CN203824907U - 一种表面等离子体共振光纤pH传感芯片及检测系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种表面等离子体共振光纤pH传感芯片及检测系统。该表面等离子体共振pH传感芯片包括光纤基材，其具有pH敏感区；金属层，其置于光纤基材的该pH敏感区之上；以及pH敏感薄膜层，其置于金属层之上。本实用新型通过在pH敏感区制备金属层和pH敏感薄膜层的复合结构，增大被测分子的吸附量，扩展表面等离子体波与被测分子的作用深度，从而提高该表面等离子体共振光纤pH传感芯片的灵敏度。

Description

一种表面等离子体共振光纤pH传感芯片及检测系统

技术领域

本实用新型涉及一种表面等离子体共振传感器的设计技术领域，具体涉及一种基于表面等离子体共振光纤技术的pH传感芯片，以及使用其检测溶液pH值的检测系统。

背景技术

溶液pH值是表征溶液酸碱度的一种重要化学参数。由于溶液的pH值对化学反应有很大的影响，因此pH值的测量和控制在化学、生物化学、临床化学、环境科学等领域都非常重要。传统检测pH值的方法，主要是各种玻璃电极、金属-金属氧化物电极、离子选择性电极等。传统方法制作的传感器响应时间长、稳定性差，难于测出微小变化和迅速变化。同时，由于测量基体体积大，不适用于微环境和生物活体的在线检测，更难适应在恶劣环境下的应用。

随着光纤技术和光集成技术的发展,光学pH值传感器受到极大关注并被广泛应用。与传统的电化学测量方法相比，光纤化学pH传感器具有一系列突出的优点，如体积小、不带电、抗电磁干扰性能强、无污染等，在各类化学反应、环境监测、生物医学领域及地下矿井、武器试验等危险场合的遥测遥控方面，都有广阔的应用前景，从而受到国际上的广泛重视。光纤pH传感器的原理是通过pH的变化来影响光特性，比如吸收、反射、折射率、荧光特性。光纤pH传感器中最重要的元件就是pH敏感层，通常是在光纤的尖端或者侧面添加pH敏感材料。常见的光纤pH传感器是去掉光纤的包层，然后将pH敏感薄膜镀在光纤的纤芯基材上来传感，但当外界pH值变化时，折射率的变化有限，这一点很大程度上影响了光纤pH传感器的灵敏度。近年来，基于金属纳米结构的表面等离子体共振(surface plasmon resonance,SPR)传感方法也应运而生。SPR技术是一种新兴的检测技术,与传统的分析方法相比,它具有前处理简单、无需标记、灵敏度高以及实时、连续监测等特点。

中国专利申请号为：201010621571.9的专利文献中介绍了一种表面等离子体共振光纤感测元件以及使用其感测装置。这种表面等离子体共振光纤感测元件包括一光纤基材，其具有一感测区；第一金属层，其设置于该光纤基材的该感测区上以及第二金属层，其为一金层且设置于该第一金属层上；同时提供一种表面等离子体共振感测装置，包括光源单元、表面等离子体共振光纤感测元件、光传感器和光传感器的运算显示单元，便可拓展可适用的检测物种类、可检测范围。当然，采用这种光纤感测元件通过感测区域上堆叠两层以上的不同金属材料，结合不同金属材料对于表面等离子体共振的光谱反应，增加表面等离子体共振测量范围，进而提升灵敏度及化学稳定性，但由于第二层采用金层，随着时间的增长，金层可能会被氧化，氧化后的金层捕捉待测分子的能力降低，从而导致感测元件的灵敏度降低。同时，使用极薄的贵金属(Au或Ag)薄膜来捕获待测分子，由于隐失波的有效深度一般为100nm至200nm，SPR只对穿透深度内的物质有响应，因此被测物与敏感层的相互作用通常仅被限制在薄膜表面的单分子层，SPR在垂直方向的衰减距离没有得到充分利用。

实用新型内容

本实用新型的主要目的是解决光纤pH传感器灵敏度低的问题，通过在pH敏感区引入pH敏感薄膜层和金属层的复合结构，提供一种具有高灵敏度的表面等离子体共振光纤pH传感芯片。

