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基于D型光子晶体光纤的低折射率化学物传感器.docx
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基于D型光子晶体光纤的低折射率化学物传感器.docx
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摘要
为实现低折射率药物、化学材料的高灵敏度监测,基于 D 型光子晶体光纤(PCF)设计了
一种在开环内镀有金薄膜的表面等离子体共振(SPR)传感器。采用有限元法系统地研究
了开环半径、D 型结构与纤芯的距离和金膜厚度对所提传感器的波长灵敏度的影响。结果
表明,当分析物折射率范围为 1.28~1.32 时,该 PCF-SPR 传感器的最大波长灵敏度高达
15346 nm/RIU(RIU 为折射率单位),相应的分辨率为 6.52×10
-9
RIU。与现有的研究相
比,在同一折射率测量范围内,该 PCF-SPR 传感器的波长灵敏度和分辨率分别是已有的
典型 PCF-SPR 传感器的 1.28~6.67 倍和 153/1000~783/1000。因此,该 PCF-SPR 传感
器在生物医学、食品安全和物质监测等领域中具有较好的应用前景。
Abstract
In order to achieve high-sensitivity monitoring of drugs and chemical materials with low
refractive index, a surface plasmon resonance (SPR) sensor with gold film plated in an
open loop is designed based on the D-shaped photonic crystal fiber (PCF). The finite
element method is adopted to systematically investigate the effects of open loop radius,
the distance between the D-shaped structure and fiber core, and the thickness of gold
film on the wavelength sensitivity of the proposed sensor. The results reveal that the
maximum wavelength sensitivity of the PCF-SPR sensor reaches 15346 nm/RIU (RIU is
refractive index unit) when the refractive index of analytes ranges from 1.28 to 1.32, and
the corresponding resolution is 6.52×10
-9
RIU. In view of the existing researches, the
wavelength sensitivity and resolution of the proposed PCF-SPR sensor are 1.28-6.67
times and 153/1000-783/1000 of that of typical available PCF-SPR sensors within the
same range of refractive index, respectively. Therefore, the proposed PCF-SPR sensor
can be widely applied in fields such as biomedicine, food safety, and material monitoring.
1 引言
当倏逝波与金属表面的自由电子相匹配时,会发生表面等离子体共振(SPR),在共振波
长处可以得到一个较窄的吸收峰,该吸收峰对介质折射率的任何变化都非常敏感。由于
SPR 效应具有高灵敏度、实时和无标签监测的优点,故在医学诊断、环境监测和生化研究
的折射率传感中得到了广泛的研究和应用
[1-6]
。金和银是 SPR 传感器的传感层中最常用的
金属:银具有尖锐的损耗峰和较高的检测精度,但它容易被氧化,稳定性较差;金在具有
较高检测精度的同时,具有良好的生物相容性和化学稳定性,因此成为了最适合的等离子
性材料。在各种 SPR 传感器中,基于光子晶体光纤(PCF)的 SPR 传感器因其优良的传
输性能、灵活的设计和较小的尺寸而越来越受科学界的关注
[7-8]
。在化学、医疗等领域
中,低折射率的医疗用品和化学材料较为常见,如:医用氧气、液态二氧化碳和含氟有机
物的折射率在 1.2~1.3 范围内;七氟醚的折射率为 1.27
[9]
;气凝胶的折射率在
1.004~2.200 范围内
[10]
。然而,可用于低折射率药物和化学材料监测的传感器仍存在较
