CN112432930A

CN112432930A - 一种双通道塑料光纤spr传感器及其制备方法

Info

Publication number: CN112432930A
Application number: CN202011452594.1A
Authority: CN
Inventors: 滕传新; 刘连; 苑立波
Original assignee: Guilin University of Electronic Technology
Current assignee: Guilin University of Electronic Technology
Priority date: 2020-12-08
Filing date: 2020-12-08
Publication date: 2021-03-02

Abstract

一种双通道双侧抛结构塑料光纤表面等离子体共振传感器，属于光纤传感技术领域。由光源、双侧抛双镀膜结构塑料光纤表面等离子体共振传感探头、光谱仪以及计算机组成。该双侧抛结构光纤采用质地柔软、柔韧性好、成本低廉的塑料光纤制备而成。通过在双侧抛结构塑料光纤的两个抛磨面上分别镀制金、银两种纳米颗粒，可以使传输光在两个抛面上分别产生表面等离子体共振现象，并在其透射光谱的两个不同波长位置处分别产生两个共振吸收峰，从而可以实现双通道的表面等离子体共振传感。该表面等离子体共振传感器具有结构和制备工艺简单、成本低廉、机械强度高且集成化好的优点。

Description

一种双通道塑料光纤SPR传感器及其制备方法

技术领域

本发明属于光纤传感器技术领域，具体涉及一种双通道塑料光纤SPR传感器及其制备方法。

背景技术

表面等离子体共振(SPR)是金属表面等离子体波与光波全反射时所产生的倏逝波相互耦合而产生的共振现象，其透射光谱中会出现一个明显的吸收峰。这种技术对于金属表面被测物质的折射率变化非常敏感，当金属表面待测物的折射率发生变化时，会引起吸收峰位置的偏移，通过检测吸收峰与外界折射率之间的关系可以实现其周围环境折射率的测量。

目前，SPR传感器已被广泛应用于生物研究、化学分析、医药检测、环境监控等诸多方面。光纤SPR传感器相对于传统的棱镜型SPR传感器具有体积小、重量轻、抗电磁干扰、耐腐蚀、可远程操作等优点。光纤SPR传感器种类繁多，结构各异。高集成度、可多参量检测是光纤SPR传感器发展的一个重要方向。多参量传感可以在一次测量中同时检测多个参量，具有检测效率高、检测成本低等优势。如专利申请号201720924712.1的中国发明专利“一种双芯光纤透射式双通道SPR传感器”提供了一种基于双芯光纤的透射式双通道SPR传感器，但该器件采用的双芯光纤成本较高，且制备时需要将双芯光纤进行磨锥后再进行熔接，其加工工艺复杂，耦合对准也比较困难，并且还需要使用价格较高的保偏光纤熔接机等设备；专利申请号201721318193.0的中国发明专利“一种基于边孔和哑铃光纤的全光纤微流芯片”提供了一种基于边孔和哑铃光纤的全光纤微流芯片，其采用的是边孔光纤和哑铃光纤，成本较高，且也需要使用高精密、价格昂贵的设备；专利申请号201920224690.7的中国发明专利“一种基于电场耦合的光纤SPR传感器”提供了一种基于电场耦合的光纤SPR传感器，该器件通过在光纤上制备多个侧抛区域，并在其上镀制不同的膜材料来实现多通道SPR传感，但这样增加了器件的长度，降低了集成度。综上所述，开发一种结构和制备工艺简单、成本低廉、集成度高的双通道SPR传感器显得尤为重要。

发明内容

针对上述问题，本发明基于塑料光纤提供一种结构简单、制备工艺简单、成本低廉的双通道SPR传感器。相比于石英光纤，塑料光纤质地柔软、柔韧性好、加工成本低，是实现多通道光纤SPR传感器的理想光纤。

