一種表面等離子體共振光纖pH傳感芯片及檢測系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】本實用新型公開了一種表面等離子體共振光纖pH傳感芯片及檢測系統(tǒng)。該表面等離子體共振pH傳感芯片包括光纖基材，其具有pH敏感區(qū)；金屬層，其置于光纖基材的該pH敏感區(qū)之上；以及pH敏感薄膜層，其置于金屬層之上。本實用新型通過在pH敏感區(qū)制備金屬層和pH敏感薄膜層的復(fù)合結(jié)構(gòu)，增大被測分子的吸附量，擴展表面等離子體波與被測分子的作用深度，從而提高該表面等離子體共振光纖pH傳感芯片的靈敏度。
【專利說明】一種表面等離子體共振光纖pH傳感芯片及檢測系統(tǒng)
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本實用新型涉及一種表面等離子體共振傳感器的設(shè)計【技術(shù)領(lǐng)域】，具體涉及一種基于表面等離子體共振光纖技術(shù)的PH傳感芯片，以及使用其檢測溶液pH值的檢測系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002]溶液pH值是表征溶液酸堿度的一種重要化學(xué)參數(shù)。由于溶液的pH值對化學(xué)反應(yīng)有很大的影響，因此PH值的測量和控制在化學(xué)、生物化學(xué)、臨床化學(xué)、環(huán)境科學(xué)等領(lǐng)域都非常重要。傳統(tǒng)檢測PH值的方法，主要是各種玻璃電極、金屬-金屬氧化物電極、離子選擇性電極等。傳統(tǒng)方法制作的傳感器響應(yīng)時間長、穩(wěn)定性差，難于測出微小變化和迅速變化。同時，由于測量基體體積大，不適用于微環(huán)境和生物活體的在線檢測，更難適應(yīng)在惡劣環(huán)境下的應(yīng)用。
[0003]隨著光纖技術(shù)和光集成技術(shù)的發(fā)展，光學(xué)pH值傳感器受到極大關(guān)注并被廣泛應(yīng)用。與傳統(tǒng)的電化學(xué)測量方法相比，光纖化學(xué)PH傳感器具有一系列突出的優(yōu)點，如體積小、不帶電、抗電磁干擾性能強、無污染等，在各類化學(xué)反應(yīng)、環(huán)境監(jiān)測、生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域及地下礦井、武器試驗等危險場合的遙測遙控方面，都有廣闊的應(yīng)用前景，從而受到國際上的廣泛重視。光纖PH傳感器的原理是通過pH的變化來影響光特性，比如吸收、反射、折射率、熒光特性。光纖PH傳感器中最重要的元件就是pH敏感層，通常是在光纖的尖端或者側(cè)面添加PH敏感材料。常見的光纖pH傳感器是去掉光纖的包層，然后將pH敏感薄膜鍍在光纖的纖芯基材上來傳感，但當(dāng)外界pH值變化時，折射率的變化有限，這一點很大程度上影響了光纖pH傳感器的靈敏度。近年來，基于金屬納米結(jié)構(gòu)的表面等離子體共振(surface plasmonresonance, SPR)傳感方法也應(yīng)運而生。SPR技術(shù)是一種新興的檢測技術(shù)，與傳統(tǒng)的分析方法相比，它具有前處理簡單、無需標(biāo)記、靈敏度高以及實時、連續(xù)監(jiān)測等特點。
