CN111999264A - 一种基于d型光子晶体光纤的生化传感器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于D型光子晶体光纤的生化传感器。该传感器包括D型光子晶体光纤，D型光子晶体光纤的一侧为抛磨面，银膜层和石墨烯层依次覆在抛磨面上；D型光子晶体光纤的包层设有多个沿D型光子晶体光纤轴向贯穿其的空气孔，多个空气孔包括多个外层空气孔、多个第一内层空气孔和多个第二内层空气孔，第一内层空气孔和第二内层空气孔均位于外层空气孔的内侧，第二内层空气孔的孔径大于外层空气孔的孔径，外层空气孔的孔径大于第一内层空气孔的孔径。该传感器设计新颖、结构简单、体积小、检测范围宽、抗腐蚀能力强、灵敏度高；能够实现折射率1.35～1.40范围内的高灵敏度检测，其最高灵敏度可达5500nm/RIU，折射率精度可达1.81*10‑5RIU，幅值灵敏度可达2620RIU‑1。

Description

一种基于D型光子晶体光纤的生化传感器
技术领域
本发明涉及光纤传感技术领域，尤其涉及一种基于D型光子晶体光纤的生化传感器。
背景技术
表面等离子体共振SPR描述了一个发生在金属和介质界面处，入射光激发金属中传导电子，使其集体震荡的现象。由于SPR效应对折射率变化的检测极度灵敏，所以SPR传感器已经被广泛应用于生化检测的研究当中。
现有技术中，传统棱镜型的SPR传感器体积庞大，系统复杂，只能在实验室中使用，对外部环境的检测，远距离检测具有局限性。小型化SPR传感器的光纤结构都具有局限性，这些光纤结构不能很好地控制在光纤中能有效激发SPR的那部分光波的模式和它们的光场分布，通常基于这些光纤结构的SPR传感器的SPR激发效率都并不高。
光子晶体光纤是一种设计开放性的光纤，可以通过设计它内部的微结构和材料组成来灵活控制光纤中传输的光波模式、光场分布以及光场面积。通过控制能有效激发SPR的那部分光波模式，提高SPR的激发效率，因此，光子晶体光纤就是一种非常有前途的SPR光波导载体；然而，现有技术中存在传感器灵敏度不高、检测范围窄、工艺复杂、稳定性不高等缺点，因此需要对现有的光子晶体光纤生化传感器进行改进，以提高其灵敏度、检测范围以及稳定性。
发明内容
本发明的目的在于，针对现有技术的上述不足，提出一种灵敏度高、检测范围宽、结构简单的基于D型光子晶体光纤的生化传感器。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
一种基于D型光子晶体光纤的生化传感器，包括D型光子晶体光纤、所述D型光子晶体光纤的一侧为抛磨面，银膜层和石墨烯层依次覆在所述抛磨面上；所述D型光子晶体光纤的包层设有多个沿所述D型光子晶体光纤轴向贯穿其的空气孔，多个所述空气孔包括多个外层空气孔、多个第一内层空气孔和多个第二内层空气孔，所述第一内层空气孔和第二内层空气孔均位于所述外层空气孔的内侧，所述第二内层空气孔的孔径大于所述外层空气孔的孔径，所述外层空气孔的孔径大于所述第一内层空气孔的孔径。
优选的，所述D型光子晶体光纤的直径为12.65um。
优选的，每个所述空气孔与其相邻间距最小的所述空气孔之间的距离均为2.3um。
优选的，多个所述外层空气孔、多个所述第一内层空气孔和多个所述第二内层空气孔分别关于所述D型光子晶体光纤的中心轴面对称设置。
优选的，所述外层空气孔的数量为9，所述外层空气孔的孔径为1.6um。
优选的，所述第一内层空气孔的数量为4，所述第一内层空气孔的孔径为0.8um。
优选的，所述第二内层空气孔的数量为2，所述第二内层空气孔的孔径为2.4um。
优选的，所述银膜层的厚度为30nm。
优选的，所述石墨烯层的厚度为0.34nm。
优选的，所述D型光子晶体光纤包括光子晶体光纤，所述光子晶体光纤的材料为二氧化硅。
