CN113466177B - 大范围多功能检测气液物质的折射率型mof-spr探针 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种光纤探针，具体涉及一种大范围多功能检测气液物质的折射率型MOF‑SPR探针，所述折射率型MOF‑SPR探针包括光纤和光纤外部所镀的金属薄膜，所述光纤的包层内设有3种不同半径的第一空气孔、第二空气孔和第三空气孔，第一空气孔的数量为8个，呈八边形结构排布，第二空气为中心孔，第三空气孔的数量为6个，每3个为一组，且两组对称排布。探针能够检测的物质折射率范围为1.00‑1.45；可实现气态、液态物质同时检测；检测低折射率物质时，工作波段在可见光范围内，无需特殊光源；检测高折射率物质时，有良好的光学特性；结构简单，设计方便，易于实际应用和推广。

Description

大范围多功能检测气液物质的折射率型MOF-SPR探针

技术领域

本发明涉及一种光纤探针，具体涉及一种大范围多功能可同时检测气态和液态物质的折射率型MOF-SPR探针。

背景技术

随着纳米传感技术的快速发展，金属纳米结构由于其表面等离子体激元的激发而在许多应用领域引起了学术界的广泛关注。发生在金属传感层界面的表面等离子体共振(Surface Plasmon Resonance，SPR)是一种电荷密度波共振现象。由于它对周围环境内物质折射率的微小变化颇为敏感，常被用来检测分析样品，进而对SPR传感器的灵敏度、分辨率等光学特性进行研究。SPR作为一种光学传感技术，凭借其灵敏度高、检测成本低、对样品不损伤、响应速度快、实时无标记监测等突出优势备受青睐，在医疗诊断、生化分析、环境监测等诸多领域都具有极其广阔的应用前景。

微结构光纤(Microstructured Optic Fiber,MOF)是一种以石英或掺入杂质的石英为基底材料、并引入规则排列的空气孔的新型光纤，引入的空气孔能够降低其所在区域的有效折射率，进而将入射光限制在光纤的纤芯中传输，此外，微结构光纤还具有无截止单模传输、色度色散可调、良好的非线性效应等光学特性。凭借其灵活的设计、独特的结构、突出的光学性质等优势，科研人员对微结构光纤的设计已投入大量研究工作，并在应变、温度、位移、磁场、折射率等物理量上都实现了不同功能的应用。微结构光纤(MOF)的出现，使得基于表面等离子体共振效应的光纤传感器得到进一步的发展，相比普通光纤SPR传感器，微结构光纤SPR传感器不仅可以有效地控制纤芯光场来激发SPR效应，其结构设计也十分灵活，灵敏度也更高。随着SPR传感技术的不断发展，基于微结构光纤的SPR传感器的设计及研究也不断深入，针对特定检测物质或环境等传感功能的需求，目前，已有大量微结构光纤SPR传感器的模型被设计并提出，相关传感性能也被分析研究，但在所提出的结构中，可检测分析样品的折射率范围受到局限，一般情况下，可检测物质的折射率高于1.33(高折射率检测)，或者可检测物质的折射率低于1.33(低折射率检测)，甚至在低折射率检测中，可检测物质的折射率范围在1.00-1.10之间的寥寥无几，另外，检测物质的气液状态也受到限制，一般的，在所提出的传感器结构中只能检测一种状态的物质。所以急需设计一种大范围多功能可同时检测气态和液态物质的折射率型MOF-SPR探针。

发明内容

本发明弥补和改善了上述现有技术的不足之处，提供一种大范围多功能可同时检测气态和液态物质的折射率型微结构光纤基于表面等离子体共振的探针。

本发明采用的技术方案为：一种大范围多功能检测气液物质的折射率型MOF-SPR探针，所述多功能折射率型MOF-SPR探针包括光纤和光纤外部所镀的金属薄膜，光纤的包层内设有3种不同半径的第一空气孔、第二空气孔和第三空气孔，所述第一空气孔的数量为8个，呈八边形结构排布，所述第二空气为中心孔，所述第三空气孔的数量为6个，每3个为一组，且两组对称排布。

进一步的，所述第一空气孔的半径为0.8μm。

进一步的，所述第二空气孔的半径为0.4μm。

进一步的，所述第三空气孔的半径为0.35μm。

进一步的，所述包层的半径为6.2μm。

进一步的，所述金属薄膜的厚度为40nm。

进一步的，所述光纤的背景材料为二氧化硅。

进一步的，所述光纤为折射率引导型微结构光纤(TIR-MOF)。

本发明的有益效果：多功能折射率型MOF-SPR探针的优点如下：

(1)、多功能折射率型MOF-SPR探针能够检测的物质折射率范围为1.00-1.45；

(2)、多功能折射率型MOF-SPR探针可实现气态、液态物质同时检测；

(3)、多功能折射率型MOF-SPR探针检测低折射率物质时，工作波段在可见光范围内，无需特殊光源；

(4)、多功能折射率型MOF-SPR探针检测高折射率物质时，有良好的光学特性，最大光谱灵敏度和振幅灵敏度分别为15000nm/RIU、1603.37RIU^-1；

