CN102411003A - 一种远场光纤消逝场的传感方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种远场光纤消逝场的传感方法，该方法包括：用微纳粒子对被测物液体进行修饰，将微纳粒子悬浮分布在传感光纤敏感段周围，利用微纳粒子在消逝场激励下形成的微纳效应将近场的消逝场能量传递到远场，增强了光纤消逝场传感器的探测范围，提高了光纤消逝场传感器检测非均匀介质时检测结果的全面性和保真性，并提高了传感器的灵敏度。

Description

一种远场光纤消逝场的传感方法

技术领域

本发明属于光纤生化传感器技术领域，涉及用于医疗检测、环境监控和生化反恐检查等领域的光纤生化传感器，具体涉及一种将近场的消逝场能量诱导至远场进行检测的远场光纤消逝场生化传感器的检测方法。

背景技术

光纤消逝场传感器是上世纪80年代提出来的一种新型功能型的光纤传感器，它利用传感光纤激发的消逝场能量与处于能量作用范围内的被测物质相互作用，引起光纤内传输能量的吸收，通过能量变化来反映待测物质的具体信息，如折射率、浓度等来实现传感效应。根据不同的工作环境和测量目的将远场和近场进行划分，一般而言，以场源为中心，在三个波长范围内的区域，通常称为近区场，也可称为感应场；在以场源为中心，半径为三个波长之外的空间范围称为远区场，也可称为辐射场。

光在光纤中以全反射的形式进行传输时，会在光纤芯层和包层的界面处产生一个渗透到光纤包层中的能量场，该场能量随着距光纤纤芯界面距离的增远而呈指数迅速衰减，其穿透深度只有入射光的一个波长量级的大小，是典型的近场能量。将近场的消逝场的能量远场化可以有效提高光纤消逝场传感器和被测物质的作用范围，获得被测物质更加全面的信息并有效提高传感器的灵敏度，因此将近场的消逝场能量远场化对光纤消逝场传感器的性能改善和发展推广具有重要的实际意义。

由于消逝场能量只能在几个波长范围的近场区域与待测物质相互作用，当对某些特殊的待测物质进行检测时会出现检测信息不全面的情况。对于溶质均匀分布在溶剂中的被测物质可以获得较全面的检测信息，但是对于溶质在溶剂中分布不均匀的待测物质，如悬浊液、乳浊液等，由于近场作用范围不能够完全表现出分布不均匀的溶质信息，导致光纤消逝场传感器不能反应出待测物质的全部信息，出现信息失真，检测误差较大。根据文献[于水利，尚庆海，李圭白，悬浊颗粒光学检测理论，哈尔滨建筑大学学报，2001，34(1)：49-52]报道，悬浊液体积较小时，如0.1mm³，样品中颗粒数目的均值为104个，标准偏差为100，连续的样品中的颗粒数目在均值上有±2％的差异，颗粒数目相对变化值较大，对于这样的待测物质用一般的光纤消逝场传感器进行检测时会导致很大程度的测量误差和信息失真。同时，作为近场的消逝场能量在低折射率的光纤包层区域内衰减迅速，与待测物质的作用范围有限，且消逝场能量较弱，传感后光纤的能量变化量很小难于测量，限制了传感器灵敏度的提高。

发明内容

(一)发明目的

为解决背景技术中光纤消逝场传感器存在的信息失真、探测灵敏度低的问题，本发明目的是提供一种新型远场光纤消逝场的传感方法。

(二)技术方案

为达到上述目的，本发明提供了一种利用悬浮于传感光纤四周的微纳粒子将近场的消逝场远场化的传感方法，本发明远场光纤消逝场传感的方法，所述方法的步骤如下：

步骤S1：将传感光纤敏感段悬挂于反应池之内，利用微纳粒子修饰被测物液体，将被测物液体与微纳粒子充分混合，得到微纳粒子与被测物液体充分混合的悬浊液，并使微纳粒子悬浮分布在被测物液体内；

步骤S2：将含有微纳粒子的被测物液体倒入反应池装置中的沟槽中，微纳粒子通过被测物液体悬浮在传感光纤敏感段周围，使光纤消逝场的传感光纤的周围形成微纳粒子网络阵列；

步骤S3：利用微纳粒子的微纳效应将近场的消逝场能量传递到远场。

(三)有益效果

本发明提供的这种远场光纤消逝场传感方法，使得近场的消逝场能量与待测物质的作用范围达到4μm的远场范围，可以更大范围的与更多的待测物质反应。对溶质分布不均匀的被测液体信息可以进行全面可靠检测，解决了传统的消逝场传感方法对于溶质不均匀分布的待测液体检测的信息失真问题，并提高了传感器的灵敏度。