本实用新型的另一目的是提供一种使用本实用新型的该表面等离子体共振光纤pH传感芯片来检测溶液pH值的表面等离子体共振光纤pH传感检测系统。

为达到上述目的，本实用新型提供一种态样为表面等离子体共振光纤pH传感芯片，包括：光纤基材，其具有pH敏感区；还包括金属层和pH敏感薄膜层；所述的金属层，其置于pH敏感区之上，所述的pH敏感薄膜层，其置于金属层之上。

该表面等离子体共振光纤pH传感芯片的金属层为金、银、铜、铝以及由以上材质组成的各种合金中的任意一种，其中性能较佳者为金，厚度介于20nm至100nm之间，较佳介于30nm至50nm的范围。所述的pH敏感薄膜层为pH敏感介质，选自水凝胶或丙烯酸树脂或其他对pH值比较敏感的合成材料，厚度介于20nm至200nm之间。所述的光纤基材为侧边抛磨光纤。

本实用新型提供的另一种态样为一种表面等离子体共振光纤pH传感检测系统，包括光源单元、二光纤、上述态样的表面等离子体共振光纤pH传感芯片、紫外可见分光光度计和PC；光源单元，用于提供所需的光源；紫外可见分光光度计，用以接收待测样本pH信息的光信号；PC，用以数据处理和分析；光源单元的输出端通过一光纤与表面等离子体共振光纤pH传感芯片的一端连接，表面等离子体共振光纤pH传感芯片的另一端通过另一光纤连接于紫外可见分光光度计的输入端，紫外可见分光光度计的输出端与PC的输入端连接。所述的光源单元为发光二极管或激光二极管。所述的二光纤均为单模光纤或多模光纤。

本实用新型采用上述技术方案与现有技术相比，有益效果为：通过引入pH敏感薄膜层结构，一方面使得待测分子在介质薄膜导波层内被大量吸附，很容易改变表面等离子体波的共振条件，扩展表面等离子体波与被测分子的作用深度，从而提高光学pH传感芯片的灵敏度。另一方面，可以阻断待测分子和贵金属之间直接接触的可能性,避免了二者之间的交互作用。

附图说明

下面结合附图和实施例对本实用新型进一步说明。

图1是光纤表面等离子体共振pH传感芯片的抛面图；

图2是光纤表面等离子体共振pH传感芯片的结构示意图；

图3是光纤表面等离子体共振pH传感检测系统示意图；

图4是光纤表面等离子体共振pH传感检测系统在检测具有不同pH值的溶液时，光谱共振波长与pH值之间的关系曲线。

附图标记说明：

1-pH敏感薄膜层；2-金属层；3-光纤覆层；4-纤芯；5-入射光线；6-透射光线；7-光源单元；8-光纤；9-表面等离子体共振光纤pH传感芯片；10-光纤；11-紫外可见分光光度计；12-PC。

具体实施方式

下面结合具体的实施例说明本实用新型的实施方式，但本实用新型的实施方式不限于此。

如图1和图2所示，该表面等离子体共振光纤pH传感芯片包括：光纤基材，其具有pH敏感区；为得到本实施例中所述的pH敏感区，是将光纤覆层3腐蚀掉并对该腐蚀掉对应的光纤基材部分经侧边研磨或蚀刻工艺形成一凹槽且该凹槽暴露于纤芯4，该凹槽暴露于纤芯4的部分即为所述的pH敏感区。经上述处理过的光纤基材称之为侧边抛磨光纤，其长度约为5mm,深度约为50μm；(在实际使用中，长度和深度不限于此；研磨或蚀刻的面积也没有限制，具体可根据所需要检测的样本种类和检测环境而有不同变化，如环境湿度、温度、样本折射率等)；还包括金属层2和pH敏感薄膜层1；利用溅射、蒸镀或其它方法在pH敏感区的表面依次沉积金属层2和pH敏感薄膜层1，其中金属层2置于pH敏感区之上，pH敏感薄膜层1置于金属层2之上。

所述的金属层的材料为金、银、铜、铝以及由以上材质组成的各种合金中的任意一种，厚度介于20nm至100nm之间；所述的pH敏感薄膜层为pH敏感介质，选自水凝胶或丙烯酸树脂或其他对pH值比较敏感的合成材料，厚度介于20nm至200nm之间；本实施例中，金属层选用金膜，厚度为50nm；pH敏感薄膜层选用水凝胶薄膜，厚度为100nm。虽然本实施例中的金属层仅为单一金属材料，亦可选两种或多种金属材料的组合来扩大测量范围。

