一种用于重金属离子检测的扭转型光纤spr传感器
技术领域
1.本实用新型属于光纤传感领域，具体涉及一种用于重金属离子检测的扭转型光纤spr传感器。
背景技术：2.重金属离子对于人体器官的发育和功能有重要影响，人体摄入重金属离子过量时，会引发健康问题。因此，对于重金属离子进行浓度检测在生物健康、环境监测等领域具有重要意义。人们已经提出了许多快速、灵敏的重金属离子检测方法，包括电化学法、荧光标记法、比色法和光纤传感法。在所有传感方法中，光纤传感器因其具有体积小、无需标记、能够实时检测等优点而受到广泛的研究。
3.以铜离子检测为例，迄今为止，大量的光纤传感器被提出并应用于铜离子浓度检测。2021 年，liu等人提出了一种基于无芯/单模/无芯光纤结构的多模干涉仪，在该结构表面涂覆水凝胶薄膜，从而实现了对铜离子的特异性检测。同年，husam等人报道了一种基于光纤fbg 的铜离子传感器，通过控制光栅周期的大小，完成对不同浓度的铜离子检测。这两种传感器制作过程中，需使用氢氟酸对传感区进行腐蚀处理，以增强传感性能，但是氢氟酸使用危险，降低了传感器的机械强度。而光纤spr传感器凭借对外界环境折射率变化高灵敏、无需对待测物进行标记、检测速度快等优势，逐渐成为了光纤生化检测领域的研究热点。2019年， maria等人构建了一种基于d型光纤的spr传感器，在传感结构表面进行功能化修饰后，实现了对水中铜离子浓度的检测。该传感结构在制备过程中，需要将光纤一部分结构抛除，对加工要求高、时间长、传感器变得脆弱易折，限制了传感器的实际应用。因此，如何在保持光纤原本物理强度的基础上，有效地激发光纤spr现象，进行铜离子检测成为当下亟待解决的问题。
技术实现要素：4.本实用新型的目的在于提供一种用于重金属离子检测的扭转型光纤spr传感器，解决目前检测重金属离子的光纤型传感器制作困难、机械强度低的问题。
5.为达到上述目的，本实用新型提供如下的技术方案：
6.一种用于重金属离子检测的扭转型光纤spr传感器，包括顺次设置于同一光纤上的注光光纤区、扭转光纤区和传感光纤区，以及和所述传感光纤区的一端正对熔接的收光光纤区；
7.所述的注光光纤区由第一石英纤芯、环形包覆在第一石英纤芯表面的第一石英包层和环形包覆在第一石英包层表面的第一涂覆层组成；
8.所述扭转光纤区由扭转的第二石英纤芯、环形包覆在第二石英纤芯表面，且扭转设置的第二石英包层组成；
9.所述传感光纤区由第三石英纤芯、环形包覆在第三石英纤芯表面的第三石英包层、环形包覆在第三石英包层表面的传感金属薄膜和环形包覆于传感金属薄膜外表面的修
饰层组成；
10.所述收光光纤区由第四石英包层、环形包覆在第四石英包层表面的第四石英纤芯、环形包覆在第四石英纤芯表面的塑料包层和环形包覆在塑料包层外侧的第四涂覆层组成。
11.进一步限定，高折射率的所述第一石英纤芯的纤芯为直径9μm，所述第一石英包层的直径125μm，所述第一涂覆层的直径为250μm。
12.进一步限定，高折射率且螺旋状扭转的所述第二石英纤芯的直径为9μm，螺旋状流转的所述第二石英包层的直径为125μm。
13.进一步限定，所述传感光纤区的长度为2cm，高折射率的所述第三石英纤芯的直径为 9μm，所述第三石英包层的直径为125μm，所述传感金属薄膜包括环形向外依次镀制5nm厚的铬膜和50nm厚的金膜，所述修饰层包括壳聚糖/聚丙烯酸自组装形成的聚电解质层。
14.进一步限定，低折射率的所述第四石英包层的直径为9μm，所述第四石英纤芯的直径为 125μm，所述塑料包层的直径为155μm，所述第四涂覆层的直径为250μm。
15.进一步限定，所述注光光纤区内的光纤为单模光纤、阶跃折射率多模光纤或渐变折射率多模光纤中的一种。
