侧边抛磨的U型金溅射塑料光纤等离子体共振传感器.doc

侧边抛磨的U型金溅射塑料光纤等离子体共振传感器 第40卷第3期2019年5月应用光学Journal ofApplied()pticsV0140No3Mav201910022082 (2019)03一05ll06侧边抛磨的U型金溅射塑料光纤等离子体共振传感器周建乔，景宁，王志斌，李克武(中北大学山西省光电信息与仪器工程技术研究中心，山西太原030051)摘要为了测量溶液折射率变化，对塑料光纤纤芯表面的纤芯一金层一液体的3层膜结构进行研究，制作了一种使用U型结构并结合侧边抛磨方法的表面等离子体共振传感器。 将截取的一段塑料光纤弯曲成为U型，并在烘箱中通过较高温度使这段光纤的曲率固定，对弯曲部分的外表面进行抛光，暴露该位置塑料光纤芯层并在其上溅射金纳米薄膜层，将制备好的传感器浸入不同折射率的液体中，使用光谱分析仪观察光谱的移动。 实验结果表明当塑料光纤sPR传感器测量折射率变化范围在13331406的液体时，可以通过光谱观察到随着液体折射率的增大，等离子体共振吸收峰位置也不断地向波长增大的方向移动，并且二者之间存在线性关系，其灵敏度为75lo-4RIUnm。 该传感器探头具有灵敏度高、小型化、易制备、低成本的特点。 关键词表面等离子体共振；塑料光纤；侧边抛磨；金溅射；折射率TN253文献标志码A DoI105768JA()2019400308002Sidegrinding U。 shaped gold sputter plastic fiber SPR sensorZHOU Jianqiao，JING Ning，WANG Zhibin，I。 I Kewu(Shanxi ProvincePhotoelectric InformationandInstrument EngineeringTechnologyResearch Center，North ChinaUniversity，Taiyuan03005l，China)AbstractIn orderto measurethe changeof therefractive indexof solution，the threelayersstructure offiber core901d layer一1iquid onthe surface of plasticoptical fiber corewas studiedAsurface plasmon resonance(SPR)sensor usingUshaped structurebined withside polishingmethodwas developedFirst，a segmentof plasticfiber wasbent intoa Ushape，and thecurvature of the segmentwas fixedat highertemperatures inthe ovenThe outersurfaceof thecurVed partwas thenpolished toexpose the plasticfibercore1ayer atthe positionand tosputterthe901d nanofilm layeron itFinally，the preparedsensor wasimmersed inthe liquidwith different refractiveindices，and themovement ofthe spectrumwas observedusing aspectral analyzerThe experimentalresults showthat whentheplastic optical fiberSPR sensormeasures thehquidwith therefractive indexvariation rangeof13331406，it canbe observedthrough thespectrumthat withthe increaseoftheliquid refractive index，the plasma resonance absorptionpeakposition is also movingtowards thedirection ofwavelength increase，and thereisa1inearrelationship betweenthe two，and itssensitivity is75104RIUnmThe sensorprobe hasthecharacteristics ofminiaturization，easy preparationandIow costKey wordssurface plasmaresonance(SPR)；plastic optical fiber；side p01ishing；901dsputtering；refractiveindex201810一28；修回日期20190114基金项目国家自然科学基金 (11647089)；山西省应用基础研究项目(xx01D221126)作者简介周建乔 (1994)，男，硕士研究生，主要从事光学方面的研究。 