研究人员将传感器的检测精度提高100倍

物联网与传感器 时间:2017-06-19来源:中国光学期刊网

  表面等离子体共振(SPR)传感技术是一项基于表面灵敏度分析的新兴检测技术,可有效感应不同折射率的媒质,且其操作方便,灵敏度高,广泛应用于生物、化学等领域。例如,借助此项技术,只需使用患者的一滴血液,就能检测出疾病的生物标记,为癌症和传染病等提供早期诊断。

  光纤SPR传感器具有结构简单和低损耗的特点,因此受到广泛关注。常见的空芯光纤SPR传感器采用波长检测方式,通过检测共振波长来测量折射率。由于传输光谱中SPR 共振峰宽度较宽,传感器的灵敏度虽然较高,但分辨率一般。随着科技的进步,人们对检测分辨率有更高的要求,如何进一步提升传感器的检测精度成为需要解决的问题。

  近日,复旦大学朱晓松博士课题组提出采用光强检测SPR传感方式(如图1),利用单色光的入射并检测传感器的输出光强与折射率的关系,在灵敏度与波长检测型传感器相当的条件下,检测精度和分辨率提升了2个数量级。具体研究成果发表在光学学报第六期。

  图1 空芯光纤SPR传感器结构图(基管材料是石英玻璃,所镀金属膜材料为银,内部空腔为高折射率待检测液体的流动空间)

  实验中搭建的实验装置如图2所示,上半部分虚线框内为测量SPR传输光谱的实验系统,采用宽谱光源卤钨灯和光谱仪,应用于波长检测型的SPR传感实验。卤钨灯发出的宽谱光通过多模光纤耦合进入空芯光纤SPR传感器中,再通过多模光纤跳线导入光谱仪中(iHR550,Horiba),从而得到传输光谱。待测液体在蠕动泵的作用下通过两个专门制作的液路光路耦合接口器件泵入和泵出空芯光纤,待测液体为在400~800nm波段透明的不同浓度的甲基苯基硅油与煤油的混合溶液。

  图2 搭建的实验装置

  下半部分虚线框内为用于强度检测的SPR传感实验系统,光源为波长532nm的单色半导体激光,经多模光纤跳线耦合入空芯光纤,采用光功率计(NOVA Ⅱ,OPHIR)测量输出光强。记录并分析输出光强与光纤内充入液体的折射率之间的关系,即可获得空芯光纤SPR传感器在强度检测模式下的性能。

  实验采用的空芯光纤SPR传感器在其线性工作区域(折射率检测范围1.55~1.57)内,最高分辨率达到了5.5*10-6 RIU,相比于波长检测型空芯光纤SPR传感器,分辨率提高了2个数量级。

  研究人员表示后续将采用多个不同波长的激光同时检测的方式来实现在不更换空芯光纤的情况下扩大传感器检测范围。

关键词: 传感器

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