CN113607688B - 一种基于双孔微结构光纤的微流控折射率传感器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于双孔微结构光纤的微流控折射率传感器，属于光纤传感技术领域，其特征为：由超连续谱光源(1)、入射单模光纤(2)、双孔微结构光纤内部微流控传感单元(3)、输出单模光纤(4)、光谱分析仪(5)、微流泵(6)、废液池(7)组成，所述双孔微结构光纤两端通过连接锥形光纤形成待测样品的进出液口，进出液口分别与微流泵以及废液池相连接。该微流控传感器利用双孔光纤独特的结构实现光纤内部液体微流，通过光纤内部光物质的相互作用实现对折射率的探测。同时具有集成度高、响应速度快、灵敏度高等特点，还能有效避免外界环境对待测样品产生污染，适用于在复杂环境下工作。
Description
技术领域
本发明属于光纤传感器技术领域，具体涉及一种基于双孔微结构光纤的微流控折射率传感器。
背景技术
折射率作为一个基本的物理学参数，对其进行检测可以获得许多有用的信息。因此，折射率传感器在生物医学、环境检测、药物开发、食品科学等许多行业都有着广泛的应用。随着光纤传感技术的发展，光纤折射率传感器得到深入研究。与传统的折射率传感器相比，光纤折射率传感器具有抗电磁干扰性强、体积小、响应速度快等许多优势，在许多领域起到重要作用，例如抗原抗体检测、DNA/mRNA检测等。
目前开发的光纤折射率传感形式多样，有光纤光栅传感器、光纤法布里-珀罗传感器、光纤马赫-增德尔传感器等等。这些传感器各自都具有突出的优点，但是大多是利用光纤传感器表面倏逝场来进行检测。这样会引入外界环境的干扰，影响折射率的测量，同时会造成待测样品的浪费，限制了光纤折射率传感器的应用。基于双孔光纤的光纤微流控折射率传感器可以通过光纤内部微流传感的方式，在避免外界干扰的同时，保持较高的灵敏度，而且由于光纤内微流腔体积小，不需要太多的样品即可实现检测，更易应用于实际环境中。
发明内容
本发明的目的在于克服背景技术中存在的不足，提供一种基于双孔微结构光纤的微流控折射率传感器，以实现高灵敏度的无干扰光纤内部折射率测量。
为实现上述技术目的所采用的技术方案为：
一种基于双孔微结构光纤的光纤微流控折射率传感器，由超连续谱光源(1)、入射单模光纤(2)、双孔微结构光纤内部微流控传感单元(3)、输出单模光纤(4)、光谱分析仪(5)、微流泵(6)、废液池(7)组成，所述双孔微结构光纤两端通过连接锥形光纤形成待测样品的进出液口，进出液口分别与微流泵以及废液池相连接。
进一步的，所述的双孔微结构光纤内部微流控传感单元的制备方法包括以下步骤：
1)将一段单模光纤(8)中间部分去除涂覆层，用酒精擦拭后使用光纤加工熔接平台拉锥程序进行拉锥处理，过度锥区域长度、锥平坦区域长度和锥区直径分别控制在200微米、1000微米以及25微米。拉锥处理完成后利用光纤加工熔接平台切割程序在锥区中间位置进行截断处理，得到两个端面平整的半锥(9)；
2)将一段单模光纤(10)去除涂覆层，用酒精擦拭干净后将端面切平整，然后利用光纤加工熔接平台将该单模光纤与步骤1)处理后的一个半锥(9)进行纤芯对准，进行电弧熔接处理。熔接处理后利用光纤加工熔接平台的切割程序在距离熔接点20微米处的锥区进行截断处理；
3)重复以上两个步骤，得到两段熔接有20微米长、直径为25微米的圆锥的单模-拉锥结构(11)；
4)将一段双孔光纤(12)去除涂覆层，用酒精擦拭后使用光纤加工熔接平台与经过以上步骤处理得到的单模-拉锥结构进行纤芯对准，然后进行电弧熔接处理，利用光纤加工熔接平台的切割程序在距离熔接点2.5厘米处的双孔光纤(12)进行截断处理；
5)利用光纤加工熔接平台将经过步骤4)处理后的单模-拉锥(11)-双孔光纤结构(12)与经过步骤3)处理得到的另一段单模-拉锥(11)结构进行纤芯对齐，并进行电弧熔接处理；
6)将经过步骤5)处理后的光纤内部微流控传感结构(3)置入流通池(4)内，使用微流泵(6)向传感器所在流通池内匀速泵入折射率匹配液，便可实现在光纤内部的微流控折射率传感测量。