本发明的一种基于D型光子晶体光纤的生化传感器。本发明通过在D型光子晶体光纤的抛磨面覆上一层银膜，由于金属银具有更高的灵敏度，能够使得传感器具备高灵敏度；通过在银膜层的表面覆上一层石墨烯，一方面，由于石墨烯的性能稳定，可与银膜层表面形成复合膜层后能起到较好的保护作用，能够防止银膜层的氧化，增强传感器的抗腐蚀能力，增加传感器使用寿命；另一方面，由于石墨烯的六元碳环结构更易与有机分子结合形成基于大π键的堆积，能够更好地吸附和固定生物分子，能够进一步增加传感器的灵敏度。本发明通过设计多个空气孔的结构和大小，使得光向银膜层的偏移，促进了光与银膜层的耦合，进一步增强传感器的灵敏度、能够拓宽传感器的检测范围。本发明的一种基于D型光子晶体光纤的生化传感器，设计新颖、结构简单、体积小、检测范围宽、抗腐蚀能力强、灵敏度高、是一种实用的折射率传感器。本发明的传感器能够实现折射率1.35～1.40范围内的高灵敏度检测，其最高灵敏度可达5500nm/RIU，折射率精度可达1.81*10-5RIU，幅值灵敏度可达2620RIU-1。
附图说明
图1为本发明实施例的一种基于D型光子晶体光纤的生化传感器的结构示意图；
图2为本发明实施例在分析物折射率为1.37时，基模有效折射率、等离子体模有效折射率和纤芯损耗分别与波长的关系曲线；
图3为本发明实施例的银膜层厚度与纤芯损耗的关系曲线；
图4为本发明实施例的石墨烯层数与纤芯损耗的关系曲线；
图5为本发明实施例的不同折射率分析液的损耗谱曲线图；
图6为本发明实施例的传感器的幅值灵敏度随波长变化的关系曲线。
图中标记说明：
1、D型光子晶体光纤；11、抛磨面；2、石墨烯层；3、银膜层；4、空气孔；41、外层空气孔；42、第一内层空气孔；43、第二内层空气孔。
具体实施方式
以下是本发明的具体实施例并结合附图，对本发明的技术方案作进一步的描述，但本发明并不限于这些实施例。
实施例1
11.如图1所示，一种基于D型光子晶体光纤的生化传感器的结构示意图。该传感器包括D型光子晶体光纤1、石墨烯层2和银膜层3；D型光子晶体光纤1的一侧为抛磨面11，其截面为一个大写的英文字母“D”的形状，抛磨面11上覆有1层厚度为30nm的银膜层3；银膜层3的表面覆有1层厚度为0.34nm的石墨烯层2；D型光子晶体光纤1的包层设有多个沿所述D型光子晶体光纤1轴向贯穿其的空气孔4，多个空气孔4包括多个外层空气孔41、多个第一内层空气孔42和多个第二内层空气孔43；第一内层空气孔42和第二内层空气孔43均位于外层空气孔41的内侧，第二内层空气孔43的孔径大于外层空气孔41的孔径，外层空气孔41的孔径大于第一内层空气孔42的孔径；其中，外层空气孔41的孔径为1.6um，外层空气孔41的数量为9个；第一内层空气孔42的孔径为0.8um，第一内层空气孔421的数量为4个；第二内层空气孔43的孔径为2.4um，第二内层空气孔43的数量为2个；其中多个外层空气孔41、多个第一内层空气孔42和多个第二内层空气孔43分别关于D型光子晶体光纤1的D型侧面对称分布；光子晶体光纤1的直径为12.65um；每个空气孔4与其相邻间距最小的空气孔4之间的距离均为2.3um；D型光子晶体光纤1包括光子晶体光纤，光子晶体光纤的材料可以为二氧化硅；由于外层空气孔4、第一内层空气孔42和第二内层空气孔43的孔径不同，由于空气折射率比二氧化硅低，光会向折射率更高的地方传输，通过设计三种不同孔径的空气孔4结构，使得光会向银膜层3附近偏移，进一步促进了光与银膜层3的耦合，能够进一步增大纤芯限制损耗，从而增大传感器的灵敏度。
将传感器放入待测分析液之中，能够实现折射率范围在1.35～1.40的分析液的浓度测量。
采用波长调制法，波长的变化范围为525nm～750nm，利用基于全矢量有限元法(FEM)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。
如图2所示，为基模有效折射率和SPP模有效折射率与波长的对应关系，由图2可知，在525nm～750nm这个波长范围内，当分析液折射率为1.37时，在600nm附近发生了等离子体共振，说明当基模有效折射率曲线和等离子体模有效折射率相等时，纤芯损耗达到峰值。
如图3所示，通过研究银膜层3厚度对D型光子晶体光纤1的纤芯损耗的影响，由图3可知，在银膜层3的厚度在30nm时，可以得到D型光子晶体光纤1的纤芯的最大损耗，等离子体共振也最明显。
如图4所示，通过研究石墨烯的层数对D型光子晶体光纤1的纤芯损耗的影响，可以得到，随着石墨烯层2数的上升，D型光子晶体光纤1的纤芯损耗的大小反而呈现下降的趋势，从成本的角度考虑，设置石墨烯层2数为1层最为合适。
