锥形POF-SPR传感器，用于双通道测量折射率和温度

《Optical Fiber Technology》：Tapered POF-SPR sensor for dual-channel measurement of refractive index and temperature

塑料光纤表面等离子体共振（SPR）传感器通过渐缩结构优化和PDMS温度敏感涂层，实现了高灵敏度折射率（2890.536 nm/RIU）和温度（-0.906至-1.807 nm/°C）检测，并开发出双通道传感器同步测量两种参数，具有成本低、易加工、抗干扰强等特点，适用于生物医学领域。

　　

杨志涛|魏凌翠|徐泽宏|赵风雷|韩思佳|贾松林

哈尔滨理工大学理学院，中国哈尔滨 150080

摘要

温度是影响光纤传感器性能的关键参数。在这项工作中，我们设计了一种基于塑料光纤（POF）的锥形表面等离子体共振（SPR）传感器，并分别研究了该传感器对液体折射率（RI）和温度的敏感性。结果表明，当传感器的锥度比为2.80时，在1.333～1.433的折射率范围内，其灵敏度可达2890.536 nm/RIU。在传感区域的银膜上涂覆聚二甲基硅氧烷（PDMS）温敏膜后，在0～96°C和-40～0°C的温度范围内，温度灵敏度分别达到-0.906 nm/°C和-1.807 nm/°C，表现出高线性和循环稳定性。我们进一步开发了一种双通道传感器，用于同时测量折射率和温度。结果表明，在1.333～1.373的折射率范围和10～60°C的温度范围内，折射率和温度的灵敏度分别为1845.603 nm/RIU和-0.891 nm/°C。所提出的双通道塑料光纤SPR传感器具有低成本、高灵敏度、低串扰和制造简单等优点，适用于生物学和医学等领域的研究和应用。

引言

表面等离子体共振（SPR）是一种发生在金属薄膜与外部介质界面处的物理光学现象，适用于检测介质折射率（RI）的变化[[1], [2], [3], [4]]。由于光纤SPR传感器具有远程传感、高灵敏度和无需标记等优点，已在生物学、化学和环境监测等领域得到广泛应用[[5], [6], [7]]。王睿等人使用曲率半径为1 mm和5 mm的U形结构制备了一种双通道光纤SPR传感器，分别实现了0.172 nm/μg/ml和0.738 nm/mg/ml的葡萄糖和蔗糖检测灵敏度[8]。赵勇等人设计了一种新型反射式光纤SPR探针，用于同时检测海水中的盐度、温度和压力，盐度、温度和压力的灵敏度分别为0.560 nm/g/kg、-1.802 nm/°C和2.838 nm/MPa。基于SPR的折射率检测通常受温度影响，因此温度是影响光纤SPR传感器性能的重要物理参数。因此，需要在检测折射率的同时考虑温度测量。尹志勇等人设计了一种具有宽带增强的双通道SPR传感器，使用镀银区域作为折射率检测区域，使用镀银/TiO₂/PDMS区域作为温度检测区域[10]。结果表明，在1.333～1.385的折射率范围和10～80°C的温度范围内，检测灵敏度分别为3151 nm/RIU和4.5 nm/°C。韩波等人提出了一种具有双表面SPR的光子晶体光纤结构，用于同时测量温度和应变[11]。仿真计算表明，使用乙二醇作为温敏液体时，温度和应变的灵敏度分别为-6.83 nm/°C和1.30 × 10^-3 nm/με。目前，石英光纤在光纤SPR检测技术中得到广泛应用，但石英光纤存在材料脆性、成本高和加工复杂等问题。

由聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）制成的塑料光纤（POF）由于成本低、柔韧性好、易于加工、抗干扰能力强、耐热性好和透光率优异等优点，被广泛用于短距离通信和传感应用[[12], [13], [14]]。滕传新等人提出了一种由抛光塑料光纤和FONTEX光纤组成的级联SPR传感器，用于测量折射率和温度[15]。实验结果表明，在1.335～1.390的折射率范围内，折射率灵敏度为700 nm/RIU；温度灵敏度为-1.02 nm/℃。龚伟等人提出了一种基于石墨烯/Au膜的光纤SPR生物传感器[16]，葡萄糖检测灵敏度为1227 nm/RIU。薛鹏等人设计了一种平面结构的POF SPR传感器，用于折射率检测，灵敏度高达2507 nm/RIU[17]。这些研究表明POF SPR传感器具有很大的潜力。

在这项工作中，我们设计了一种锥形POF-SPR传感器，通过减小传感区域的腰部直径来增强金属薄膜（银膜）与介质界面处的衰减场强度[[18], [19], [20]]，从而提高了SPR信号的传感灵敏度。首先，我们研究了该传感器在1.333～1.433的折射率范围内的折射率检测灵敏度，发现当锥度比（TR）为2.80时，灵敏度可达2890.536 nm/RIU。在传感区域的银膜上涂覆聚二甲基硅氧烷（PDMS）温敏膜后，进行了-40～96°C的宽温度范围内的温度测量。结果表明，该传感器具有良好的线性温度传感特性。在此基础上，我们在一半镀银的锥形传感区域涂覆了PDMS膜作为温度检测通道，另一半作为折射率检测通道，从而制备了一种双通道折射率/温度传感器，能够同时检测折射率和温度变化。这种结构使得传感器的传输光谱中出现了两个明显的SPR峰，实现了折射率和温度的同时测量。与之前报道的传感器相比，该传感器结构简单、易于制造且灵敏度高。

原理

SPR发生在金属薄膜界面处，入射光与自由电子相互作用产生表面等离子体波（SPW）。这种共振会导致强烈的光吸收和透射光强度的可测量变化，对周围介质的折射率变化具有高灵敏度，从而实现了广泛的应用[21]。对于传输复杂光场的多模光纤，锥形结构特别有助于提高光纤SPR的灵敏度。

传感探头的制备

本研究中使用的是阶梯折射率塑料光纤（购自日本三菱公司，型号SK40），芯材为PMMA（传输窗口范围为450～880 nm），芯径为980 μm，折射率为1.49。包层材料为氟聚合物，厚度为10 μm，折射率为1.41。数值孔径（NA）为0.5。所使用的化学试剂为乙酸乙酯（分析级AR）和无水乙醇（分析级AR）。

折射率检测

图4显示了折射率检测的示意图，图5展示了在实验室温度20°C下，锥度比为1.75、2.13、2.80和3.92的POF-SPR传感器的归一化传输光谱及相应的检测灵敏度。POF-SPR传感器的折射率检测灵敏度（S_n）定义为[25,26]：$S_n=\frac{\Delta \lambda }{\Delta n}\left(\mathrm{nm}/RIU\right)$其中$\Delta \lambda$表示SPR共振峰波长的变化，$\Delta n$表示折射率的变化。

如图所示

结论

本研究展示了高灵敏度塑料SPR光纤传感器（POF-SPR）的制备和特性分析，该传感器可用于同时测量折射率（RI）和温度。通过火焰加热进行精心优化的锥形处理显著增强了SPR信号，使得在1.333～1.43的范围内折射率灵敏度达到2890.536 nm/RIU。此外，在传感器上集成了PDMS温敏层，实现了-40～

CRediT作者贡献声明

杨志涛：撰写——审稿与编辑、验证、资源准备、方法论设计、数据整理、概念构建。魏凌翠：撰写——初稿撰写、验证、方法论设计、数据分析、概念构建。徐泽宏：验证、软件开发、方法论设计、数据整理。赵风雷：方法论设计、数据整理、概念构建。韩思佳：数据可视化、方法论设计。贾松林：概念构建。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文工作的财务利益或个人关系。