一種可用于檢測(cè)氣體、液體的光纖傳感探頭的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種可用于檢測(cè)氣體、液體的光纖傳感探頭及其制備方法，本發(fā)明中所用傳感光纖具有微孔道結(jié)構(gòu)，對(duì)其一端側(cè)面開微孔，另一端端面鍍反射膜即可構(gòu)成用于檢測(cè)氣體、液體的光纖傳感探頭。該光纖傳感探頭可與Y型光纖、光環(huán)路器或光耦合器等相結(jié)合構(gòu)成光纖傳感器，也可結(jié)合光源和檢測(cè)器構(gòu)成光纖傳感系統(tǒng)。本發(fā)明具有集成度高、加工簡(jiǎn)易、樣品池位于光纖內(nèi)部、信號(hào)穩(wěn)定性高且傳感區(qū)長(zhǎng)度可調(diào)等優(yōu)點(diǎn)，本發(fā)明可用于環(huán)境檢測(cè)、食品檢測(cè)、醫(yī)療檢測(cè)等多種領(lǐng)域中對(duì)氣體、液體的檢測(cè)。
【專利說明】
一種可用于檢測(cè)氣體、液體的光纖傳感探頭
(一)
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本發(fā)明為一種全光纖、高集成光纖傳感探頭，尤其涉及一種可用于檢測(cè)氣體、液體的光纖傳感探頭及其制備方法。
(二)
【背景技術(shù)】
[0002]光纖傳感器由于具有抗電磁干擾、靈敏度高、電絕緣性好、安全可靠、耐腐蝕、微型化等諸多優(yōu)點(diǎn)，已廣泛應(yīng)用于對(duì)各種氣體和液體中的離子、生物分子、藥物、各種溶解性氣體等進(jìn)彳丁檢測(cè)。
[0003]光纖氣體傳感器或光纖液體傳感器根據(jù)其傳感原理不同可分為光譜吸收型、熒光型、染料指示劑型、折射率變化型和倏逝波型等。多年來，人們根據(jù)其需求不斷對(duì)光纖氣體傳感器或光纖液體傳感器的結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)，然而這些改進(jìn)雖然使得光纖傳感器靈敏度有所提高，但仍普遍存在較多問題，如測(cè)量系統(tǒng)較復(fù)雜、光學(xué)元件較多、成本較高、穩(wěn)定性差等缺點(diǎn)。而且這些光纖氣體或液體傳感器均需借助外界反應(yīng)池才能完成傳感反應(yīng)，這就使得該種傳感器傳感探頭在傳感過程中，光纖的敏感層或纖芯處于敞開狀態(tài)，因此造成傳感部位的極大脆性。如2009年福州高意通訊有限公司吳礪等人設(shè)計(jì)的一種光纖傳感器結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)將錐形光纖置于3段毛細(xì)管套內(nèi)構(gòu)造了封閉式氣體或液體傳感腔，通過收集錐形光纖產(chǎn)生的熒光或拉曼光對(duì)待測(cè)氣體或液體進(jìn)行檢測(cè)，簡(jiǎn)化了光纖氣體傳感器或光纖液體傳感器的結(jié)構(gòu)。然而至今這些光纖氣體或液體傳感探頭主要是基于普通單模光纖或多模標(biāo)準(zhǔn)光纖為傳導(dǎo)介質(zhì)所構(gòu)造的，這種基于傳統(tǒng)光纖構(gòu)造的傳感器探頭的負(fù)載量有限，靈敏度較難提高。2010年苑立波等提出了一種基于內(nèi)壁波導(dǎo)型毛細(xì)管光纖的倏逝場(chǎng)生化傳感器，利用內(nèi)壁波導(dǎo)型毛細(xì)管光纖構(gòu)造光學(xué)傳感腔構(gòu)造了一種感應(yīng)面積大、結(jié)構(gòu)集成度高的光纖在線倏逝場(chǎng)生化傳感器。但輸入輸出光信號(hào)須采用光纖側(cè)剖耦合技術(shù)，且樣品出口須與真空栗相連，這不僅使系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜化，同時(shí)增大了儀器體積，難以發(fā)揮利用毛細(xì)管光纖構(gòu)造光纖傳感器的輕便、高度集成等優(yōu)勢(shì)。有關(guān)涉及到本發(fā)明技術(shù)的文獻(xiàn)和報(bào)道包括:[I]吳礪，陳燕平，孫朝陽(yáng)，凌吉武.一種光纖傳感器結(jié)構(gòu)[Z].CN101587077A:福州高意通訊有限公司，2009.[2]苑立波，楊興華，張濤.一種基于內(nèi)壁波導(dǎo)型毛細(xì)管光纖的倏逝場(chǎng)生化傳感器[Z].CN101900682A:哈爾濱工程大學(xué)，2010
