專利名稱：角度調(diào)諧式多通道光纖表面等離子體共振傳感探頭的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于生化檢測和光纖傳感技術(shù)領(lǐng)域。涉及一種多通道、高靈敏度的光纖表面等離子體共振(SPR)傳感器的設(shè)計和消除溫度、濕度等環(huán)境干擾的實現(xiàn)方法，特別適于醫(yī)療衛(wèi)生、工業(yè)生產(chǎn)以及安全檢測等領(lǐng)域中用于各類氣體和液體的實時檢測和報警。
背景技術(shù)：
表面等離子共振(Surface Plasmon Resonance，SPR)傳感器是一種新型的光電檢測技術(shù)，它的關(guān)鍵探測部分是一個基于表面等離子體共振效應的敏感區(qū)域，當入射光在滿足一定條件時，引起金屬自由電子的共振，從而使反射光大大減弱來實現(xiàn)傳感效應。與傳統(tǒng)的傳感器相比，它具有設(shè)備簡單、靈敏度高、穩(wěn)定性好、響應速度快等優(yōu)點，已經(jīng)在醫(yī)學、生物、環(huán)境、食品檢測、制藥等許多重要領(lǐng)域得到廣泛的應用并逐漸走向成熟，具有良好的發(fā)展前景。目前，棱鏡式sra傳感器在國外已經(jīng)有了商品化的成品儀器，并且也可以實現(xiàn)多通道在線檢測，但是由于其結(jié)構(gòu)復雜、體積龐大、不適宜便攜式測量等，應用推廣受到很大的限制。光纖因其本身的小尺寸、高靈活性以及成本低等獨特優(yōu)勢，成為便攜式傳感器的一種發(fā)展方向。光纖sra傳感器與棱鏡sra傳感器相比，具有靈敏度高，響應速度快，動態(tài)范圍大，防電磁干擾，超高絕緣，無源性，適于實時檢測，體積小，靈活性高等優(yōu)點。但是，目前的光纖sra傳感探頭多為sra傳感區(qū)在光纖側(cè)面的實施方案，與此相對應的探測光譜多為寬帶光在光纖中各個入射角的累積光譜，半峰寬及共振信號強度都不夠理想，還沒有出現(xiàn)在光纖端面的實施的入射角可調(diào)、可控的光纖表面等離子體共振傳感器。另外，現(xiàn)有的光纖 SI3R信號容易受到溫度、濕度等環(huán)境的影響，在消除背景干擾以及多通道檢測方面還沒有很好的解決辦法。雖然已有用于多通道檢測的多個傳感光纖組合形式的探頭的實施方案，但在同一根光纖上實現(xiàn)多通道、多參量同時探測，特別是通過調(diào)節(jié)光纖中傳感光束的入射角來實現(xiàn)多通道并行檢測的實施方案還鮮有報道。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是提供一種能夠?qū)崿F(xiàn)入射角可控、可調(diào)的多通道多參量同時檢測的光纖sra傳感器，從而對傳感信號進行實時的溫度、濕度補償，精確地對氣體、 液體的物理、化學等特性進行便攜式檢測。本發(fā)明的技術(shù)方案是，該角度調(diào)諧式多通道光纖表面等離子體共振傳感探頭具有位于光纖端面的棱錐結(jié)構(gòu)(參見圖1)，相對的兩個面為一組傳感單元，每組傳感單元的兩個表面互相垂直(參見圖幻，其中一個表面所鍍制較厚金膜作為反射表面使用，另一表面上鍍制Cr膜之后再鍍制Au或Ag膜，該表面為Sra敏感區(qū)，用以實現(xiàn)對待測物質(zhì)的探測。本發(fā)明的傳感探頭采用大孔徑多模光纖，反射表面鍍制金膜或銀膜形成微反射鏡實現(xiàn)對于入射光的反射，與其互補的Sra傳感表面上鍍制的Au或Ag膜厚度為35-65nm，并采用厚度為2-7nm的Cr膜增強Au膜或Ag膜同光纖纖芯的附著性。