一种裸露纤芯的全光纤倏逝波传感器的制作方法

本发明涉及一种倏逝波传感器，尤其涉及一种裸露纤芯的全光纤倏逝波传感器。

背景技术：

目前在传感器的科研领域中，测量分析物吸收、荧光和拉曼特性的方法有很多种，多数的方法是通过空间光与分析物相互作用，再通过聚焦装置收集散射光来检测分析物的吸收、荧光和拉曼信号。采用收集散射光的方式来检测分析物特性时，散射光耦合到光谱仪的量是非常小，这直接限制了传感器的灵敏度。而全光纤倏逝波传感器就具有很高的灵敏度，主要有两方面的原因：(1)探测的有效面积比较大；(2)散射光的耦合效率比较高。

在全光纤倏逝波传感器的领域中，根据传感器的制作方法不同灵敏度也有很大的区别。已经发明的光纤传感器的类型有：本征型光纤倏逝波传感器、d型光纤倏逝波传感器、u型光纤倏逝波传感器、s型光纤倏逝波传感器、双锥形光纤倏逝波传感器和光子晶体型光纤倏逝波传感器。本征型光纤倏逝波传感器是通过化学试剂刻蚀光纤的包层结构的方法，使光纤裸露纤芯并作为探测元件。本征型传感器的探测元件制备比较困难，且不能使用超声清洗，不易重复使用。d型、u型、s型光纤传感器的灵敏度相对较弱。光子晶体型光纤传感器的分析物填充耗时较长，并且探测元件的制备比较困难。

技术实现要素：

为克服现有技术中的问题，本发明提出的一种裸露纤芯的全光纤倏逝波传感器，包括两根光纤、一条裸露纤芯的聚合物光纤和一块基板；所述聚合物光纤的两端分别与所述光纤同轴无缝对接构成一体，对接后的所述光纤和所述聚合物光纤粘接于所述基板表面。

本发明提出的所述裸露纤芯的全光纤倏逝波传感器中，上所述聚合物光纤无包层结构，所述聚合物光纤处于悬空状态。

本发明提出的所述裸露纤芯的全光纤倏逝波传感器中，所述聚合物光纤的构成材料包括环氧树脂、聚丙烯酸类树脂、聚碳酸酯、聚氨酯、聚烯烃、有机硅树脂中的一种或多种的任意组合。

本发明提出的所述裸露纤芯的全光纤倏逝波传感器中，所述聚合物光纤为实心的聚合物光纤或纳米级多孔结构的聚合物光纤。

本发明提出的所述裸露纤芯的全光纤倏逝波传感器中，所述聚合物光纤表面进一步经选择性修饰生成覆盖局部或整个侧面的镀膜层。

本发明提出的所述裸露纤芯的全光纤倏逝波传感器中，所述光纤的选用范围包括单模光纤、多模光纤。

与现有技术相比，本发明具有明显优势：(1)本发明的传感器的探测部分是一段聚合物光纤，而聚合物光纤的长度、直径和折射率在很大范围内能够自由调整，从而最大限度地利用光纤的倏逝波；(2)聚合物光纤与光纤可以保持同轴无缝连接，可以将与待测物作用后的倏逝波最大限度地耦合进光纤，进而进入光谱仪进行光谱测量；(3)基于聚合物的多样性，很容易对聚合物光纤表面进行各种修饰，进一步提高探测的灵敏度；(4)相比于石英光纤，聚合物光纤具有很高的耐拉伸性与柔韧性，不易破损折断，适合反复使用；(5)本发明为全光纤式系统，整个探测过程没有使用任何空间自由光路，不容易受外界因素干扰，因此不仅可以大大提高探测器的集成度，并且能够极大地提高测量系统的稳定性；(6)本发明的光纤探测系统可以很方便地接入光纤式环形共振系统当中，使探测光反复与待测物作用，可以进一步提高探测灵敏度；(7)可以利用聚合物的多样性，制备具有纳米级孔隙的多空聚合物纤芯，进一步提高探测的灵敏度。