(三)

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明要解決的問題是，提供一種可用于檢測(cè)氣體、液體的光纖傳感探頭，它可以很方便地與Y型光纖、光環(huán)路器或光耦合器等相結(jié)合構(gòu)成光纖傳感器件，也可結(jié)合光源和檢測(cè)器構(gòu)成光纖傳感系統(tǒng)。它的特點(diǎn)是使用具有微孔道結(jié)構(gòu)的特種光纖在光入射端側(cè)面開微孔，利用毛細(xì)作用可吸入氣體或液體從而構(gòu)造內(nèi)置傳感腔，在光出射端端面鍍反射膜使光重新反射回特種光纖，進(jìn)而在一段光纖內(nèi)同時(shí)完成光入射、傳感、反射，形成高度集成的一體化全光纖傳感探頭。進(jìn)一步的，所述的特種光纖微孔道內(nèi)表面可修飾敏感層，如生物探針、化學(xué)敏感層、熒光指示劑或量子點(diǎn)等，也可不修飾敏感層。所述的光纖為具有微孔道結(jié)構(gòu)的特種光纖，例如毛細(xì)管光纖、光子晶體光纖等。
[0005]為達(dá)到上述目的，本發(fā)明的技術(shù)方案為:一種可用于檢測(cè)氣體、液體的光纖傳感探頭，光纖內(nèi)具有至少一個(gè)微孔道結(jié)構(gòu)，并在光入射端側(cè)面開有與微孔道聯(lián)通的空氣孔，因此當(dāng)這種光纖插入待測(cè)氣體、液體中時(shí)，毛細(xì)作用會(huì)使待測(cè)氣體、液體進(jìn)入微孔道。光信號(hào)在全部或部分裸露的纖芯中傳輸時(shí)，纖芯表面的倏逝波激勵(lì)其外圍的氣體或液體物質(zhì)，得到熒光或拉曼光，帶有傳感信息的光信號(hào)通過鍍有反射膜的端面反射回探測(cè)器或光譜儀進(jìn)行分析和處理，獲得檢測(cè)結(jié)果。
[0006]利用光纖出射端面鍍反射膜并不影響氣體、液體進(jìn)入光纖傳感探頭，因此利用同一段光纖就可完成:入射光信號(hào)的傳輸，光信號(hào)與待測(cè)物質(zhì)在光纖內(nèi)置傳感腔中相作用，傳感信號(hào)的返回。該方法簡(jiǎn)易巧妙，集成度高。
[0007]該光纖傳感探頭可與Y型光纖、光環(huán)路器或光耦合器等相結(jié)合構(gòu)成光纖傳感器或光纖傳感網(wǎng)絡(luò)，例如采用Y型光纖:利用光纖將光源與光隔離器相連接，光隔離器出射光纖與Y型光纖的入射端相連，Y型光纖的出射端口與經(jīng)過上述光纖傳感探頭通過熔接或熔融拉錐等方式連接，Y型光纖的另一端口與光譜儀連接，用于檢測(cè)反射光光信號(hào)。
[0008]本發(fā)明的技術(shù)優(yōu)點(diǎn)是樣品池位于光纖內(nèi)部，因此敏感層免受外界破壞，信號(hào)穩(wěn)定性高且傳感區(qū)長(zhǎng)度可調(diào)，可構(gòu)成一種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單輕便、高度集成的實(shí)時(shí)在線光纖氣體或液體傳感器。
(四)
【附圖說明】
[0009]圖1是毛細(xì)管光纖端面圖
[0010]圖2是光纖傳感探頭結(jié)構(gòu)圖[0011 ]圖3光纖傳感探頭側(cè)剖視圖
[0012]圖4是本發(fā)明實(shí)施例1的不意圖；
[0013]圖5是本發(fā)明實(shí)施例2的示意圖；
[0014]圖6是本發(fā)明實(shí)施例3中光纖傳感探頭的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0015]圖7是本發(fā)明實(shí)施例3的示意圖；
(五)
【具體實(shí)施方式】
[0016]現(xiàn)結(jié)合附圖和【具體實(shí)施方式】對(duì)本發(fā)明進(jìn)一步說明。
