内悬芯光纤光栅温度自动补偿微流控传感器及内悬芯光纤

摘要

本发明提供的是一种内悬芯光纤光栅温度自动补偿微流控传感器。内悬芯光纤具有两个纤芯，第一纤芯[1]位于光纤内孔道[2]的内壁上，第二纤芯[3]位于光纤的环带状包层[4]内部，两个纤芯上的纵向相同位置分别写入结构相同的光纤光栅[5]和[6]，光纤光栅[5]作为传感单元，光纤光栅[6]作为参比单元，光纤内孔道[2]作为样品传感场所的微流通道，微流通道表面具有微孔[8][9]，光源[16]通过耦合器[17]与标准光纤[11]连接，标准光纤[11]通过第一拉锥点[13]与内悬芯光纤[10]连接，将光分束进入纤芯[1]和[3]，并通过光纤光栅[5]及[6]，然后再耦合进入标准光纤[12]，标准光纤[12]连接光谱仪[18]。该传感器可用于医药、环境检测、食品等多个领域,并且检测结果准确，不受环境温度影响。

说明书

技术领域

本发明涉及一种光纤内微流控传感装置，尤其是一种基于含有内悬芯光纤的高灵敏度、 微量液体微流控光纤光栅在线传感器。

背景技术

光纤光栅在传感领域应用广泛，可以方便地嵌入到光纤系统及传感器等器件中，构成许 多具有独特性能的光纤器件，极大地推动了光纤光栅应用技术的发展。其反射或透射峰位与 光栅的周期长度以及纤芯折射率有关，当外界物理量如温度、应变、纤芯外环境等因素发生 变化时，将影响光纤光栅的折射率调制周期和纤芯折射率，从而引起光纤光栅的反射或透射 峰的变化，实现不同类型的传感器结构。与传统的光纤传感器相比，光纤光栅传感器具有许 多独特的优点。例如，抗干扰能力强，探测过程不影响光波的频率，可以排除光强引起的干 扰；便于构成各种形式的光纤传感网络，进行多点测量；测量结果重复性良好，光纤光栅制 作技术成熟，可规模化生产。

光纤光栅生物化学传感器主要利用光纤光栅周围环境的物质的浓度发生变化引起折射率 的变化实现物质浓度检测的目的。例如，张玲等利用长周期光纤光栅（Long Period Fiber  Gratings，LPFGs）实现了对蔗糖及盐溶液的浓度测量（飞秒写制长周期光纤光栅的液体浓度 测量实验研究，张玲，苗飞等,光电子?激光,23(5),2012,897-901）。这类光纤光栅传感器虽然 具备光纤光栅的优越特性，可以利用共振波长进行浓度探测，获得高信噪比，但是目前多数 光纤光栅传感器多利用传统光纤制备，样品需要从光纤外部与光纤光栅接触，需要利用样品 池才能实现传感，这样不仅增加了采样量，同时不利于器件集成。由于光纤光栅除对样品浓 度敏感外，同时也对外界温度敏感。

发明内容

本发明的目的在于提供一种检测结果准确，不受环境温度影响的内悬芯光纤光栅温度自 动补偿微流控传感器。本发明的目的还在于提供一种内悬芯光纤。

本发明的内悬芯光纤光栅温度自动补偿微流控传感器包括光源16、耦合器17、第一标准 光纤11、第二标准光纤12、光谱仪18，还包括内悬芯光纤10，所述内悬芯光纤具有两个纤 芯，第一纤芯1位于光纤内孔道2的内壁上，第二纤芯3位于光纤的环带状包层4内部，两 个纤芯上的纵向相同位置分别写入结构相同的第一光纤光栅5和第二光纤光栅6，第一光纤 光栅5作为传感单元，第二光纤光栅6作为参比单元，光纤内孔道2作为样品传感场所的微 流通道，微流通道表面具有第一微孔8和第二微孔9，光源16通过耦合器17与第一标准光 纤11连接，第一标准光纤11通过第一拉锥点13与内悬芯光纤10连接，将光分束进入第一 纤芯1和第二纤芯3，并通过第一光纤光栅5及第二光纤光栅6，然后再通过第二拉锥点14 耦合进入第二标准光纤12，第二标准光纤12连接光谱仪18，样品通过注释泵20进入经毛细 管21并通过第一微孔8进入内悬芯光纤10，然后通过第二微孔9进入毛细管22。

