多重金属离子浓度光纤传感器、其制备方法和传感装置制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种多重金属离子浓度光纤传感器，通过在光纤基体外壁形成与传感纤芯对应的检测面，每个检测面上的金属膜和重金属印迹纳米材料共同形成一个传感区域，在透射光谱中，不同的金属涂层可以激发出不同的等离子体共振波长，溶液中的特异性金属离子会改变传感层的有效折射率，从而通过传感器输出光谱波长的变化，即可得到相应的多个传感区域的特异性金属离子的信息。本发明专利技术的多金属离子浓度传感器，结构紧凑，仅需一个光纤结构即可实现多重金属离子浓度的同步测量，同时具有特异性强、稳定性高、抗电磁干扰等特点。本发明专利技术还提出一种多重金属离子浓度光纤传感器制备方法和光纤传感装置。纤传感装置。纤传感装置。

【技术实现步骤摘要】
多重金属离子浓度光纤传感器、其制备方法和传感装置


[0001]本专利技术涉及重金属离子浓度检测
，尤其涉及一种多重金属离子浓度光纤传感器、其制备方法和传感装置。

技术介绍

[0002]近年来，基于表面等离子体共振技术的光纤表面等离子体(surface plasmon resonance，SPR)传感器，因其高灵敏度、耐氧化、通用性强等特点，在生物、化学检测领域具有广阔的应用前景。重金属离子浓度检测是光纤SPR传感器重要的应用领域之一。该方法通常在传感器金属膜层表面通过化学生长、物理沉积或者吸附等方法增加一层功能膜层，这些功能化的膜层可以与待测液体中的重金属离子发生化学反应或发生互补结合位点结合，从而使得传感膜层的介电常数或有效折射率发生改变，进而使SPR共振波长产生漂移。通过分析共振波长的漂移量获得折射率变化信息，进而分析被测液体中重金属离子的种类、浓度、含量等信息。
[0003]目前，用于单一重金属离子检测的基于SPR的光纤传感器比较常见，然而在水域环境中往往有多参量重金属离子传感的需求，因此用于多重重金属离子的基于SPR的光纤传感器的研究得到了广泛的关注及研究。例如，研究者们在传感装置上串联两个SPR传感区，在光谱仪上接收到两个传感区的传感光谱，但此方法不易消除第一个共振光谱与第二个SPR传感区之间的干扰。为此，为了解决这个问题，研究者们将激励光源分两束，并联了两个SPR传感区。这种方法可以避免了第一个共振光谱与第二个SPR传感区之间的干扰，然而传感器其结构不紧凑。