16.进一步限定，所述收光光纤区为大芯径多模环形芯光纤。
17.本技术方案的工作原理如下：
18.将光源光从注光光纤区左端注入，光能集中在第一石英纤芯中，并向右传输，当光到达光纤扭转区时，由于区域内结构改变，第一石英纤芯中的光耦合进入第一石英包层，光以包层模式继续向右传输至传感光纤区内的第三石英包层内，在第三石英包层和传感金属薄膜间进行全反射，满足spr结构条件，包层模倏逝波与金属膜中的等离子体发生共振，同时传感区第三石英纤芯中未发生spr效应的光继续向右传输，注入收光光纤的第四石英包层，传输一定距离后被损耗掉，传感区第三石英包层中发生了spr效应的光，继续向右传输进入粗环形芯收光光纤的第四石英纤芯中，稳定向右传输，并送入光谱仪，采集spr光谱，计算机进行数据处理，当传感区外部重金属离子浓度变化时，spr光谱共振谷波长发生移动，即可用共振谷波长对传感区处于环境的重金属离子浓度进行传感。
19.本技术方案所取得的技术效果如下：
20.(1)本实用新型提出的用于重金属离子检测的扭转型光纤spr传感器。通过热熔扭转技术在光纤上制作扭转区，可有效地将纤芯中光耦合进包层中，光纤包层表面获得倏逝场，进而构建新式包层型spr传感器，在保持光纤原本物理强度的基础上，有效地激发光纤spr 现象；
21.(2)使用壳聚糖共混聚丙烯酸等在传感器表面进行修饰，有效地捕获重金属离子；
22.(3)本实用新型具有制作简单，结构为光纤包层型spr传感器，易于表面化处理，高灵敏度和高选择性等特点，为水体环境中铜等重金属离子的检测提供了一种新方案。
23.本实用新型的其他优点、目标和特征在某种程度上将在随后的说明书中进行阐述，并且在某种程度上，基于对下文的考察研究对本领域技术人员而言将是显而易见的，或者可以从本实用新型的实践中得到教导。本实用新型的目标和其他优点可以通过下面的说明书来实现和获得。
附图说明
24.图1为传感器的结构示意图；
25.图2为传感器不同位置处光纤截面光场分布图；
26.图3为传感器制作流程图；
27.图4为传感器的测试系统图；
28.图5为传感器检测铜离子浓度测试结果图。
29.附图编号
30.注光光纤区1、第一石英纤芯1-1、第一石英包层1-2、第一涂覆层1-3、扭转光纤区2、第二石英纤芯2-1、第二石英包层2-2、传感光纤区3、第三石英纤芯3-1、第三石英包层3-2、传感金属薄膜3-3、修饰层3-4、收光光纤区4、第四石英包层4-1、第四石英纤芯4-2、第四涂覆层4-3、光源5、光谱仪6、计算机7。
具体实施方式
31.下面通过具体实施方式进一步详细说明：
32.如图1-图5所示，一种用于重金属离子检测的扭转型光纤spr传感器，包括光源5、光谱仪6、计算机7和探针部分，其中探针部分主要包括顺次设置于同一光纤上的注光光纤区1、扭转光纤区2和传感光纤区3，以及和传感光纤区的一端正对熔接的收光光纤区4；其中注光光纤区1由第一石英纤芯1-1、环形包覆在第一石英纤芯1-1表面的第一石英包层1-2 和环形包覆在第一石英包层1-2表面的第一涂覆层1-3组成；扭转光纤区2由扭转的第二石英纤芯2-1、环形包覆在第二石英纤芯2-1表面，且扭转设置的第二石英包层2-2组成；传感光纤区3由第三石英纤芯3-1、环形包覆在第三石英纤芯3-1表面的第三石英包层3-2、环形包覆在第三石英包层3-2表面的传感金属薄膜3-3和环形包覆于传感金属薄膜3-3外表面的修饰层3-4组成；收光光纤区4由第四石英包层4-1、环形包覆在第四石英包层4-1表面的第四石英纤芯4-2、环形包覆在第四石英纤芯4-2表面的塑料包层和环形包覆在塑料包层外侧的第四涂覆层4-3组成。需要说明的是，本具体实施方式中，为了便于了解和叙述，第一石英纤芯1-1、第二石英纤芯2-1和第三石英纤芯3-1实际指的是同一光纤纤芯的不同段。