附图说明

图1a是反应池的立体结构示意图。

图1b为反应池结构主视图。

图2是发明整体传感部分的结构示意图。

图3是微纳粒子修饰被测物液体的步骤图。

图4a至图4d是微纳粒子将消逝场远场化示意图。

图5是金属微纳粒子的场能量分布图。

图6是高折射率的介质微纳粒子的场能量分布图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。

1.如图1a是反应池的立体结构示意图，图1b为反应池的主视图，图1a示出包括反应池1、沟槽2、半圆柱形通道3及反应池支撑部4；下面介绍反应池制作的步骤是：

在长方体状的聚二甲基硅氧烷(PDMS)反应池支撑部4加工出一个沟槽2用于盛放被测物液体，所述沟槽2为半圆柱形，在沟槽2的两端设定一个半圆柱形通道3；沟槽2的半径为0.5mm-10cm，在半圆柱形的沟槽2两端加工半径小一些的半圆柱形通道3，半圆柱形通道3半径为0.3mm-0.5cm，半圆柱形通道3用于放置传感光纤5。

图2是本发明整体传感部分的结构示意图，图2中示出含有包层的传感光纤5，除去包层的传感光纤敏感段6；下面介绍固定传感光纤5的步骤是：

选取一段长度在40cm-80cm的传感光纤5，将其中的一段10cm-30cm除掉包层作为传感光纤敏感段6，将传感光纤敏感段6悬挂于反应池1之上，将传感光纤5的两端置于半径较小的半圆柱形的通道3区域中，再将传感光纤5与反应池支撑部4用粘合剂粘合好，构成一体结构的传感部如图2。

2.如图3示出微纳粒子修饰被测物液体的步骤，其中示出被测物液体7和微纳粒子8；将传感光纤敏感段6悬挂于反应池1之内，利用微纳粒子8修饰被测物液体7的步骤是：将制作好的微纳粒子8放入盛有被测物液体7的烧杯中，搅拌，使微纳粒子8与被测物液体7充分混合，被测物液体7不与微纳粒子8发生化学反应，得到微纳粒子8与被测物液体7充分混合的悬浊液，并使微纳粒子8悬浮分布在被测物液体7内。

3.将得到的含有微纳粒子8的被测物液体7倒入反应池1中的半圆柱形的沟槽2中，使微纳粒子8通过被测物液体7悬浮在传感光纤敏感段6周围，使光纤消逝场的传感光纤的周围形成微纳粒子网络阵列；如图4a至图4d所示是微纳粒子将消逝场远场化的示意，图4a、图4b为两种微纳粒子悬浮在传感光纤敏感段6的示意图，图4a、图4b示出的微纳粒子8分为金属微纳粒子9与介质微纳粒子10，金属微纳粒子9与介质微纳粒子10的特征尺寸控制在0.01λ-100λ，λ为入射光源的最长波长，介质微纳粒子10的折射率为0.8n-3n，n为光纤纤芯折射率。图4c为高折射率介质粒子散射场能量分布示意图，图4d为单个椭球形金属微纳粒子场激励下偶极子振荡场能量分布示意图。

本发明的工作原理是：本发明的主要内容是通过微纳粒子8对待测液体7进行修饰，利用悬浮分布在传感光纤敏感段6周围的微纳粒子8，将近场能量传递至远场进行传感。微纳粒子8将近场能量远场化的微纳作用根据所用粒子材质的不同可分为金属微纳粒子9与介质微纳粒子10两种作用方式，具体如下：

1)利用金属微纳粒子9将近场的消逝场能量传递到远场

所用的金属微纳粒子9的特征尺寸控制在0.1λ-10λ，λ为入射光源的最长波长。将金属微纳粒子9通过悬浮方式分布在传感光纤敏感段6周围，由于消逝场激励产生某种扰动，破坏了金属微纳粒子9的等离子体中某个局部区域的电中性，导致电子过剩。过剩电子产生的电场，迫使电子从电中性被破坏的区域中的某部分向外运动，从该区域局部出去的电子过多，产生反向电场，将电子拉回但不能及时停止，再次出现过剩。上述过程的不断往复，形成了等离子体内大量电子的集体振荡。悬浮分布在传感光纤敏感段6的金属微纳粒子9在消逝场的激励下形成偶极子振荡后，将近场的消逝场能量诱导至远场区域。