为实现双通道SPR传感，作为本发明的第一方面，提供了一种塑料光纤双侧抛双通道SPR传感探头的制备方法。包括S1：首先将塑料光纤放在光纤支架上，然后将其缠绕在夹具上并将光纤末端穿过夹具侧面的小孔，从而保持光纤绷紧。为了控制光纤的张力可以在右端挂上砝码，根据实际加工需要合理选择砝码重量；在砂轮上粘贴砂纸，通过砂轮的旋转对光纤进行侧抛加工，砂轮固定在三维位移台上，随着三维位移台的移动可以带动砂轮进行移动；不同的砂纸粒度会影响加工的速度以及侧抛表面的质量，根据实际需要，合理选择砂纸粒度；同时三维位移台通过计算机进行控制，利用三维位移台可以控制光纤的侧抛深度，侧抛区域长度等参数；此外，还可以通过调节砂轮的转速来改变加工速度。当光纤的一侧加工完成后，还需要对于另一面进行侧抛加工，这时仅需将光纤沿中心轴线翻转180°，并将其缠绕在夹具上，然后再进行之前的加工步骤即可。S2：抛磨后的侧抛面比较粗糙，无法激发SPR效应，因此需要进行抛光处理。该过程需要在侧抛面涂抹抛光液，而后再利用抛光机进行抛光处理。S3：采用离子溅射的方式分别在两个抛磨面上镀制金和银纳米颗粒，通过调整离子溅射仪的真空度、距离、电流以及时间等参数可以控制镀膜质量以及膜的厚度。

作为本发明的第二方面，提供了一种双通道塑料光纤SPR传感器，它由光源、双侧抛塑料SPR光纤探头、光谱仪及计算机组成。因所制备的双侧抛的塑料光纤探头具有对称结构，它的任意一端均可与光源相连，而另一段则与光谱仪相连。

本发明还可以包括：

1、所述的塑料光纤为多模塑料光纤，光纤外径为250～2000μm，纤芯直径范围为240～1980μm。

2、所述的双侧抛型塑料光纤探头的侧抛深度可以通过调节侧抛机的转速以及侧抛时间来调节，侧抛区域长度可以通过抛轮位移来控制。

3、所述的双侧抛型塑料光纤探头的侧抛深度为50～400μm，侧抛区域长度为5～30mm。

4、所述的金属膜材料为金纳米颗粒，其厚度为10～150nm。

5、所述的光源是卤素灯光源，波长为360～1000nm，光谱仪为可见光光谱仪，测量波段为240～900nm。

本发明的原理是传输光可以分别在侧抛结构的两个面发生全发射，产生倏逝波，从而可以激发金膜和银膜表面产生SPR效应。由于金、银两种材料具有不同的介电常数，这会导致透射光在不同波长位置处分别产生两个共振吸收峰。当环境折射率或者温度等参量发生变化时，会同时改变光波与两个金属表面等离子体波之间的耦合关系，进而使共振吸收峰的位置产生偏移。通过两个共振峰可以建立其偏移量与两个被测参量之间的关系，利用这个关系，在已知共振峰偏移量的条件下，就可以得到两个被测量的变化，从而可以实现双通道的SPR传感。

与现有技术相比，本发明具有如下优点：

1)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，即使进行双侧抛加工，其仍可以保持较好的机械强度，并且由于塑料光纤的硬度低，加工时间相对于石英光纤大大缩短；

2)本发明的双通道光纤SPR传感探头的抛面位于同一位置处，缩短了器件的长度，集成度高；

3)本发明的双通道光纤SPR传感探头制备工艺简单，成本低廉，易于商业化生产；

4)本发明的双通道SPR传感器可以同时对两个参量进行测量。

附图说明

图1是本发明的双通道塑料光纤SPR传感器系统示意图；

图2是本发明的双侧抛塑料光纤的制备装置示意图；

图3是本发明的双通道塑料光纤SPR器件的结构示意图；

图4是本发明的双通道光纤SPR器件的仿真结果图。

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，为本发明的双通道塑料光纤SPR传感器，其由光源1、双侧抛结构的塑料光纤SPR传感探头2、光谱仪3和计算机4组成。由于所制作的光纤探头具有对称结构，光源可以与光纤探头的任意一端相连，探头的另一端则与光谱仪相连。工作时光源1发出光经由光纤到达双侧抛结构的塑料光纤传感探头2，当双侧抛结构的塑料光纤传感探头2浸入到溶液中时，光信号受到待测溶液的影响，经过调制后的光信号传输到光谱仪3中，其结果显示在计算机4中。本发明采用的塑料光纤为江西大圣塑料光纤有限公司生产的多模商用塑料光纤，其纤芯5的直径为980±1μm，6为塑料光纤包层，光纤的外径为1000±1μm，7为光纤的一个侧抛面所镀的金膜，8为光纤的另一个侧抛面所镀的银膜。

