[发明专利]高灵敏度内置调制层型SPR传感器及其传感检测系统

说明书

技术领域

本发明涉及一种高灵敏度内置调制层型SPR传感器及其传感检测系统，能够测量液体折射率，可应用于生物、医学和化工领域。

背景技术

表面等离子体共振效应（Surface Plasmon Resonance）是存在于金属与非导电介质界面处的物理光学现象，可利用它实现对金属层和介质层属性微小变化的测量。基于SPR效应的光学传感技术已在生化检测等多个领域得到应用。传统的光纤SPR传感器是基于纤芯-金膜-环境介质三层结构，由于SPR效应其反射光谱会形成一个凹谷。随着被测环境介质折射率的增加，波形向长波方向偏移，共振波谷位置与折射率存在一定对应关系，所以可通过测量共振波谷的位置得到环境介质的折射率。该方法具有传输损耗小、体积小、集成性好等优点，但是存在灵敏度不高的缺点。

为提高传感器灵敏度，中国科技大学的陈勇等人研究了以MgF2为外调制层的光纤表面等离子体共振传感器。采用纤芯-银膜-调制层-环境介质四层结构，其中纤芯数值孔径为0.37，直径为0.2mm，银膜厚度为40nm，调制层使用氟化镁，厚度为10nm，折射率为1.377。在分析物的折射率范围为1.33-1.40时，实验中取得了4464nm/RIU的高灵敏度。但该传感器结构采用的是在线反射式，在线反射式的检测方法是光源在光纤的一端，经过激发SPR效应后的反射光在另一端接收检测，如图3所示。由于光纤不宜折的特点，所以不便于将这种结构的传感区域放入盛装分析物的容器中，并不适用于实际测量，目前该结构已不经常被使用。（Yong Chen,Rongsheng Zheng,Yonghua Lu,Pei Wang,and Hai Ming.Fiber-optic surface plasmon resonant sensor with low-indexanti-oxidation coating[J],Chinese Optics Letters,2011,100605:1~4）

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种具有更优的灵敏性和实用性，能够更好的满足对折射率监测效果需求的高灵敏度内置调制层型SPR传感器及其传感检测系统。

为了解决上述技术问题，本发明设计了一种高灵敏度内置调制层型SPR传感器，包括光纤接头1、涂覆层2、包层3和纤芯4，所述包层3、涂覆层2和光纤接头1由内向外依次包裹住纤芯4的一端，所述纤芯4的另一端由内向外依次包裹有内调制层6和金膜5。

作为本发明的一种优化结构：所述纤芯4的折射率为1.45，直径为0.6mm；所述包层3的折射率为1.39，厚度为0.2mm；所述内调制层6的折射率为3.5，厚度为200nm；所述金膜5的厚度为50nm。

本发明还设计了一种基于高灵敏度内置调制层型SPR传感器的传感检测系统，包括宽带光源、光纤耦合器、高灵敏度内置调制层型SPR传感器、光谱仪和计算机，其中；

所述宽带光源产生入射光，通过多模光纤传输至光纤耦合器；

所述光纤耦合器将接收到的入射光传输至高灵敏度内置调制层型SPR传感器；

所述高灵敏度内置调制层型SPR传感器放置在待测液体中，所述光纤耦合器发出的入射光经过高灵敏度内置调制层型SPR传感器的SPR效应处理后以反射光的形式再次通过光纤耦合器传输至光谱仪；

所述光谱仪通过数据线与计算机连接，所述光谱仪将上述反射光以光谱信号的形式传输至计算机；

所述计算机从上述光谱信号中采集共振光谱信号，从而得到待测液体折射率与共振波长的关系。

本发明与现有技术相比具有如下优点：

1.本发明通过増覆折射率3.5、厚度200nm的铬膜，得到的传感器具有高灵敏度；

2.本发明所设计的高灵敏度内置调制层型SPR传感器为终端反射式，传感器伸入盛装待测物质的容器中，便于实际测量，更加实用。

附图说明

图1是内调制层型光纤SPR传感器结构示意图；

图2是内调制层型光纤SPR传感器检测系统组成示意图；

图3是在线反射式光纤SPR传感器结构示意图；

图4是终端反射式光纤SPR传感器结构示意图；

图5是基于内置调制层结构的光纤SPR传感模型沿轴向方向Z=0.8cm（传输区域）的坡印亭矢量图；

图6是基于内置调制层结构的光纤SPR传感模型沿轴向方向Z=2.22cm（共振区域）处X-Y截面的坡印亭矢量图；

图7是金膜与内调制层界面处坡印亭矢量随内调制层厚度的变化曲线图；