CN112326599A - 一种光纤spr传感器及其检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种光纤SPR传感器，包括光源、分光器、第一检测光纤、第二检测光纤和光谱检测装置；第一检测光纤和第二检测光均为表面设置有金属纳米膜层的光纤；分光器用于将光源输出的光波均分后分别入射至两个检测光纤中；两个检测光纤分别用于置于待检测物和标准参照物中并输出共振光波；光谱检测装置用于检测两个共振光波的共振波峰差异，以确定待检测物中待测物质含量。本申请中采用两个检测光纤一个置于待检测物一个置于标准参照物，以两个检测光纤输出的光波光谱图作为对比参照，能够在一定程度上避免在实际检测中待检测物中其他非待测因素的干扰，提高对照结果的可靠性，从而获得更为准确的检测结果，有利于提高检测结果的精度。

Description

一种光纤SPR传感器及其检测方法

技术领域

本发明涉及SPR传感技术领域，特别是涉及一种光纤SPR传感器以及光纤SPR传感器的检测方法。

背景技术

与传统的生化检测分析仪器相比，SPR传感器由于高灵敏度、检测时间短、免标记、抗电磁干扰、可实时连续监测等优点，在气体成分分析、食品安全、环境监测、生物分子及医疗检测等多个领域得到广泛应用。

光纤SPR传感器是利用表面等离子激元共振原理，采用光纤作为导光介质制作而成的光学传感器。光纤SPR传感器具有很大优势：结构设计简单灵巧、制作成本低，更适用于远距离传感应用，在环境监测等领域展现出广阔的应用前景。在应用光纤SPR传感器进行传感检测过程中，因为待测物导致金属纳米膜层表面的介质折射率发生变化时，在金属纳米膜层周围发生共振光波的共振峰的位置也会随之变化，通过分析共振峰的位置从而可以计算出介质折射率的变化率，从而实现待测物的测量。

发明内容

本发明的目的是提供一种光纤SPR传感器以及光纤SPR传感器的检测方法，提高了光纤SPR传感器检测结果的准确性。

为解决上述技术问题，本发明提供一种光纤SPR传感器，包括光源；输入端和所述光源输出端相连接的分光器；输入端和所述分光器的第一输出端相连接的第一检测光纤，输入端和所述分光器的第二输出端相连接的第二检测光纤；输入端分别和所述第一检测光纤以及所述第二检测光纤的输出端相连接的光谱检测装置，所述第一检测光纤和所述第二检测光纤结构相同且均为表面设置有金属纳米膜层的光纤；

所述分光器用于将所述光源输出的光波均分为两束相同的光线，并分别入射至所述第一检测光纤和所述第二检测光纤；

所述第一检测光纤用于对待检测物感应检测并输出第一共振光波；所述第二检测光纤用于对标准参照物感应检测并输出第二共振光波；其中，所述标准参照物和所述待检测物的至少温度和湿度相同；

所述光谱检测装置用于检测所述第一共振光波相对于所述第二共振光波的共振波峰差异，以确定所述待检测物中待测物质含量。

在本申请的一种可选地实施例中，所述第一检测光纤包括光纤纤芯、覆盖在所述光纤纤芯外表面的包层以及设置在所述包层外表面的所述金属纳米膜层。

在本申请的一种可选地实施例中，所述光纤纤芯的上还刻蚀有倾斜布拉格光栅，其中，所述倾斜布拉格光栅和所述光纤纤芯长度方向的夹角为10至15度。

在本申请的一种可选地实施例中，所述金属纳米膜层为金属Au纳米膜层。

在本申请的一种可选地实施例中，所述光源为宽光谱光源。

在本申请的一种可选地实施例中，所述光谱检测装置包括光谱仪、差分放大器和比较器；

所述光谱仪的输入端分别和所述第一检测光纤以及所述第二检测光纤的输出端相连接；所述差分放大器的输入端和所述光谱仪的输出端相连接；所述差分放大器的输出端和所述比较器的输入端相连接。