解決各個通道間串擾問題、實現(xiàn)通道隔離通過調(diào)節(jié)各個傳感表面相對于光纖軸線的角度以及在sra傳感表面生長對SPR共振峰位置具有調(diào)制功能的聚合物膜系結(jié)構(gòu)來實現(xiàn)。上述光纖sra探頭配合光源、探測系統(tǒng)，可以實現(xiàn)對于多參量的高靈敏度并行探測，并且消除溫度、濕度對于傳感系統(tǒng)的干擾。本發(fā)明所述角度調(diào)諧式多通道光纖表面等離子體共振傳感探頭，配以寬帶光源及光譜檢測系統(tǒng)(參見圖3)，通過下述方式實現(xiàn)多參量的并行檢測(ι)單模光纖和分路器將光源發(fā)出的寬帶復合光耦合進光纖探頭，保證光纖sra 傳感頭中的入射光傳輸方向與光纖軸平行。(2)每一個sra敏感表面使入射光具有固定的入射角，并使特定波長的光發(fā)生入射角一定的表面等離子體共振，隨后光束經(jīng)反射表面的反射翻轉(zhuǎn)180°，分路器及傳輸光纖將攜帶探測信息的光束耦合進光譜儀中。(3)多組角度可調(diào)的SI^R傳感表面使同一光束同時發(fā)生多次表面等離子體共振現(xiàn)象，并使其反射光譜出現(xiàn)多個sra共振峰(參見圖4)，從而實現(xiàn)多通道多參量同時傳感，并且消除溫度、濕度對于測量的影響。本發(fā)明的效果和益處是能夠?qū)崿F(xiàn)光纖中對于入射角的控制，以實現(xiàn)多通道多參量的同時檢測，從而對傳感器實現(xiàn)溫度、濕度等環(huán)境的補償。其探測獲得的共振信號靈敏度高、分辨率高、穩(wěn)定性好，能夠精確、快速地對氣體、液體的各項待測特性進行便攜式檢測， 具有廣闊的應用價值。


圖1是角度調(diào)諧式多通道光纖表面等離子體共振傳感探頭的三維視圖。圖中(a)角度調(diào)諧式單通道光纖表面等離子體共振傳感探頭的三維視圖；(b)角度調(diào)諧式單通道光纖表面等離子體共振傳感探頭的刨切視圖；(c)角度調(diào)諧式六通道光纖表面等離子體共振傳感探頭的三維視圖；(d)角度調(diào)諧式六通道光纖表面等離子體共振傳感探頭的刨切視圖。圖2是角度調(diào)諧式多通道光纖表面等離子體共振傳感探頭的一對傳感單元的縱剖面圖結(jié)構(gòu)圖。圖中1反射表面；2SPR敏感表面。圖3是傳感系統(tǒng)的組成結(jié)構(gòu)圖。圖中3光電信號采集系統(tǒng)；4光源；5角度調(diào)諧式多通道光纖表面等離子體共振傳感探頭。圖4是角度調(diào)諧式多通道光纖表面等離子體共振傳感探頭的模擬光譜圖。圖中(a)角度調(diào)諧式三通道光纖表面等離子體共振傳感探頭的模擬光譜圖；(b)角度調(diào)諧式六通道光纖表面等離子體共振傳感探頭的模擬光譜圖。圖5是角度調(diào)諧式光纖表面等離子體共振傳感探頭對氨氣測量的實驗曲線圖。
具體實施例方式以下結(jié)合技術(shù)方案和附圖詳細敘述本發(fā)明的具體實施方式
。
本角度調(diào)諧式多通道光纖表面等離子體共振傳感頭具體實施時使用了 QTH燈、 角度調(diào)諧式光纖表面等離子體共振傳感頭、Chromex 500IS光譜儀(f/8with0. 5m focal length)以及數(shù)值孔徑為0.22的單模光纖跳線。QTH是由直流電源控制的。光譜儀中光柵 (300g mm1)光譜范圍為87nm，圖像采集器件為IOMX IOM像素的Andor CCD相機。待測氣體為氨氣。在氨氣的濃度配比過程中，采用干燥的空氣用來稀釋濃度為4%的氨氣，空氣流量的控制由質(zhì)量流量計來控制，測試的氨氣濃度范圍為0. 08% -2. 00%。在實施過程中， 還要用氧化鈣來干燥氨氣，以及通風設(shè)備來保證實施的安全性。