E-mail876723833qq通信作者景宁(1985一)，男，博士，副教授，硕士生导师，主要从事光纤传感方面的研究。 Emailjingningnuceduc“万方数据512应用光学第40卷第3期引言表面等离子体共振(surface plasmonresonance，简记为SPR)是一种利用光学倏逝波与金属表面等离子体波(surface plasmonwave，简记为SPW)达到共振，来确定金属层与介质层(被分析物)界面的折射率变化1的光学现象。 由于sPR传感器对环境折射率的变化十分敏感，具有集成性好、体积小、抗电磁干扰能力强、易于实现实时观测等诸多优点2，在生物、化学方面应用的十分广泛。 光纤传感器33探测与传统的棱镜结构相比，其独特的优势在于能够改变光纤探针的几何形状4。 6，适用性广泛。 一般地，光纤可分为石英光纤和塑料光纤(plastic opticalfiber，简记为POF)，现有的SPR传感器大多采用石英光纤。 石英光纤以二氧化硅为纤芯，具有低损耗、宽宽带、易长距离传输的特点。 相比于石英光纤，塑料光纤虽然由于传输损耗高造成传输距离较短，但是塑料光纤的芯径更大，更易于连接，数值孔径更大，便于光纤连接或同光源耦合。 最重要的是，塑料光纤易弯折且拥有良好的拉伸强度，方便对其形状进行操作。 现有的塑料光纤传感器可以为锥形71?、侧面抛光口卜12、线圈或任何在实际操作中更方便的几何形状，用于测量小折射率的变化，在药物发现、医学诊断、环境监测和国家安全领域有着广泛的应用。 这些传感器很大程度上取决于光纤探针几何形状和贵金属纳米结构沉积过程。 考虑到塑料光纤几何形状的易设计性以及制作处理难度，基于SPR理论提出一种侧边抛磨的U型金溅射POFSPR传感器。 首先通过烘箱升温设计塑料光纤的几何形状，将其制作成U型结构并固定其曲率半径。 然后在U型结构的底端使用光纤抛光纸对光纤侧面进行研磨，暴露出塑料光纤的芯层结构。 最后使用溅射镀膜机在研磨区域溅射金纳米粒子进行镀膜，得到了U型侧边抛磨PoFsPR传感器。 此方法能够一次性制作多个相同厚度金纳米层的传感器，保证同一批次的传感器性能相同。 将传感器浸入不同折射率溶液中并对透射光谱进行归一化处理，可以发现共振吸收峰位置随着液体折射率的增大而不断向波长增大的方向移动，且二者之间存在线性拟合关系。 与通常的u型塑料光纤传感器相比，借鉴了侧边抛磨的方法，在提高了传感器灵敏度的同时进一步降低了传感器的制作难度。 1传感器理论基础11光的全反射与倏逝波当一束光从光密介质向光疏介质传播时，若入射角大于临界角，将发生全反射现象，入射光线将全部反射回光密介质中。 此时光波虽然不能穿过两种介质的临界面，但有部分入射光波能够渗入光疏介质中，沿着两介质临界面平行的方向会产生光波并传播一定的距离，最后返回到光密介质，这中存在于界面附近的光波被称为倏逝波u“。 渐逝波的强度是随着与界面传播的距离成指数衰减的关系，当穿透的光波强度减弱至原光波强度的三分之一时的距离称为穿透深度。 倏逝波的有效穿透深度约为200nm，只有当待测物体处于倏逝波场时才能与其发生相互作用。 因此SPR传感器对金属膜有一定的厚度要求，若所镀金属膜太厚则会超出倏逝波的作用范围，从而影响sPR效应的效果。 在一般的光纤SPR传感器设计中，金属膜的厚度为40nm60nm。 12金属表面等离子体共振光在光纤与金属膜表面上发生全反射现象时，会形成倏逝波进入到光疏介质中。 而在金属介质中又存在一定的等离子波，当两波相遇时可能会发生表面等离子体共振。 表面等离子体共振是一种物理现象，利用光在入射角或波长为某一适当条件下，塑料纤芯与金膜的界面处发生的全反射引起金属表面的自由电子产生等离子体1“。 等离子体通常是指由密度相当高的自由正、负电荷组成的物质形态，其中正、负带电粒子数目几乎相等。 金属实际上也是一种等离子体，当金属受到电磁干扰，由于电磁振荡形成了等离子波。 表面等离子体振动产生的电荷密度波，沿着金属和电介质的界面传播，形成表面等离子体波(surfaceplasmawave，SPw)当表面等离子体波与倏逝波的频率、波长相同，二者将耦合发生共振。 此时通过光谱仪检测到的反射光强度会大幅度地减弱，这是因为能量从光子转移到表面等离子，入射光的大部分能量被表面等离子波吸收，使得反射光的能量急剧减少。 入射光被吸收，在反射光谱上出现共振吸收峰“。 万方数据应用光学2019，40 (3)周建乔，等侧边抛磨的u型金溅射塑料光纤等离子体共振传感器51313POFSPR传感器模型POFSPR传感器原理如图1所示。 构建一个由塑料光纤芯层、金属层以及液体介质构成的3层膜结构模型，其中以。 、行。 、e。 、。 、口分别为塑料光纤芯层、薄膜金层以及液体溶液的折射率和介电常数。 抑D，龟屡图1传感器理论模型Fig1Theoretical modelof POFSPR sensor频率为叫的倏逝波矢量豇。 为足。 一詈石 (1)在半无穷电介质和金属界面处，角频率的表面等离子体波的波矢量为一芋仨磊 (2)已知电介质的折射率规是电磁波在真空中的速度c与在不导电的均匀介质中的速度口之比，折射率行为咒一三一i (3)若光波频率一定，电介质一般为非磁性的卢1，则有，z一掂，那么芋蠊 (4)尼。 