在本申请的一种可选地实施例中，还包括和所述比较器相连接的报警器。

本申请还提供了一种光纤SPR传感器的检测方法，应用于如上任一项所述的光纤SPR传感器，包括：

预先根据待检测物配置标准参照物，其中，所述标准参照物和所述待检测物的温度、湿度均相同；

将所述光纤SPR传感器的第一检测光纤和第二检测光纤分别置于所述待检测物和所述标准参照物中；

当光源输出的光波通过分光器入射至两个所述检测光纤时，采集所述第一检测光纤和所述第二检测光纤分别输出的第一共振光波和第二共振光波；

对比所述第一共振光波相对于所述第二共振光波的共振波峰差异，确定所述待检测物中除目标待测物的含量。

本发明所提供的光纤SPR传感器，包括光源；输入端和光源输出端相连接的分光器；输入端和光源输出端相连接的分光器；输入端和分光器的第一输出端相连接的第一检测光纤，输入端和分光器的第二输出端相连接的第二检测光纤；以及输入端和第一检测光纤以及第二检测光纤的输出端相连接的光谱检测装置，第一检测光纤和第二检测光纤结构相同且均为表面设置有金属纳米膜层的光纤；分光器用于将光源输出的光波均分为两束相同的光线，并分别入射至第一检测光纤和第二检测光纤；第一检测光纤用于对待检测物感应检测并输出第一共振光波；第二检测光纤用于对标准参照物感应检测并输出第二共振光波；其中，标准参照物和待检测物至少温度和湿度相同；光谱检测装置用于检测第一共振光波相对于第二共振光波的共振波峰差异，以确定待检测物中目标待测物含量。

本申请中所提供的光纤SPR传感器，设置了第一检测光纤和第二检测光纤两个检测光纤，第一检测光纤和第二检测光纤即可分别置于待检测物和标准参照物中；该标准参照物的作用类似于实验中的对照组，和待检测物的最大区别在于不含有目标待测物，且温度、湿度等均和待检测物保持一致。那么，第一检测光纤和第二检测光纤分辨感应检测待检测物和标准参照物输出的第一共振光波和第二共振光波的共振波峰之间的差异即可明确确定是有待检测物中目标待测物引起的，而排除温度湿度不同等因素引起的共振波峰偏移。由此，以第二共振光波的共振波峰为基准，确定目标待测物引起的共振波峰的偏移量。相对于现有的光纤SPR传感器仅仅采用一个检测光纤检测待检测物输出共振光波，并以固定的共振波峰波长作为参照基准确定待检测物对应的共振光波波峰的偏移；本申请中的参照基准更为准确，由此确定的共振波峰的偏移量也更为准确，从而提高对待检测物中目标待测物含量检测的准确度，提高光纤SPR传感器检测结果的准确性。

附图说明

为了更清楚的说明本发明实施例或现有技术的技术方案，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的介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，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为本申请实施例提供的光纤SPR传感器的结构示意图；

图2为本申请实施例提供的光纤SPR传感器的检测方法的流程示意图。

具体实施方式

传统的光纤SPR传感器中，主要包括光源、检测光纤以及光谱仪等部件，检测光纤为表面附着有金属纳米膜层的光纤。在进行有毒气体、流体甚至固体以及其他类似物质检测时，需要将检测光纤置于待检测物中，待检测物使得检测光纤的金属纳米膜层外表面环境介质折射率就不再是空气介质折射率，光源输出的光线入射至检测光纤并经过金属纳米膜层的等离子体共振作用，使得光线产生共振并从检测光纤输出。在对检测光纤输出的共振光波进行分析时，以特定共振波峰波长为基准分析共振光波的波峰波长偏移量，以确定待检测物中目标待测物的含量。而特定共振波峰波长一般是在检测光纤位于空气介质中时，检测光纤输出的共振光波对应的共振波峰波长；显然该共振波峰波长对应的空气介质和待检测物的温度、湿度甚至除目标待测物之外的物质成分均可能存在较大的差异，那么待检测物对应的共振波峰波长相对于特定共振波峰波长之间的差异也可能是因为温度、湿度等因素引起的，而并非目标待测物，但是现有的光纤SPR传感器无法排除温度、湿度等非检测因素的影响，导致检测结果准确度低。

