专利名称：一种检测三聚氰胺的系统及其检测方法
技术领域：
本发明涉及光纤传感和光纤气体检测领域，特别涉及一种检测三聚氰胺的系统及其检测方法。
背景技术：
三聚氰胺学名三氨三嗪，是一种含氮原子很高的有机化工材料。因其高含氮量使得不法分子对它进行了不恰当利用，掺杂在牛奶、饲料等物质中以造成蛋白质含量虚高的假象，由此而给人类及其他动物带来严重的健康危害。目前对三聚氰胺的检测方法主要包括固相萃取-离子交换色谱法、荧光光谱法、固相萃取-毛细管电泳法、纳米修饰丝电化学免疫法和加压毛细管电色谱法等。发明人在实现本发明的过程中发现现有技术中至少存在以下的缺点和不足上述这些方法都有一定的缺点，如分析时间长、不适合现场测定和环境条件限制等，缩小了应用范围，无法满足实际应用中的多种需要。
发明内容
为了减少分析时间，扩大应用范围，本发明提供了一种检测三聚氰胺的系统及其检测方法，详见下文描述一种检测三聚氰胺的系统，所述系统包括半导体激光器、第一非球面透镜、第二非球面透镜、第三非球面透镜、光子晶体光纤、陷波片和光谱仪，所述光子晶体光纤的纤芯孔中填充有银纳米颗粒，所述半导体激光器发出的 785nm的光经所述半导体激光器中的光纤输出，通过所述第一非球面透镜和所述第二非球面透镜的准直聚焦耦合进所述光子晶体光纤，激发产生表面增强拉曼散射信号，然后通过所述第三非球面透镜对所述表面增强拉曼散射信号进行聚焦，所述陷波片对所述表面增强拉曼散射信号进行过滤，得到过滤后的表面增强拉曼散射信号，所述过滤后的表面增强拉曼散射信号输入到所述光谱仪中，实现对三聚氰胺的检测。所述半导体激光器为FC-D-785A型半导体激光器。所述非球面透镜型号为354120和354430，并镀上785nm的增透膜。所述光子晶体光纤型号为Air-6-800型空芯光子晶体光纤。所述陷波片型号为NF03-785E-25，其陷波带宽为39nm。一种检测三聚氰胺的方法，所述方法包括以下步骤(1)采用光纤熔接机拉锥方式对光子晶体光纤进行拉锥；(2)将银纳米颗粒填充到所述光子晶体光纤的纤芯孔中；(3)半导体激光器发出的785nm的光经所述半导体激光器中的光纤输出，通过第一非球面透镜和第二非球面透镜的准直聚焦耦合进所述光子晶体光纤，激发产生表面增强拉曼散射信号，第三非球面透镜对所述表面增强拉曼散射信号进行聚焦；(4)陷波片对所述表面增强拉曼散射信号进行过滤，得到过滤后的表面增强拉曼散射信号；(5)将所述过滤后的表面增强拉曼散射信号输入到光谱仪中，通过所述光谱仪实现对三聚氰胺的检测。步骤(1)中的所述采用光纤熔接机拉锥方式对光子晶体光纤进行拉锥具体为首先将光子晶体光纤切割成15cm左右数段，在每段的中间部分去掉其涂覆层，然后利用所述光纤熔接机进行拉锥；设定电极与所述光子晶体光纤的间距d，放电时间以及放电电流，实现所述光子晶体光纤的包层空气孔塌陷，保持纤芯孔不变。所述银纳米颗粒的半径为38nm、颗粒之间的间距为0. 7nm。本发明提供的技术方案的有益效果是本发明提供了一种检测三聚氰胺的系统及其检测方法，本发明采用了基于表面增强拉曼散射的光子晶体光纤实现对液体样品中的三聚氰胺的定性检测，由于采用同向收集表面增强拉曼散射信号，从而增加了信号的收集力度，相对于反向收集而言降低了信号的衰减；本发明由于采用拉锥技术实现光子晶体光纤的选择性填充，从而更好地保证光子晶体光纤填充液体后仍存在光子带隙，从而使得激发光在纤芯内准单模传输；由于采用银纳米颗粒悬浮于待测液体样品，从而实现表面增强拉曼散射基底的制备，相对于纤芯孔内壁制备基底而言，具有更大的增强因子，从而可以实现超低浓度检测。
图1为本发明提供的一种检测三聚氰胺的系统的结构图；图2_a为本发明提供的光子晶体光纤结构示意图；图2_b为本发明提供的光子晶体光纤的传输谱线图；图3_a和图3_b为本发明提供的光子晶体光纤的模式分析图；图4为本发明提供的光子晶体光纤拉锥原理示意图；图5为本发明提供的光子晶体光纤拉锥效果图；图6为本发明提供的一种检测三聚氰胺的方法的流程图。附图中所列部件列表如下所示1 半导体激光器；2 第一非球面透镜；3:光子晶体光纤；4:陷波片；5 光谱仪；6 第二非球面透镜；7 第三非球面透镜。
