激光与光电子学进展, 2023, 60 (11): 1106026, 网络出版: 2023-06-05  

基于表面等离子体共振的光纤海水温盐传感器特邀研究论文

Optical Fiber Seawater Temperature and Salinity Sensor Based on Surface Plasmon Resonance
仝锐杰 1,2王煜 1邢斌 1赵勇 1,2,*
作者单位
1 东北大学信息科学与工程学院,辽宁 沈阳 110004
2 微纳米精密光学传感与测量技术河北省重点实验室,河北 秦皇岛 066004
摘要
为了实现对海水温度与盐度变化的同时监测,提出了一种基于光子晶体光纤(PCF)的表面等离子体共振(SPR)传感器。该传感器探头通过在两段多模光纤之间熔接一段PCF实现,并在PCF表面镀金膜用以激发SPR现象。该方案将光纤SPR传感探头与温敏材料聚二甲基硅氧烷相结合形成双重SPR效应,实现了海水的温度与盐度同时检测。实验结果表明:该传感器的最大温度灵敏度为-2.021 nm/℃,最大盐度灵敏度为0.418 nm/‰。该传感器体积小、制作简单、性能优异,适用于海水的多参数、分布式测量,在液态物质测量中有较好的应用前景。
Abstract
With the aim of achieving the simultaneous monitoring of changes in seawater temperature and salinity, we propose a surface plasmon resonance (SPR) sensor based on photonic crystal fibers (PCFs). The sensor probe is realized by fusing a segment of PCF between two segments of multimode fiber and plating a gold film on the surface of the PCF to stimulate the SPR phenomenon. This scheme combines the fiber optic SPR sensing probe with the temperature-sensitive material polydimethylsiloxane to form a dual SPR effect, achieving the simultaneous detection of the temperature and salinity of seawater. The experimental results show that the maximum temperature sensitivity of the sensor is-2.021 nm/℃, and the maximum salinity sensitivity is 0.418 nm/‰. This sensor has a small volume, simple production, and excellent performance. It is suitable for multi-parameter and distributed measurements of seawater and has good application prospects in liquid substance measurement.

1 引言

海水中各参数的定量检测对研究海洋学、海洋环境检测、季节气候预测以及海洋渔业等具有十分重要的现实意义,是了解海洋变化规律的重要途径之一。对海水中的温度与盐度变化进行实时监测,能够更直观地了解海水的状态,进而对海水密度、极地海域结冰融化、沿海地区降雨量与洋流变化等现象进行分析1-2。传统的海水盐度测量方法如电导法,虽然检测精度高,但是设备体积庞大且价格昂贵,易受到电磁干扰3。此外,水下电源线路搭建、水下洋流干扰以及设备维修成本等因素,大大制约了传感器的水下检测能力。相比之下,光纤传感器因其优良的传感性能,小巧的体积,良好的抗电磁干扰能力和远距离传输能力而备受关注4-5

近年来,许多科研人员已提出多种光纤传感技术,主要的检测方法有:光纤干涉仪6-8、光纤光栅9-10、光纤表面等离子体共振(SPR)传感器11-13等。其中,光纤SPR传感器以其优越的折射率传感特性等优势,在检测领域具有很大的应用前景。传统的光纤SPR传感器只能对单一参数进行检测,而对海水这种复杂的被测物质而言,单一参数的检测无法满足需求。与普通的SPR传感器相比,基于双重SPR效应的检测方案可以直观地观测到不同的光学信号对不同变量的响应差异14。本文提出了一种用于海水盐度和温度测量的光纤SPR传感器。该传感器通过在两段多模光纤(MMF)中熔接一段光子晶体光纤(PCF),在PCF上镀金膜以激发SPR效应,在PCF部分区域固化温度敏感材料聚二甲基硅氧烷(PDMS),最终实现单个传感结构上的双参数测量。将固化PDMS区域作为温度敏感区域,另一部分作为盐度敏感区域,同时检测海水的温度及盐度信息。该传感器具有灵敏度较高、支持双参数测量等优点,其对其他检测领域的双参数同时检测具有借鉴意义。

2 理论与实验

2.1 光纤SPR原理

SPR效应是一种由光的全反射原理激发的特殊光学现象,当入射光被传输到外表面涂覆金膜的光纤中时,光在纤芯-金膜界面处发生全内反射,产生倏逝波。倏逝波的波矢大小Kx可表示为