为此，本申请中提供了一种光纤SPR传感器，能够在一定程度上提高SPR传感器的检测精度。

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的详细说明。显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1所示，图1为本申请实施例提供的光纤SPR传感器的结构示意图，该光纤SPR传感器可以包括：

光源1、分光器2、第一检测光纤30、第二检测光纤31和光谱检测装置4；第一检测光纤30和第二检测光纤31结构相同且均为表面设置有金属纳米膜层303的光纤；

光源1的输出端和分光器2的输入端相连接，分光器2的第一输出端与第一检测光纤30的输入端相连接；分光器2的第二输出端与第二检测光纤31的输入端相连接；

第一检测光纤30和第二检测光纤31的输出端分别和光谱检测装置4的输入端相连接；分光器2用于将光源1输出的光波均分为两束相同的光波，并分别入射至第一检测光纤30和第二检测光纤31中；

第一检测光纤30和第二检测光纤31分别用于置于待检测物和标准参照物中；其中，标准参照物和待检测物至少温度和湿度相同。

光谱检测装置4用于检测第一检测光纤30和第二检测光纤31分别输出的共振光波的共振波峰差异，以确定待检测物中目标待测物的含量。

需要说明的是，本实施例中的标准参照物类似于对照实验中的对照组，应当相对待检测物之外仅仅只目标待测物这一区别，其为成分和待检测物中除特定物质之外的成分应当尽可能相同，且温度、湿度等物理特性应当和待检测物保持一致等等，对此不再一一列举说明。

本申请中的第一检测光纤30和第二检测光纤31均是依据SPR检测原理形成的光纤，该第一检测光纤30包括光纤纤芯301、包裹在光纤纤芯301外层的包层302以及设置在包层302外表面的金属纳米膜层303。

当然，在实际应用过程中也可以不设置包层302，直接将金属纳米膜层303设置在光纤纤芯301的外表面，相当于以空气介质和金属纳米膜层303作为光纤纤芯301的包层。第二检测光纤31和第一检测光纤30的结构相同，对于第二检测光纤31不再一一介绍说明。

当光线在光纤纤芯301内全反射传输时，基于等离子激元共振原理，光子和金属纳米膜层303的电子相互作用，产生电子的集体振荡，激发出非辐射形式的电磁波，及表面等离子体激元(SPP)共振。该电磁波沿着金属与电介质的表面传播，可将电磁场束缚在距离金属纳米膜层303表面100nm左右的范围内，使得金属纳米膜层303周围相当于一个共振腔对特定波长的光线产生共振增强，由此经过该检测光纤输出的共振光波中某一波长的共振叠加最为明显，由此即可出现一个特定波长对应的共振波峰。

而当第一检测光纤30和第二检测光纤31分别置于待检测物和标准参照物中，第一检测光纤30和第二检测光纤31的金属纳米膜层303外表面的环境介质折射率不同时，两个检测光纤中共振光波对应的共振波峰也就不同，待检测物对应的共振波峰波长相对于标准参照物对应的共振波峰波长的偏移，即可作为检测待测物的依据。

在常规的光纤SPR传感器中仅仅只包含一个检测光纤，在进行待检测物中某种特定成分检测时，是将共振波峰和基准共振波峰进行对比，如果发生偏移，则认为待测物中含有特定检测成分。而基准共振波峰是光纤SPR传感器出厂是设定好的固定值，一般是在标准空气介质环境下检测获得的。光纤SPR传感器在实际应用过程中，待检测物的温度、湿度等环境因素甚至环境介质成分都和标准空气介质存在差异，因此，在对待检测物对应的共振光波进行检测分析时，即便共振波峰相对于标准空气介质对应的基准共振波峰产生偏移，也并不完全是因为待检测的流体中存在特定成分而发生共振波峰偏移，还有可能是待检测物中其他成分或者是温度湿度等因素使得共振波峰偏移，因此分析确定的待检测物中目标检测物的含量检测结果并不准确。

如图1所示，本实施例中的光源1一般采用宽光谱光源，光源1输出的光线经过分光器2分成两束完全相同的光束并分别输入至第一检测光纤30和第二检测光纤31。第一检测光纤30设置在待检测物中，第二检测光纤31则作为对照标准参照物中。