[0017]本發(fā)明的光纖傳感探頭主要用于檢測(cè)氣體、液體，使用時(shí)需和光纖通過熔接或熔融拉錐等耦合方式相連接構(gòu)成光纖傳感器，傳光光纖器件可使用Y型光纖、光環(huán)路器或光耦合器等，也可根據(jù)需要使用分立型光傳輸器件。
[0018]實(shí)施案例一:結(jié)合Y型光纖實(shí)現(xiàn)的氣體、液體光纖傳感器
[0019]本例中構(gòu)成氣體、液體光纖傳感探頭5的特種光纖以具有微孔道結(jié)構(gòu)的毛細(xì)管光纖為例進(jìn)行說明。毛細(xì)管光纖結(jié)構(gòu)如圖1所示，其中501為毛細(xì)管光纖空氣腔，502為毛細(xì)管光纖環(huán)形纖芯，503為毛細(xì)管光纖包層。毛細(xì)管光纖的纖芯502的折射率高于包層503的折射率，利用全反射原理毛細(xì)管光纖能將數(shù)值孔徑內(nèi)入射的光束縛在環(huán)形纖芯502中進(jìn)行傳輸。
[0020]本發(fā)明中一種氣體、液體光纖傳感探頭的制作方法如圖2所示，毛細(xì)管光纖一端為光入射端4，另一端端面通過化學(xué)銀鏡反應(yīng)鍍反射膜6形成反射端，并在光入射端4附近開微孔7，微孔7深入毛細(xì)管光纖與其中央空氣孔501聯(lián)通。側(cè)面剖視圖如圖3所示，當(dāng)光從毛細(xì)管光纖入射端4入射后，在環(huán)形芯502中進(jìn)行傳輸，傳輸至反射端經(jīng)反射膜6反射，再次從環(huán)形芯502傳輸至入射端4。
[0021]圖示4示出了本發(fā)明的應(yīng)用，本例中將氣體、液體光纖傳感探頭5與Y型光纖連接可構(gòu)成一種氣體、液體光纖傳感器。再結(jié)合光源，光隔離器(用于隔離反射光，避免干擾入射光)，檢測(cè)器可構(gòu)成氣體、液體光纖傳感系統(tǒng)。Y型光纖上端具有兩個(gè)分支301和303，下端具有一個(gè)分支302，將分支301依次與光隔離器2和光源I連接，作為光入射端。將Y型光纖分支302與毛細(xì)管光纖入射端4連接，分支303與檢測(cè)器9連接。光源I發(fā)出的光信號(hào)通過光隔離器2由Y型光纖301端口入射，同時(shí)進(jìn)入分支302和分支303，進(jìn)入分支303的光線傳輸至檢測(cè)器
9。進(jìn)入分支302的光由探頭入射端4進(jìn)入毛細(xì)管光纖。將毛細(xì)管光纖鍍反射膜6的一端置于待測(cè)液體或氣體8中，由于毛細(xì)管光纖的光入射端4附近開有微孔道7，因此毛細(xì)作用使待測(cè)液體或氣體8進(jìn)入毛細(xì)管光纖的中央空氣孔501中。待測(cè)氣體、液體與環(huán)形纖芯內(nèi)倏逝波發(fā)生作用，使倏逝波強(qiáng)度、光場(chǎng)等行為發(fā)生改變，改變后的光信號(hào)傳輸至毛細(xì)管光纖出射端經(jīng)反射膜6后反射，反射光通過分支302進(jìn)入分支301和分支303，進(jìn)入分支301的反射光被光隔離器2所隔離不能繼續(xù)傳輸，從而避免了對(duì)光源光信號(hào)的干擾，而進(jìn)入分支303的反射光則傳輸至檢測(cè)器9。因此在檢測(cè)器9中可同時(shí)探測(cè)到入射光和反射光信息，通過對(duì)比可實(shí)現(xiàn)對(duì)待測(cè)液體或氣體組分、濃度等特征參量的檢測(cè)。
[0022 ] 實(shí)施案例二:結(jié)合光環(huán)路器實(shí)現(xiàn)的氣體、液體光纖傳感器
[0023]本例中構(gòu)成氣體、液體光纖傳感探頭5的特種光纖仍采用如圖2所示的毛細(xì)管光纖，傳感探頭的制作方法如案例一所述，側(cè)面剖視圖如圖3所示。