本发明的内悬芯光纤光栅温度自动补偿微流控传感器还可以包括：

1、第一微孔8和第二微孔9的直径为20-50μm，第一微孔8与第二微孔9之间的距离为 10cm，两微孔分别与相近的的距离为1-2mm。

2、所述第一光纤光栅5表面直接与微流样品15接触，或者是通过覆盖的敏感层7与样 品接触。

3、所述的内悬芯光纤每根纤芯的直径为5μm，整根光纤的直径为125μm，位于光纤孔 道内表面的第一纤芯1裸露于包层4以外的面积为纤芯表面积的90%，光纤内孔道2的直径 为50-80μm，环状包层的厚度为30μm。

本发明的内悬芯光纤具有两个纤芯，第一纤芯1位于光纤内孔道2的内壁上，第二纤芯 3位于光纤的环带状包层4内部，两个纤芯上的纵向相同位置分别写入结构相同的第一光纤 光栅5和第二光纤光栅6，第一光纤光栅5作为传感单元，第二光纤光栅6作为参比单元， 光纤内孔道2作为样品传感场所的微流通道，微流通道表面具有第一微孔8和第二微孔9。

本发明提供了一种结构高度集成的基于内悬芯的光纤微流控在线传感器，尤其是一种具 有双光纤光栅的在线温度自动补偿式微流光纤传感器。用于生物、制药、环境、工业等场合 样品浓度的高精度检测。基于内悬芯光纤的这种双光纤光栅集成式光纤微流传感器的两个光 纤光栅一个位于光纤孔道内部，另一个位于光纤包层内部，传感过程发生在光纤孔道内部。 因此，无需样品池，能够实现微量在线检测，且结构简单，操作简便。另外，将位于包层内 的光纤光栅作为参考光栅，可以实现自动温度补偿，显著提高传感器的检测精度。

本发明以新型内悬芯光纤光栅为传感单元，利用光纤表面开孔技术，在光纤内部实现了 在线微流传感。同时，代替了传统光纤光栅通过材料热膨胀匹配以及光纤刻蚀的温度补偿方 式，显著简化了结构设计以及传感器的体积。该传感器可用于医药、环境检测、食品等多个 领域,并且检测结果准确，不受环境温度影响。

附图说明

图1内悬芯光纤端面结构示意图。

图2内悬芯双光纤光栅微流传感结构示意图。

图3内悬芯双光纤与标准光纤的耦合拉锥示意图。

图4内悬芯双光纤光栅在线自动温度补偿微流传感器整体示意图。

具体实施方式

下面举例对本发明做更详细的描述。

结合图1，内悬芯光纤的结构特征是具有两个纤芯，其中纤芯1位于光纤内孔道2的内 壁上，纤芯3位于光纤的环带状包层4内部，每根纤芯的直径为5μm，整根光纤的直径为 125μm。位于光纤孔道内表面的纤芯1大部分裸露于包层外部，裸露于包层4以外的面积为 纤芯表面积的90%。结合图2所示，在两个纤芯上的纵向相同位置写入结构相同的光纤光栅 5和6，其中位于纤芯1上的光纤光栅5作为传感单元，位于纤芯3上的光纤光栅6作为参比 单元。传感光纤光栅5可以直接暴露于待测物微流之中进行传感，也可以在5表面修饰敏感 层7后进行传感，光纤光栅5及光纤光栅6可以为布拉格光栅（Fiber Bragger Grating,FBG） 或者为长周期光纤光栅（LPFGs）。微流通道2表面利用CO2激光器打开两个微口，其中微 口8用于进样，微口9作为样品流出孔道。所述的内悬芯光纤的每根纤芯的直径为5μm，整 根光纤的直径为125μm。位于光纤孔道内表面的纤芯1裸露于包层4以外的面积为纤芯表面 积的90%。包含的微流通道2的直径为50-80μm，环状包层的厚度为30μm。利用内悬芯光 纤表面构造微孔实现光纤微流检测，其中微孔8作为样品入口，微孔9作为样品出口，这两 个微孔直径为20-50μm，距离为10cm，两微孔分别与相近的拉锥点13和14的距离为1-2mm。 在环境温度影响下，光纤光栅5的中心波长同时受待测物以及温度的影响，光纤光栅6的中 心波只会受到温度的影响，而温度对两个光纤光栅的影响程度相同，所以光纤周围物质的浓 度信息通过两个中心波长移动的差值反映，同时实现了温度的自动补偿。