附图说明

图1为本发明裸露纤芯的全光纤倏逝波传感器结构图；

图2为本发明的传感器外加环形光路结构图；

图3为聚合物光纤与光纤连接处sen扫描结构图；

图4为聚合物光纤在空气中通光后的结果图；

图5a为使用岛津紫外可见分光光度计uv-2600测量不同浓度罗丹明b吸收光谱图；

图5b为使用本发明传感器测量不同浓度罗丹明b的吸收光谱图；

图6为使用本发明传感器测量罗丹明b溶液的荧光光谱图；

图7a为聚合物光纤的拉曼光谱基线图；

图7b为使用本发明传感器测量罗丹明溶液的拉曼光谱图。

具体实施方式

下面将结合示意图对本发明提出的裸露纤芯的全光纤倏逝波传感器进行更详细的描述，其中表示了本发明的优选实施例，应该理解本领域技术人员可以修改在此描述的本发明，而仍然实现本发明的有利效果。因此，下列描述应当被理解为对于本领域技术人员的广泛知道，而并不作为对本发明的限制。

本发明的裸露纤芯的全光纤倏逝波传感器在结构方面具有很大的创新性。首先，本发明的全光纤倏逝波传感器的探测部分是聚合物光纤，聚合物光纤的制作方法有很多种，例如激光诱导、3d打印、静电纺丝、拉丝法等，它们在光纤的长度、直径控制等方面有很高的自由度。在聚合物光纤的制备过程中，我们可以很方便的引入各种变数，从而进一步扩充聚合物光纤的探测性能。例如，我们既可以选择不同折射率的聚合物材料来控制裸露纤芯的折射率，也可以通过向所需材料中加入一些易挥发且不影响制备过程的有机溶液、具有溶解度选择性的聚合物以及选择性聚合的聚合物单体来制备裸露的纤芯。将制备好的纤芯放入适当的溶剂中，待有机溶剂、聚合物、单体溶解析出后，既能获得具有纳米空隙的多孔聚合物光纤。这种多孔聚合物光纤既可以降低光纤的等效折射率，从而提高倏逝波的比例范围，而且可以大幅提高倏逝波与待测物作用的等效面积，从而大大提高探测灵敏度。上述这些都是既存手段所不能实现的。

如图1所示，本发明是一种新型裸露纤芯的全光纤倏逝波传感器，由fc型连接口1(光源入射口)、低折射率的胶黏剂2、经过表面修饰的多模石英光纤3、聚合物光纤4、分析物5和玻璃基板6。本发明为了进一步提高全光纤倏逝波传感器的灵敏度，在本发明的传感器的结构上有很大的创新性。首先，本发明的全光纤倏逝波传感器的探测部分是自制的聚合物光纤(聚合物光纤的制备方法：激光诱导、3d打印、静电纺丝、拉丝法等)，其直径大小和折射率是可控的，且聚合物光纤与光纤可以保持同轴无缝连接。其次，如图2所示，在探测元件部分增加了环形光路，尽可能的提高了光源的使用效率。探测光纤可以在蒸馏水中连续超声10min清洗，聚合物光纤不断，可以实现重复超声处理，所以本发明的传感器在测量数据方面具有很好的稳定性。本发明传感器可用于测量液体分析物的吸收光谱、荧光光谱以及拉曼光谱，在生物传感器应用中具有广阔前景。

实施例1

本实施例中全光纤倏逝波传感器的目的在于测量分析物的吸收、荧光和拉曼特性。本实施例的裸露纤芯的全光纤倏逝波传感器测量吸收的具体过程：

步骤1：配制不同浓度的罗丹明b溶液，并使用岛津紫外可见分光光度计uv-2600测量罗丹明b标准吸收光谱；

步骤2：将本实施例的全光纤倏逝波传感器的两端分别与光纤式光源和光谱仪相互连接；

步骤3：打开光源和测试软件，在传感器的探测区域滴加一滴蒸馏水，做背景测试并扣除背景；

步骤4：单独拆卸下本实施例的传感器，微热烘干蒸馏水；

步骤5：将步骤4中处理好的传感器的两端分别与光纤式光源和光谱仪重新连接，在探测区域滴加一滴步骤1中配制的浓度为1.0×10^-6g/ml罗丹明b溶液，记录光谱测试结果；

步骤6：重复以上步骤，分别测量出浓度为1.0×10^-7g/ml和1.0×10^-8g/ml罗丹明b溶液吸收光谱。

作为进一步的优选方案，所述步骤1中罗丹明b溶液的配制过程为：

步骤1-1：使用电子天平称取罗丹明b粉末0.2500g，将其加入到盛有250ml蒸馏水的锥形瓶中，室温搅拌30min，获得罗丹明b溶液浓度为1.0×10^-3g/ml；