进一步的，步骤6)中所述的折射率匹配液是由不同溶度的甘油配置而得，折射率范围为1.33-1.4。
一种基于双孔微结构光纤的微流控折射率传感器的制备方法，将超连续谱光源(1)、输入单模光纤(2)、双孔微结构光纤内部微流控传感单元(3)、输出单模光纤(4)、光谱分析仪(5)依次串联，并将微流泵(6)和废液池(7)通过双孔微结构光纤两端连接的锥形光纤与传感器相连。
本发明相比现有技术具有以下优点：
本发明结构简单新颖，采用光纤内部微流结构，实现了高灵敏度的无干扰光纤内部折射率测量，能适用于各种恶劣的应用环境中；同时创新性的提出将拉锥结构和双孔光纤相结合作为液体流通通道，制作方法简单，成本低，在折射率传感领域有着广泛的应用前景。
附图说明
图1为本发明提供的基于双孔微结构光纤的微流控折射率传感器装置图。
图2为本发明提供的基于双孔微结构光纤的光纤微流控折射率传感器的双孔微结构光纤内部微流控传感单元示意图。
图3为本发明提供的基于双孔微结构光纤的微流控折射率传感器的双孔微结构光纤内部微流控传感单元制作流程图。
具体实施方式
下面结合附图及具体实施方式对本发明进行进一步的说明。
实施例1
本实例是利用一种基于双孔微结构光纤的微流控传感器进行液体折射率的测量。由于单模光纤纤芯和拉锥光纤的直径不匹配，将会激发出高阶模式，入射光在经过入射单模光纤和第一段拉锥结构进入双孔光纤时会被分为两部分，分别在双孔微结构光纤纤芯和双孔微结构光纤包层中传输。在双孔微结构光纤的纤芯中传输的基模基本不会受到外界环境的影响。而在双孔微结构光纤包层中传输的模式的有效折射率会随着孔中的液体的折射率改变而改变，最终导致基模和高阶模的有效折射率差发生变化，从而会引发透射光谱波长的偏移。因此，通过观察透射光谱波峰/波谷的波长变化来实现对光纤内折射率的检测。
本发明的工作原理是：从超连续谱光源中发出的光通过入射单模光纤传输进入光纤内部微流控传感结构，由于纤芯直径大小不匹配，光场模式在进入双孔光纤时会被激发出高阶模式。
当光纤内部微流控传感结构内折射率改变时，会引起包层中的高阶模式有效折射率发生改变，但是纤芯中的基模保持不变，从而引起基模和高阶模式的有效折射率差变化，导致干涉光谱波长偏移。
结合附图1，一种基于双孔微结构光纤的微流控折射率传感器包括超连续谱光源(1)、入射单模光纤(2)、双孔微结构光纤内部微流控传感单元(3)、输出单模光纤(4)、光谱分析仪(5)、微流泵(6)、废液池(7)，所述双孔微结构光纤两端通过连接锥形光纤形成待测样品的进出液口，进出液口分别与微流泵(7)以及废液池(8)相连接。
结合附图2，一种基于双孔微结构光纤的微流控折射率传感器的光纤内部微流控传感结构(3)由输入单模-拉锥结构(11)、双孔微结构光纤(12)、输出单模-拉锥结构(11)组成。
结合附图3，一种基于双孔微结构光纤的微流控折射率传感器的双孔微结构光纤内部微流控传感单元(3)制备方法包括以下步骤：
步骤一：将一段单模光纤(8)中间部分去除涂覆层，用酒精擦拭后使用光纤加工熔接平台拉锥程序进行拉锥处理，过度锥区域长度、锥平坦区域长度和锥区直径分别控制在200微米、1000微米以及25微米。拉锥处理完成后利用光纤加工熔接平台切割程序在锥区中间位置进行截断处理，得到两个端面平整的半锥(9)；
步骤二：将一段单模光纤(10)去除涂覆层，用酒精擦拭干净后将端面切平整，将该单模光纤与步骤一处理后的一个半锥(9)进行纤芯对准，进行电弧熔接。熔接处理后在距离熔接点20微米处的锥区进行切割；
步骤三：重复以上三个步骤，得到两段熔接有20微米长、直径为25微米的圆锥的单模-拉锥结构(11)；
步骤四：将一段双孔光纤(12)去除涂覆层，用酒精擦拭干净后与经过以上步骤处理得到的单模-拉锥结构(11)进行纤芯对准，并进行电弧熔接。熔接处理后，在距离熔接点2.5厘米处的双孔光纤(12)进行切割；
步骤五：将经过步骤四处理后的单模-拉锥(11)-双孔光纤(12)结构与经过步骤三处理得到的另一段单模-拉锥结构(11)进行纤芯对齐和电弧熔接，最终得到双孔微结构光纤内部微流控传感单元(3)。
