基于纳米覆膜光纤F-P传感器的折射率光谱特性-01-0261

犈 犈 犜 犻 为入射光场 ， 狉 为反射场 ， １ 和犜 ２ 分别为反射面 １ 和 ２ ［ ， ］ １ ４ １ ５ 的传输损耗 。
温度、折射率等 ） 影 Ｐ 干涉仪传感器受外部参量（ 光纤 Ｆ 响该 Ｆ Ｐ 腔端面的反射率和腔长，而这些传感信息都包含在 犉 犻 ４ 犛 犮 犺 犲 犿 犲 狅 犳 狅 犾 犿 犲 狉 犮 狅 犪 狋 犻 狀 狉 狅 犮 犲 狊 狊 犵 狆 狔 犵狆
摘 要 采用层层组装和化学共价交联的方法对光纤 Ｆ ） 干涉传感器的端面进行了纳米聚电 ａ ｂ ｒ Ｐ ｅ ｒ ｏ ｔ（ Ｆ Ｐ ｙ 介质覆膜修饰，并实验研究了覆膜后传感器的折射率响应光谱特性。选择聚二甲基二烯丙基氯化铵 （ Ｐ Ｄ Ｄ Ａ） 和聚苯乙烯磺酸钠（ ） 为纳米覆膜材料，随着覆膜层数的增加，光纤 Ｆ Ｐ Ｓ Ｓ Ｐ 传感器的反射谱对比度呈现由高 到低，再到高的规律，且反射谱对比度具有良好的温度稳定性。选取覆膜层数为 ２ ０ 双层的光纤 Ｆ Ｐ 传感器 对一系列浓度的蔗糖和无机溶液进行了折射率光谱响应测试，实验测得折射率检测拐点由 １ ． ４ ５ ７ 延伸至
２ 犔 － ＋ π 犼 犼 β １ ） （ （ 犈 犚 犈 １－α １－犜 １－犚 犚 犈 ｅ ＋ 狉 ≈ 槡 １ 犻＋ （ １） １）槡 ２ 犻 （ ） （ （ （ （ １－α １－ 犜 １－ 犚 １－ 犜 １ － 犚 １） １） ２） ２）
犚 犈 ｅ ３ 犻 槡
（ ） ２ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ犔 犔 － ＋ 犼 β １ ２
光纤 Ｆ Ｐ 传感器对于所有能引起周围介质折射率变化的 物质都有光谱响应，不具备选择性，因此若要有针对性的探 测待测生物物质的浓度，需在光纤末端或表面上固定有免疫 （ 生物） 材 料 讯 号 生 成 层，并 借 助 光 导 纤 维 进 行 光 信 号 传
， ］ ８ ９ 。静电层层组装是一种基于含有大量的电荷或官能团 递［
－ １的 ·Ｌ ， ℃。首先将其放入０ ． ０ １ｍ ｏ ｌ Ｐ Ｄ Ｄ Ａ 溶液中１ ０ｍ ｉ ｎ
不考虑镀反射膜） ，高阶反射场的功率和 端面的反射率很低（
［ ］ ３ 占输入场功率的比例小于 ０ 。传感器的总 ． １ ％，可以忽略 １
反射场 犈 ｒ 可近似表示为三个端面的反射长之和 。利用该计 算模型得传感头的反射率为
，修订日期： ２ ０ １ ２ ０ ５ ０ ８ ２ ０ １ ２ ０ ８ ２ ０ 收稿日期： ，山 东 省 自 然 科 学 基 金 （ 青年基金） 项目（ 和山东大学自主创新基金项目 ６ １ １ ７ ４ ０ １ ８） Ｚ Ｒ ２ ０ １ １ Ｆ Ｑ ０ ２ ５） 基金项目：国家自然科学基 金项 目 （ （ ） ２ ０ １ ０ Ｇ Ｎ ０ ６ ６ ： １ ９ ８ １年生，山东大学控制科学与工程学院讲师 ｅ ｍ ａ ｉ ｌ ｓ ｄ ｕ ． ｅ ｄ ｕ ． ｃ ｎ ｉ ａ ｎ ｍ ｉ ｎ ｓ ｈ ｕ ｎ 作者简介：姜明顺， ＠ ｊ ｇ ｇ
（ ／ ） ） （ （ 犚 ｃ ｏ ｓ ４ 犔 犚 犚 １－α １－犜 １－ －２ 槡 π λ １） １ １ ３（ １） ） （ ） （ ） ［ （ ） ／ ］ 犚 ｏ ｓ４ 狀 犔 ２ －犜 －犚 π犔 １ １ ２ １ ２ ｃ １＋ ｆ ｉ ｂ ｅ ｒ ２ λ ＋