一旦瓜一堕，2。 (5)当倏逝波波矢忌。 与金膜表面等离子波矢七舢相匹配时，发生SPR效应。 2结构及制备21侧边抛磨塑料光纤(POF)通常以聚甲基丙烯酸甲酯(polymethyl methacrylate，简记为PMMA)为芯层，含氟塑料等材料作为包层。 本文使用的POF由日本三菱制造，其直径为1mm(980肛m的芯层和20“m的包层)，芯层和包层折射率分别为149和141，数值孔径(NA)为O5。 用光纤切割刀截取一段长度为20cm的塑料光纤，在研磨纸上沿着“O”字型水平研磨光纤端面并重复多次，保证光纤端面平滑用以减少光在传感器中传输的损耗。 使用3D打印机制作一个有合适的曲率半径的U型模具(U型突起的一端有深度o75mm的凹槽，两侧及凹槽可容纳放置光纤，如图2所示。 将光纤插入模具中并固定。 设置烘箱温度为80，工作时间10min，烘烤光纤以获得类似U型的几何型结构。 在水平工作台上使用光纤研磨纸研磨U型光纤的底端，过程中保持研磨端面的水平。 先后使用50nm、20nm、5nm、1nm的研磨纸进行抛光，抛光工作长度约为1cm，深度约为o15mm。 然后将处理好的U型塑料光纤浸入浓度为99的乙酸乙酯溶液中，浸入时间为10s，减少因研磨所产生的微小颗粒及裂痕。 经过超声波洗涤器清洗后，得到U型结构侧边抛磨后的塑料光纤，最后用光纤清洁纸清除了残留在传感器表面的残屑。 图23D打印模型Fig23D printingmodel22磁控溅射纳米金膜将制备好的U型塑料光纤放入溅射镀膜机中，距离靶位约10cm放置，这是为了防止因工作温度过高或溅射功率过大引起塑料光纤融化16。 使用金靶(纯度999，直径65mm，厚度10mm)，在真空度达到所需的镀膜要求(一般气压要求为10-4Pa)后，充人氩气(Ar)，调节插板阀控制气压在3Pa左右，开启启辉。 启辉成功后调节插板阀将压强调至10Pa左右，放电3min。 带溅射稳定后，打开挡板按钮，为传感器U型结构的底端进行镀膜。 本实验设置磁控溅射镀膜机的工作功率为180W，溅射时间设定为60s，镀膜厚度约为50nm。 在这种情况下，溅射的金纳米粒子对抛磨后的塑料光纤芯层表面具有良好的附着力。 制作流程如图3所示，POFSPR传感器如图4所示。 万方数据514应用光学第40卷第3期图3截面上的抛磨、镀金示意图Fig3Schematic ofpolishing，gOId pIatingon crosssection图4PoF_SPR传感器Fig4PoF-SPRsensor3实验及操作使用光源、POFSPR传感器、光谱分析仪以及计算机来测量传感器在不同折射率溶液中透射光强度的变化趋势，如图5所示。 液体图5SPR-PoF传感器工作原理Fig5operatiOn OfPoFSPR Sensor与POFSPR传感器接触的溶液折射率不能超过芯层折射率1490，否则不能出现SPR效应”。 使用阿贝折射仪测定溶液折射率，如图6(b)所示。 本实验考虑了蔗糖、氯化钠、丙三醇溶液进行试验，发现常温饱和蔗糖溶液折射率为1440，满足试验条件，但是折射率随环境温度变化较大；常温饱和氯化钠溶液折射率1381，范围较小；最后选用了折射率最高为1475的丙三醇溶液，满足试验条件且随着温度变化折射率变化较小。 此外由于大多数生物组织液折射率为137左右，为具有更广泛的参考价值，所制得的丙三醇溶液折射率范围为13331410，间隔约为ool。 光源设备能发出波长范围为340nm800nm的光，光谱分析仪采用海洋光学公司的QEpro光谱仪。 金溅射U形塑料光纤传感器分别连接光源和光纤光谱仪，如图6(b)所示。 将U型传感器的底端，即抛磨后的镀金部分浸入测试溶液，借助光谱仪及软件可在电脑显示屏上可得到光通过传感器的光谱，图7为传感器在空气中所得光谱。 (a)sPRPoF传感器工作实物图(b)阿啦折射仪图6传感器和阿贝折射仪Fig6Sensor andAbbe refractometer波长，n n1图7传感器测得的空气的光谱Fig7Spectrum in air measuredby sensor4测量实验及结果测量P()FsPR传感器在空气以及不同折射率溶液中的光谱，并使用软件将各不同折射率溶液光谱对空气中光谱进行归一化处理口8。 2?。 得到了如图8所示的传感器在不同折射率溶液获得SPR图像，其中横坐标是波长(350nm800nm)，纵坐标是归一化的透射光强度。 发现在折射率为1333的溶液中，共振波长位置在5289nm处；随着折射率的增大，发现等离子共振的波长位置也不断向波长增大的方向移动，而在折射率为1406万方数据应用光学2019，40 (3)周建乔，等侧边抛磨的U型金溅射塑料光纤等离子体共振传感器515的溶液中，共振波长位置在6254nm处。 图8归一化的透射率光谱Fig8NormaIized transmissionlight intensity在图9中，可以看到与SPR相关的共振波长位置随液体折射率增加而发生的近似线性变化，分析共振波长与折射率关系，得到共振波长位置与溶液折射率关系为A一13076押一12172，其决定系数R2一O992。 