CN209542450U - 一种基于表面等离子体共振的高折射率液体测量装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型提出了一种基于表面等离子体共振的高折射率液体测量装置，包括基座，所述基座带有一平直放置面，所述基座远离该放置面的一侧上设有用于容纳待测液体的凹槽；所述凹槽内覆盖有金属薄膜；所述凹槽的两端分别固定设置有一单模光纤以及一多模光纤；所述凹槽的两端还分别设有用于将所述单模光纤及多模光纤密封设置在所述凹槽内的挡片；单模光纤出射宽谱光至液体中，在液体中传输并发生表面等离子体共振后，凹槽另外一端的多模光纤收光，并送至光谱仪处理，光谱仪处理得出的宽谱光共振谷的不同波长对应不同折射率待测液体，可以简单精密测出折射率高于凹槽基质折射率的待测液体折射率值。

Description

一种基于表面等离子体共振的高折射率液体测量装置

技术领域

本实用新型属于表面等离子共振传感器领域，涉及一种基于表面等离子体共振的高折射率液体测量装置。

背景技术

表面等离子体共振(Surface Plasmon Resonance，SPR)技术作为近年来新兴发展的一种传感检测技术，具有灵敏度高、响应速度快、无需标记、实时在线监测等多种优势，广泛应用于生物制药、环境监测、地质灾害检测等众多领域。基于SPR原理的光纤SPR传感器除具有SPR技术优势外，还具有光纤体积小、抗电磁干扰、耐腐蚀、耐高温、可远距离遥感测量等诸多优势。光纤SPR传感器是SPR传感技术发展的自然延伸，是传感器实现集成化、微型化、高灵敏度、高可靠性的具体体现。

SPR检测原理为：(1)入射光从光密介质射向光疏介质时，如果入射角大于临界角，则会发生全反射现象；(2)此时电磁场会渗透进光疏介质内达一定的厚度，产生倏逝波，倏逝波在传播约半个波长后仍回到光密介质中；(3)若在光密与光疏介质间存在50nm左右厚度金膜，渗透到金属薄膜内的倏逝波，引发金属中的自由电子产生表面等离子体，当表面等离子体与消逝波的频率相等时，二者将发生共振；(4)金属表面的自由电子将吸收该波段入射光的能量，导致该波段反射光能量大量减少，呈现SPR反射光谱共振谷的现象；(5)SPR现象对与产生表面等离子激元金属薄膜接触待测介质的折射率极其灵敏，以此性质为基础，可依据共振谷波长进行高灵敏度传感。

但传统利用光纤SPR检测液体折射率的方案是：在裸光纤中间段部分，去掉涂覆层和包层2-3cm，纤芯裸露后，在光纤纤芯上镀一层50nm厚的金膜，光在光纤纤芯中传导过程中，到达包层剥除段，倏逝场泄露至空气中，倏逝场完全渗透进入50nm金膜，从而发生表面等离子体共振效应。在金膜上滴不同的待测液体，改变紧靠在金属薄膜表面的介质折射率，每种折射率液体对应的最终光谱的共振谷波长不同，通过不同的共振谷波长值，可以标定每种待测液体的折射率。但此方案结构光密介质是光纤纤芯，光疏介质是待测液体，为了满足SPR发生条件，待测液体折射率必须低于光纤纤芯，即只能检测折射率低于光纤纤芯折射率的液体。对于折射率高于光纤纤芯的高折射率液体，则无法检测。

实用新型内容

有鉴于此，本实用新型的目的在于提供一种基于表面等离子体共振的高折射率液体测量装置，将待测液体作为光密介质，基座作为光疏介质，构造Kretschmann结构型表面等离子体共振结构，可以精密检测高折射率液体折射率。

为达到上述目的，本实用新型提供如下技术方案：

一种基于表面等离子体共振的高折射率液体测量装置，包括基座，所述基座带有一平直放置面，所述基座远离该放置面的一侧上设有用于容纳待测液体的凹槽；所述凹槽内覆盖有金属薄膜；所述凹槽的两端分别固定设置有一单模光纤以及一多模光纤；所述凹槽的两端还分别设有用于将所述单模光纤及多模光纤密封设置在所述凹槽内的挡片。