对一种基于双孔微结构光纤的微流控折射率传感器的折射率分辨性能进行测试。将光纤内部微流控传感结构(3)通过输入输出单模光纤(2)(4)分别与超连续谱光源(1)和光谱分析仪(5)相连。使用不同浓度的甘油配置折射率分别为1.33、1.34、1.35、1.36、1.37、1.38、1.39的折射率匹配液。将微流泵(6)与光纤内部微流控传感结构(3)连接在一起，通过双孔微结构光纤两端的锥形光纤形成的进出液口向传感器内部匀速注入液体。每次更换不同的折射率匹配液前使用酒精清洗传感器，直到传感器透射谱恢复至初始光谱再开始下一次测量。实验全程位于室温下进行。
综上，本发明的光纤折射率传感器结构新颖，制作简单，抗干扰性强，对折射率灵敏度高，在诸多领域有着广阔的应用前景。
Claims (3)
1.一种基于双孔微结构光纤的微流控折射率传感器，属于光纤传感技术领域，其特征为：由超连续谱光源(1)、入射单模光纤(2)、双孔微结构光纤内部微流控传感单元(3)、输出单模光纤(4)、光谱分析仪(5)、微流泵(6)、废液池(7)组成，所述双孔微结构光纤两端通过连接锥形光纤形成待测样品的进出液口，进出液口分别与微流泵以及废液池相连接，所述的双孔微结构光纤内部微流控传感单元(3)制备方法包括以下步骤：
1)将一段单模光纤(8)中间部分去除涂覆层，用酒精擦拭后使用光纤加工熔接平台拉锥程序进行拉锥处理，过度锥区域长度、锥平坦区域长度和锥区直径分别控制在200微米、1000微米以及25微米，拉锥处理完成后利用光纤加工熔接平台切割程序在锥区中间位置进行截断处理，得到两个端面平整的半锥(9)；
2)将一段单模光纤(10)去除涂覆层，用酒精擦拭干净后将端面切平整，然后利用光纤加工熔接平台将该单模光纤与步骤1)处理后的一个半锥(9)进行纤芯对准，进行电弧熔接处理，熔接处理后利用光纤加工熔接平台的切割程序在距离熔接点20微米处的锥区进行截断处理；
3)重复以上两个步骤，得到两段熔接有20微米长、直径为25微米的圆锥的单模-拉锥光纤结构(11)；
4)将一段双孔光纤(12)去除涂覆层，用酒精擦拭后使用光纤加工熔接平台与经过以上步骤处理得到的单模-拉锥光纤结构进行纤芯对准，然后进行电弧熔接处理，利用光纤加工熔接平台的切割程序在距离熔接点2.5厘米处的双孔光纤(12)进行截断处理；
5)利用光纤加工熔接平台将经过步骤4)处理后的单模-拉锥(11)-双孔光纤结构(12)与经过步骤3)处理得到的另一段单模-拉锥(11)结构进行纤芯对齐，并进行电弧熔接处理；
6)将经过步骤5)处理后的双孔微结构光纤内部微流控传感单元(3)与微流泵和废液池相连，使用微流泵(6)通过所述双孔微结构光纤两端连接的锥形光纤向传感器内匀速泵入折射率匹配液，便可实现在光纤内部的微流控折射率传感测量。
2.根据权利要求1所述的一种基于双孔微结构光纤的微流控折射率传感器，其特征在于步骤6)所述的折射率匹配液是由不同溶度的甘油配置而得，折射率范围为1.33-1.39。
3.一种如权利要求1所述的基于双孔微结构光纤的微流控折射率传感器的制备方法，其特征在于，将超连续谱光源(1)、输入单模光纤(2)、双孔微结构光纤内部微流控传感单元(3)、输出单模光纤(4)、光谱分析仪(5)依次串联，并将微流泵(6)和废液池(7)通过双孔微结构光纤两端连接的锥形光纤与传感器相连。
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Non-Patent Citations (2)
| Title |
|---|
| 微石英管与多孔光纤内流动特性实验研究;黄迦乐;金滔;汤珂;;工程热物理学报(第07期);全文 * |
| 拉锥光纤传感技术;余吉波;王先帆;杨文蕾;王鹏飞;;应用科学学报(第01期);全文 * |
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| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN113607688A (zh) | 2021-11-05 |
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