如图3所示，本实用新型所述一种表面等离子体共振光纤pH传感检测系统具有光源单元7、光纤8、表面等离子体共振光纤pH传感芯片9、光纤10、紫外可见分光光度计11和PC12。光源单元7，用于提供所需的光源；紫外可见分光光度计11，用以接收待测样本pH信息的光信号；PC12，用以数据处理和分析。光源单元7的输出端通过光纤8与表面等离子体共振光纤pH传感芯片9的一端连接，表面等离子体共振光纤pH传感芯片9的另一端通过光纤10连接于紫外可见分光光度计11的输入端，紫外可见分光光度计11的输出端与PC12的输入端连接。所述的光源单元7为发光二极管或激光二极管，光纤8和光纤10均为单模光纤或多模光纤。

本实施例中，光源单元为发光二极管，光纤为多模光纤，光源单元所产生的光源通过多模光纤传递至表面等离子体共振光纤pH传感芯片，入射光线5中横磁偏振光到达金属层表面时部分波矢渗入金属层内部形成倏逝波，并借助其在金属层和pH敏感薄膜层界面激发表面等离子体模式，同时也在pH敏感薄膜层内激发导模，然后带有待测样本pH信息的光信号(即图1和图2中的透射光线6)通过多模光纤传递至紫外可见分光光度计，接着，所有的信号都被传递至PC，以进行分析与计算，表征出待测样本的信息。通过引入pH敏感薄膜层，当待测分子在pH敏感薄膜导波层内被吸附时，很容易改变表面等离子体波的共振条件，从而影响探测的反射光信号，达到提高光纤pH传感器灵敏度的目的。

测试例

利用实施例所述的光纤表面等离子体共振pH传感检测系统，测试实施例中表面等离子体共振光纤pH传感芯片对不同pH值(3-12)的待测样本的反应，结果如图4所示。图4的光谱图结果显示，实施例中的表面等离子体共振光纤pH传感检测系统对不同pH值的样本具有良好的识别效果，不同pH对应的表面等离子体共振波长也不同。

本实用新型通过在光纤基材的pH敏感区制备金属薄膜和pH敏感薄膜的复合结构，提高了表面等离子体共振光纤pH传感芯片的灵敏度，可以解决上述灵敏度不高及系统复杂的问题。使用光纤作为控制光传输的元件，克服了表面等离子体共振传感检测系统中通常使用棱镜的缺点。

上述实施例为本实用新型较佳的实施方式，但本实用新型的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本实用新型精神实质与原理下所做的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种表面等离子体共振光纤pH传感芯片，包括：光纤基材，其具有pH敏感区；其特征在于：还包括金属层和pH敏感薄膜层；所述的金属层，其置于pH敏感区之上，所述的pH敏感薄膜层，其置于金属层之上。

2.根据权利要求1所述的一种表面等离子体共振光纤pH传感芯片，其特征在于：所述的金属层采用的材质为金、银、铜、铝以及由以上材质组成的各种合金中的任意一种。

3.根据权利要求2所述的一种表面等离子体共振光纤pH传感芯片，其特征在于：所述的金属层的厚度介于20nm至100nm之间。

4.根据权利要求1所述的一种表面等离子体共振光纤pH传感芯片，其特征在于：所述的pH敏感薄膜层采用的材质为水凝胶或丙烯酸树脂。

5.根据权利要求4所述的一种表面等离子体共振光纤pH传感芯片，其特征在于：所述的pH敏感薄膜层的厚度介于20nm至200nm之间。

6.根据权利要求1所述的一种表面等离子体共振光纤pH传感芯片，其特征在于：所述的光纤基材为侧边抛磨光纤。

7.一种表面等离子体共振光纤pH传感检测系统，其特征在于：包括光源单元、二光纤、如权利要求1至6中任意之一所述的一种表面等离子体共振光纤pH传感芯片、紫外可见分光光度计和PC；

光源单元的输出端通过一光纤与表面等离子体共振光纤pH传感芯片一端连接，表面等离子体共振光纤pH传感芯片的另一端通过另一光纤连接于紫外可见分光光度计的输入端，紫外可见分光光度计的输出端与PC的输入端连接。

8.根据权利要求7所述的一种表面等离子体共振光纤pH传感检测系统，其特征在于：所述的光源单元为发光二极管或激光二极管。

9.根据权利要求7所述的一种表面等离子体共振光纤pH传感检测系统，其特征在于：所述的二光纤均为单模光纤或多模光纤。