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基于磁致伸缩棒的干涉型微纳光纤磁场传感器

激光与光电子学进展 2023年第7期60卷 354-358页

作者：贾灵艳梁丽丽谢飞王志达王辰王澳李国玉李燕刘明生河北工业大学电子信息工程学院天津300401 邯郸学院信息技术研究所河北省光纤生物传感与通信器件重点实验室河北邯郸056005 石家庄铁路职业技术学院河北石家庄050041

提出了一种干涉型微纳光纤磁场传感器,由微纳光纤干涉仪和TbDyFe超磁致伸缩棒构成,单模光纤经过熔融拉锥形成双锥型微纳光纤干涉仪,与TbDyFe超磁致伸缩棒平行固定封装,磁场作用下磁致伸缩棒和微纳光纤干涉仪发生轴向应变,引起干涉谱的... 详细信息

提出了一种干涉型微纳光纤磁场传感器,由微纳光纤干涉仪和TbDyFe超磁致伸缩棒构成,单模光纤经过熔融拉锥形成双锥型微纳光纤干涉仪,与TbDyFe超磁致伸缩棒平行固定封装,磁场作用下磁致伸缩棒和微纳光纤干涉仪发生轴向应变,引起干涉谱的波长漂移,形成波长编码型的光纤磁场传感器。实验结果表明,相同应变特性的微纳光纤干涉仪,磁致伸缩棒直径越小,磁场灵敏度越高,直径为2 mm的TbDyFe磁致伸缩棒组成的光纤磁场传感器灵敏度可以达到0.178 nm/mT,该传感器结构简单,易于制备,成本低廉,响应快,可以实现微弱磁场的高灵敏探测。

关键词：传感器光纤传感微纳光纤干涉仪磁场传感超磁致伸缩棒

介孔微球修饰的微纳光纤干涉型神经递质传感器研究

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介孔微球修饰的微纳光纤干涉型神经递质传感器研究

作者：丁明飞暨南大学

学位级别：硕士

在现代社会对各种疾病及时诊断需求不断增多的背景下,生物传感器因为自身突出的优势和特点,已经成为学界和产业界关注的热点。在生物传感领域,各种技术融合不断加深,特别是微加工技术、纳米技术以及信息技术的蓬勃发展,使生物传感器领... 详细信息

在现代社会对各种疾病及时诊断需求不断增多的背景下,生物传感器因为自身突出的优势和特点,已经成为学界和产业界关注的热点。在生物传感领域,各种技术融合不断加深,特别是微加工技术、纳米技术以及信息技术的蓬勃发展,使生物传感器领域出现百花齐放、大放异彩的局面。基于光纤的生物传感器是其中的优秀代表。光纤器件因为结构简单、光学传感性能优异等因素而成为光纤生物传感器领域不可多得的优异器件。各种结构优化和交叉应用,以及功能性敏感材料的不断融合,使得光纤生物传感技术取得了许多有影响力的成果。光纤生物传感器涉及领域较广,是材料、信息、生命、化学和物理多个学科交叉的研究领域,研究前景广阔,无论是对学术界还是对产业界都很有吸引力。微纳光纤传感器由于其特有的大倏逝场特性,结构简单灵活,是生物光纤传感技术研究中一个很好的平台。作为微纳光纤生物传感器中重要成员的微纳光纤模式干涉型传感器具备了光纤生物传感技术免标记、高灵敏度和特异性、简单快速等优点。本文首先简单介绍生物传感器和光纤生物传感器的发展现状和趋势,然后将微纳光纤模式干涉仪与氧化硅介孔材料相结合,利用介孔材料对目标分子的尺寸选择性,对神经递质分子进行分析检测,主要包括:1.基于银核氧化硅基介孔材料修饰的微纳光纤模式干涉型传感器对5-羟色胺(5-HT)的检测:采用贵金属材料银纳米球为核的二氧化硅介孔微球阵列修饰微纳光纤,该方法利用介孔材料的介孔筛选和吸附能力,对尺寸匹配的5-HT分子进行选择性检测,通过物理吸附和富集作用,低浓度的5-HT分子浓度变化引起传感器表面折射率的改变,从而使观测端谱线漂移。相比于传统的方法,该种方法检测灵敏度明显提升,检测极限达到84 fM,同时检测时间短,该传感器具有良好的重复性;2.基于四氧化三铁核二氧化硅基介孔微球阵列修饰的微纳光纤模式干涉型传感器对γ-氨基丁酸(GABA)的检测:作为一种磁性纳米颗粒,四氧化三铁这种生物相容性的颗粒作为核制备的二氧化硅基介孔微球有很好的稳定性以及尺寸筛选能力。本文将该微球阵列修饰在小直径微纳光纤模式干涉仪上,利用该器件对低浓度GABA分子进行检测。这种检测基于折射率测量原理,介孔材料的尺寸筛选吸附作用使得GABA分子的微小浓度变化通过材料和光纤干涉仪的高灵敏度解析出来,相比于传统的方法,比如电化学或荧光检测的方法,该方法免标记、无电磁干扰、基于波长标定,检测极限更低,达到351fM。通过特异性实验,该传感器在模拟生物样品中也有比较好的初步的选择性,为进一步真实血清样中的检测提供了较好的基础。