具体实施例方式为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地详细描述。为了减少分析时间，扩大应用范围，本发明实施例提供了一种检测三聚氰胺的系统及其检测方法，详见下文描述PCF (Photonic Crystal Fiber，光子晶体光纤)，也称作微结构光纤或多孔光纤。 自1996年第一根PCF出现以后，随着对其深入研究，各种形式结构的PCF相继出现。由于PCF的周期性结构所带来的上述独特性能，使光纤的应用领域进一步扩大，尤其在光纤传感领域。利用PCF的相关特性，可以制成多种类型的传感器。PCF传感器具有高稳定性、宽波长范围工作等特点，并且还可以在极端温度下工作。表面增强拉曼散射技术自被发现以来就得到充分重视及利用，在超低浓度样品甚至是单分子检测中具有无可比拟的优势。光子晶体光纤的独特周期性阵列结构，作为表面增强拉曼散射SERS传感器的一个新型理想平台得到迅猛发展，且进一步拓宽表面增强拉曼散射传感器的应用领域。PCF的独特性质与SERS传感器相结合，构成了新型传感器—— SERS PCF传感器，并在化学、生物及环境检测中得到广泛的应用。一种检测三聚氰胺的系统，参见图1，包括半导体激光器1、第一非球面透镜2、第二非球面透镜6、第三非球面透镜7、光子晶体光纤3、陷波片4和光谱仪5，其中，光子晶体光纤3的纤芯孔中填充有银纳米颗粒，半导体激光器1发出的 785nm的光经半导体激光器1中的光纤输出，通过第一非球面透镜2、第二非球面透镜6的准直聚焦耦合进光子晶体光纤3，激发产生表面增强拉曼散射信号，然后通过第三非球面透镜7对表面增强拉曼散射信号进行聚焦；陷波片4对表面增强拉曼散射信号进行过滤，得到过滤后的表面增强拉曼散射信号，过滤后的表面增强拉曼散射信号输入到光谱仪5中，实现对三聚氰胺的检测。其中，将银纳米颗粒填充进光子晶体光纤3的纤芯孔作为表面增强拉曼散射基底，利用表面增强拉曼散射原理，在纤芯孔内利用表面增强拉曼散射基底从而激发产生表面增强拉曼散射信号，并采用同向收集过滤后的表面增强拉曼散射信号，过滤后的表面增强拉曼散射信号输入到光谱仪5中，实现对三聚氰胺检测目的。进一步地，为了提高检测结果的稳定性，本发明实施例中的半导体激光器1优选为长春新产业光电公司的FC-D-785A型半导体激光器，其输出波长为785士0. 3nm，谱线宽度小于0. 2，此光源采用的是光纤输出，光纤数值孔径为0. 22，经光纤耦合后的输出功率为 300mff,且稳定性在3 %以内。进一步地，为了配合光源的光纤输出，非球面透镜采用LightPath生产的非球面透镜，非球面透镜型号为354120和3M430，并镀上785nm的增透膜。进一步地，为了更好的传输785nm的激发光，并且为激发光与待测物质提供更大的接触面积，光子晶体光纤3采用丹麦NKT Photonics公司生产的Air-6_800型空芯光子晶体光纤，参见图2-a、图2-b、图3-a、图3-b。其中图2_a是Air-6_800的几何结构示意图及传输谱线图，其结构中心为大的空气孔、包层为9层小的空气孔，待测物质与激发光在大的空气孔内相互作用，以激发拉曼信号。图2-b是其传输谱线图，有图可见在785nm处光子晶体光纤的损耗很小，即可以低损耗传输激发光。图3-a和3-b是采用COMSOL软件对 Air-6-800进行数值仿真所得的三维场分布图及等位场分布图。进一步地，为了更好地将激发产生的拉曼信号输出到光谱仪5，以及消除激发光的严重影响，陷波片4采用美国kmrock生产的NF03-785E-25，其陷波带宽为39nm。一种检测三聚氰胺的方法，该方法包括以下步骤101 采用光纤熔接机拉锥方式对光子晶体光纤3进行拉锥；其中，采用光纤熔接机拉锥方式把光子晶体光纤3的包层空气孔塌陷，保持纤芯孔不变，从而实现银纳米颗粒的填充，即银纳米颗粒只填充进光子晶体光纤3的纤芯孔中，而包层空气孔仍为空气实现选择性填充，具体实施过程如下1、首先将光子晶体光纤切割成15cm左右数段，在每段的中间部分去掉其涂覆层， 然后利用光纤熔接机进行拉锥；其中，本发明实施例采用的光纤熔接机的型号为Ericsson FSU-925，具体实现时， 还可以采用其他型号的光纤熔接机，例如EriCSSOn FSU-975-A和SCS4000等，本发明实施例对此不做限制。2、设定电极与光子晶体光纤3的间距d，放电时间以及放电电流，实现光子晶体光纤3的包层空气孔塌陷，保持纤芯孔不变；其中，拉锥时只塌陷光子晶体光纤3的包层空气孔而保持纤芯孔不变完全取决于放电电流、拉力及材料传热效应，需要设定电极与光子晶体光纤3的间距d，放电时间以及放电电流。电极之间的电流可表示为