图9共振波长与折射翠关系曲线Fig9Sensor resOnantwaVelength VersusreftactiVe index灵敏度是每单位变化的折射率与共振波长的漂移的比值(RIUnm)。 在SPR传感器中，共振波长(A。 )由传感层的折射率(佗。 )决定。 如果传感层的折射率改变，则共振波长偏移歆。 SPR传感器的灵敏度(S。 )定义为s一生r型一s淑Ms。 nm。 在本实验中，折射率在13331406范围内变化，采用线性拟合参数的一阶方法确定灵敏度和分辨率。 本实验制作的POFSPR传感器灵敏度为751014RIUnm。 6结论本文基于溅射金膜表面和液体间界面的等离子体共振作用制造U型结构的POFSPR传感器。 通过分析传感器在折射率范围为13331406的溶液中投射光强度，发现当溶液折射率增大时，等离子体共振的波长位置也随之变大，且二者具有一定的线性关系。 金溅射的U型侧边抛磨POFSPR传感器显示了良好的灵敏度，其灵敏度为7510-4RIUnm。 另外，实际测量光谱具有较明显的噪声干扰，这与金层的均匀程度、以及实验环境(温度、湿度)等有关，这些因素会对传感器输出稳定性和分辨率有负面影响。 为此，可考虑采取使用高分辨率和高带宽的光谱仪，并在温度、湿度条件恒定的环境下进行实验等方法提高传感器灵敏度。 该类型结构的传感器实现了对多种液体的测量，尤其适合观察在生物、化学、制药等应用中的反应并检测待测参量，对进一步降低成本、提高检测灵敏度尤为重要，这也是改进优化该类型传感器的主要方向。 参考文献1ZIENKIEwICz()C，ZHU JzThe superconvergent patchrecovery(SPR)and adaptivefiniteelement refinementJComputer Methodsin AppliedMechanicsEngineering，1992，101 (1)2072242PILIARIK M，HOMOLA JSurface plasmonresonance(SPR)sensorsapproaching theirlimits?JOptics Express，xx，17 (19)16505173ADS A，FDs D，RCSB A，et a1Surface plasmonresonanceand bendingloss basedUshaped plasticoptical fiber biosensorsJsensors，2018，18 (2)648r4KUNDU T，SAI VV R，DUTTA R，et a1Development ofevanescent waveabsorbancebased fibreoptic biosensorJPramana，xx，75 (6)109911135SAI VV，KuNDU T，MuKHERJI SNovel Ubent“ber opticprobe forlocallzed surface plasmonresonance basedbiosensorJBiosensors8乙Bioelectronics，xx，24 (9)280496cAUCHETEuR C，GU0T，ALBERT JReview ofplasmonic“ber opticbiochemical sensorsimprovingthe Iimitof detectionJAnalyticalBioanalyticalChemistry，xx，407 (14)388338977CENNAM0N，DAG()STINO G，PESAVENT0M，et a1High selectivityand sensitivitysensorbased onMIP andSPR intapered plasticopticalfibers forthe detectionof lnicotineJSensors8L98765432，葺g莱蒹蝴尊玺万方数据516应用光学第40卷第3期8Actuators BChemical，xx，191 (2)529536GRASSINI S，ISHTAIWI M，PARVIS M，et a1Design anddeployment of10wcost plasticopticalfibersensors forgas monitoringJsensors，xx，15 (1)4854989ZENl l，DAURIA s， (xx)Sensing platforms101112131415PESAVENT0Met a1exploiting surface plasmonresonance inpolymeric opticalfibersfor chemicalandbiochemical applicationscBoston()sA，xxVERMA RK，SHARMA AK，GUPTA BDSur_faceplasmon resonance basedtapered fiberoptic sensor withdifferent taperprofilesJ0ptics 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