[0004]中國專利申請?zhí)枮?201010621571.9的專利文獻中介紹了一種表面等離子體共振光纖感測元件以及使用其感測裝置。這種表面等離子體共振光纖感測元件包括一光纖基材，其具有一感測區(qū)；第一金屬層，其設(shè)置于該光纖基材的該感測區(qū)上以及第二金屬層，其為一金層且設(shè)置于該第一金屬層上；同時提供一種表面等離子體共振感測裝置，包括光源單元、表面等離子體共振光纖感測元件、光傳感器和光傳感器的運算顯示單元，便可拓展可適用的檢測物種類、可檢測范圍。當(dāng)然，采用這種光纖感測元件通過感測區(qū)域上堆疊兩層以上的不同金屬材料，結(jié)合不同金屬材料對于表面等離子體共振的光譜反應(yīng)，增加表面等離子體共振測量范圍，進而提升靈敏度及化學(xué)穩(wěn)定性，但由于第二層采用金層，隨著時間的增長，金層可能會被氧化，氧化后的金層捕捉待測分子的能力降低，從而導(dǎo)致感測元件的靈敏度降低。同時，使用極薄的貴金屬(Au或Ag)薄膜來捕獲待測分子，由于隱失波的有效深度一般為10nm至200nm，SPR只對穿透深度內(nèi)的物質(zhì)有響應(yīng)，因此被測物與敏感層的相互作用通常僅被限制在薄膜表面的單分子層，SPR在垂直方向的衰減距離沒有得到充分利用。
實用新型內(nèi)容[0005]本實用新型的主要目的是解決光纖pH傳感器靈敏度低的問題，通過在pH敏感區(qū)引入PH敏感薄膜層和金屬層的復(fù)合結(jié)構(gòu)，提供一種具有高靈敏度的表面等離子體共振光纖PH傳感芯片。
[0006]本實用新型的另一目的是提供一種使用本實用新型的該表面等離子體共振光纖pH傳感芯片來檢測溶液pH值的表面等離子體共振光纖pH傳感檢測系統(tǒng)。
[0007]為達到上述目的，本實用新型提供一種態(tài)樣為表面等離子體共振光纖pH傳感芯片，包括:光纖基材，其具有PH敏感區(qū)；還包括金屬層和pH敏感薄膜層；所述的金屬層，其置于PH敏感區(qū)之上，所述的pH敏感薄膜層，其置于金屬層之上。
[0008]該表面等離子體共振光纖pH傳感芯片的金屬層為金、銀、銅、鋁以及由以上材質(zhì)組成的各種合金中的任意一種，其中性能較佳者為金，厚度介于20nm至10nm之間,較佳介于30nm至50nm的范圍。所述的pH敏感薄膜層為pH敏感介質(zhì),選自水凝膠或丙烯酸樹脂或其他對pH值比較敏感的合成材料,厚度介于20nm至200nm之間。所述的光纖基材為側(cè)邊拋磨光纖。
[0009]本實用新型提供的另一種態(tài)樣為一種表面等離子體共振光纖pH傳感檢測系統(tǒng)，包括光源單元、二光纖、上述態(tài)樣的表面等離子體共振光纖PH傳感芯片、紫外可見分光光度計和PC ;光源單元，用于提供所需的光源；紫外可見分光光度計，用以接收待測樣本pH信息的光信號；PC，用以數(shù)據(jù)處理和分析；光源單元的輸出端通過一光纖與表面等離子體共振光纖PH傳感芯片的一端連接，表面等離子體共振光纖pH傳感芯片的另一端通過另一光纖連接于紫外可見分光光度計的輸入端，紫外可見分光光度計的輸出端與PC的輸入端連接。所述的光源單元為發(fā)光二極管或激光二極管。所述的二光纖均為單模光纖或多模光纖。
[0010]本實用新型采用上述技術(shù)方案與現(xiàn)有技術(shù)相比，有益效果為:通過引入pH敏感薄膜層結(jié)構(gòu)，一方面使得待測分子在介質(zhì)薄膜導(dǎo)波層內(nèi)被大量吸附，很容易改變表面等離子體波的共振條件，擴展表面等離子體波與被測分子的作用深度，從而提高光學(xué)PH傳感芯片的靈敏度。另一方面，可以阻斷待測分子和貴金屬之間直接接觸的可能性，避免了二者之間的交互作用。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0011]下面結(jié)合附圖和實施例對本實用新型進一步說明。
[0012]圖1是光纖表面等離子體共振pH傳感芯片的拋面圖；
[0013]圖2是光纖表面等離子體共振pH傳感芯片的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0014]圖3是光纖表面等離子體共振pH傳感檢測系統(tǒng)示意圖；