２（ ２ ２ ） （ 犚 犚 １－α １－犜 １－犚 １－犜 １－ ２ ３（ １）（ １）（ ２） 槡 （ ） ［ ／ ］ ４ 犚 ｃ ｏ ｓ ４ 狀 犔 狀 π λ ２） ｆ ｉ ｂ ｅ ｒ ２ ０ ＞狀 ｆ ｉ ｂ ｅ ｒ 上述公式中， α 和β 分别为空气中和光纤中的传播常数，
量谐振波长的移动变化获得对应的折射率，表现出从几百纳 ／ 外界折射率的高灵敏度，但是具有对环境折 米到几千纳米 射率变化的非线性响应、相对较大的温度较差敏感以及有限 的测量范围等缺点
［ ］ ４
。基于多光束干涉原理的光纤 Ｆ （ Ｐ Ｆ ａ ｂ
） 干涉仪作为一种极高精度的传感器，已经被广泛地 ｒ Ｐ ｅ ｒ ｏ ｔ ｙ 应用于位移、应变、压力、温度、液体的折射率和浓度等物
） （ （ （ ／ ） 犚 犚 １－α １－犜 １－犚 ｃ ｏ ｓ ４ 犔 －２ 槡 π λ １ ２（ １） １） １ ） （ （ （ （ 犚 犚 １－α １－犜 １－犚 １－犜 １－ ＋２ 槡 １ ３（ １） １） ２）
２（ ［ （ ／ ］ ） 犚 ｃ ｏ ｓ ４ 犔 狀 犔 犚 犚 １－ １ －２ 槡 π λ α ２） １＋ ｆ ｉ ｂ ｅ ｒ ２） ２ ３（ ２（ ２（ ） ） ） （ ） ［ （ １－ 犚 １－ 犜 ｏ ｓ４ －犜 π犔 １ １ ２ １－ 犚 ２ ｃ １ ＋
２ ，其中空气折射率狀 ， （ 狀 狀 ０ ． ０ ３ ４ １ 狀 ｆ ｉ ｂ ｅ ｒ＋ ａ ｉ ｒ）＝ ａ ｉ ｒ＝１ ｆ ｉ ｂ ｅ ｒ为光 纤折射率，一般为 １ ， 为外界环境的折射率 ， 为待测 ． ４ ５ ７狀 ０ ２ 量。 ／ 犚 狀 狀 ３ 为犔 ２ 与外界分界面的反射率 ，且 犚 ３＝（ ｆ ｉ ｂ ｅ ｒ－ ０） ２ 由 （ 狀 狀 狀 ｆ ｉ ｂ ｅ ｒ＋ ０）， ０ 决定 。假设在光纤中入射光的入射角为 ，则三个反射面均相互平行且垂直于光纤轴向。由于光纤 ０ °
２ ６ ２
光谱学与光谱分析 第３ ３卷 反射的干涉谱之中。因此可以通过研究反射谱随这些参量的 变化，实现外部参量的检测。
－ ６ 度为 犔 由于光纤的热光系数很小 （ ，光纤 ６ ． ３×１ ０ ℃－１） ２。
的折射率在温度变化不大的情况下也视为固定值。
犉 犻 １ 犛 犮 犺 犲 犿 犪 狋 犻 犮犱 犻 犪 狉 犪 犿狅 犳犉 犘狅 狋 犻 犮 犪 犾 犳 犻 犫 犲 狉 狊 犲 狀 狊 狅 狉 犵 犵 狆 Ｐ 传感器的计算模型，其中 犚 犚 图２为光纤 Ｆ １， ２ 为封 ２ 闭空气腔 犔 ／ 犚 狀 狀 １ 两端面的反射率 ， １ 和犚 ２ 均为 （ ｆ ｉ ｂ ｅ ｒ－ ａ ｉ ｒ）
］ ５ ７ 。 理量的微小变化的测量［
１ 原 理
Ｐ 传感器的结构如图１所示，在单模光纤头处利 光纤 Ｆ 用飞秒激光制备空气腔，形成 Ｆ Ｐ 结构，光纤头插入待测介 质中测量其折射率。 ， Ｐ 腔，共有三个反射面，分别用 １ 传感头可视为两个 Ｆ 和 标示 。 反射面 和反射面 形成一个腔长较短的空气 ２ ３ １ ２ 反射面 ２ 和 ３ 形成另一个 Ｆ Ｆ Ｐ 腔，其长度为 犔 Ｐ 腔，长 １；
（ ）犼 ２ 犔 犔 － ＋ π 犼 β １ ２＋ （ ） ２ 犚 犈 ｅ 狀 ３ 犻 ０ ＞狀 ｆ ｉ ｂ ｅ ｒ 槡 ２ ２ ２ ２ ） ／ ）（ 犚Ｆ 犈 犈 １－ １－犜 １－犚 犚 ＝狘 λ α Ｐ（ 狉 犻狘 ＝犚 １＋（ １）（ １） ２＋ ２（ ２ ２ ２ ２ （ ） １－ １－犜 １－犚 １－犜 １－犚 犚 α １）（ １）（ ２）（ ２） ３