技术实现思路

[0004]为解决
技术介绍
中存在的技术问题，本专利技术提出一种多重金属离子浓度光纤传感器、其制备方法和传感装置。
[0005]本专利技术提出的一种多重金属离子浓度光纤传感器，包括：光纤基体；
[0006]光纤基体外壁具有多个检测面，所述检测面上具有金属膜和涂覆在金属膜上的重金属印迹纳米材料，每个检测面上的金属膜和重金属印迹纳米材料共同形成一个传感区域；光纤基体内部具有补偿纤芯和多个传感纤芯，每个传感纤芯与一个检测面对应设置，传感纤芯的外壁与所对应的检测面上的金属膜接触。
[0007]优选地，补偿纤芯位于光纤基体中部，多个传感纤芯围绕补偿纤芯均匀分布。
[0008]优选地，多个检测面围绕补偿纤芯沿圆周均匀分布。
[0009]优选地，补偿纤芯内具有光栅。
[0010]优选地，所述检测面为平行于补偿纤芯延伸的平面。
[0011]优选地，金属膜采用铜膜、银膜和金膜中的一种。
[0012]本专利技术中，所提出的多重金属离子浓度光纤传感器，通过在光纤基体外壁形成与传感纤芯对应的检测面，每个检测面上的金属膜和重金属印迹纳米材料共同形成一个传感
区域，在透射光谱中，不同的金属涂层可以激发出不同的等离子体共振波长，溶液中的特异性金属离子会改变传感层的有效折射率，从而通过传感器输出光谱波长的变化，即可得到相应的多个传感区域的特异性金属离子的信息。本专利技术的多金属离子浓度传感器，结构紧凑，仅需一个光纤结构即可实现多重金属离子浓度的同步测量，同时具有特异性强、稳定性高、抗电磁干扰等特点。
[0013]本专利技术还提出一种上述的多重金属离子浓度光纤传感器的制备方法，包括下列步骤：
[0014]S1、通过飞秒激光刻蚀多芯光纤的包层，在多芯光纤表面形成多个分别沿多根传感纤芯外壁延伸的检测面；
[0015]S2、通过飞秒激光在多芯光纤的补偿纤芯内直写光栅；
[0016]S3、在S1的多个检测面上分别溅射形成金属膜；
[0017]S4、在S3中的每个金属膜表面涂覆重金属印迹纳米材料。
[0018]本专利技术中，所提出的多重金属离子浓度光纤传感器的制备方法，步骤简便，所制备的光纤传感器结构简单。
[0019]本专利技术还提出一种多重金属离子浓度光纤传感装置，包括上述的多重金属离子浓度光纤传感器。
[0020]优选地，还包括激光器和光谱仪，激光器用于向补偿纤芯和传感纤芯发射激光，光谱仪用于获取经过补偿纤芯和传感纤芯的激光信号。
[0021]本专利技术中，所提出的多重金属离子浓度光纤传感装置，其技术效果与上述光纤传感器类似，因此不再赘述。
附图说明
[0022]图1为本专利技术提出的一种多重金属离子浓度光纤传感器的一种实施方式的结构示意图。
[0023]图2为本专利技术提出的一种多重金属离子浓度光纤传感装置的一种实施方式的结构示意图。
[0024]图3为本专利技术提出的一种多重金属离子浓度光纤传感器的一种实施方式的光路示意图。
具体实施方式
[0025]如图1至3所示，图1为本专利技术提出的一种多重金属离子浓度光纤传感器的一种实施方式的结构示意图，图2为本专利技术提出的一种多重金属离子浓度光纤传感装置的一种实施方式的结构示意图，图3为本专利技术提出的一种多重金属离子浓度光纤传感器的一种实施方式的光路示意图。
[0026]参照图1，本专利技术提出的一种多重金属离子浓度光纤传感器，包括：光纤基体1；
[0027]光纤基体1外壁具有多个检测面，所述检测面上具有金属膜2和涂覆在金属膜2上的重金属印迹纳米材料5，每个检测面上的金属膜2和重金属印迹纳米材料5共同形成一个传感区域；光纤基体1内部具有补偿纤芯3和多个传感纤芯4，每个传感纤芯4与一个检测面对应设置，传感纤芯4的外壁与所对应的检测面上的金属膜2接触。
[0028]为了详细说明本实施例的光纤传感器的工作方式，参照图2，本实施例还提出一种多重金属离子浓度光纤传感装置，包括上述的多重金属离子浓度光纤传感器。具体地，还包括激光器20和光谱仪30，激光器20用于向补偿纤芯3和传感纤芯4发射激光，光谱仪30用于获取经过补偿纤芯3和传感纤芯4的激光信号。
[0029]本实施例的多重金属离子浓度光纤传感装置的具体工作过程中，将光纤传感器放入待测液体中，使得光纤基体表面的传感区域暴露于待测工作环境中，激光器发射的激光耦合到光纤中，在多个纤芯内传输，光纤传感器浸入被测溶液中时，溶液中的金属离子将与相应传感区域的金属离子印迹纳米材料层中的互补结合位点结合，从而改变传感区域的有效折射率。因此，不同的金属涂层激发出不同的等离子体共振波长选择性地发生了漂移，通过监测透射光谱的三个波长信息就可得到特异性金属离子的信息。
[0030]本实施例的光纤传感器基于在金属和电介质之间的界面上发生的表面等离子体，以进行液体中重金属离子的监测。当在光纤芯中传播的光在光纤与金属的界面进行全反射时，会产生指数衰减的倏逝场。而倏逝波的波矢量可以表示为：
[0031][0032]其中，ε0为光纤包层的介电常数，θ为入射光的角度，ω为入射光的频率。根据边界条件对应的等离子体无辐射瞬态电磁场的麦克斯韦方程，表面等离子体波的波矢量为
[0033][0034]其中，ε1是金属膜的介电常数，ε2是在金属膜上的环境介质的介电常数。当表面等离子体波矢量的实部与倏逝波矢量匹配时，即k
x
＝实部(k本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种多重金属离子浓度光纤传感器，其特征在于，包括：光纤基体(1)；光纤基体(1)外壁具有多个检测面，所述检测面上具有金属膜(2)和涂覆在金属膜(2)上的重金属印迹纳米材料，每个检测面上的金属膜(2)和重金属印迹纳米材料(5)共同形成一个传感区域；光纤基体(1)内部具有补偿纤芯(3)和多个传感纤芯(4)，每个传感纤芯(4)与一个检测面对应设置，传感纤芯(4)的外壁与所对应的检测面上的金属膜(2)接触。2.根据权利要求1所述的多重金属离子浓度光纤传感器，其特征在于，补偿纤芯(3)位于光纤基体(1)中部，多个传感纤芯(4)围绕补偿纤芯(3)均匀分布。3.根据权利要求2所述的多重金属离子浓度光纤传感器，其特征在于，多个检测面围绕补偿纤芯(3)沿圆周均匀分布。4.根据权利要求1所述的多重金属离子浓度光纤传感器，其特征在于，补偿纤芯(3)内具有光栅。5.根据权利要求1所述的多重金属离子浓度光纤传感器，其特征在于，所述检测面为平行于补偿纤芯(3)延伸的平面。6.根据权利要求1...

【专利技术属性】
技术研发人员：曲士良，许伟将，刘一，李金健，
申请(专利权)人：哈尔滨工业大学，
类型：发明
国别省市：