可选地，所述凹槽的延伸方向为第一方向，第一平面为垂直于所述第一方向的平直面；所述凹槽在所述第一平面的投影为V型、U型或半圆形。

可选地，所述凹槽两端还包括用于固定所述单模光纤及多模光纤的压片，所述压片与所述基座带有凹槽的一侧固定连接。

可选地，所述基座呈长方体，长3-5cm，宽1-2cm，高0.2-0.5cm。

可选地，所述凹槽深度大于单模光纤或多模光纤的直径。

可选地，所述金属薄膜为采用等离子溅射镀膜仪镀制的金膜，其厚度为50nm。

可选地，所述的单模光纤为裸纤，其一端为剥除涂覆层，并用光纤切割刀的平端面，该端伸入凹槽中用于为待测液体传递光线。

可选地，所述的多模光纤为裸纤，其一端为剥除涂覆层，并用光纤切割刀的平端面，该端伸入凹槽中用于为待测液体传递光线。

可选地，所述挡片为填充在压片、单模光纤或多模光纤、凹槽所构成的缝隙中的紫外固化胶。

可选地，还包括光谱仪，与多模光纤远离单模光纤的一端相连，用于接收并处理输出光线。

本实用新型的有益效果在于：

本实用新型结构简单，操作方便，体积小，将待测液体作为光密介质，石英基座作为光疏介质，构造Kretschmann结构型表面等离子体共振结构，解决了利用高灵敏的SPR效应检测高折射率液体折射率的问题。本实用新型将待测液体作为光密介质，即待测液体相当于传统结构中的光纤，在凹槽内镀金膜后再滴入待测液体，相当于在待测液体光纤表面镀金膜，待测液体既作为传导光的光纤又作为改变折射率的介质，所以只需待测液体的折射率大于基座的折射率，使光不在基座中传导就可产生SPR效应共振光谱，当在凹槽中更换不同的待测液体时，即改变了紧靠在金属薄膜表面的介质折射率，就可通过SPR共振谷波长的变化来检测大于基座折射率的高折射率液体的折射率值，巧妙解决了目前SPR测量高折射率液体困难的问题。

本实用新型的其他优点、目标和特征在某种程度上将在随后的说明书中进行阐述，并且在某种程度上，基于对下文的考察研究对本领域技术人员而言将是显而易见的，或者可以从本实用新型的实践中得到教导。本实用新型的目标和其他优点可以通过下面的说明书来实现和获得。

附图说明

为了使本实用新型的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本实用新型作优选的详细描述，其中：

图1为本实用新型的整体结构示意图；

图2为整体测量过程的示意图；

图3为光传递示意图。

具体实施方式

以下通过特定的具体实例说明本实用新型的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本实用新型的其他优点与功效。本实用新型还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本实用新型的精神下进行各种修饰或改变。需要说明的是，以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本实用新型的基本构想，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以组合。

其中，附图仅用于示例性说明，表示的仅是示意图，而非实物图，不能理解为对本实用新型的限制；为了更好地说明本实用新型的实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；对本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。

本实用新型实施例的附图中相同或相似的标号对应相同或相似的部件；在本实用新型的描述中，需要理解的是，若有术语“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此附图中描述位置关系的用语仅用于示例性说明，不能理解为对本实用新型的限制，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。

请参阅图1-图3，附图中的元件标号分别表示：基座1、凹槽2、金属薄膜3、压片4、待测液体5、单模光纤6、多模光纤7。

本实用新型涉及一种基于表面等离子体共振的高折射率液体测量装置，其特征在于，包括基座1，所述基座1带有一平直放置面，所述基座1远离该放置面的一侧上设有用于容纳待测液体5的凹槽2；所述凹槽2内覆盖有金属薄膜3；所述凹槽2的两端分别固定设置有一单模光纤6以及一多模光纤7；所述凹槽2的两端还分别设有用于将所述单模光纤6及多模光纤7密封设置在所述凹槽2内的挡片。

可选地，所述凹槽2的延伸方向为第一方向，第一平面为垂直于所述第一方向的平直面；所述凹槽2在所述第一平面的投影为V型、U型或半圆形；所述凹槽2两端还包括用于固定所述单模光纤6及多模光纤7的压片4，所述压片4与所述基座1带有凹槽2的一侧固定连接；所述基座1呈长方体，长3-5cm，宽1-2cm，高0.2-0.5cm；所述基座1深度大于单模光纤6或多模光纤7的直径；所述金属薄膜3为采用等离子溅射镀膜仪镀制的金膜，其厚度为50nm；所述的单模光纤6为裸纤，其一端为剥除涂覆层，并用光纤切割刀的平端面，该端伸入凹槽2中用于为待测液体5传递光线；所述的多模光纤7为裸纤，其一端为剥除涂覆层，并用光纤切割刀的平端面，该端伸入凹槽2中用于为待测液体5传递光线；所述挡片为填充在压片4、单模光纤6或多模光纤7、凹槽2所构成的缝隙中的紫外固化胶；还包括光谱仪，与多模光纤7远离单模光纤6的一端相连，用于接收并处理输出光线。

在本实施例中，所述凹槽2位于基座1顶面的对称轴处，所述金属薄膜3仅覆盖在凹槽2V面上，所述压片4位于凹槽2两端，所述单模光纤6和多模光纤7分别被压片4固定在凹槽2内，所述待测液体5滴满于凹槽2除去单模光纤6和多模光纤7的剩余部分，使用时，单模光纤6传递出的光射到液体中，再传递给多模光纤7，不断更换凹槽2中的液体，通过光谱图图像的变化检测出所滴液体的折射率。

