率的传感器研究的较少。本发明需要将光纤进 行侧抛成D型光纤，侧抛区为石墨烯包覆的金纳米线；金纳米线的半径范围在0.17～0.20um 之间变化。
通过改变空气孔的半径、金纳米线的半径、外界待测介质折射率等结构参数，共振吸收峰的位置会发生变化；通过检测共振吸收峰的偏移量，可以解调出该传感器此时的灵敏度，达到实时监测的功能；通过合理的优化结构参数，能得到一个最佳的灵敏度。
计算灵敏度的公式为：
Figure BDA0002280710090000042
其中Δλ为共振吸收峰波长改变量，Δn为外界待测介质折射率的改变量。
计算振幅灵敏度的公示为：
Figure BDA0002280710090000043
其中α(λ,n)是被测介质折射率等于n时的总损耗，
Figure BDA0002280710090000044
是由于被测介质折射率的微小变化引起的两个相邻损耗谱之间的差值，
Figure BDA0002280710090000045
是被测介质折射率的变化。
采用波长调制法，波长的变化范围为600～1200nm，利用基于全矢量有限元法(FEM)的COMSOL Multiphysics计算软件对上述所设计的实验模型进行数值仿真，在各向异性完美匹配层(PML)边界条件的配合下，求解模场的有效折射率，然后根据模场损耗公式计算出模场损耗，利用Origin软件绘出光纤的损耗谱。
如图3所示，我们固定金纳米线半径，空气孔半径，改变待测介质折射率，可 以得到不同的损耗光谱图，损耗吸收峰所在的位置，就表示该波长下发生了SPR现象。 在低折射率区间(n＝1.29～1.33)可以看出随着待测样品折射率的增加，吸收峰发生红移， 当折射n从1.29变化到1.30、1.31、1.32和1.33时，损耗峰的峰值偏移量分别为25、25、 25和35nm。灵敏度分别为2500、2500、2500和3500nm/RIU，在低折射率区间(n＝1.29～1.33) 平均灵敏度为2750nm/RIU。使用分辨率0.1nm的高精度光谱仪，测得传感器的最小分辨 率为3.6×10- 5RIU。
如图4所示，在高折射率区间(n＝1.34～1.36)随着待测样品折射率的增加，损 耗峰发生红移，当折射率n从1.34变化到1.35和1.36时，损耗峰的峰值偏移量分别为50 和65nm。灵敏度分别为5000和6500nm/RIU，在高折射率区间(n＝1.34～1.36)平均灵敏 度为5750nm/RIU。使用分辨率0.1nm的高精度光谱仪，测得传感器的最小分辨率为 1.1×10- 5RIU。可以看出用该模型制成的PCF-SPR传感器较现有的一般传感器能在低折 射率范围内有高的灵敏度和分辨率。
图3和图4为不同介质折射率条件下该PCF-SPR传感器的光场能量损耗与待测 介质折射率的关系示意图.当待测介质折射率从1.29逐渐增大到1.36时，共振波长从 725nm逐渐增加到990nm，发生明显的红移现象，且最大红移幅度达到265nm，表明该传 感器的共振波长可以调节至近红外范围，共振强度与待测介质折射率之间呈现一个正比例 关系。当待测介质折射率为1.36时，共振强度可达95dB/cm.
如图5所示，固定空气孔半径和待测介质折射率，石墨烯的厚度为一层的条件下，金纳米线半径ra从0.32～0.40um时，对应损耗普曲线随着波长的增加
如图6所示，在固定其他参数的情况下，不同空气孔直径下传感器结构的光谱损耗。D型PCF基膜的损耗随着空气孔直径的增大而减小，这是因为增大空气孔的直径将 会导致空气孔所在包层的折射率减小，从而使得纤芯与包层折射率的差值增大，纤芯区域 对能量的束缚能力变强，最终降低了纤芯基膜的损耗。
如图7所示，显示了D型PCF-SPR传感器的振幅灵敏度随波长的变化。展示了 1.29至1.30、1.30至1.31、1.31至1.32、1.32至1.33、1.33至1.34、1.34至1.35和1.35 至1.36的分析物折射率在波长为750、775、825、850、900、950和1000nm的振幅灵敏 度分别为80、104、138、190、235、302和422RIU-1。
需要说明的是，尽管以上本发明所述的实施例是说明性的，但这并非是对本发明的限制，因此本发明并不局限于上述具体实施方式中。在不脱离本发明原理的情况下，凡是本领域技术人员在本发明的启示下获得的其它实施方式，均视为在本发明的保护之内。

Claims (4)

1.一种基于低折射率的探针型近红外石墨烯PCF传感器，如图1所示，包括光纤传感器本体，其特征在于：所述光子晶体光纤(PCF)传感器本体由光子晶体光纤(1)、分析物传感区(2)和石墨烯包覆的金纳米线(3)组成；通过抛磨的方法在光纤包层中磨出一个侧抛区，侧抛面上放置一根制备好的金纳米线作为探针，在金纳米线表面包覆一层石墨烯；光子晶体光纤纤芯半径rc＝5um，空气孔半径ra＝0.36um，金纳米线的半径rg＝0.2um。
本发明的光纤传感器的二维结构如图2所示，包括光子晶体光纤抛磨面放置一根制备好的金纳米线作为探针，用于测量低折射率的待测介质，表面包覆一层石墨烯，增加灵敏度。
2.根据权利1所述的基于石墨烯包覆金纳米线的D型光子晶体光纤SPR传感器，其特征在于：光子晶体光纤(1)的侧抛面为D型增强SPR效应，侧抛面放置一根制备好的金纳米线作为探针，放在抛磨面中间，引进了二维增敏材料石墨烯，包覆在金纳米线表面，用于检测近红外波段低折射率的待测介质的传感特性。
3.根据权利1所述的基于石墨烯包覆的D型光子晶体光纤SPR传感器，其特征在于：光子晶体光纤(1)的空气孔的半径为0.36um，金纳米线的半径为0.2um,石墨烯的层数为一层。
4.根据权利1所述的一种基于低折射率的探针型近红外石墨烯PCF传感器，其特征在于：波长在近红外区域，该传感器的探针对低折射率待测介质的细微变化及其敏感的特性，当待测介质折射率发生变化时，会影响共振吸收峰的位置变化，通过测量共振吸收峰的位置变化解调出待测介质的折射率的变化，从而计算出该传感器的灵敏度。
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