2)利用介质微纳粒子10将近场的消逝场能量传递到远场

所用介质微纳粒子10的折射率为0.8n-3n，n为光纤纤芯折射率，特征尺寸控制在0.01λ-100λ，λ为入射光源的最长波长。介质微纳粒子10悬浮于传感光纤敏感段6的四周，当入射波长与介微纳质粒子10的大小相比拟时，出现依赖形状的共振效应，消逝场经介质微纳粒子10的散射、折射、透射作用后，场能量出现非对称分布，因此可以利用消逝场能量在介质微纳粒子上的散射、折射、透射等作用将近场能量的传递到远场。

利用金属微纳粒子9与介质微纳粒子10将近场的消逝场能量远场化的仿真实例说明：

1)所用的传感光纤5的纤芯折射率为1.4457，半径为8μm，光源波长1.55μm。粒子为椭球形纳米金粒子，其介电常数ε_r为-6.2403+0.54037i，椭球粒子的特征尺寸分别为长轴700nm、短轴200nm和长轴1.5μm、短轴0.5μm两种，周围环境折射率为1.33，将椭球金微纳粒子随机的悬浮在传感光纤敏感段6四周，椭球粒子间距为200nm～500nm不等，如图5示出金属微纳粒子磁场z方向分量场能量的分布，可以得到纤芯周围的消逝场能量由1μm可以传递到4.5μm，可以实现将近场的消逝场能量实现远场化。

2)所用的传感光纤5的纤芯折射率为1.4457，半径为8μm，光源波长1.55μm。介质微纳粒子10的折射率为1.47，半径为500nm、200nm、800nm的球形介质微纳粒子与纤芯的距离分别为100nm、200nm、300nm，环境折射率为1.33。电场z分量的能量分布图如图6所示，可以得到消逝场的作用范围由最初的1μm扩展到3μm，可以实现将近场的消逝场能量传递至远场进行传感，使待测物质发生更大范围、更完全的与更多的相互作用，从而使传感器探测的信息更全面、更保真及灵敏度高。

以上所述，仅为本发明中的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉该技术的人在本发明所揭露的技术范围内，可理解想到的变换或替换，都应涵盖在本发明的包含范围之内。

Claims (7)

1.一种远场光纤消逝场的传感方法，其特征在于，所述传感步骤包括如下：

步骤S1：将传感光纤敏感段悬挂于反应池之内，利用微纳粒子修饰被测物液体，将被测物液体与微纳粒子充分混合，得到微纳粒子与被测物液体充分混合的悬浊液，并使微纳粒子悬浮分布在被测物液体内；

步骤S2：将含有微纳粒子的被测物液体倒入反应池装置中的沟槽中，微纳粒子通过被测物液体悬浮在传感光纤敏感段周围，使光纤消逝场的传感光纤的周围形成微纳粒子网络阵列；

步骤S3：利用微纳粒子的微纳效应将近场的消逝场能量传递到远场。

2.如权利要求1所述远场光纤消逝场的传感方法，其特征在于，所述反应池装置制作步骤如下：

步骤S11：在长方体状的聚二甲基硅氧烷反应池支撑部加工出一个沟槽用于盛放被测物液体，在沟槽两端设定一个半圆柱形通道；

步骤S12：半圆柱形通道区域中的传感光纤与反应池支撑部用粘合剂粘合好，构成一体结构的传感部。

3.如权利要求1所述远场光纤消逝场的传感方法，其特征在于，所述沟槽为半圆柱形，半圆柱形沟槽的半径为0.5mm-1cm。

4.如权利要求3所述远场光纤消逝场的传感方法，其特征在于，所述半圆柱形通道的半径为0.3mm-0.5mm，用于放置传感光纤。

5.如权利要求1所述远场光纤消逝场的传感方法，其特征在于，所述的微纳粒子包括金属微纳粒子和介质微纳粒子。

6.如权利要求5所述远场光纤消逝场的传感方法，其特征在于，所述金属微纳粒子和介质微纳粒子的特征尺寸控制在0.01λ-100λ，λ为入射光源的最长波长。

7.如权利要求5所述远场光纤消逝场的传感方法，其特征在于，所述介质微纳粒子的折射率为0.8n-3n，n为所用传感光纤的纤芯折射率。

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