33.利用光纤热熔扭转技术在单模光纤上制作扭转区域，将单模纤芯中传输的光耦合至包层中，包层外镀制纳米级铬膜和金膜，包层模在包层-金膜的分界面发生全发射，激发spr 效应，并在传感光纤表面逐层自组装电解质层，实现重金属离子特异性检测。
34.本具体实施方式中，各部分的具体尺寸的一个具体实施方式如下，但是其中尺寸的大小可根据实际的使用情况进行调整和使用：高折射率的第一石英纤芯1-1的纤芯为直径9μm，第一石英包层1-2的直径125μm，第一涂覆层1-3的直径为250μm。高折射率且螺旋状扭转的第二石英纤芯2-1的直径为9μm，螺旋状流转的第二石英包层2-2的直径为125μm。传感光纤区3的长度为2cm，高折射率的第三石英纤芯3-1的直径为9μm，第三石英包层3-2的直径为125μm，传感金属薄膜3-3包括环形向外依次镀制5nm厚的铬膜和50nm厚的金膜，修饰层3-4包括壳聚糖/聚丙烯酸自组装形成的聚电解质层。低折射率的第四石英包层的直径为9μm，第四石英纤芯4-2的直径为125μm，塑料包层的直径为155μm，第四涂覆层4-3 的直径为250μm。
35.需要说明的是，注光光纤区1内的光纤为单模光纤、阶跃折射率多模光纤或渐变折
射率多模光纤中的一种，其中在本具体实施方式中优选为单模光纤；收光光纤区4为大芯径多模环形芯光纤；传感金属薄膜3-3可以是金膜也可以是银膜或者其他可以产生spr效应的金属膜，传感金膜厚度为50nm，其他贵金属膜可根据传感需求选择合适的膜厚；第一涂覆层 1-3和第四涂覆层4-3，可理解为光纤的最外层结构，目的是为了防止受灰尘的污染，而用紫外光固化的一层弹性涂料，它是由丙烯酸酯、硅橡胶和尼龙等组成的。
36.上述技术方案中，所得传感器的工作原理如下：
37.如图2所示，将光源5光从注光光纤区1左端注入，光能集中在第一石英纤芯1-1中，并向右传输，当光到达光纤扭转区时，由于区域内结构改变，第一石英纤芯1-1中的光耦合进入第一石英包层1-2，光以包层模式继续向右传输至传感光纤区3内的第三石英包层3-2 内，在第三石英包层3-2和传感金属薄膜3-3间进行全反射，满足spr结构条件，包层模倏逝波与金属膜中的等离子体发生共振，此时光能分布于纤芯和包层，同时传感区第三石英纤芯3-1中未发生spr效应的光继续向右传输，注入收光光纤的第四石英包层4-1，传输一定距离后被损耗掉，传感区第三石英包层3-2中发生了spr效应的光，继续向右传输进入粗环形芯收光光纤的第四石英纤芯4-2中，此时光能分布于环形纤芯，且稳定向右传输，并送入光谱仪6，采集spr光谱，计算机7进行数据处理，当传感区外部重金属离子浓度变化时， spr光谱共振谷波长发生移动，即可用共振谷波长对传感区处于环境的重金属离子浓度进行传感。
38.为了进一步理解，注光光纤区1内的光纤选取为单模光纤时，本传感器的制备方法如下：
39.在单模光纤(smf-28e，康宁)中部长度为3cm的区域，机械剥除涂覆层，用沾有酒精的无纺布擦拭干净，如图3(a)所示。
40.将单模光纤左端夹持在光纤熔融拉锥机(全功能科研型-2，山东凯普乐科技)左侧光纤固定夹具上，光纤右端插入光纤电动旋转夹具，向右拉直光纤使光纤处于绷直状态后，用电动旋转夹具锁定光纤右端，单模光纤涂覆层剥除区域处于拉锥机火炬正下方。通过计算机控制系统控制火焰加热，并让右侧电动旋转夹具旋转，即可制作单模光纤旋转区。采用不同内径尺寸的拉锥火炬，可加工不同长度的扭转区；旋转夹具旋转速度一定时，通过控制加热旋转时间，可实现对扭转区螺距大小的控制。