[0024]圖5示出了本發(fā)明的應(yīng)用，本例中將氣體、液體光纖傳感探頭與光環(huán)路器3結(jié)合可構(gòu)成一種氣體、液體光纖傳感器。再結(jié)合光源I，檢測(cè)器9即可構(gòu)成氣體、液體光纖傳感系統(tǒng)。光環(huán)路器3有三個(gè)分支，光環(huán)路器的301端口與光源I連接，光環(huán)路器的302端口與光纖傳感探頭的入射端4通過熔接或熔融拉錐等方式耦合連接，光環(huán)路器的303端口與檢測(cè)器9連接。在此光環(huán)路器3中光傳輸方向?yàn)槟鏁r(shí)針方向，即由光源I發(fā)出的光線經(jīng)由分支301入射，經(jīng)由分支302從光纖傳感探頭的入射端4進(jìn)入毛細(xì)管光纖。毛細(xì)管光纖鍍反射膜6的一端置于待測(cè)液體或氣體8中，由于在毛細(xì)管光纖的光入射端4附近開有微孔道7，因此毛細(xì)作用使待測(cè)液體或氣體8進(jìn)入毛細(xì)管光纖的中央空氣孔501中。進(jìn)入毛細(xì)管光纖環(huán)形芯502中的倏逝波與待測(cè)氣體、液體發(fā)生作用，使倏逝波強(qiáng)度、光場(chǎng)等發(fā)生改變。改變后的光信號(hào)傳輸至毛細(xì)管光纖反射膜6后返回，由逆時(shí)針方向從環(huán)路器的分支303傳輸至檢測(cè)器9，從而獲得待測(cè)組分的特征信號(hào)、分子結(jié)構(gòu)、濃度等特征參量，以此進(jìn)行檢測(cè)。
[0025]實(shí)施案例三:微孔道內(nèi)表面修飾敏感層的光纖傳感探頭
[0026]本例中構(gòu)成氣體、液體光纖傳感探頭5的特種光纖仍采用如圖2所示的毛細(xì)管光纖。傳感探頭的制作方法如圖6所示，毛細(xì)管光纖一端作為光入射端4，另一端端面鍍反射膜6作為反射端，并在光入射端4附近開微孔7，微孔7深入毛細(xì)管光纖與中央空氣孔501聯(lián)通。在毛細(xì)管光纖環(huán)形芯502內(nèi)表面修飾特定敏感層10，敏感層10可為生物探針、化學(xué)敏感層、熒光指示劑或量子點(diǎn)等。敏感層10應(yīng)具有如下特點(diǎn):遇到某種待測(cè)氣體、液體后其傳光特性發(fā)生改變，因此通過檢測(cè)光信號(hào)變化情況即可實(shí)現(xiàn)對(duì)待測(cè)氣體、液體的檢測(cè)。
[0027]圖示7示出了本發(fā)明的應(yīng)用，本例中將氣體、液體光纖傳感探頭入射端4與光環(huán)路器的分支302結(jié)合可構(gòu)成一種氣體、液體光纖傳感器。再使用光源I，檢測(cè)器9即可構(gòu)成一種氣體、液體光纖傳感系統(tǒng)。光環(huán)路器的分支301與光源I連接，光環(huán)路器的分支302與光纖傳感探頭的入射端4通過熔接或熔融拉錐等方式耦合連接，光環(huán)路器的分支303與檢測(cè)器9連接。將毛細(xì)管光纖鍍反射膜6的一端置于待測(cè)液體或氣體8中，由于在毛細(xì)管光纖的光入射端4附近開有微孔道7，因此毛細(xì)作用使待檢測(cè)液體或氣體8進(jìn)入毛細(xì)管光纖的中央空氣孔501中。在此光環(huán)路器3中光傳輸方向?yàn)槟鏁r(shí)針方向，即由光源I發(fā)出的光線經(jīng)由分支301入射，經(jīng)由分支302從光纖傳感探頭的入射端4入射并通過毛細(xì)管光纖環(huán)形芯502進(jìn)入其表面修飾的敏感層10中，敏感層10遇到特定待測(cè)氣體、液體后會(huì)使其內(nèi)傳輸?shù)馁渴挪◤?qiáng)度、光場(chǎng)等發(fā)生改變，如:可在光纖內(nèi)部固定兔抗SEB，監(jiān)測(cè)Cy5標(biāo)記的羊抗SEB;固定多抗0157:H7，檢測(cè)Cy3標(biāo)記的二抗來實(shí)現(xiàn)葡萄球菌腸霉素和大腸桿菌的同時(shí)檢測(cè)等等。載有特定待測(cè)氣體、液體信息的光信號(hào)經(jīng)光纖傳感探頭的反射膜6反射后，經(jīng)環(huán)路器的分支302由逆時(shí)針方向進(jìn)入分支303傳輸至傳感器9中，從而獲得待測(cè)組分的特征信號(hào)、分子結(jié)構(gòu)、濃度等特征參量。
[0028]上述除毛細(xì)管光纖外光路中其它光纖可以為單模光纖或多模標(biāo)準(zhǔn)光纖。
[0029]本發(fā)明三個(gè)案例中使用毛細(xì)管光纖進(jìn)行說明，也可以使用其它內(nèi)部具有微孔道結(jié)構(gòu)的特種光纖如光子晶體光纖、邊孔光纖等通過側(cè)面開微孔，端面鍍反射膜構(gòu)造氣體、液體光纖傳感探頭。