结合图3，光路的耦合连接为：含内悬芯光纤10的一端与标准单模光纤11熔融连接并 进行拉锥耦合，构成3dB光纤耦合器，使光经过拉锥点13均匀分配进纤芯1和纤芯3。内悬 芯光纤10的另一端通过拉锥点14耦合进入标准单模光纤12。检测时，将微流气体或液体样 品15由入口8注入形成微流，并与光纤光栅5作用。所述入射光纤11及出射光纤12为单模 光纤。

结合图4，本发明的内悬芯光纤光栅的在线温度自动补偿分子印迹传感器整体包括ASE 宽谱光源16，耦合器17、标准光纤11及12，内悬芯光纤10、样品入口8、样品出口9、注 射泵20、毛细管21及22、高精度光谱仪18及计算机19。

下面以光纤光栅5和6为LPFG类型为例说明检测原理。根据模式耦合理论可知，LPFGs 的中心波长为:

λ_B=2n_neffΛ

式中，Λ为LPFGs光栅的周期,n_eff为芯模的有效折射率。

光纤光栅导模的有效折射率与归一化频率V有关。对于光纤光栅6，V与光纤参数之间 的关系为:

$V=\frac{\mathrm{\pi d}}{\lambda }\sqrt{n_{c0}^2-n_{c1}^2}$

式中，d为纤芯半径、n_c0和n_c1分别为光纤LPFGs光栅的纤芯折射率和包层折射率，λ 为自由空间波长。对于光纤光栅5，纤芯裸露处的折射率为n_ex，此归一化功率为:

$V_{\mathrm{ex}}=\frac{\mathrm{\pi d}}{\lambda }\sqrt{n_{c0}^2-n_{\mathrm{ex}}^2}$

可见，在倏逝场生化传感中，光纤光栅5的中心波长由于折射率变化而改变，而光纤光 栅6的中心波长则不变，对于温度影响，两个纤芯中的光纤光栅的中心波长受到同等程度的 影响。

检测过程中，光纤光栅5及6产生两个透射信号，假设光纤光栅5及6的中心波长分别 为λ1和λ2，这两个信号经过3dB耦合器进入高精度光纤光谱仪，然后连接计算机进行数据处 理。当光纤光栅5直接或通过其表面敏感膜7与液体或气体发生接触时，其周围发生结构改 变，光栅折射率等参数将发生改变，引起中心波长λ₁发生变化。在环境温度影响下，λ₁同时 受待测物以及T的影响，而光纤光栅6的中心波长λ₂只会受到T的影响，并且T对两个光纤 光栅的影响相同，所以光纤周围物质的浓度信息可以通过Δλ₁与Δλ₂的差值直接反映，Δλ₁-Δλ₂与两个中心波长λ₁和λ₂的差值相同，所以直接测量λ₁和λ₂的差值即可获得相关浓度信息， 同时也实现了温度的自动补偿。

本发明涉及的内悬芯光纤中包含双光纤光栅结构，具体制备方法是采用工作波长为10 μm的CO₂激光器进行光栅写入，同时使两纤芯位于光斑焦平面处，整个写入过程用光谱仪 监测，最后获得的双光纤光栅的两个中心波长分别为λ₁和λ₂，λ₁和λ₂位置非常接近，在1-2nm 范围内。

