一种SPR超灵敏光纤传感器及其制备方法

本发明属于光纤传感器，具体涉及一种spr超灵敏光纤传感器及其制备方法。

背景技术：

1、20世纪70年代，光纤传感器开始急速发展。其以光纤为衬底，将传输的光作为信息载体，利用光信号与外界待测物质之间的转换关系，进而传感的器件。外界待测物质如折射率、磁场、温度等与光纤中光信号发生相互作用时，光纤中光的特征参量发生改变，在光纤的输出端利用光探测器或者解调器检测光信号特征参量的变化，从而得到外界待测物质的大小。

2、随着科技的发展，各领域对于传感技术的要求也更高，迫切的需要高集成、高性能的传感器，其中表面等离子体共振(surface plasmon resonance,spr)光纤传感器，将spr技术和光纤灵活联合，不仅使传感器具有大范围监测能力，还使得传感器体积小、灵敏度高。由于其高性能、可实时测量及无需标记等优异性能而广泛应用于生物化学、医疗检测和航空航天等诸多领域。

3、典型的spr光纤传感器结构是将光纤中间的一段包层用剥除、腐蚀或者抛磨工艺全部去掉或是去掉一部分，然后在这段光纤上涂覆一层金属膜。一束光入射在光纤的一个端面，在纤芯中经过全反射向前传播，在倏逝波影响下引起金属界面自己电子振荡产生spr，利用另一端出射光的变化检测共振峰的结构。

4、当前的spr光纤传感器的研究方向主要是优化传感器性能，增强表面等离子体共振，并且创新更多的光纤结构使倏逝波与等离子体波之间的相位匹配更容易实现，但是各类光纤传感器依旧存在灵敏度较低的问题。

技术实现思路

1、本发明实施例提供了一种spr超灵敏光纤传感器及其制备方法，可以解决当前的光纤传感器灵敏度较低的问题。

2、第一方面，本发明实施例提供一种spr超灵敏光纤传感器，传感器包括：光纤纤芯、光纤包层、金属膜及纳米纤维层；

3、设置于spr光纤最内部的光纤纤芯；

4、光纤包层，光纤包层包裹光纤纤芯沿周向的表面，光纤包层上设置有暴露光纤纤芯的外表面的缺口；

5、金属膜，金属膜位于光纤包层的缺口内的光纤纤芯的外表面上；

6、纳米纤维层，纳米纤维层位于金属膜的外表面上。

7、在第一方面的一种可能的实现方式中，金属膜的厚度可以包括45-55nm。

8、在第一方面的一种可能的实现方式中，金属膜和纳米纤维层可以通过聚多巴胺黏附。

9、在第一方面的一种可能的实现方式中，金属膜的材料可以包括金。

10、在第一方面的一种可能的实现方式中，纳米纤维层的材料可以包括聚乙烯醇。

11、由于纳米材料具有电磁特性、比表面积大和生物兼容性强等方面的特点，并且纳米纤维层包括的贵金属纳米粒子在可见光和近红外波长区域能够表现出很强的吸收作用；电荷从纳米材料转移到金属膜的表面能够激发更强的电场增强效果，从而使得涂覆有纳米材料的金属膜与裸金属膜相比能引起更大的spr信号变化，使得根据本发明提供的包括光纤纤芯、光纤包层、金属膜及纳米纤维层的spr超灵敏光纤传感器能够具有更高的灵敏度。