权利要求
1.一种检测三聚氰胺的系统，其特征在于，所述系统包括半导体激光器、第一非球面透镜、第二非球面透镜、第三非球面透镜、光子晶体光纤、陷波片和光谱仪，所述光子晶体光纤的纤芯孔中填充有银纳米颗粒，所述半导体激光器发出的785nm的光经所述半导体激光器中的光纤输出，通过所述第一非球面透镜和所述第二非球面透镜的准直聚焦耦合进所述光子晶体光纤，激发产生表面增强拉曼散射信号，然后通过所述第三非球面透镜对所述表面增强拉曼散射信号进行聚焦，所述陷波片对所述表面增强拉曼散射信号进行过滤，得到过滤后的表面增强拉曼散射信号，所述过滤后的表面增强拉曼散射信号输入到所述光谱仪中，实现对三聚氰胺的检测。
2.根据权利要求1所述的一种检测三聚氰胺的系统，其特征在于，所述半导体激光器为FC-D-785A型半导体激光器。
3.根据权利要求1所述的一种检测三聚氰胺的系统，其特征在于，所述非球面透镜型号为；354120和；354430，并镀上785nm的增透膜。
4.根据权利要求1所述的一种检测三聚氰胺的系统，其特征在于，所述光子晶体光纤型号为Air-6-800型空芯光子晶体光纤。
5.根据权利要求1所述的一种检测三聚氰胺的系统，其特征在于，所述陷波片型号为 NF03-785E-25，其陷波带宽为39nm。
6.一种检测三聚氰胺的方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤(1)采用光纤熔接机拉锥方式对光子晶体光纤进行拉锥；(2)将银纳米颗粒填充到所述光子晶体光纤的纤芯孔中；(3)半导体激光器发出的785nm的光经所述半导体激光器中的光纤输出，通过第一非球面透镜和第二非球面透镜的准直聚焦耦合进所述光子晶体光纤，激发产生表面增强拉曼散射信号，第三非球面透镜对所述表面增强拉曼散射信号进行聚焦；(4)陷波片对所述表面增强拉曼散射信号进行过滤，得到过滤后的表面增强拉曼散射信号；(5)将所述过滤后的表面增强拉曼散射信号输入到光谱仪中，通过所述光谱仪实现对三聚氰胺的检测。
7.根据权利要求6所述的一种检测三聚氰胺的方法，其特征在于，步骤(1)中的所述采用光纤熔接机拉锥方式对光子晶体光纤进行拉锥具体为首先将光子晶体光纤切割成15cm左右数段，在每段的中间部分去掉其涂覆层，然后利用所述光纤熔接机进行拉锥；设定电极与所述光子晶体光纤的间距d，放电时间以及放电电流，实现所述光子晶体光纤的包层空气孔塌陷，保持纤芯孔不变。
8.根据权利要求6所述的一种检测三聚氰胺的方法，其特征在于，所述银纳米颗粒的半径为38nm、颗粒之间的间距为0. 7nm。
全文摘要
本发明公开了一种检测三聚氰胺的系统及其检测方法，涉及光纤传感和光纤气体检测领域，光子晶体光纤的纤芯孔中填充有银纳米颗粒，半导体激光器发出的785nm的光经半导体激光器中的光纤输出，通过第一非球面透镜、第二非球面透镜的准直聚焦耦合进光子晶体光纤，激发产生表面增强拉曼散射信号，第三非球面透镜对表面增强拉曼散射信号进行聚焦；陷波片对表面增强拉曼散射信号进行过滤，得到过滤后的表面增强拉曼散射信号，过滤后的表面增强拉曼散射信号输入到光谱仪中，实现对三聚氰胺的检测。采用了基于表面增强拉曼散射的光子晶体光纤实现对液体样品中的三聚氰胺的定性检测，由于采用同向收集表面增强拉曼散射信号，从而增加了信号的收集力度。
文档编号G01N21/65GK102288593SQ20111020434
公开日2011年12月21日 申请日期2011年7月21日 优先权日2011年7月21日
发明者姚建铨, 张培培, 邸志刚, 陆颖 申请人:天津大学