將QTH燈發(fā)出的光由跳線耦合到棱錐結(jié)構(gòu)光纖探頭中，經(jīng)過Sra敏感表面、反射表面翻轉(zhuǎn)180°，再由跳線耦合到光譜儀中，由C⑶相機進行數(shù)字圖像的記錄、計算機的分析測試。經(jīng)過測試，得到了 sra共振波長和氨氣濃度呈線性關(guān)系(參見圖5)，并通過理論計算，得到了如下方程Δ λ SPE = 0. 63 Δ C+0. 0088其中是Δ λ,波長變化量，AC是濃度變化量。氨氣濃度為0.0397%的均方差誤差為0. 00-2. 00 %。氨氣濃度變化0. 08 %，共振波長變化為0. 05nm。
權(quán)利要求
1.角度調(diào)諧式多通道光纖表面等離子體共振傳感探頭，其特征是該探頭包含Sra傳感表面和反射表面，相對的sra傳感表面和反射表面夾角為90°且均為扇形，形成一個傳感通道，每個SI^R傳感表面相對于光纖軸線的角度可調(diào)，多組互余的SI3R傳感表面和反射表面集中在同一光纖的一端并交于一點，形成多面棱錐結(jié)構(gòu)，多組sra傳感表面同時發(fā)生表面等離子體共振傳感。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的角度調(diào)諧式多通道光纖表面等離子體共振傳感探頭，其特征是每一 Sra傳感表面上緊貼光纖纖芯鍍制2-7nm厚的Cr膜，緊貼Cr膜鍍制35-65nm厚的 Au膜或Ag膜。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的角度調(diào)諧式多通道光纖表面等離子體共振傳感探頭，其特征是每個反射表面均有一與其互余的sra傳感表面相對應，反射表面上鍍制Au膜或Ag膜形成微反射鏡。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的角度調(diào)諧式多通道光纖表面等離子體共振傳感探頭，其特征是光纖探頭材料為多模光纖。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的角度調(diào)諧式多通道光纖表面等離子體共振傳感探頭，其特征是傳感表面相對于光纖軸線的角度調(diào)節(jié)以及sra傳感表面上生長對sra共振峰位置具有調(diào)制功能的聚合物膜系結(jié)構(gòu)是解決通道串擾、實現(xiàn)通道隔離以及調(diào)制sra共振峰位置的實施方法。
全文摘要
角度調(diào)諧式多通道光纖表面等離子體共振傳感探頭，屬于生化檢測和光纖傳感技術(shù)領(lǐng)域。其特征是角度調(diào)諧式多通道光纖表面等離子體共振傳感探頭由SPR傳感表面和反射表面構(gòu)成。相對的SPR傳感表面和反射表面夾角為90°，形成一個傳感通道。SPR傳感表面上緊貼光纖纖芯鍍制2-7nm厚的Cr膜，緊貼Cr膜鍍制35-65nm厚的Au膜或Ag膜；反射表面上鍍制Au膜或Ag膜形成微反射鏡。每個SPR傳感表面相對于光纖軸線的角度可調(diào)，多組互余的SPR傳感表面和反射表面集中在同一光纖的一端并交于一點，形成多面棱錐結(jié)構(gòu)，多組SPR傳感表面同時發(fā)生表面等離子體共振傳感。本發(fā)明的效果和益處是，能夠?qū)崿F(xiàn)光纖中對于入射角的控制，以實現(xiàn)多通道多參量的便攜式并行檢測，具有廣闊的應用價值。
文檔編號G01N21/55GK102213675SQ201110089650
公開日2011年10月12日 申請日期2011年3月31日 優(yōu)先權(quán)日2011年3月31日
發(fā)明者彭偉, 李虹, 荊振國 申請人:大連理工大學