(19)国家知识产权局 (12)发明 专利申请 (10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请 号 20221025240 0.6 (22)申请日 2022.03.15 (71)申请人 天津理工大 学 地址 300384 天津市西青区 宾水西道391号 (72)发明人 张爱玲　隋鹏霞　 (74)专利代理 机构 天津佳盟知识产权代理有限 公司 120 02 专利代理师 林玉慧 (51)Int.Cl. G01N 21/01(2006.01) G01N 21/41(2006.01) (54)发明名称 一种基于局域表面等离子体共振的高灵敏 度宽检测高线性的折 射率传感器 (57)摘要 本发明设计了一种基于空芯反谐振光纤的 局域表面等离子体共振的高灵敏度、 宽检测、 高 线性的折射率传感器。 所述传感器： 包括宽带光 源、 隔离器、 空芯反谐振光纤传感头、 光谱分析 仪、 微流控制器。 本传感器的核心部分是空芯反 谐振光纤传感头， 在空芯反谐振光纤的包层管中 选择性的封装 金属纳米颗粒， 纤芯区域作为待测 溶液的通道。 该传感器的优点是结构简单、 灵敏 度高、 检测范围广、 线性度高； 通过测量金属纳米 颗粒激发的局域表面等离子体共振峰的波长， 就 可解调出纤芯区域待测溶液折射率， 实现实时传 感检测； 其独特的填充 方式还提高了传感器的使 用寿命和准确度。 权利要求书1页 说明书5页 附图3页 CN 114705623 A 2022.07.05 CN 114705623 A 1.一种基于空芯反谐振光纤的局域表面等离子体共振的高灵敏度、 宽检测、 高线性的 折射率传感器， 其特征在于： 该传感器包括由单模光纤(2)依次连接的宽带光源(1)、 隔离器 (3)、 空芯反谐振光纤传感头(4)和光谱分析仪(5)， 所述空芯反谐振光纤传感头(4)同时通 过微流导管(61)连接微 流控制器(6)。 2.根据权利要求1所述的折射率传感器， 其特征在于： 所述的空芯反谐振光纤传感头 (4)由两个T 型接头、 空芯反谐振光纤(7)及金属纳米颗粒(9)构成； 所述空芯反谐振光纤(7) 的两端各连接一个T型接头， T型接头有三个接口； 空芯反谐振光纤传感头(4)输入端的T型 接头的第一接口与微流控制器(6)通过微流导管(61)连接， 第二接口与隔离器(3)的光输出 端口通过单模光纤(2)连接， 第三接口与空芯反谐振光纤(7)的输入端直接连接； 空芯反谐 振光纤传感头(4)输出端的T型接头的第一接口与微流控制器(6)通过微流导管(61)连接， 第二接口与光谱分析仪(5)通过单模光纤(2)连接， 第三接口与空芯反谐振光纤(7)的输出 端直接连接； 金属纳米颗粒(9)封装到空芯反谐振光纤(7)的包层区域。 3.根据权利要求2所述的折射率传感器， 其特征在于： 所述的空芯反谐振光纤传感头 (4)同时用作传感元件和流通池； 在空芯反谐振光纤(7)中传输的光波激发填充于包层区域 的金属纳米颗粒(9)表面的局域表面等离子体共振， 实现传感检测， 同时空芯反谐振光纤 (7)的纤芯区域作为待测溶 液(10)的微 流通道。 4.根据权利要求2所述的折射率传感器， 其特征在于： 所述的金属纳米颗粒(9)封装于 空芯反谐振光纤(7)的包层管(8)内作为等离子体材料激发局域表 面等离子体共振； 金属纳 米颗粒(9)可以采用不同形状、 不同尺寸、 不同材料的金属； 金属纳米颗粒(9)在包层管(8) 分布也可以不同， 包括但不限于单包层填充， 对称填充或全填充； 通过控制金属纳米颗粒 (9)的尺寸、 形状及数量能够大幅度提高传感器的灵敏度。 5.根据权利要求2所述的折射率传感器， 其特征在于： 所述的空芯反谐振光纤(7)可以 采用不同的结构和尺寸， 包括但不限于单包层空芯反谐振光纤， 空芯嵌套反谐振无节点光 纤， 空芯连体管负曲率 光纤和空芯连接圆负曲率 光纤。 6.根据权利要求3所述的折射率传感器， 其特征在于： 所述的金属纳米颗粒(9)和待测 溶液(10)分别位于空芯反谐振光纤(7)的包层管(8)内和纤芯区域， 传感器的重复使用不会 影响金属纳米颗粒(9)的形貌和特性， 大 大提高了传感器的使用寿命和准确度。 