］ １ ０ １ ２ 材料的交替吸附在基底形成纳米超薄膜的常用方法［ 。将
引 言
折射率是物质的重要光学基本属性之一，借助折射率， 人们可以了解溶液的光学性能，同时有助于了解溶液的纯 度、浓度以及黏度等其他物理性质。光纤传感器因体积小、 分辨率高等特点在折射率传感领域有着重要的应用。例如光 纤表面等离子体共振传感器，长周期光纤光栅，化学腐蚀布
（ ） ／ ］ ３ 狀 犔 狀 λ ｆ ｉ ｂ ｅ ｒ ２） ０ ≤狀 ｆ ｉ ｂ ｅ ｒ ２ ２（ ２（ ２ （ ） ／ （ ） ） ） 犚 ′ 犈 １－犚 － α １－犜 Ｆ Ｐ λ ＝狘 狉 犈 犻狘 ＝ 犚 １＋ １ １ １ 犚 ２ ２（ ２ ２ ２ ） １ －α １－ 犜 １－ 犚 １－ 犜 １－ ＋（ １）（ １）（ ２）（
２ ） （ （ 犚 犚 犚 犚 １－α １－ 犜 １－ ２） ３ － ２ 槡 １ ２（ １）
犉 犻 ３ 犛 犮 犺 犲 犿 犲 狅 犳犉 犘狊 犲 狀 狊 狅 狉 狋 犻 狅 犱 犻 犳 犻 犲 犱 犵 狆犿 犫 狅 犾 犲 犾 犲 犮 狋 狉 狅 犾 狋 犲犿 狌 犾 狋 犻 犾 犪 犲 狉 狔狆 狔 狔 狔
］ １ － ３ 拉格光纤光栅，光微谐振腔，光子晶体等类型［ ，通过测
光纤 Ｆ Ｐ 传感器通过端面纳米覆膜修饰后，再使分子识别元 件和待测物质特异性结合，发生生物化学反应，从而达到分 析检测的目的。 本研究在分析光纤 Ｆ Ｐ 传感器折射率检测原理的基础 上，采用层层自组装技术和化学共价交联相结合的 Ｐ ／ Ｄ Ｄ Ａ Ｐ Ｓ Ｓ聚电解质覆膜制备方法对传感器端面进行修饰改性，研 究了纳米覆膜层数与传感器反射谱对比度之间的关系，并对 其温度特性进行了实验验证。然后，对纳米覆膜后的光纤 Ｆ Ｐ 传感器进行了一系列的溶液折射率检测光谱特性测试。传 感器表现出了良好的折射率响应特性，结果表明其在折射率 检测，尤其生物分子浓度检测领域的应用有着重要的意义。
第３ 第１期 光 谱 学 与 光 谱 分 析 ３卷 ， ２０１３ 年 １ 月 Ｓ ｅ ｃ ｔ ｒ ｏ ｓ ｃ ｏ ｎ ｄＳ ｅ ｃ ｔ ｒ ａ ｌＡ ｎ ａ ｌ ｓ ｉ ｓ ｐ ｐ ｙａ ｐ ｙ
Ｖ ｏ ｌ ． ３ ３， Ｎ ｏ ． １， ２ ６ １ ２ ６ ５ ｐ ｐ ， Ｊ ａ ｎ ｕ ａ ｒ ２ ０ １ ３ ｙ
犉 犻 ２ 犲 犳 犾 犲 犮 狋 犻 狏 犻 狋 犮 犪 犾 犮 狌 犾 犪 狋 犻 狅 狀犿 狅 犱 犲 犾 狅 犳 狊 犲 狀 狊 狅 狉 犚 犵 狔
２ 纳米覆膜修饰
分子量 １ ） ，聚二甲基 ０ ００ ０ ０ 实验选择聚苯乙烯磺酸钠 （ 分子量 ３ ， 两种分别带 二烯丙基氯化铵 （ ０ ００ ０ ０ ４ ０ ％， 犠／ 犠） 有正电和负电的聚电解质为覆膜纳米材料。为使聚电介质膜 能够稳定的吸附在光纤 Ｆ Ｐ 传感器的末端，需要对传感头进 行预处理。首先将光纤 Ｆ Ｐ 传感头浸没于 ３ ０ ％ 的双氧水和 体积比３ ） ，使用恒温水槽使混 ９ ８ ％的浓硫酸混合溶液中（ ∶ ７ 合溶液温度控制在 ６ ，随 ０～８ ０ ℃ 的范围内，时间为 ３ ０ｍ ｉ ｎ 后用去离子水冲洗干净。然后，再将其进一步浸入双氧水、 氨水和去离子水（ ） 的混合溶液中 １ ，这样处理 １ ∶１ ∶５ ０ｍ ｉ ｎ 的结果是使长周期光纤光栅的表面带上负电荷，最后再用去 离子水冲洗。经过预处理的光纤 Ｆ Ｐ 传感头的纳米覆膜流程 如图３所示。覆膜过程是在室温下进行的，环境温度约为 ２ ０