参见图2，为本发明的双侧抛塑料光纤的制备示意图。由光纤夹具9、光纤支架10、砂轮11、三维位移台12和砝码13组成。光纤夹具9用于夹持光纤，光纤支架10用于支撑光纤使光纤悬空，在砂轮11上粘贴有砂纸用于对光纤进行侧抛加工，三维位移台12用于控制砂轮的位移，砝码13用于控制光纤的张力。

对于双侧抛塑料光纤探针的具体加工过程如下：首先将光纤放在光纤支架上，将光纤缠绕在夹具9上并使光纤末端穿过夹具侧面的小孔，从而保持光纤绷紧。为了控制光纤张力在右端挂上砝码13，根据实际加工需要合理选择砝码重量；在砂轮11粘贴砂纸，通过砂轮的旋转对光纤进行侧抛加工，砂轮11装在三维位移台12上，随着三维位移台的移动可以带动砂轮进行移动；不同的砂纸粒度的会影响加工的速度以及侧抛表面的质量，根据实际需要，合理选择砂纸粒度；三维位移台通过计算机进行控制，通过控制三维位移台的移动可以改变侧抛深度，侧抛区域长度等参数；此外还可以通过调节砂轮11的转速来改变加工速度；当光纤的一个抛面加工完成后，还需要对于另一面进行侧抛加工，这时仅需将光纤沿轴线翻转180°，然后将其反向夹持在夹具9上，再进行之前的加工步骤即可。

参见图3，为本发明双通道塑料光纤SPR传感器的结构示意图。14为塑料光纤包层，15为纤芯，16为被测溶液折射率，17为金膜，18为银膜。工作时，传输光可以分别在侧抛结构的两个面发生全发射，产生倏逝波，从而可以激发金膜和银膜表面产生SPR效应。由于金、银两种材料具有不同的介电常数，这会导致透射光在不同波长位置处分别产生两个共振吸收峰。当环境折射率或者温度等参量发生变化时，会同时改变光波与两个金属表面等离子体波之间的耦合关系，进而使共振吸收峰的位置产生偏移。通过建立两个共振峰的偏移量与两个被测参量之间的关系，就可以实现双通道的SPR传感。以同时测量温度和折射率两个参量为例，两个共振峰的位移量与两个待测量的关系可以表示如下：

其中Δλ_a和Δλ_b分别为两个共振峰的波长变化量(实验测得)，K为敏感系数(通过实验曲线标定得到)，ΔT和Δn分别为待测值的变化量。转换上式可以得到待测量：

上式中，K^-1为标定得到的灵敏度矩阵，所以在测量得到两个共振峰偏移量的情况下，就可以得到温度和折射率的变化量。

参见图4，为本发明的双通道光纤SPR器件的仿真结果图。根据菲涅尔公式以及金属的Drude模型的仿真计算，可以发现，其透射光谱会出现两个共振峰，共振峰19对应银膜产生的SPR效应，共振峰20对应金膜产生的SPR效应，从而该器件可以进行双通道SPR传感。

Claims

1.一种双侧抛双通道塑料光纤SPR传感器，其特征在于：由光源、双侧抛结构塑料光纤SPR传感探头、光谱仪以及计算机组成，双侧抛结构塑料光纤SPR传感探头的一端与光源相连，另一端与光谱仪相连。该双通道塑料光纤SPR传感器是通过在塑料光纤上进行双侧抛磨，而后在两个抛磨面分别镀制金、银纳米颗粒制备而成。

所述的双通道光纤SPR传感器采用柔韧性较好的塑料光纤制备。通过将金、银两种不同的金属材料镀制在抛磨表面，可以使不同波长的传输光产生SPR共振现象，在其透射光谱不同波长位置处可以分别产生两个共振吸收峰，从而可以实现双通道的SPR传感。

2.如权利要求1所述的一种双通道塑料光纤SPR传感器，其特征在于：塑料光纤为多模塑料光纤，光纤的外径为250～2000μm，纤芯直径为240～1980μm。

3.所述的双侧抛塑料光纤SPR传感探头的侧抛深度为50～400μm，侧抛区域长度为5～30mm；所述的金属膜厚度为20～100nm。