如图5所示，随着待测分析液折射率的增加，吸收峰发生红移，通过测量，当折射率改变Δna时，吸收峰的偏移量为Δλpeak，利用公式S(λ)＝Δλpeak/Δna(nm/RIU)，可以计算出传感器的灵敏度S(λ)；当待测液折射率浓度从1.35依次变化到1.40时。光谱依次偏移了17nm，20nm，25nm，40nm，55nm。最大光谱灵敏度为5500nm/RIU，通过公式R＝ΔnaΔλmin/Δλpeak可得最小折射率精度为1.81*10-5RIU。
如图6所示，当待测分析液的折射率变化时，此结构所得的幅值灵敏度非常高，通过公式
Figure BDA0002589912740000051
其幅值灵敏度在1.39～1.40时可得最大值，为2620RIU-1。
本发明的一种基于D型光子晶体光纤的生化传感器，设计新颖、结构简单、体积小、检测范围宽、抗腐蚀能力强、灵敏度高、是一种实用的折射率传感器；本发明的传感器能够实现折射率1.35～1.40范围内的高灵敏度检测，其最高灵敏度可达5500nm/RIU，折射率精度可达1.81*10-5RIU，幅值灵敏度可达2620RIU-1。
以上未涉及之处，适用于现有技术。
虽然已经通过示例对本发明的一些特定实施例进行了详细说明，但是本领域的技术人员应该理解，以上示例仅是为了进行说明，而不是为了限制本发明的范围，本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例来做出各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的方向或者超越所附权利要求书所定义的范围。本领域的技术人员应该理解，凡是依据本发明的技术实质对以上实施方式所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种基于D型光子晶体光纤的生化传感器，其特征在于，包括D型光子晶体光纤(1)、所述D型光子晶体光纤(1)的一侧为抛磨面(11)，银膜层(3)和石墨烯层(2)依次覆在所述抛磨面(11)上；所述D型光子晶体光纤(1)的包层设有多个沿所述D型光子晶体光纤(1)轴向贯穿其的空气孔(4)，多个所述空气孔(4)包括多个外层空气孔(41)、多个第一内层空气孔(42)和多个第二内层空气孔(43)，所述第一内层空气孔(42)和第二内层空气孔(43)均位于所述外层空气孔(41)的内侧，所述第二内层空气孔(43)的孔径大于所述外层空气孔(41)的孔径，所述外层空气孔(41)的孔径大于所述第一内层空气孔(42)的孔径。
2.如权利要求1所述的一种基于D型光子晶体光纤的生化传感器，其特征在于，所述D型光子晶体光纤(1)的直径为12.65um。
3.如权利要求2所述的一种基于D型光子晶体光纤的生化传感器，其特征在于，每个所述空气孔(4)与其相邻间距最小的所述空气孔(4)之间的距离均为2.3um。
4.如权利要求3所述的一种基于D型光子晶体光纤的生化传感器，其特征在于，多个所述外层空气孔(41)、多个所述第一内层空气孔(42)和多个所述第二内层空气孔(43)分别关于所述D型光子晶体光纤(1)的中心轴面对称设置。
5.如权利要求4所述的一种基于D型光子晶体光纤的生化传感器，其特征在于，所述外层空气孔(41)的数量为9，所述外层空气孔(41)的孔径为1.6um。
6.如权利要求5所述的一种基于D型光子晶体光纤的生化传感器，其特征在于，所述第一内层空气孔(42)的数量为4，所述第一内层空气孔(42)的孔径为0.8um。
7.如权利要求6所述的一种基于D型光子晶体光纤的生化传感器，其特征在于，所述第二内层空气孔(43)的数量为2，所述第二内层空气孔(43)的孔径为2.4um。
8.如权利要求1-7任一项所述的一种基于D型光子晶体光纤的生化传感器，其特征在于，所述银膜层(3)的厚度为30nm。
9.如权利要求8所述的一种基于D型光子晶体光纤的生化传感器，其特征在于，所述石墨烯层(2)的厚度为0.34nm。
10.如权利要求1-7任一项所述的一种基于D型光子晶体光纤的生化传感器，其特征在于，所述D型光子晶体光纤(1)包括光子晶体光纤，所述光子晶体光纤的材料为二氧化硅。
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