例如，如果检测空气中是否含有有毒气体，那么第一检测光纤30即可设置在需要检测是否含有有毒气体的空气环境中，该待测空气也即是待检测物，而第二检测光纤31则放置在洁净的空气环境中，洁净空气也即是标准参照物，其中，待测空气的温度、湿度和洁净空气的温度、湿度应当保持一致。第一检测光纤30和第二检测光纤31中通入相同的光线后，因为第一检测光纤30和第二检测光纤31外表面的空气介质存在差异，因此输出的第一共振光波和第二共振光波的共振波峰会存在相对偏移。而洁净空气和待测空气的主要区别是在于有毒气体，因此以洁净空气对应的共振波峰作为基准，可以确定待测空气对应的共振波峰相对于洁净空气对应的共振波峰的偏移是由有毒气体引起的，且有毒气体的含量越高，两个共振波峰的相对偏移应当越大，由此即可实现空气中有毒气体含量的检测。

当然本申请中的光纤SPR传感器也可以进行液体中特定成分的检测，检测原理类似，例如检测待测溶液中是否含有目标待测物，则可以配置一份和待测溶液的区别仅仅在于不含有目标待测物的溶液，和检测空气中有毒气体的方式类似，获得两个共振波峰进行对比，即可实现溶液中待测物质的检测。

由此，本申请中采用了第一检测光纤和第二检测光纤，可以分别置于待检测物和标准参照物中，获得两组共振光波，该标准参照物和待检测物的温度、湿度保持一致。在进行共振光波进行分析时，以标准参照物对应的第一共振光波的共振波峰作为参照标准，确定待检测物对应的第二共振光波的共振波峰相对于第一共振光波的共振波峰是否发生偏移，从而避免待检测物的温度、湿度等非检测因素对共振波峰的影响，也即是说本申请中采用第一检测光纤和第二检测光纤两个检测光纤能够为分析待检测物对应的共振波峰提供更为准确的参照标准，由此，以该参照标准进行共振波峰偏移量的检测，能够在一定程度上提升检测结果的精确度，在一定程度上提升光纤SPR传感器的检测结果的检测精度，有利于光纤SPR传感器的广泛应用。

如前所述，对于第一检测光纤30而言，主要包括光纤纤芯301、包层302和金属纳米膜层303，在本申请的另一可选地实施例中，还可以进一步地包括：

光纤纤芯301的上还刻蚀有倾斜布拉格光栅304，其中，倾斜布拉格光栅34和光纤纤芯301长度方向的夹角为10至15度。

在光纤纤芯301上设置倾斜布拉格光栅304，在光纤纤芯301中传输的光波在倾斜布拉格光栅304中由于折射率的周期性变化，从而激发出大量的包层模，有利于提高检测结果的准确性。

对于第一检测光纤30表面的金属纳米膜层303具体可以为金属Au纳米膜层，该金属纳米膜层303的厚度在1微米至50微米之间。

第二检测光纤31和第一检测光纤30的结构相同，在此不详细说明。

在本申请的另一可选地实施例中，对于上述实施例的光谱检测装置4，可以包括光谱仪41、差分放大器42以及比较器43。

其中，光谱仪41的输入端和第一检测光纤30和第二检测光纤31的输出端相连接；

差分放大器42的输入端和光谱仪41的输出端相连接；

差分放大器42的输出端和比较器43的输入端相连接。

两路检测光纤3输出的光线分别通过光谱仪41形成两路共振光谱图像，再将两路光谱图像分别通过差分放大器42进行放大处理后使得两路共振光谱之间的差异更为明显，最终通过比较器43对两路共振光谱图像进行对比分析，获得两幅共振光谱图像更为准确的共振波峰相对偏移量差异数据。

进一步地，还可以将比较器上连接报警器，当测得的共振波峰相对偏移量数据大于一定阈值时可以发出报警。

例如，在检测空气中是否含有天然气时，如果通过对比待测空气对应的共振波峰相对于洁净空气对应的共振波峰的偏移量超过了预定偏移量，则说明空气中天然气发生泄漏，立即报警提示。

本申请还进一步提供了一种光纤SPR传感器的检测方法的实施例，应用于如上任一项所述的光纤SPR传感器，如图2所示，图2为本申请实施例提供的光纤SPR传感器的检测方法的流程示意图，该检测方法可以包括：