在本实施例中，所述的基座1为矩形石英玻璃，长3cm，宽1cm，高0.2cm，凹槽2截面呈“V型”，其深375μm，边长216.5μm，恰能内切圆柱形裸光纤，使用激光划槽设备精密制造。所述的金属薄膜3为金膜，采用小型等离子直流溅射仪，镀在在凹槽2的两个斜面上；所述的待测液体5为可更换的高折射率待测液体5，滴满于凹槽2除去单模光纤6和多模光纤7的剩余部分，作为传导光的液体光纤，其液体折射率大于石英基座1的折射率，待测液体5折射率大于1.5；所述的压片4有两个，分别位于基座1两侧边缘的中心处，将单模光纤6和多模光纤7分别压在凹槽2内，并在压片4和圆柱形光纤、凹槽2缝隙中填充超低折射率紫外固化胶，用于将光纤牢固固定在凹槽2两端。

本实用新型使用过程中还需要使用到光源，连接在单模光纤6远离多模光纤7的一端上，用于产生光线。在使用过程中，光源产生光线，通过单模光纤6进入待测液体5，再通过多模光纤7传输至光谱仪。

本实用新型结构简单，操作方便，体积小，将待测液体5作为光密介质，石英基座1作为光疏介质，构造Kretschmann结构型表面等离子体共振结构，解决了利用高灵敏的SPR效应检测高折射率液体折射率的问题。本实用新型将待测液体5作为光密介质，即待测液体5相当于传统结构中的光纤，在凹槽2内镀金膜后再滴入待测液体5，相当于在待测液体5光纤表面镀金膜，待测液体5既作为传导光的光纤又作为改变折射率的介质，所以只需待测液体5的折射率大于基座1的折射率，使光不在基座1中传导就可产生SPR效应共振光谱，当在凹槽2中更换不同的待测液体5时，即改变了紧靠在金属薄膜3表面的介质折射率，就可通过SPR共振谷波长的变化来检测大于基座1折射率的高折射率液体的折射率值，巧妙解决了目前SPR测量高折射率液体困难的问题。

最后说明的是，以上实施例仅用以说明本实用新型的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本实用新型进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本实用新型的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本实用新型的权利要求范围当中。

Claims (10)

1.一种基于表面等离子体共振的高折射率液体测量装置，其特征在于，包括基座，所述基座带有一平直放置面，所述基座远离该放置面的一侧上设有用于容纳待测液体的凹槽；

所述凹槽内覆盖有金属薄膜；所述凹槽的两端分别固定设置有一单模光纤以及一多模光纤；所述凹槽的两端还分别设有用于将所述单模光纤及多模光纤密封设置在所述凹槽内的挡片。

2.如权利要求1中所述的基于表面等离子体共振的高折射率液体测量装置，其特征在于，所述凹槽的延伸方向为第一方向，第一平面为垂直于所述第一方向的平直面；所述凹槽在所述第一平面的投影为V型、U型或半圆形。

3.如权利要求1中所述的基于表面等离子体共振的高折射率液体测量装置，其特征在于，所述凹槽两端还包括用于固定所述单模光纤及多模光纤的压片，所述压片与所述基座带有凹槽的一侧固定连接。

4.如权利要求1中所述的基于表面等离子体共振的高折射率液体测量装置，其特征在于，所述基座呈长方体，长3-5cm，宽1-2cm，高0.2-0.5cm。

5.如权利要求2中所述的基于表面等离子体共振的高折射率液体测量装置，其特征在于，所述凹槽深度大于单模光纤或多模光纤的直径。

6.如权利要求1中所述的基于表面等离子体共振的高折射率液体测量装置，其特征在于，所述金属薄膜为采用等离子溅射镀膜仪镀制的金膜，其厚度为50nm。

7.如权利要求1中所述的基于表面等离子体共振的高折射率液体测量装置，其特征在于，所述的单模光纤为裸纤，其一端为剥除涂覆层，并用光纤切割刀的平端面，该端伸入凹槽中用于为待测液体传递光线。

8.如权利要求1或7中所述的基于表面等离子体共振的高折射率液体测量装置，其特征在于，所述的多模光纤为裸纤，其一端为剥除涂覆层，并用光纤切割刀的平端面，该端伸入凹槽中用于为待测液体传递光线。

9.如权利要求3中所述的基于表面等离子体共振的高折射率液体测量装置，其特征在于，所述挡片为填充在压片、单模光纤或多模光纤、凹槽所构成的缝隙中的紫外固化胶。

10.如权利要求1中所述的基于表面等离子体共振的高折射率液体测量装置，其特征在于，还包括光谱仪，与多模光纤远离单模光纤的一端相连，用于接收并处理输出光线。