12、第二方面，本发明实施例提供了一种spr超灵敏光纤传感器的制备方法，所述方法包括：

13、制备光纤，光纤包括位于内部的光纤纤芯和包裹光纤纤芯沿周向的表面的光纤包层；

14、在沿光纤的纤芯轴的方向，去除部分光纤包层，以在光纤包层上形成暴露光纤纤芯外表面的缺口；

15、在缺口内的光纤纤芯的外表面上制备金属膜；

16、在金属膜的外表面上制备纳米纤维层，得到spr超灵敏光纤传感器。

17、在第二方面的一种可能的实现方式中，可以通过侧边轮抛磨法，在沿光纤的纤芯轴的方向，去除部分光纤包层，以在光纤包层上形成暴露光纤纤芯外侧面的缺口。

18、在第二方面的一种可能的实现方式中，可以通过真空蒸镀法，在缺口内的光纤纤芯的外侧面上制备金属膜。

19、在第二方面的一种可能的实现方式中，可以通过静电纺丝法，在金属膜的外表面上制备纳米纤维层，得到spr超灵敏光纤传感器。

20、在第二方面的一种可能的实现方式中，可以先制备聚乙烯醇纺丝液，然后将聚乙烯醇纺丝液添加至静电纺丝设备的注射器中，并由静电纺丝设备的喷丝口喷出，形成纳米纤维膜；再将纳米纤维膜浸泡在聚多巴胺溶液中，得到浸泡后的纳米纤维膜；然后用离子水冲洗述浸泡后的所纳米纤维膜，并对冲洗后的纳米纤维膜进行干燥处理；最后将干燥处理后的纳米纤维膜黏附在金属模的外表面上，得到纳米纤维层，以得到spr超灵敏光纤传感器。

21、可以理解的是上述第二方面的有益效果可以参见上述第一方面的相关描述，在此不赘述。

22、本发明实施例与现有技术相比存在的有益效果是：由于纳米材料具有电磁特性、比表面积大和生物兼容性强等方面的特点，并且纳米纤维层包括的贵金属纳米粒子在可见光和近红外波长区域能够表现出很强的吸收作用；电荷从纳米材料转移到金属膜的表面能够激发更强的电场增强效果，从而使得涂覆有纳米材料的金属膜与裸金属膜相比能引起更大的spr信号变化，使得根据本发明提供的包括光纤纤芯、光纤包层、金属膜及纳米纤维层的spr超灵敏光纤传感器能够具有更高的灵敏度。

技术特征：

1.一种spr超灵敏光纤传感器，其特征在于，包括：光纤纤芯、光纤包层、金属膜及纳米纤维层；

2.根据权利要求1所述的传感器，其特征在于，所述金属膜的厚度包括45-55nm。

3.根据权利要求1所述的传感器，其特征在于，所述金属膜和所述纳米纤维层通过聚多巴胺黏附。

4.根据权利要求1所述的传感器，其特征在于，所述金属膜的材料包括金。

5.根据权利要求1所述的传感器，其特征在于，所述纳米纤维层的材料包括聚乙烯醇。

6.一种spr超灵敏光纤传感器的制备方法，其特征在于，包括：

7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述在沿所述光纤的纤芯轴的方向，去除部分所述光纤包层，以在所述光纤包层上形成暴露所述光纤纤芯外侧面的缺口，包括：

8.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述在所述缺口内的所述光纤纤芯的外表面上制备金属膜，包括：

9.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述在所述金属膜的外表面上制备纳米纤维层，得到spr超灵敏光纤传感器，包括：

10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，所述通过静电纺丝法，在所述金属膜的外表面上制备纳米纤维层，得到spr超灵敏光纤传感器，包括：

技术总结
本发明公开了一种SPR超灵敏光纤传感器及其制备方法，所述传感器包括：光纤纤芯、光纤包层、金属膜及纳米纤维层；光纤包层包裹沿周向的光纤纤芯，金属膜位于光纤包层的缺口中的光纤纤芯的外表面上，纳米纤维层位于金属膜的外表面上。由于纳米材料具有电磁特性、比表面积大和生物兼容性强等方面的特点，并且纳米纤维层包括的贵金属纳米粒子在可见光和近红外波长区域能够表现出很强的吸收作用；电荷从纳米材料转移到金属膜的表面能够激发更强的电场增强效果，从而使得涂覆有纳米材料的金属膜与裸金属膜相比能引起更大的SPR信号变化，使得根据本发明提供的包括光纤纤芯、光纤包层、金属膜及纳米纤维层的SPR超灵敏光纤传感器具有更高的灵敏度。

技术研发人员：李金泽,杨颜新,席佳伟,邓理,刘欣,孙浩
受保护的技术使用者：西安电子科技大学
技术研发日：
技术公布日：2024/3/4