S1：预先根据待检测物配置标准参照物。

其中，标准参照物和待检测物的温度、湿度均相同。

S2：将光纤SPR传感器的第一检测光纤和第二检测光纤分别置于待检测物和标准参照物中。

S3：当光源输出的光波通过分光器入射至两个检测光纤时，采集第一检测光纤和第二检测光纤分别输出的第一共振光波和第二共振光波。

S4：对比第一共振光波相对于第二共振光波的共振波峰差异，确定待检测物中目标待测物的含量。

本申请中在利用光纤SPR传感器对待检测物中的目标待测物含量进行检测时，采用了第一检测光纤和第二检测光纤两组检测光纤，分别置于待检测物和标准参照物中感应检测并输出第一共振光波和第二共振光波，并以第二共振光波作为参照基准分析第一共振光波相对于第二共振光波的波峰偏移量从而确定待测物中目标待测物的含量，排除了温度、湿度以及待检测物中其他非检测目标的成分因素对检测结果的干扰，有效提高光纤SPR传感器的检测结果的准确性。

需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。另外，本申请实施例提供的上述技术方案中与现有技术中对应技术方案实现原理一致的部分并未详细说明，以免过多赘述。

本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。

Claims (8)

1.一种光纤SPR传感器，其特征在于，包括光源；输入端和所述光源输出端相连接的分光器；输入端和所述分光器的第一输出端相连接的第一检测光纤，输入端和所述分光器的第二输出端相连接的第二检测光纤；输入端和所述第一检测光纤以及所述第二检测光纤的输出端相连接的光谱检测装置，所述第一检测光纤和所述第二检测光纤结构相同且均为表面设置有金属纳米膜层的光纤；

所述分光器用于将所述光源输出的光波均分为两束相同的光线，并分别入射至所述第一检测光纤和所述第二检测光纤；

所述第一检测光纤用于对待检测物感应检测并输出第一共振光波；所述第二检测光纤用于对标准参照物感应检测并输出第二共振光波；其中，所述标准参照物和所述待检测物至少温度和湿度相同；

所述光谱检测装置用于检测所述第一共振光波相对于所述第二共振光波的共振波峰差异，以确定所述待检测物中目标待测物的含量。

2.如权利要求1所述的光纤SPR传感器，其特征在于，所述第一检测光纤包括光纤纤芯、覆盖在所述光纤纤芯外表面的包层以及设置在所述包层外表面的所述金属纳米膜层。

3.如权利要求2所述的光纤SPR传感器，其特征在于，所述光纤纤芯的上刻蚀有倾斜布拉格光栅，其中，所述倾斜布拉格光栅和所述光纤纤芯长度方向的夹角为10至15度。

4.如权利要求1所述的光纤SPR传感器，其特征在于，所述金属纳米膜层为金属Au纳米膜层。

5.如权利要求1所述的光纤SPR传感器，其特征在于，所述光源为宽光谱光源。

6.如权利要求1至5任一项所述的光纤SPR传感器，其特征在于，所述光谱检测装置包括光谱仪、差分放大器和比较器；

所述光谱仪的输入端和所述第一检测光纤以及所述第二检测光纤的输出端相连接；所述差分放大器的输入端和所述光谱仪的输出端相连接；所述差分放大器的输出端和所述比较器的输入端相连接。

7.如权利要求6所述的光纤SPR传感器，其特征在于，还包括和所述比较器相连接的报警器。

8.一种光纤SPR传感器的检测方法，其特征在于，应用于如权利要求1至7任一项所述的光纤SPR传感器，包括：

预先根据待检测物配置标准参照物，其中，所述标准参照物和所述待检测物的温度、湿度均相同；

将所述光纤SPR传感器的第一检测光纤和第二检测光纤分别置于所述待检测物和所述标准参照物中；

当光源输出的光波通过分光器入射至两个所述检测光纤时，采集所述第一检测光纤和所述第二检测光纤分别输出的第一共振光波和第二共振光波；

对比所述第一共振光波相对于所述第二共振光波的共振波峰差异，确定所述待检测物中目标待测物的含量。

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