Kx=ωcε0sinθ

式中:ω为光波的角频率;c为真空中的光速;ε0为纤芯的介电常数;θ为入射角。

倏逝波会引发金属表面的自由电子产生表面等离子体波(SPW),其波矢大小Ksp

Ksp=ωcε1ε2ε1+ε2

式中:ε1为金膜的介电常数;ε2为外界环境介质的介电常数。当倏逝光波的波矢与表面等离子体波波矢匹配,即

Kx=Ksp

时,有

ωcε0sinθspr=ωcε1ε2ε1+ε2

式中:θspr为SPR共振角度,此时,倏逝波与表面等离子体波发生共振,入射光的大部分能量转化为自由电子振荡的动能,产生SPR效应,即入射光的能量被吸收,使得反射光的强度急剧降低,在输出光谱中形成一个能量吸收峰即SPR共振峰,强度最低点所对应的波长即为共振波长。共振波长λsp可表示为

λsp=λ01ε1+1ε2

式中:λ0为入射波长。通过波长调制的SPR传感器其共振波长的变化受到外界环境折射率的影响,因此,SPR共振峰的位置,可以反映出光纤外部折射率的变化情况。用SPR共振峰的移动量ΔλSPR与折射率变化量ΔfRIU的比值S来表示传感器的折射率灵敏度:

S=ΔλSPRΔfRIU

2.2 传感探头制作

传感探头如图1所示,由MMF-PCF-MMF结构组成,在两段MMF(纤芯直径为62.5 μm,包层直径为125 μm)中间,使用光纤熔接机(FITEL s179c)熔接一段PCF(型号为LMA-ENDPCF-16/125,纤芯直径为16 μm,包层直径为125 μm,空气孔直径为1.05 μm),PCF长度为2 cm。熔接时的放电强度为100,放电时间为300 ms。

图 1. 双重SPR效应结构光纤传感探头

Fig. 1. Optical fiber sensor probe with double SPR effect structure

下载图片 查看所有图片

选择在PCF表面镀金激发SPR效应,镀膜设备采用英国Q300T D离子溅射仪,通过改变电流强度与时间对金膜厚度进行精密控制。镀膜时放电电流设定为20 mA,放电时间设定为160 s,相对应金膜厚度为40 nm。为了激发双重SPR效应,在一部分PCF上固化温度敏感材料PDMS。PDMS固化过程为:取质量比为10∶1的PDMS与固化剂,混合均匀后,静置30 min待PDMS混合试剂无明显气泡后,将其涂覆到光纤上,放入干燥箱中进行固化,温度设定为80 ℃,干燥时间为150 min。由于PDMS的折射率(1.40~1.42)高于海水折射率(1.33~1.34),当外界环境折射率变化时可以同时形成两个SPR共振峰。

2.3 海水温度实验

实验系统如图2所示。包括卤素光源、传感探头、海洋光谱仪(海洋光学,QEPro)、计算机以及恒温箱。传感探头用聚四氟乙烯管封装后用紫外线(UV)胶进行固化处理。当来自卤素光源的光到达传感探头时,海水折射率的变化会引起传感区域光波的变化,然后光进入光谱仪,最终可以在计算机上获得相应的SPR光谱图。首先,进行海水温度实验,采用恒温箱模拟海水温度变化,以0 ℃为基准进行标定,测量盐度为4.999‰时,测量温度从13 ℃到29 ℃的海水温度特性。实验结果如图3(a)所示。

图 2. 实验系统。(a)卤素光源;(b)海洋光谱仪;(c)计算机;(d)恒温箱;(e)传感探头

Fig. 2. Experimental system. (a) Halogen light source; (b) marine spectrometer; (c) computer; (d) thermostat; (e) sensing probe

下载图片 查看所有图片

图 3. 海水温度实验。(a)实验光谱图;(b)线性拟合图

Fig. 3. Seawater temperature experiments. (a) Experimental spectrograms; (b) linear fitting diagram

下载图片 查看所有图片

图3(a)可知,随着温度升高,SPR1发生红移,共振峰向波长增大的方向移动。SPR2发生蓝移,即共振峰向波长减小的方向移动。由图3(b)可知,SPR2对温度有着不错的响应,对应的波长与温度的关系为:y=-2.021x+849.058,线性度为0.998,温度灵敏度为-2.021 nm/℃。相反,SPR1对温度响应不大,波长与温度关系为:y=0.133x+611.767,线性度为0.986,温度灵敏度为0.133 nm/℃。

2.4 海水盐度实验

实验采用的海水生产自国家海洋标准计量中心,盐度为4.999‰,20.004‰,30.007‰,34.992‰,40.004‰(相对应折射率为1.3329,1.3356,1.3373,1.3382,1.3391)。当环境温度为22 ℃时,注入不同盐度的海水以及去离子水进行测量与清洗,获得的实验光谱情况如图4(a)所示。结果表明:随着海水盐度的增大,SPR1的波长发生红移,SPR2的波长发生蓝移。由图4(b)可知,SPR1的波长与盐度关系为:y=0.418x+616.729,线性度为0.962,盐度灵敏度为0.418 nm/‰。SPR2的波长与盐度关系为:y=-0.340x+792.246,线性度为0.920,盐度灵敏度为-0.340 nm/‰。

