一种新型SPR光纤传感器及其复用与集成方法研究

This proposal mainly faces to satisfy the demand for advanced refractive index sensors in the medical testing of the wisdom city and industrial production, aims to resolve the weakness of the limited refractive index detection range for traditional optical fiber surface plasmon resonance ( SPR) sensors and the difficulty for the sensor multiplexing and integration. We will theoretically and experimentally study a new structure optical fiber SPR sensor and its multi-channel detecting systems. The new sensor works on an optical fiber liquid-core channel with the nano-porous SiO2 coating. By adjusting the refractive index of the nano-porous SiO2 coating, we will design and fabricate a series of sensors with various low and high refractive index detection ranges. We will study the relationship between the parameters of the nano-porous SiO2 coating and its refractive index. We will try to find out an effective preparation and evaluation method for the nano-porous SiO2 coating. Based on the above sensor designing, we will also establish a set of two-stage cascade sensing system for the measurements of environmental temperature and liquid refractive index at the same time; a set of multi-stage cascade sensing system which will realize the function of multiple sensors working simultaneously; a set of parallel sensing system with the function of optical time-division multiplexing.

面向生化检测和工业生产对先进折射率传感器的需求，本课题针对传统SPR（Surface Plasmon Resonance, SPR）光纤传感器折射率检测范围有限，以及难以复用和集成的局限性问题，将研究和探讨新型结构的SPR传感器，以拓展SPR传感器监测范围和传感器复用和集成为目标，对基于纳米多孔SiO2介质层的液芯光纤SPR传感器及其多通道检测系统进行较为深入的理论和实验研究。拟采用光纤液芯通道的工作方式，通过在通道内壁设计纳米多孔SiO2介质包层来控制传感器的折射率检测范围，制作一系列用于各种高、低折射率范围检测的传感器。研究纳米多孔SiO2介质材料参数与其折射率之间的关系，探究纳米多孔SiO2介质包层的制备方法。基于本选题设计的传感器，结合微流控技术，我们将建立一套多个传感器通道串联并同时工作的多级联传感复用与集成系统，同时还将建立一套环境温度与液体折射率同时测量的二级联系统。

本项目以医疗检测、环境监测、食品安全检测和工业生产中对先进折射率传感器的需求为应用背景，针对传统光纤SPR传感器折射率检测范围有限，以及难以复用和集成的局限性问题，研究了基于纳米多孔SiO2介质层-纤芯折射率检测的SPR传感新技术与新方法。. 在理论研究方面，研究了基于纳米多孔SiO2介质层的液芯光纤SPR传感器的理论模型，通过理论模拟，发现共振波长随折射率增加而减小，呈现“负”折射率特性；基于上述理论模型，研究了不同入射光波模式、传感区长度、金属层的厚度、金属层的不均匀度和包层折射率对传感器性能的影响。在理论研究基础上，开展一系列较为系统的传感器实验研究。主要包括：1.制备了折射率可调的SiO2包层材料。通过调节SiO2材料折射率，不仅可以灵活控制传感器响应光谱范围，还可以实现宽光谱的复用，扩大了传感器的检测范围。实验中，我们通过使用一步碱催化的溶胶凝胶法制备了纳米多孔SiO2材料。2.基于液芯作为传感通道的传感器的新型结构，我们利用真空负压提拉法先将纳米多孔介质均匀镀于微传感通道内壁。3.采用葡萄糖还原银氨络合物生成银单质，在微米尺度的液芯通道内壁自组装形沉积金属层。4.实验实现了单通道纳米多孔SiO2介质层—液芯光纤SPR传感器，SiO2的折射率约为1.35，待测液折射率为1.41~1.47，在500-700nm波段出现显著的SPR共振峰，且随着纤芯折射率的增大，共振光谱向短波长方向移动，SPR传感器呈现负折射率特性，同时观察到，随着折射率的增加，共振深度增加。5.实验构建了两个不同折射率的SiO2介质层通道，折射率分别为1.35和1.39，成功实现传感器级联。两个SiO2介质层折射率不同，出现两个显著不同的SPR共振峰波段。6.搭建了光纤SPR免疫学生物传感器测试系统，生物传感器对抗原的响应得到的特异性检测灵敏度为0.1189nm/ (μg/mL)。. 本项目研究有望克服传统光纤SPR传感器的折射率测量范围小，传感器不能复用和集成等局限性，在生命科学、环境监测以及科学研究领域具有重要应用前景。