一种探测光、电和化学信号的复合光纤器件及制备与应用的制作方法

本发明属于光电器件制备技术领域，具体涉及一种探测光、电和化学信号的复合光纤器件及其制备方法与应用。

背景技术：

光电复合材料广泛应用于生物传感、纳米光学、光电转换、能量储存和光遗传学等领域。随着人类社会的不断发展，传统的光电复合材料由于功能单一、生物相容性差以及机械性能较差等原因已不能满足人类日益增长的需求。人类开始不断寻求具有多功能的复合材料，因此，具有多种功能的复合光纤材料开始受到科研人员的广泛关注，这种多功能复合光纤材料往往通过材料本身及其结构的复合以实现其多功能化。可以同时集成多种不同功能的材料于一根光纤中，如光功能、电功能、磁功能、声功能、热功能材料等，从而实现单一光纤材料的多功能化，这是下一代光纤材料的发展趋势。因此，开发新的技术制备多功能复合光纤材料具有十分重大的应用前景和现实意义。

技术实现要素：

为了克服现有技术的缺点和不足，本发明的目的在于提供一种探测光、电和化学信号的复合光纤器件及其制备方法。本发明的制备工艺简单，所制备的光纤能够同步实现光信号、电信号和化学信号的高效传输与记录，成功在一根光纤中实现了光功能、电功能和化学功能的集成，能同步传输并记录光信号、电信号和化学信号。

本发明的另一目的在于提供上述复合光纤器件的应用。本发明是将金属电极材料直接复合到光纤材料中，并对光纤材料进一步加工处理，得到能够同时传递光信号、电信号和化学信号的多功能复合光纤器件，这种光纤器件能广泛应用于光遗传学、生物传感、化学检测、光电探测、环境监测等领域。

本发明的目的通过以下技术方案实现：

一种探测光、电和化学信号的复合光纤器件，包括光纤，光纤的端面设有贵金属纳米颗粒层；所述光纤包括光纤纤芯，包覆纤芯的内包层，导电金属芯以及包覆内包层和导电金属芯的外包层；导电金属芯位于内包层之外、外包层中的区域。光纤端面是指光纤两端面中的一端面，该端面设有粗糙的纹理结构。

所述纤芯与导电金属芯的轴线平行。导电金属芯的长度优选与纤芯的长度相同。外包层优选与纤芯同轴。

所述导电金属芯的个数≥1且为整数。

所述纤芯的材料为玻璃材料或有机物；所述玻璃材料包括石英玻璃，多组分玻璃等；所述有机物包括pc(聚碳酸酯)，ps(聚苯乙烯)等。

所述内包层的材料为玻璃材料或有机物；所述玻璃材料包括石英玻璃，多组分玻璃等；所述有机物包括pvdf(聚偏氟乙烯)，coc(环烯烃共聚物)或cop(环烯烃聚合物)等；所述外包层的材料玻璃材料或有机物；所述玻璃材料包括石英玻璃，多组分玻璃等；所述有机物包括pes(聚醚砜树脂)，psu(聚砜树脂)或pmma(聚甲基丙烯酸甲酯)，pc(聚碳酸酯)等。

所述导电金属芯的材料为金、银、铜、钨或镍中的一种以上。

所述导电金属芯优选为导电金属丝。

所述贵金属为金、银等。

所述探测光、电和化学信号的复合光纤器件的制备方法，包括以下步骤：

(1)将外包层的材料制备成预制棒；所述预制棒设置有大圆柱空腔和小圆柱空腔，大圆柱空腔与预制棒同轴，小圆柱空腔的轴线与预制棒的轴线平行且小圆柱空腔的轴线与预制棒的轴线间的距离大于小圆柱空腔圆形横截面的半径与大圆柱空腔圆形横截面的半径之和；所述小圆柱空腔的个数为大于等于1的整数；所述大圆柱空腔的深度小于或等于预制棒的长度，小圆柱空腔的深度小于或等于预制棒的长度；所述小圆柱空腔的半径小于大圆柱空腔的半径，小圆柱空腔与大圆柱空腔同一水平横截面圆形的直径之和小于预制棒的同一水平横截面图形相对位置的最短距离；

(2)将内包层的材料制备成棒状，置入预制棒的大圆柱空腔中，棒状的内包层中设置有圆柱空腔；将纤芯的材料或棒状纤芯置入内包层的圆柱空腔中，然后进行真空加热处理，获得含有小圆柱空腔的初级预制棒；所述加热处理的温度为100～220℃，所述加热处理的时间为5～60min；

(3)将导电金属置于初级预制棒的小圆柱空腔中，随后拉制成光纤，获得复合光纤；所述拉制成光纤的温度为220～500℃；所述复合光纤的直径为大于或等于80μm；

(4)在复合光纤的一端面加工出纹理结构，然后在该端面喷镀一层贵金属纳米颗粒，获得复合光纤器件。所述端面是指光纤的一端面。

本发明在光纤的同一端面设置贵金属纳米颗粒层，使得光纤器件具有拉曼和红外信号的增强的作用，从而能够传递化学信号，如物质的成分、浓度等。

步骤(3)中所述导电金属为金、银、铜、钨或镍中的一种以上。所述复合光纤的直径为80μm～2mm。

步骤(1)中所述预制棒的制备可以采用各种方法加工。

步骤(4)中所述纹理结构可以采用各种方法加工，使得端面变得粗糙，便于喷镀贵金属纳米颗粒。所述贵金属纳米颗粒层的厚度为5-50nm。

本发明的光纤器件可以探测光信号、电信号和化学信号中一种或两种或三种信号。

所述复合光纤器件应用于光遗传学、生物传感、化学检测、光电探测、环境监测等领域。

本发明能够同时实现光信号、电信号和化学信号的同步高效传输与记录，一根光纤即可同时监测光信号、电信号和化学信号，其原理为通过选择折射率匹配的纤芯与内包层材料(纤芯的折射率大于内包层的折射率)，使光信号可以在纤芯内传递；通过在光纤拉制过程中复合金属导体材料，使复合光纤器件能够传递电信号；通过在复合光纤的一端面加工粗糙结构，并沉积一层贵金属纳米颗粒，使得复合光纤器件的端面具有拉曼和红外信号增强的作用，从而能够检测化学信号，如物质的成分、浓度等。