图 4. 海水盐度实验。(a)实验光谱图;(b)线性拟合图

Fig. 4. Seawater salinity experiments. (a) Experimental spectrograms; (b) linear fitting diagram

下载图片 查看所有图片

2.5 传感器稳定性

对该传感器稳定性进行实验分析。实验中将海水盐度,温度设为恒定,从0 min开始,分别记录15 min、30 min、60 min、90 min和120 min的光谱变化情况。随着时间的增加,光谱的响应变化情况如图5(a)所示。由图5(b)可知,在120 min内,光谱中的两个SPR共振峰基本不发生变化,证明该传感器稳定性能优异。

图 5. 稳定性实验。(a)吸收光谱稳定性变化;(b)120 min内共振峰波长变化情况

Fig. 5. Stability testing. (a) Absorption spectrum stability change; (b) changes in resonance peak wavelength within 120 min

下载图片 查看所有图片

3 分析与讨论

通过海水温度、盐度以及稳定性实验,研究了传感器的透射光谱特性。实验表明,该传感器对盐度与温度都有一定的响应特性,能够同时激发两个SPR检测信号,对同一变量有着不同的响应灵敏度。在温度响应实验中,SPR2(PDMS)的温度灵敏度(-2.021 nm/℃)约为SPR1的温度灵敏度(0.133 nm/℃)的15.2倍,证明了PDMS对温度具有很强的增敏效果。温度响应实验中,SPR1共振峰红移,其原因为温度的变化对海水盐度有着很大的影响,这是温度交叉敏感性造成的影响。在盐度响应实验中,固化PDMS区域的SPR共振峰原则上不移动,因为PDMS作为温度敏感材料,当温度保持不变时,其折射率不发生改变,但温度与盐度的交叉敏感性,使得SPR2发生蓝移。将传感器对温度和盐度的测量实验结果带入交叉敏感矩阵,可得传感器对温度和盐度的交叉敏感矩阵为

Δλ1Δλ2=SSPR1-SSPR1-TSSPR2-SSPR2-TΔΔT=0.4180.133-0.340-2.021ΔΔT

式中:Δλ1为第1个SPR谷的位置;Δλ2为第2个SPR谷的位置;SSPR1-为SPR1的盐度灵敏度;SSPR2-为SPR1的盐度灵敏度;SSPR1-T为SPR1的温度灵敏度;SSPR2-T为SPR2的温度灵敏度;Δ为盐度变化;ΔT为温度变化。

表 1. 传感器性能对比

Table 1. Sensor performance comparison

CategorySensing theoryRIU Sensitivity /(pm/RIU)Temperature sensitivity /(pm/℃)Reference
Connection in seriesSagnac+Interferometer218560170015
Connection in seriesFPI+SPR2565400394.316
Connection in seriesLPFG+MZI165040255.5217
Connection in seriesFBG+FBG103009.9418
In parallelSPR+SPR2369.5182021This paper

查看所有表

该传感器的最大盐度灵敏度为0.418 nm/‰,对应的折射率灵敏度为2369.518 nm/RIU(RIU为折射率单元)。最大温度灵敏度可达-2.021 nm/℃。所提传感器性能与国内外其他相关研究的性能对比,如表1所示。由表1可知,在双参数传感器中,该传感器的温度灵敏度与盐度灵敏度性能优异。

4 结论

提出了一种基于PCF的SPR传感器。传感器部分区域固化PDMS,激发双重SPR效应,并对海水的温度、盐度以及稳定性进行研究分析。实验结果表明,该传感器具有很好的温度灵敏度与盐度灵敏度,可以通过交叉敏感矩阵进行数据解调。所提传感器的两个SPR共振峰的海水温度灵敏度分别为-2.021 nm/℃和-0.133 nm/℃,盐度灵敏度为0.418 nm/‰与-0.340 nm/‰。本实验温度响应区间为13~29 ℃,盐度测量范围为4.999‰~40.007‰。研究结果对基于PCF的SPR传感器有一定的借鉴意义。

参考文献

[1] Islam M A, Warwick N, Koech R, et al. The importance of farmers’ perceptions of salinity and adaptation strategies for ensuring food security: evidence from the coastal rice growing areas of Bangladesh[J]. Science of the Total Environment, 2020, 727: 138674.

[2] Yang H Z, Qiao X G, Lim K S, et al. Optical fiber sensing of salinity and liquid level[J]. IEEE Photonics Technology Letters, 2014, 26(17): 1742-1745.

[3] Zheng H K, Lv R Q, Zhao Y, et al. Multifunctional optical fiber sensor for simultaneous measurement of temperature and salinity[J]. Optics Letters, 2020, 45(24): 6631-6634.

