[发明专利]基于毛细管光纤的并联式SPR传感器

说明书

本发明公开了一种基于毛细管光纤的并联式SPR传感器。该传感器由四芯光纤1、方形毛细管光纤2以及金属薄膜3组成，将四芯光纤1与方形毛细管光纤2依次焊接在一起，形成“四芯光纤1‑方形毛细管光纤2‑四芯光纤1”结构，其中，四芯光纤的每一根纤芯以及方形毛细管光纤矩形表面所镀的金属薄膜3都可以构造一路独立的SPR传感单元。本发明所述的传感器可以根据使用者的需求在SPR传感单元涂敷相应的敏感物质，可用于生物传感、化学分析、药品研发、环境监测等多个领域的多参量在线实时测量。

(一)技术领域

本发明涉及的是基于毛细管光纤的并联式SPR传感器，属于光纤传感领域。

(二)背景技术

表面等离子体共振(Surface Plasmon Resonance,SPR)是在金属和电介质界面处入射光场满足适当的能量与动量匹配条件下激发金属表面的自由电子相干振荡而产生表面等离子体的一种物理现象。光以全反射的方式在纤芯中传播，对光纤进行金属薄膜镀膜后，可使一部分光透入金薄膜产生倏逝波，引发金薄膜中的自由电子振荡从而产生表面等离子体波(Surface Plasmon Wave，SPW)。当倏逝波与SPW相互匹配时二者即发生共振，此时全反射会被破坏，某一特定波长的光被自由电子所吸收，造成其能量急剧降低，在共振光谱图上反映为一个共振谷。当金薄膜表面物质的折射率或SPR共振激发角改变时，共振谷会发生漂移，将共振谷的漂移量与被测参量变化一一对应，即可实现待测参量的测量。目前，SPR现象因其对于与金属薄膜相接触介质的折射率极其灵敏的特性而倍受关注，SPR检测技术也因此得到了迅速发展，在生物传感、化学分析、药品研发、食品安全、环境监测、医学诊断等众多领域都得到了广泛的应用。

传统的基于Otto结构和Kretschmann结构的棱镜型SPR传感器，尽管检测分辨率比较高，但是这些设备体积庞大，不适合远程遥测，且其信号易受机械振动影响导致系统测试结果不稳定。相对比起传统的棱镜型SPR传感技术，光纤SPR传感技术采用光纤作为传输媒介，实现了“传”与“感”的合一，具有体积小、灵敏度高、集成度高、抗电磁干扰、无需标记、结构灵活、可实现远程实时监测以及在复杂恶劣环境下仍可正常工作等诸多优势，得到很多学者的青睐，成为光传感领域中的重要分支和热点研究方向。

在光纤传感领域中，高分辨率、微型化和可实现多参量同时测量的传感技术是人们一直不断在追求和探索的。随着传感技术的向前发展，各种各样结构和功能的光纤SPR传感器开始不断涌现。

公开号为CN102213675A的发明专利利用直径为600μm的多模光纤研制了一种角度调谐式多通道光纤表面等离子体共振传感探头，这种传感探头在光纤端集成了多个通道，但每次只能检测一个通道，对于多参量的检测需要分时测量，其实用性受到限制；授权号为CN105092535B的发明专利通过在双芯光纤的上方刻四个V型槽，并在槽内镀膜，制备出一种分布式表面等离子体共振光纤传感器，该传感器可实现双通道测量，但由于传感区的面积小，所以传感器的灵敏度被限制；申请号为CN201810887667.6通过单芯光纤把光耦合进入多芯光纤，在多芯光纤中间某一段制备SPR传感单元，使多芯光纤的每一根纤芯可以独立检测某一物理量，再利用单芯光纤把信号光耦合输出到光谱仪，实现一种在线传输式多芯光纤SPR传感器，该传感器需要焊接与多芯光纤纤芯数相同的单芯光纤，制备工艺繁琐复杂，集成度不高。

本发明为克服上述在先技术的不足，提出一种基于毛细管光纤的并联式 SPR传感器，具有可实现多通道同时测量、灵敏度高、制备简单、集成度高的特点。得益于“四芯光纤-毛细管光纤-四芯光纤”结构左右焊点处存在的锥形过渡区，四芯光纤的每一根纤芯都可以构造一路独立的SPR传感单元，与其他通道之间没有串扰，从而实现集成多个SPR传感器的并联传感；此外，还可以选择在金属薄膜上继续增镀介质和金属组成的复合薄膜结构，加深倏逝波的穿透深度，收窄共振吸收峰，进一步提高传感器的灵敏度和精度，故本发明提出的传感器相对比在先技术有着更大的优势。

(三)发明内容