[0015]圖4是光纖表面等離子體共振pH傳感檢測系統(tǒng)在檢測具有不同pH值的溶液時，光譜共振波長與PH值之間的關(guān)系曲線。
[0016]附圖標(biāo)記說明:
[0017]Ι-pH敏感薄膜層；2_金屬層；3_光纖覆層；4-纖芯；5_入射光線；6_透射光線；7-光源單兀；8-光纖；9_表面等離子體共振光纖pH傳感芯片；10_光纖；11-紫外可見分光光度計；12-PC。
【具體實施方式】[0018]下面結(jié)合具體的實施例說明本實用新型的實施方式，但本實用新型的實施方式不限于此。
[0019]如圖1和圖2所示，該表面等離子體共振光纖pH傳感芯片包括:光纖基材，其具有pH敏感區(qū)；為得到本實施例中所述的pH敏感區(qū)，是將光纖覆層3腐蝕掉并對該腐蝕掉對應(yīng)的光纖基材部分經(jīng)側(cè)邊研磨或蝕刻工藝形成一凹槽且該凹槽暴露于纖芯4，該凹槽暴露于纖芯4的部分即為所述的pH敏感區(qū)。經(jīng)上述處理過的光纖基材稱之為側(cè)邊拋磨光纖，其長度約為5mm,深度約為50μηι;(在實際使用中，長度和深度不限于此；研磨或蝕刻的面積也沒有限制，具體可根據(jù)所需要檢測的樣本種類和檢測環(huán)境而有不同變化，如環(huán)境濕度、溫度、樣本折射率等)；還包括金屬層2和pH敏感薄膜層I ;利用濺射、蒸鍍或其它方法在pH敏感區(qū)的表面依次沉積金屬層2和pH敏感薄膜層I，其中金屬層2置于pH敏感區(qū)之上，pH敏感薄膜層I置于金屬層2之上。
[0020]所述的金屬層的材料為金、銀、銅、鋁以及由以上材質(zhì)組成的各種合金中的任意一種，厚度介于20nm至10nm之間；所述的pH敏感薄膜層為pH敏感介質(zhì),選自水凝膠或丙烯酸樹脂或其他對pH值比較敏感的合成材料,厚度介于20nm至200nm之間；本實施例中，金屬層選用金膜，厚度為50nm ;pH敏感薄膜層選用水凝膠薄膜，厚度為lOOnm。雖然本實施例中的金屬層僅為單一金屬材料，亦可選兩種或多種金屬材料的組合來擴大測量范圍。
[0021 ] 如圖3所示，本實用新型所述一種表面等離子體共振光纖pH傳感檢測系統(tǒng)具有光源單元7、光纖8、表面等離子體共振光纖pH傳感芯片9、光纖10、紫外可見分光光度計11和PC12。光源單元7，用于提供所需的光源；紫外可見分光光度計11，用以接收待測樣本pH信息的光信號；PC12，用以數(shù)據(jù)處理和分析。光源單元7的輸出端通過光纖8與表面等離子體共振光纖PH傳感芯片9的一端連接，表面等離子體共振光纖pH傳感芯片9的另一端通過光纖10連接于紫外可見分光光度計11的輸入端,紫外可見分光光度計11的輸出端與PC12的輸入端連接。所述的光源單元7為發(fā)光二極管或激光二極管，光纖8和光纖10均為單模光纖或多模光纖。
[0022]本實施例中，光源單元為發(fā)光二極管，光纖為多模光纖，光源單元所產(chǎn)生的光源通過多模光纖傳遞至表面等離子體共振光纖PH傳感芯片，入射光線5中橫磁偏振光到達金屬層表面時部分波矢滲入金屬層內(nèi)部形成倏逝波，并借助其在金屬層和PH敏感薄膜層界面激發(fā)表面等離子體模式，同時也在PH敏感薄膜層內(nèi)激發(fā)導(dǎo)模，然后帶有待測樣本pH信息的光信號(即圖1和圖2中的透射光線6)通過多模光纖傳遞至紫外可見分光光度計，接著，所有的信號都被傳遞至PC，以進行分析與計算，表征出待測樣本的信息。通過引入pH敏感薄膜層，當(dāng)待測分子在PH敏感薄膜導(dǎo)波層內(nèi)被吸附時，很容易改變表面等離子體波的共振條件，從而影響探測的反射光信號，達到提高光纖PH傳感器靈敏度的目的。