[4] Kumar S, Singh R. Recent optical sensing technologies for the detection of various biomolecules: review[J]. Optics & Laser Technology, 2021, 134: 106620.

[5] Ricciardi A, Crescitelli A, Vaiano P, et al. Lab-on-fiber technology: a new vision for chemical and biological sensing[J]. The Analyst, 2015, 140(24): 8068-8079.

[6] Wang Y J, Zhang H, Cui Y X, et al. A complementary-DNA-enhanced fiber-optic sensor based on microfiber-assisted Mach-Zehnder interferometry for biocompatible pH sensing[J]. Sensors and Actuators B: Chemical, 2021, 332: 129516.

[7] Chen N, Zhou X, Li X G. Highly sensitive humidity sensor with low-temperature cross-sensitivity based on a polyvinyl alcohol coating tapered fiber[J]. IEEE Transactions on Instrumentation and Measurement, 2021, 70: 9503308.

[8] 田帅飞, 杨军, 苑勇贵, 等. 超长光纤干涉仪甚低频段1/f噪声影响研究[J]. 光学学报, 2021, 41(13): 1306007.

    Tian S F, Yang J, Yuan Y G, et al. Research on the influence of ultralow frequency band 1/f noise in ultralong fiber interferometers[J]. Acta Optica Sinica, 2021, 41(13): 1306007.

[9] Liu F, Zhang X J, Li K W, et al. Discrimination of bulk and surface refractive index change in plasmonic sensors with narrow bandwidth resonance combs[J]. ACS Sensors, 2021, 6(8): 3013-3023.

[10] 古洪, 罗彬彬, 石胜辉, 等. 基于极大倾角光纤光栅Sagnac游标干涉仪的折射率传感器[J]. 光学学报, 2022, 42(20): 2006004.

    Gu H, Luo B B, Shi S H, et al. Refractive index sensor based on excessively tilted fiber grating Sagnac vernier interferometer[J]. Acta Optica Sinica, 2022, 42(20): 2006004.

[11] Gahlaut S K, Pathak A, Gupta B D, et al. Portable fiber-optic SPR platform for the detection of NS1-antigen for dengue diagnosis[J]. Biosensors and Bioelectronics, 2022, 196: 113720.

[12] Li X G, Gong P Q, Zhao Q M, et al. Plug-in optical fiber SPR biosensor for lung cancer gene detection with temperature and pH compensation[J]. Sensors and Actuators B: Chemical, 2022, 359: 131596.

[13] 陈强华, 韩文远, 孔祥悦, 等. 基于光纤表面等离子体共振检测溶液折射率变化[J]. 中国激光, 2020, 47(8): 0804003.

    Chen Q H, Han W Y, Kong X Y, et al. Detection of solution refractive index variation based on optical fiber surface plasmon resonance[J]. Chinese Journal of Lasers, 2020, 47(8): 0804003.

[14] Li H, Qian X L, Zheng W L, et al. Theoretical and experimental characterization of a salinity and temperature sensor employing optical fiber surface plasmon resonance (SPR)[J]. Instrumentation Science & Technology, 2020, 48(6): 601-615.

[15] Zhao Y, Liu X, Lü R Q, et al. Simultaneous measurement of RI and temperature based on the combination of Sagnac loop mirror and balloon-like interferometer[J]. Sensors and Actuators B: Chemical, 2017, 243: 800-805.

[16] Zhang Y X, Xue J J, Liu W, et al. Measurement of liquid thermo-optical coefficient based on all-fiber hybrid FPI-SPR sensor[J]. Sensors and Actuators A: Physical, 2021, 331: 112954.

[17] Zhu Y J, Zheng J, Deng H C, et al. Refractive index and temperature measurement by cascading macrobending fiber and a sealed alternated SMF-MMF structure[J]. Optics Communications, 2021, 485: 126738.

[18] Chen Q, Wang D N, Gao F. Simultaneous refractive index and temperature sensing based on a fiber surface waveguide and fiber Bragg gratings[J]. Optics Letters, 2021, 46(6): 1209-1212.

仝锐杰, 王煜, 邢斌, 赵勇. 基于表面等离子体共振的光纤海水温盐传感器[J]. 激光与光电子学进展, 2023, 60(11): 1106026. Ruijie Tong, Yu Wang, Bin Xing, Yong Zhao. Optical Fiber Seawater Temperature and Salinity Sensor Based on Surface Plasmon Resonance[J]. Laser & Optoelectronics Progress, 2023, 60(11): 1106026.

引用该论文: TXT   |   EndNote

相关论文

加载中...

关于本站 Cookie 的使用提示

中国光学期刊网使用基于 cookie 的技术来更好地为您提供各项服务,点击此处了解我们的隐私策略。 如您需继续使用本网站,请您授权我们使用本地 cookie 来保存部分信息。
全站搜索
您最值得信赖的光电行业旗舰网络服务平台!