[0030]本發(fā)明三個(gè)案例中使用一個(gè)氣體、液體光纖傳感探頭進(jìn)行說明，也可使用多個(gè)傳感探頭構(gòu)造多探頭光纖氣體、液體傳感器或傳感系統(tǒng)。
[0031]盡管結(jié)合優(yōu)選實(shí)施方案具體展示和介紹本發(fā)明，但所屬領(lǐng)域的技術(shù)人員應(yīng)該明白，在不脫離所屬權(quán)利要求書所限定的本發(fā)明的精神和范圍內(nèi)，在形式和細(xì)節(jié)上可以對(duì)本發(fā)明做出各種變化，均為本發(fā)明的保護(hù)范圍。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種可用于檢測(cè)氣體、液體的光纖傳感探頭，通過輸入光信號(hào)在光纖中產(chǎn)生倏逝波激勵(lì)待測(cè)氣體或液體，得到熒光或拉曼光，利用反射收集所述的熒光或拉曼光，再通過檢測(cè)器進(jìn)行頻譜分析或處理，獲得探測(cè)結(jié)果。其特征在于:所述光纖傳感探頭具有微孔道結(jié)構(gòu)，光纖入射端側(cè)面開有微孔，微孔深至光纖微孔道;光纖另一端端面鍍反射膜構(gòu)成反射端。探頭反射端插入待測(cè)氣體或液體，利用毛細(xì)作用吸取氣體、液體進(jìn)入光纖探頭微孔道內(nèi)。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種可用于檢測(cè)氣體、液體的光纖傳感探頭，其特征在于:入射端側(cè)面開微孔，微孔深至光纖微孔道;光纖另一端端面鍍反射膜構(gòu)成反射端。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種可用于檢測(cè)氣體、液體的光纖傳感探頭，其特征在于:所述的光纖探頭可為毛細(xì)管光纖、光子晶體光纖、邊孔光纖等任何具有微孔道結(jié)構(gòu)的特種光纖。4.根據(jù)權(quán)利要求1和3所述的微孔道結(jié)構(gòu)，其特征在于:可利用毛細(xì)作用將待測(cè)氣體、液體吸入光纖探頭微孔道內(nèi)，構(gòu)成不容易損壞的內(nèi)置傳感腔。5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種可用于檢測(cè)氣體、液體的光纖傳感探頭，其特征在于:所述的探頭微孔道內(nèi)表面可修飾敏感層，并利用敏感層對(duì)特定氣體、液體進(jìn)行探測(cè);也可不修飾敏感層，利用光倏逝波變化特征對(duì)氣體、液體進(jìn)行探測(cè)。6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的敏感層，其特征在于:遇到特定待測(cè)氣體、液體后其傳光特性發(fā)生改變，因此通過檢測(cè)光信號(hào)特征即可實(shí)現(xiàn)對(duì)氣體、液體的檢測(cè)。7.根據(jù)權(quán)利要求5和6所述的敏感層，其特征在于:敏感層可為生物探針、化學(xué)敏感層、熒光指示劑或量子點(diǎn)等。8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種可用于檢測(cè)氣體、液體的光纖傳感探頭，其特征在于:該光纖傳感探頭可與Y型光纖、光纖耦合器、光纖環(huán)形器等類似元件連接，構(gòu)成氣體、液體光纖傳感器。9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的氣體、液體光纖傳感器，其特征在于:可使用一個(gè)本發(fā)明所述的光纖傳感探頭構(gòu)成，也可同時(shí)使用多個(gè)本發(fā)明所述的光纖傳感探頭構(gòu)成。
【文檔編號(hào)】G01N21/01GK105973807SQ201610392912
【公開日】2016年9月28日
【申請(qǐng)日】2016年6月1日
【發(fā)明人】朱曉亮
【申請(qǐng)人】浙江工商大學(xué)