第33卷，第12期 2013年12月
光谱学与光谱分析 Spectroscopy and Spectral Analysis
倾斜光纤光栅溶液折射率传感器的实验研究
蒋奇，吕丹丹1*，于明浩，康立敏”，欧阳俊2*
1.山东大学控制科学与工程学院，山东济南250061 2．山东大学材料科学与工程学院，山东济南250061
Vol.33,No.12-pp3425-3431
December;2013
摘要根据倾斜光纤光栅（TFBG)和表面镀金的TFBG传感器测量折射率的基本原理，通过OptiGrating 软件模拟了不同浓度溶液下TFBG的透射谱和芯层模与某阶包层模耦合引起的谐振峰，初步得出了TFBG 各阶包层模随者外界折射率的增大而向右偏移、在一定的传感范围内中心波长与外界折射率线性关系的结论。用小型离子溅射仪对TFBG镀45nm厚度左右的金膜，并用扫描电镜在微观上观察镀膜效果。通过不同浓度下的NaCI溶液、MgCl溶液、CaCl:溶液实验，对比研究了裸TFBG和镀金TFBG传感器对溶液折射率的传感特性。从而验证了模拟仿真得出的结论并定量分析得知：镀金后具有表面等离子体共振的TFBG 溶液折射率灵敏度大于500nm·RIU-1，而裸TFBG为2nm·RIU-左右，大约提高了200～300倍，且在
一定范围内中心波长与溶液折射率的线性拟合度都在0.99以上。关键词倾斜光纤光栅；金膜；表面等离子体共振；折射率传感器
中图分类号：TP212.1文献标识码：A
引言
DOI: 10, 3964/j issn, 1000-0593 (2013)12-3425-07
金膜的表面等离子共振传感器，并通过链霉抗生素蛋白的实验证明了这种新技术能准确地检测分子浓度低达10多 mL-。随着免标记生物传感器的发展，AlessandroCandiani
光纤光栅传感器由于其独特的优点自20世纪末发展起来，而倾斜光纤光栅（TFBG)传感器更是由于其特有的包层模特性得到了更多的探索研究。对于TFBG传感技术国外研究比较早，且发展非常迅速。由于纤芯模和包层模应变灵敏度相同、温度灵敏度不同，EdmonChehura等"监测了TF-BG纤芯-纤芯耦合模式和纤芯-包层耦合模式共振引起的透射谱的变化，分离出了温度和应变引起的波长漂移。 Shevchenko等将TFBG中反向传播的包层模作为激励源，待测物品折射率的变化使透射谱中的共振波长发生偏移，分析偏移量即可得到待测物品的信息。文献[3中通过实验验证了镀金膜的TFBG在DNA溶液中透射谱的包层模发生变化，从而得出可以用基于表面等离子共振的倾斜光栅生物传感器测量不同的蛋白质、DNA等的结论。包层外镀金的TF BG产生表面等离子共振很大程度受其纤芯导光偏振状态的影响，文献4实验研究广一种新的可应用于生物传感的技术，通过改变包含SPR信息的琼斯矩阵来改变TFBG表面等离子共振。ValerieVoisin等设计了在倾斜光栅包层上镀
收稿日期：2013-03-14，修订日期：2013-05-25
等通过实验得知当DNA与附着在光纤表面的核酸肽(PNA)结合后，包层-PNA接触面上的折射率和可见条纹发生变化并且实时监测的光谱数据表明10nmol·L-"的DNA 溶液引起相对应的干涉条纹10%的调制。
相对国外倾斜光纤光栅，国内的TFBG传感技术研究较慢，研究学者也不多。张建，刘金波等提出了一种基于闪耀光纤光栅传感技术的折射率测量新方法，通过检测闪耀光纤光栅透射谱强度实现折射率的测量。苗银萍等*设计了一种基于TFBG的包层上覆盖着聚乙烯醇（PVA)的空气相对湿度传感器，成功实现了相对湿度在20%～98%RH范围内的检测，并发现TFBG的透射功率在20～74%RH和74~ 98%RH2两个相对湿度区域内分别呈现不同的线性变化，且在高湿度区有更高的敏感性。胡德波等9理论分析和实验证明了温度和溶液浓度影响TFBG的传感器特性；同时，他们对裸TFBG与镀金的TFBG做了不同浓度糖溶液的对比实验，证明镀金后的表面等离子TFBG折射率传感器的灵缴度大大增加。Jiang等]使用两种方法通过实时监控
基金项目：国家自然科学基金项目（61271073），教育部新世纪优秀人才计划项目（NCET-10-0541)和山东大学自主创新基金项目
(2012ZD015，2012JC008)资助
作者简介：蒋奇，1973年生，山东大学控制科学与工程学院教授
e-mail : jiangq@ sdu, edu. en
*通讯联系人e-mail:Ivdd0806@163.com; ouyangjun@ sdu.edu.cn