41.通过计算机设置光纤扭转区加工参数，火炬下方的单模光纤受热并旋转，发生形变，形成扭转结构，如图3(b)所示。氢气流量设置为180sccm，氧气流量设置为180sccm；采用内径10mm的火炬，火炬高度设置为3mm，加工出的扭转区域长度为12mm；旋转夹具旋转速度设置为9000μm/s，加热旋转时间为27s时，对应的扭转区螺距为123μm。
42.将制作完成的单模扭转光纤从夹具上取下，在扭转区右侧2cm处将光纤端面切平，如图 3(c)所示。切割完成之后，将单模扭转光纤放入熔接机(nt-200h，南京诺天通信)中，与端面做切平处理后的粗环形芯光纤(按设计尺寸定制)进行同轴焊接，如图3(d)所示。粗环形芯光纤中间包层直径为9μm，环形纤芯内直径为9μm，外直径为125μm，塑料包层直径155μm，涂覆层直径250μm。
43.光纤焊接完成后，用内径300μm的石英套管分别从光纤左右两侧套入，左侧套管端头插至遮挡住光纤扭转区域，右侧套管端头插至遮挡住粗环形芯光纤，只剩扭转区右侧2cm的包层裸露区未被套管包覆。将光纤探针放置于磁控溅射仪(etd-650ms，北京亿力博通)的
光纤旋转镀膜夹具上，在单模光纤扭转区域右侧2cm的包层上，旋转镀制5nm铬膜，如图3(e) 所示。将光纤探针放置于离子溅射仪(etd-2000，北京亿力博通)的光纤旋转镀膜夹具上，在单模光纤扭转区域右侧2cm的包层上，再旋转镀制50nm金膜，如图3(f)所示。从溅射仪中取出光纤，从两侧拔掉石英套管，探针制作完成。
44.接下来，进行传感探针表面功能化。首先，使用托盘天平称取0.2g水溶性壳聚糖颗粒溶解在10ml蒸馏水中，在室温下搅拌0.5h，获得质量分数为2％的壳聚糖溶液；将制备好的传感探针放置于壳聚糖溶液中浸泡8h，在金膜上获得一层壳聚糖层；浸泡完成后使用去离子水将探针冲洗3次后吹干；将传感探针放入聚丙烯酸溶液中浸泡0.5h后，使用去离子水冲洗3次，去除探针表面剩余的聚丙烯酸残液后吹干，在其表面得到了单层壳聚糖/聚丙烯酸层，完成对传感探针的修饰工作。
45.扭转型光纤spr传感器测试装置如图4所示。光源5(hl2000，海洋光学)光从左侧注入单模光纤纤芯，纤芯中的光传输至扭转区，部分光耦合为包层模式，包层模式进入传感区，发生spr效应后进入收光区，收光区粗环形芯光纤去除纤芯模式，收集发生了spr的包层模式光，并送入光谱仪6(usb2000+，海洋光学)和计算机7进行数据处理。探针传感区固定在光学平台的疏水实验板上，进行传感实验测试时，使用胶头移液管把待测的溶液滴覆到传感探针的镀膜区域即可。
46.对浓度为15.7mm的cu(no3)2溶液进行稀释，分别配制浓度分别为1.57mm、157μm、15.7μm、 1.57μm、157nm、15.7nm的待测cu
2+
溶液。使用表面功能化后的扭转型光纤spr传感器，对各浓度的cu
2+
溶液进行传感测试，实验中每次更换不同浓度的cu
2+
溶液，等待spr透射光谱稳定不再移动后，采集该浓度下的光谱数据，实验结果如图5所示，随着cu
2+
浓度增加，共振波长向长波长方向移动。
47.需要提前说明的是，在本实用新型中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。
48.以上所述的仅是本实用新型的实施例，方案中公知的具体结构及特性等常识在此未作过多描述。应当指出，对于本领域的技术人员来说，在不脱离本实用新型结构的前提下，还可以作出若干变形和改进，这些也应该视为本实用新型的保护范围，这些都不会影响本实用新型实施的效果和专利的实用性。本技术要求的保护范围应当以其权利要求的内容为准，说明书中的具体实施方式等记载可以用于解释权利要求的内容。