与现有技术相比，本发明具有以下优点和有益效果：

(1)本发明的复合光纤中的电极材料是金属导体电极，而传统的电极材料都是有机电极或半导体材料，本发明成功将金属电极复合至光纤材料中，并且方法简单，易于实现。

(2)本发明制备得到的光纤器件能够同时实现光信号、电信号和化学信号的同步高效传输与记录，一根光纤即可同时监测光信号、电信号和化学信号，成功实现了光功能、电功能和化学功能的有效集成。

(3)本发明采用双包层光纤结构，既可以满足光在纤芯材料由于全反射高效的传输，又可以通过外包层材料将金属电极很好的复合到光纤中，还能通过溶解部分外包层材料以减小光纤的使用直径。

(4)本发明的方法实现了将各类金属材料直接复合到光纤材料中，并且金属电极的数量可控，可得到多金属电极光纤。

(5)本发明提供的一种功能复合光纤，光纤的尺寸可控，通过拉制光纤容易大批量制备。

(6)与目前导电光纤材料相比，本发明提供的复合光电光纤导电性能更优良。

(7)本发明提供的制备功能复合光纤可将不同的金属电极材料很好的复合到光纤材料中，得到性能优良的电极光纤。

附图说明

图1为实施例1制备的铜电极功能复合光纤端面的光学显微图；

图2为实施例1制备的铜电极功能复合光纤端面的sem图；

图3为实施例2制备的钨电极功能复合光纤端面的光学显微图；

图4为实施例2制备的钨电极功能复合光纤端面的sem图。

具体实施方式

下面结合实施例，对本发明作进一步地详细说明，但本发明的实施方式不限于此。各实施例中的外包层材料、内包层材料以及纤芯材料各自制备成棒，其制备方法为常规的制备方法。

实施例1

(1)首先选取一根直径30mm,长度12cm的pmma预制棒，所述的预制棒中加工有与预制棒同轴的直径10mm，深度10cm的大圆柱空腔和2个直径2mm，深度8cm的小圆柱空腔，2个小圆柱空腔的轴线与预制棒的轴线平行，大圆柱空腔与小圆柱空腔的开口端位于预制棒的同一端；所述小圆柱空腔位于大圆柱空腔的两侧；

(2)取一根直径10mm，高10cm的pvdf棒，然后在pvdf棒上加工一个3mm直径，深度8mm的圆柱空腔；

(3)将直径为3mm，长度为8cm的pc棒置入步骤(2)中pvdf的圆柱空腔中，然后一起置入步骤(1)中pmma预制棒的大圆柱空腔中，在真空干燥箱中190℃下处理30分钟，获得初级预制棒；

(4)将铜丝填充到pmma预制棒的小圆柱空腔中，并在拉丝塔上290℃下连续拉制光纤，得到光电复合电极光纤；光电复合电极光纤即铜电极功能复合光纤端面结构如图1和图2所示，由图可知光纤结构完好，电极材料很好的复合到了光纤材料中；

(5)取2cm长步骤(4)制备得到的光纤，在光纤的一端面加工出粗糙的条纹(光纤的另一端面不加工)，然后在有条纹的光纤端面喷镀一层贵金属纳米颗粒(纳米颗粒的厚度为5-50nm)，即得到能同步探测光、电和化学信号的光纤器件。

图1为实施例1制备的铜电极功能复合光纤端面的光学显微图；图2为实施例1制备的铜电极功能复合光纤端面的sem图。

实施例2

(1)首先选取一根直径30mm,长度10cm的pmma预制棒，所述pmma预制棒中加工有与预制棒同轴的直径10mm，深度8cm的大圆柱空腔和2个直径2mm，深度8cm的小圆柱空腔，2个小圆柱空腔的轴线与预制棒的轴线平行，大圆柱空腔与小圆柱空腔的开口端位于预制棒的同一端；所述小圆柱空腔位于大圆柱空腔的两侧；

(2)取一根直径10mm，高8cm的pvdf棒，然后在pvdf棒上加工一个3mm直径，深度8mm的圆柱空腔；

(3)将直径为3mm，长度为8cm的pc棒置入步骤(2)中pvdf的圆柱空腔中，然后再一起置入步骤(1)中pmma预制棒的大圆柱空腔中，在真空干燥箱中180℃下处理30分钟，获得初级预制棒；

(4)将钨丝填充到pmma预制棒的小圆柱空腔中，并在拉丝塔上280℃下连续拉制光纤，得到大量的光电复合电极光纤；光电复合电极光纤即钨电极功能复合光纤端面结构如图3和图4所示，由图可知光纤结构完好，电极材料很好的复合到了光纤材料中；

(5)取3cm长步骤(4)制备得到的光纤，在光纤的一端面加工出粗糙的条纹，然后在有条纹的光纤端面喷镀一层贵金属纳米颗粒(纳米颗粒层的厚度为5-50nm)，即得到能同步探测光、电和化学信号的光纤器件。

图3为实施例2制备的钨电极功能复合光纤端面的光学显微图；图4为实施例2制备的钨电极功能复合光纤端面的sem图。