内悬芯光纤光栅在线微流温度补偿化学浓度倏逝场传感器的制备：

截取10cm内悬芯光纤，利用光纤熔接机将其两端与标准单模光纤进行熔融连接。然后， 利用大功率CO₂激光器在内悬芯光纤表面开微孔。具体操作为：

1将CO₂激光光斑焦点对准双环状芯光纤距离熔接点3mm处，并利用显微镜调节纤芯 位置，使其远离开口位置；

2调节激光功率至50%，频率为20kHz，扫描速度为200mm/s，进行扫描刻蚀，使扫 描方向垂直于光纤，形成长70μm，宽20μm的微孔；

3如步骤2描述，在内悬芯光纤另一侧刻蚀第二个微孔；

4利用光纤拉锥机将耦合点在氢氧焰下拉锥，拉锥区长度为2cm，并将光纤固定于基板 上；

5从连接头处依次注入蒸馏水，乙醇清洗光纤内腔，并用氮气吹干内表面。

检测物选择丙二醇或蔗糖溶液，浓度范围从0到100%，测试的外部环境温度分别选择T1 和T2。利用注射泵20，将待测溶液通过聚四氟乙烯(PTFE)毛细管21从光纤表面微孔8注入，在 内悬芯光纤10内部形成微流，废液从微孔9流出。ASE宽谱光源16输出功率为10mW，工作波 长谱宽范围50nm，波长检测装置为Ando AQ6315A光谱仪18，光纤光栅5及6的长度为3cm， 中心波长分别为1550nm和1551nm。将待测的每种丙二醇溶液注入传感器，这些溶液具有不同 的折射率，光纤光栅直接5与待测溶液产生倏逝场作用，同时用光谱仪测量两个光纤光栅中心 波长λ1和λ2反射峰间的波长距离。不同浓度的丙二醇溶液引起了表面纤芯的有效折射率的变 化，进而使其中心发生移动λ1，温度变化引起了两个光纤光栅中心波长的共同程度的移动。 波长间距随着溶液浓度的增加而减少，而且在两个温度T₁和T₂下变化结果相同。将λ₁-λ₂值与 溶液浓度C的关系绘制曲线即可获得传感器的标准曲线以及灵敏度。

不同浓度的蔗糖溶液的测量过程与上述步骤相同。因为蔗糖溶液比同浓度变化的丙二醇 有更大的折射率变化，蔗糖溶液比丙二酮溶液表现出了高浓度的敏感性。

具有敏感膜的内悬芯双光纤光栅微流氢气浓度传感器的制备：

氢是自然界中普遍存在的一种元素，作为一种可再生的能源，已在汽车发动机、航空火 箭发射、半导体制造和化工生产中得到了广泛应用。但是，无论是固态还是液态的氢都是非 常易挥发、易燃、易爆，存在安全隐患，一般情况下空气中氢气含量在4-75%时，遇明火极 易产生爆炸。下面结合具体氢气检测实例对传感器作进一步说明。

内悬芯光纤光栅5的外表面沉积Pt/WO₃敏感膜7，其中Pt与W的摩尔比为1:13，该种 敏感膜采用Sol-gel技术制备。具体步骤如下：

将0.5M的Na₂WO₄·H₂O溶液通过阳离子交换树脂过滤，得到透明的黄色溶液。将其催 化作用的4ml含0.125M的Pt(NH₃)₂(NO₂)₂以及H₂PtC1₆的溶液、8ml EtOH加入13ml上述 透明液体中。将上述溶胶通过微孔8及9吸入光纤10内部，形成膜后在室温下干燥2h，并 在500℃处理1h，在光栅5表面获得WO₃敏感膜。光纤光栅5及6的中心波长分别为830nm 和832nm。待测气体由微孔8注入形成气体微流，由微孔9流出。

其中，当光纤光栅5表面的敏感膜7接触到H₂时，氢分子与WO₃敏感层发生如下作用：

2xH₂→xH_ad

xH_ad+WO₃→HxWO₃

氢气在Pt催化作用下分解为氢原子，然后氢原子与WO₃反应生成H_xWO₃。由于WO₃和H_xWO₃的介电系数不同，敏感膜7的折射率发生了变化。使中心波长λ₁产生漂移，漂移 量与H₂浓度在一定范围内相关，与实施例一类似，因温度对于双芯光纤的两个光栅的波长漂 移量具有相同的贡献，光谱中两中心波长λ₁和λ₂的差值在实现温度补偿的同时反应了H₂浓 度。首先通过控制气室中H₂浓度测量λ₁和λ₂差值，并绘制工作曲线，在测量时根据工作曲 线和光谱中λ₁和λ₂差值计算H₂浓度。