(5)、多功能折射率型MOF-SPR探针结构简单，设计方便，易于实际应用。

附图说明

图1是实施例一中光纤的截面示意图；

图2是实施例一中光纤的立体结构示意图；

图3是实施例一中MOF-SPR探针在检测分析样品折射率为1.00-1.20下的限制损耗随波长变化的关系图；

图4是实施例一中MOF-SPR探针在检测分析样品折射率为1.21-1.32下的限制损耗随波长变化的关系图；

图5是实施例一中MOF-SPR探针在检测分析样品折射率为1.33-1.39下的限制损耗随波长变化的关系图；

图6是实施例一中MOF-SPR探针在检测分析样品折射率为1.40-1.45下的限制损耗随波长变化的关系图；

图7是实施例一中MOF-SPR探针在检测不同的分析样品时共振波长与折射率的对应关系图。

具体实施方式

实施例一

参照图1和图2，一种大范围多功能检测气液物质的折射率型MOF-SPR探针，所述多功能折射率型MOF-SPR探针包括光纤1和光纤1外部所镀的金属薄膜6，光纤1的包层5内设有3种不同半径的第一空气孔2、第二空气孔3和第三空气孔4，所述第一空气孔的数量为8个，呈八边形结构排布，所述第二空气3为中心孔，所述第三空气孔的数量为6个，每3个为一组，且两组对称排布；所述第一空气孔2的半径为0.8μm；所述第二空气孔3的半径为0.4μm；所述第三空气孔4的半径为0.35μm；所述包层5的半径为6.2μm；所述金属薄膜6的厚度为40nm；所述光纤1的背景材料为二氧化硅；所述光纤1为折射率引导型微结构光纤(TIR-MOF)。

多功能折射率型MOF-SPR探针由微结构光纤和金属薄膜组成，微结构光纤的包层内设有三种不同尺寸的空气孔，包层外壁镀有金膜，包层内三种空气孔的排布构成八边形结构性对称的微结构光纤。该多功能折射率型MOF-SPR探针是利用涂敷在光纤表面的金膜作为传感层，将金膜涂覆在包层外壁上，待测样品填充到金膜外侧。当有光射入到微结构光纤内部的时候，不同波长的光分别以特定的模式在微结构光纤内沿着轴心方向传播，而表面等离子体波则是以固定的模式在金膜内传播。当微结构光纤内某一波长的光与金膜内的表面等离子体波的波矢相同时，金膜内会发生能量耦合，微结构光纤内的光能会耦合到金膜内，微结构光纤内的光能减少，即微结构光纤内发生了能量损耗。能量损耗最大时对应的光波长为共振波长。通过能量损耗和共振波长的关系，绘出能量的损耗谱。如图3-图6所示为多功能折射率型MOF-SPR在待测样品折射率为1.00-1.45下的各限制损耗图，从图中可以看到，当金膜外侧的待测样品的折射率以0.01变化量增加时，共振波长随之增大，共振峰更高，半峰宽减小，两种模式的耦合强度增强，该多功能折射率型MOF-SPR探针的灵敏度也随着待测样品的折射率的增加而增加，特别地，待测样品的折射率从1.44变化到1.45时，该探针的光谱灵敏度和振幅灵敏度分别为15000nm/RIU、1603.37RIU^-1，说明该多功能折射率型MOF-SPR探针在高折射率检测时展现出更好的光学特性。如图7所示，呈现了共振波长与待测样品折射率之间的关系曲线，当微结构光纤置于某种样品时，通过计算共振波长的大小即可检测出待测样品的折射率值，从而达到传感的目的。

Claims (3)

1.一种大范围多功能检测气液物质的折射率型MOF-SPR探针，其特征在于：所述折射率型MOF-SPR探针包括光纤(1)和光纤(1)外部所镀的金属薄膜(6)，光纤(1)的包层(5)内设有3种不同半径的第一空气孔(2)、第二空气孔(3)和第三空气孔(4)，所述第一空气孔的数量为8个，呈八边形结构排布，所述第二空气(3)为中心孔，所述第三空气孔的数量为6个，每3个为一组，且两组对称排布；所述第一空气孔(2)的半径为0.8μm；所述第二空气孔(3)的半径为0.4μm；所述第三空气孔(4)的半径为0.35μm；所述包层(5)的半径为6.2μm；所述金属薄膜(6)的厚度为40nm。

2.根据权利要求1所述的一种大范围多功能检测气液物质的折射率型MOF-SPR探针，其特征在于：所述光纤(1)的背景材料为二氧化硅。

3.根据权利要求1所述的一种大范围多功能检测气液物质的折射率型MOF-SPR探针，其特征在于：所述光纤(1)为折射率引导型微结构光纤。

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