技术特征：1.一种用于重金属离子检测的扭转型光纤spr传感器，其特征在于：包括顺次设置于同一光纤上的注光光纤区(1)、扭转光纤区(2)和传感光纤区(3)，以及和所述传感光纤区的一端正对熔接的收光光纤区(4)；所述的注光光纤区(1)由第一石英纤芯(1-1)、环形包覆在第一石英纤芯(1-1)表面的第一石英包层(1-2)和环形包覆在第一石英包层(1-2)表面的第一涂覆层(1-3)组成；所述扭转光纤区(2)由扭转的第二石英纤芯(2-1)、环形包覆在第二石英纤芯(2-1)表面，且扭转设置的第二石英包层(2-2)组成；所述传感光纤区(3)由第三石英纤芯(3-1)、环形包覆在第三石英纤芯(3-1)表面的第三石英包层(3-2)、环形包覆在第三石英包层(3-2)表面的传感金属薄膜(3-3)和环形包覆于传感金属薄膜(3-3)外表面的修饰层(3-4)组成；所述收光光纤区(4)由第四石英包层(4-1)、环形包覆在第四石英包层(4-1)表面的第四石英纤芯(4-2)、环形包覆在第四石英纤芯(4-2)表面的塑料包层和环形包覆在塑料包层外侧的第四涂覆层(4-3)组成。2.如权利要求1中所述的一种用于重金属离子检测的扭转型光纤spr传感器，其特征在于：高折射率的所述第一石英纤芯(1-1)的纤芯为直径9μm，所述第一石英包层(1-2)的直径125μm，所述第一涂覆层(1-3)的直径为250μm。3.如权利要求1中所述的一种用于重金属离子检测的扭转型光纤spr传感器，其特征在于：高折射率且螺旋状扭转的所述第二石英纤芯(2-1)的直径为9μm，螺旋状流转的所述第二石英包层(2-2)的直径为125μm。4.如权利要求1中所述的一种用于重金属离子检测的扭转型光纤spr传感器，其特征在于：所述传感光纤区(3)的长度为2cm，高折射率的所述第三石英纤芯(3-1)的直径为9μm，所述第三石英包层的直径为125μm，所述传感金属薄膜(3-3)包括环形向外依次镀制5nm厚的铬膜和50nm厚的金膜，所述修饰层(3-4)包括壳聚糖/聚丙烯酸自组装形成的聚电解质层。5.如权利要求1中所述的一种用于重金属离子检测的扭转型光纤spr传感器，其特征在于：低折射率的所述第四石英包层的直径为9μm，所述第四石英纤芯(4-2)的直径为125μm，所述塑料包层的直径为155μm，所述第四涂覆层(4-3)的直径为250μm。6.如权利要求1中所述的一种用于重金属离子检测的扭转型光纤spr传感器，其特征在于：所述注光光纤区(1)内的光纤为单模光纤、阶跃折射率多模光纤或渐变折射率多模光纤中的一种。7.如权利要求1中所述的一种用于重金属离子检测的扭转型光纤spr传感器，其特征在于：所述收光光纤区(4)为大芯径多模环形芯光纤。
技术总结本实用新型属于光纤传感领域，主要涉及一种用于重金属离子检测的扭转型光纤SPR传感器。包括顺次设置于同一光纤上的注光光纤区、扭转光纤区和传感光纤区，以及和所述传感光纤区的一端正对熔接的收光光纤区；所述的注光光纤区由第一石英纤芯、环形包覆在第一石英纤芯表面的第一石英包层和环形包覆在第一石英包层表面的第一涂覆层组成；所述扭转光纤区由扭转的第二石英纤芯、环形包覆在第二石英纤芯表面，且扭转设置的第二石英包层组成；所述传感光纤区由第三石英纤芯、环形包覆在第三石英纤芯表面的第三石英包层组成。技术方案用以解决目前检测重金属离子的光纤型传感器制作困难、机械强度低的问题。机械强度低的问题。机械强度低的问题。
技术研发人员：魏勇 程菁 刘纯彪 冉泽 石晨 王星凯
受保护的技术使用者：重庆三峡学院
技术研发日：2022.08.03
技术公布日：2022/12/16