7.根据权利要求3所述的折射率传感器， 其特征在于金属纳米颗粒(9)激发的局域表面 等离子体效应对待测溶液(10)折射率变化十 分敏感， 当待测溶液(10)折射率 发生微小变化 时， 金属纳米颗粒(9)的共振吸收峰对应共振波长发生改变， 通过测量共振波长的偏移 量解 调出待测溶 液(10)折 射率的变化 量， 实现实时监测。权　利　要　求　书 1/1 页 2 CN 114705623 A 2一种基于局域表面等离 子体共振的高灵敏度宽检测高 线性的 折射率传感器 技术领域 [0001]本发明涉及一种基于空芯反谐振光纤(hollow ‑core anti‑resonance  fiber， HCARF)的局域表 面等离子体共振的高灵敏度、 宽检测、 高线性的折射率传感器， 属于特种光 纤、 光纤传感领域。 背景技术 [0002]折射率传感器已广 泛应用于环境保护、 食品安全、 医疗诊断等领域。 在大探测范围 内具有高灵敏度和线性度的光纤传感器是目前研究的重点。 这项研究面临的主要挑战是： 在满足日益苛刻的低样品量要求的前提下， 如何实现高灵敏度、 宽检测范围、 高线性的传 感。 而光纤传感技术具有抗电磁干扰、 小巧紧凑、 样品消耗少， 可实现快速检测、 远程监控等 特点， 是实现无损检测生物活性物质的有效手段， 特别是近年来兴起的表面等离子体共振 (Surface  Plasmon Resonance， SPR)技术， 能够进一步提高检测灵敏度， 成为面对这一挑 战， 实现高灵敏度的优选方案 。 [0003]表面等离子体共振， 是一种发生在介质金属面上的物理现象。 根据产生SPR现象时 金属形态的不同， 可分为金属SPR以及金属局域表面等离子体共振(Localized  Surface  Plasmon Resonance， LSPR)两大类。 当入射光照射在金属薄膜或金属纳米颗粒上时， 在满足 相位匹配的条件下， 金属表面的自由电子产生集体振荡并与入射光发生共振耦合， 此时金 属薄膜或金属纳米颗粒将对 入射光产生很强的吸 收， 从而获得增强的表面电磁场。 [0004]由于空芯光纤结构的多样性， 以及局域表面等离子体共振传感器的高灵敏度和无 须样品标记， 因此在折射率传感研究中对基于局域表面等离子体共振的空芯光纤传感研究 成了近几年研究人员的研究方向。 空芯光纤分为空芯光子带隙光纤和空芯反谐振光纤。 空 芯反谐振光纤通过反共振反射光波导原理在芯区导光， 它 具有传输损耗低、 结构简单等优 点。 在空芯反谐振光纤中存在诸多贯穿光纤长度方向的空气孔， 根据需要可将金属纳米颗 粒和待测溶液选择性地注入到特定的空气孔中， 既可以是包层的空气孔， 也可以是纤芯的 空气孔， 再加上 空芯反谐振光纤自身 结构的可设计性， 具有非常灵活的设计和组合空间， 为 实现光与待测溶液的高效相互作用和新型高性能生物传感技术开辟了新的研究空间， 具有 重要的科 学研究意 义和诱人的应用前 景。 [0005]近年来， 研究人员主要是通过合理设计光子 晶体光纤的结构， 并结合表面等离子 体共振原理， 实现在宽折射率检测范围内的高灵敏度传感。 在2020年， Kumar  S等人设计了 一种基于表面等离子体共振(SPR)的光子 晶体光纤(Photonic  Crystal Fiber， PCF)传感 器， 在y方向有两个填充金的包层管， x方向有两个大包层管， 在1.29 ‑1.49的折射率范围有 最大波长灵敏度4156.82nm/RIU。 同年， ZengW等人通过在D形PCF平面上沉积两条纳米级金 带， 设计了一种高灵敏度(12 600nm/RIU)、 宽探测范围(1.15 ‑1.36)的D形PCF ‑SPR传感器， 虽 然大幅度提高了灵敏度， 但在1.15 ‑1.36宽探测范围的响应仍是非线性的。 可以看出在已有 的研究中， 如何在维持宽折射率检测范围内实现高灵敏度传感的基础上实现一种线性传说　明　书 1/5 页 3 CN 114705623 A 3