步骤1-2：抽取1ml的步骤1-1中浓度为1.0×10^-3g/ml的罗丹明b溶液加入到盛有9ml蒸馏水的烧杯中，搅拌30min，获得浓度为1.0×10^-4g/ml的罗丹明b溶液；重复上述步骤依次获得浓度为1.0×10^-4g/ml、1.0×10^-5g/ml、1.0×10^-6g/ml、1.0×10^-7g/ml和1.0×10^-8g/ml的罗丹明b溶液；

步骤1-3：使用岛津紫外可见分光光度计uv-2600分别测量浓度为1.0×10^-6g/ml、1.0×10^-7g/ml和1.0×10^-8g/ml的三组罗丹明b溶液的吸收光谱。

如图5a所示，使用岛津紫外可见分光光度计uv-2600测得不同罗丹明b溶液的吸收光谱，当罗丹明b溶液的浓度为1.0×10^-8g/ml时吸收峰不明显。如图5b所示，使用本实施例传感器测得不同罗丹明b溶液的吸收光谱，其光谱图与图5a光谱图对比，可以看出本实施例传感器测得的吸收光谱在灵敏度方面具有很大的优势。

实施例2

本实施例的全光纤倏逝波传感器的目的在于测量分析物的吸收、荧光和拉曼特性。本实施例的一种新型裸露纤芯的全光纤倏逝波传感器测量分析物荧光特性的具体过程：

步骤1：使用实施例1中配制的罗丹明b溶液来测量其荧光光谱；

步骤2：将本实施例的全光纤倏逝波传感器的两端分别与光纤式光源和光谱仪相互连接；

步骤3：打开光源和测试软件，在本实施例传感器的探测区域滴加一滴罗丹明b溶液，并记录结果。

如图6所示，使用本实施例传感器测得浓度为1.0×10^-5g/ml的罗丹明b溶液的荧光光谱图，我们可以看出：使用本实施例传感器能够获得较好的分析物荧光光谱图。

实施例3

本实施例的全光纤倏逝波传感器的目的在于测量分析物的吸收、荧光和拉曼特性。本实施例的一种新型裸露纤芯的全光纤倏逝波传感器测量分析物拉曼特性的具体过程：

步骤1：配制浓度为1.0×10^-3mol/l罗丹明溶液；

步骤2：将本实施例的全光纤倏逝波传感器的两端分别与光纤式光源和光谱仪相互连接；

步骤3：打开光源和测试软件，测量塑料光纤本身拉曼光谱基线；

步骤4：在本实施例传感器的探测区域滴加一滴罗丹明溶液，并记录结果。

如图7b所示，使用本实施例传感器测得浓度为1.0×10^-3mol/l的罗丹明溶液的拉曼光谱图，我们可以看出：即便是在强烈的荧光干扰下，使用本实施例传感器依然能够获得较好的分析物拉曼光谱图。

本发明的创新点以及有益效果：

(1)本发明的传感器的探测部分是一段聚合物光纤，而聚合物光纤的长度、直径和折射率在很大范围内能够自由调整，从而最大限度地利用光纤的倏逝波；

(2)聚合物光纤与光纤可以保持同轴无缝连接，可以将与待测物作用后的倏逝波最大限度地耦合进光纤，进而进入光谱仪进行光谱测量；

(3)基于聚合物的多样性，很容易对聚合物光纤表面进行各种修饰，进一步提高探测的灵敏度；

(4)相比于石英光纤，聚合物光纤具有很高的耐拉伸性与柔韧性，不易破损折断，适合反复使用；

(5)本发明为全光纤式系统，整个探测过程没有使用任何空间自由光路，不容易受外界因素干扰，因此不仅可以大大提高探测器的集成度，并且能够极大地提高测量系统的稳定性；

(6)本发明的光纤探测系统可以很方便地接入光纤式环形共振系统当中，使探测光反复与待测物作用，可以进一步提高探测灵敏度；

(7)可以利用聚合物的多样性，制备具有纳米级孔隙的多空聚合物纤芯，进一步提高探测的灵敏度。

上述仅为本发明的优选实施例而已，并不对本发明起到任何限制作用。任何所属技术领域的技术人员，在不脱离本发明的技术方案的范围内，对本发明揭露的技术方案和技术内容做任何形式的等同替换或修改等变动，均属未脱离本发明的技术方案的内容，仍属于本发明的保护范围之内。