大的发展空间。因此,设计适用于此类低折射率化学材料、医疗用品的 PCF-SPR 传感器
在化学、医疗和食品监测等领域中都具有重要的现实意义。
目前,已报道了多种类型的 PCF-SPR 传感器,如 D 型
[11]
、H 型
[12]
、蜂窝型
[13]
和螺旋
型
[14]
等。大多数基于 SPR 的传感器都依赖于外部传感技术,即将样品直接放置在平坦的
抛光表面上,而 D 型 PCF 结构能够避免待测样品选择性填充到空气孔中所带来的繁琐流
程,简化镀金属的步骤,进而更适用于外部传感
[11, 15]
。2017 年,Gangwar 和 Singh
[16]
提出了一种在 PCF 的顶部平坦部分覆有金层的 D 型光纤传感器,利用在基模和表面等离
极化激元(SPP)模式之间观察到的 SPR 效应监测待测样品折射率的变化,在 1.43~1.46
折射率变化范围内得到的平均波长灵敏度和分辨率分别为 7700 nm/RIU(RIU 为折射率单
位)和 1.30×10
-5
RIU。同年,An 等
[17]
提出了一种镀金的 D 型折射率传感器,通过改变
金层厚度的方式来观察 PCF 的传感性能,发现当折射率值在 1.33~1.38 范围内时,最高灵
敏度可达到 10493 nm/RIU,分辨率为 9.53×10
-6
RIU。2018 年,Chen 等
[18]
提出了一种
D 型 PCF-SPR 传感器,结果表明,该传感器的传感范围为 1.20~1.29,当待测样品的折
射率为 1.29 时,最大光谱灵敏度为 11055 nm/RIU,分辨率为 9.05×10
-6
RIU。2019 年,
Yang 等
[19]
提出了一种覆有氧化铟锡的凹形 PCF-SPR 传感器,当折射率测量范围为
1.19~1.29 时,波长灵敏度为 1700~10700 nm/RIU。2020 年,Paul 等
[20]
通过空芯 PCF
和两个水平抛光面将可监测折射率范围扩展至 1.42。同年,肖功利等
[15]
设计了一种新颖
的D型对称双芯 PCF-SPR 折射率传感器,在 1.32~1.43 折射率范围内,与双峰对应的平
均灵敏度分别高达 6209.09 nm/RIU 和 8390.91 nm/RIU。由此可见,虽然已经提出了多种
D 型 PCF-SPR 传感器来改善传感性能,但是现有的适用于折射率小于 1.32 的医用氧气、
液态二氧化碳、含氟有机物和卤代醚等化学医疗用品的传感器的灵敏度仍不够高,无法满
足实际的工程需求。
本文设计了一种适用于低折射率传感范围的高灵敏度 D 型 PCF-SPR 传感器,该传感器结
构中包括两层呈六边形排列的空气孔,纤芯右侧设置了待测样品开环通道,开环中镀了金
薄膜,结构简单,易于制造。本文采用有限元法系统地研究了结构参数对该传感器灵敏度
的影响,并根据研究结果对该传感器进行了结构优化。与现有的 PCF-SPR 传感器相比,
本文设计的传感器的制备更为容易且波长灵敏度更高,在医用氧气、液态二氧化碳、含氟
有机物和卤代醚等化学医疗用品的传感中具有较大的参考价值。
2 结构设计与模型
本文所设计的基于 PCF 的 D 型 SPR 传感器的横截面如图 1 所示。该 PCF 结构包含两层
按六边形排列的圆形空气孔,两层圆形空气孔交错分布,第一层空气孔的直径 d
1
为 0.8
μm,第二层空气孔的直径 d
2
为 2.0 μm,将第二层空气孔中最右侧的空气孔设置为开环,
光纤半径 r 为 5.4 μm。光纤外有厚度为 a=1.7 μm 的传感区域层,待测样品可充斥其中,
光纤右侧抛光的 D 型结构位于距纤芯 h 的位置处,开环通道的半径为 r
s
,金薄膜的厚度为
t。在该 PCF 中,交错分布的两层圆形空气孔将光纤中传输的能量较好地限制在纤芯中,
并降低了光纤的限制性损耗。此外,在开环中镀金膜来促使光纤中 SPR 效应的发生。相
较于传统的 D 型 SPR 传感器,开环避免了待测样品填充到空气孔中、减少了所镀金属面
积,且激励的 SPP 模式的能量相对集中
[11]
。
图 1. 所设计的 D 型 PCF-SPR 传感器的横截面
Fig. 1. Cross section of designed D-shaped PCF-SPR sensor
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金的介电常数可由 Drude 模型
[18]
表示,即
εAu=ε∞−ω2Pω(ω+iωc)εAu=ε∞-ωP2ω(ω+iωc),(1)
式中:ε
∞
为金在高频极限时的介电常数,取值为 9.75;ω
P
为金的等离子体频率,取值为
1.36×10
16
Hz;ω
c
为电子散射频率,取值为 1.45×10
14
Hz
[11]
;ω 为入射光的角频率。
3 光谱分析方法与模型分析
3.1 光谱分析方法
当 PCF 中的光波入射到金膜表面时,其波矢在切向上的分量为
kx=2πλεco(λ)−−−−−√sinθkx=2πλεcoλsinθ,(2)
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