[0023]測試?yán)?br> [0024]利用實施例所述的光纖表面等離子體共振pH傳感檢測系統(tǒng)，測試實施例中表面等離子體共振光纖PH傳感芯片對不同pH值(3-12)的待測樣本的反應(yīng)，結(jié)果如圖4所示。圖4的光譜圖結(jié)果顯示，實施例中的表面等離子體共振光纖pH傳感檢測系統(tǒng)對不同pH值的樣本具有良好的識別效果，不同PH對應(yīng)的表面等離子體共振波長也不同。
[0025]本實用新型通過在光纖基材的pH敏感區(qū)制備金屬薄膜和pH敏感薄膜的復(fù)合結(jié)構(gòu)，提高了表面等離子體共振光纖PH傳感芯片的靈敏度，可以解決上述靈敏度不高及系統(tǒng)復(fù)雜的問題。使用光纖作為控制光傳輸?shù)脑朔吮砻娴入x子體共振傳感檢測系統(tǒng)中通常使用棱鏡的缺點。
[0026]上述實施例為本實用新型較佳的實施方式，但本實用新型的實施方式并不受上述實施例的限制，其他的任何未背離本實用新型精神實質(zhì)與原理下所做的改變、修飾、替代、組合、簡化，均應(yīng)為等效的置換方式，都包含在本實用新型的保護范圍之內(nèi)。
【權(quán)利要求】
1.一種表面等離子體共振光纖PH傳感芯片，包括:光纖基材，其具有pH敏感區(qū)；其特征在于:還包括金屬層和pH敏感薄膜層；所述的金屬層，其置于pH敏感區(qū)之上，所述的pH敏感薄膜層，其置于金屬層之上。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種表面等離子體共振光纖pH傳感芯片，其特征在于:所述的金屬層采用的材質(zhì)為金、銀、銅、鋁以及由以上材質(zhì)組成的各種合金中的任意一種。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種表面等離子體共振光纖pH傳感芯片，其特征在于:所述的金屬層的厚度介于20nm至10nm之間。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種表面等離子體共振光纖PH傳感芯片，其特征在于:所述的PH敏感薄膜層采用的材質(zhì)為水凝膠或丙烯酸樹脂。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的一種表面等離子體共振光纖pH傳感芯片，其特征在于:所述的pH敏感薄膜層的厚度介于20nm至200nm之間。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種表面等離子體共振光纖PH傳感芯片，其特征在于:所述的光纖基材為側(cè)邊拋磨光纖。
7.一種表面等離子體共振光纖pH傳感檢測系統(tǒng)，其特征在于:包括光源單元、二光纖、如權(quán)利要求1至6中任意之一所述的一種表面等離子體共振光纖pH傳感芯片、紫外可見分光光度計和PC ； 光源單元的輸出端通過一光纖與表面等離子體共振光纖PH傳感芯片一端連接，表面等離子體共振光纖PH傳感芯片的另一端通過另一光纖連接于紫外可見分光光度計的輸入端，紫外可見分光光度計的輸出端與PC的輸入端連接。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的一種表面等離子體共振光纖pH傳感檢測系統(tǒng)，其特征在于:所述的光源單元為發(fā)光二極管或激光二極管。
9.根據(jù)權(quán)利要求7所述的一種表面等離子體共振光纖pH傳感檢測系統(tǒng)，其特征在于:所述的二光纖均為單模光纖或多模光纖。
【文檔編號】G01N21/552GK203824907SQ201420217242
【公開日】2014年9月10日 申請日期:2014年4月29日 優(yōu)先權(quán)日:2014年4月29日
【發(fā)明者】鄭改革, 徐林華, 吳義根 申請人:南京信息工程大學(xué)