关键词：光纤生物传感器微纳光纤干涉仪介孔材料神经递质

用于检测染料和汞离子的功能化微纳光纤传感技术的研究

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用于检测染料和汞离子的功能化微纳光纤传感技术的研究

作者：郝耀辉山西大学

学位级别：硕士

工业的快速发展造成了严重的水资源污染和破坏,快速、准确地检测水资源中物质含量对水资源环境保护具有积极意义。微纳光纤传感元件不仅融合了光纤通信的抗干扰能力强、损耗低、传输快等优势,而且凭借着强倏逝场的特性可以对外界环境的... 详细信息

工业的快速发展造成了严重的水资源污染和破坏,快速、准确地检测水资源中物质含量对水资源环境保护具有积极意义。微纳光纤传感元件不仅融合了光纤通信的抗干扰能力强、损耗低、传输快等优势,而且凭借着强倏逝场的特性可以对外界环境的变化表现出高灵敏度响应。本文以水体污染中常见的茜素红S染料、重金属汞离子(Hg)两种物质为例,设计并研究了两种功能化微纳光纤传感元件,为光学检测技术的发展提供了更广阔的思路与平台,同时有望促进分布式、多参数的物联网通信平台的建设。研究了一种基于多壁碳纳米管(MWCNTs)用于检测茜素红S染料浓度的锥形微纳光纤元件,并通过实验进行了验证。固定在光纤表面的多壁碳纳米管由于其多孔结构能够吸附茜素红S染料分子,染料分子被光纤传感元件表面的多壁碳纳米管捕捉到后,会导致光纤表面折射率(RI)的变化,进一步宏观上转化为干涉光谱的波长漂移。该微纳光纤干涉仪具有1942.25nm/RIU的高折射率灵敏度响应,以及-0.03nm/℃的低温度交叉灵敏度。实验结果表明该传感元件可快速检测到0-1000mg/L浓度范围内的茜素红S染料,其中在0-25mg/L低浓度范围内的灵敏度为0.412nm/(mg/L)。该传感元件在环境安全保护领域拥有巨大潜力。研究了一种基于多巴胺/4-巯基吡啶(PDA/4-MPY)薄膜用于水中痕量Hg检测的锥形微纳光纤传感元件。此微纳光纤干涉仪具有1146nm/RIU的折射率灵敏度响应和-0.03 nm/℃低温度交叉响应。Hg被传感元件表面功能膜特异性捕获后影响微纳光纤表面的折射率,导致干涉光谱的波长漂移。实验结果表明该传感元件对0-100n M浓度范围内的金属Hg离子有明显的规律响应,在0-10n M低浓度范围内灵敏度可达1.015nm/n M,可靠性极高(R=0.99),同时对Hg有着良好的特异性识别能力。该传感元件在重金属离子含量和水资源质量监测领域具有广阔的应用前景。

关键词：微纳光纤干涉仪茜素红S 汞离子(Hg2+) 浓度检测

基于功能化膜层的微纳光纤生物化学传感器研究

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基于功能化膜层的微纳光纤生物化学传感器研究

作者：于波暨南大学

学位级别：硕士

光纤生化传感器具有抗电磁干扰、体积小巧、有利于在线检测等优点,在临床医学、药学、生物工程、食品工业、过程控制、环境监测和军事等诸多领域具有潜在的应用前景,已成为近年来国内外的研究热点。随着纳米技术研究的不断深入,新型功... 详细信息

光纤生化传感器具有抗电磁干扰、体积小巧、有利于在线检测等优点,在临床医学、药学、生物工程、食品工业、过程控制、环境监测和军事等诸多领域具有潜在的应用前景,已成为近年来国内外的研究热点。随着纳米技术研究的不断深入,新型功能材料和器件的不断开发也为基于新型生物化学敏感原理和敏感材料的光纤生化传感器发展探索注入了新的活力。本文以微纳光纤模式干涉仪为感测单元,将生化识别过程引起的折射率变化转换为光学干涉信号的光谱漂移,实现对生物量和化学量的检测。为了提高光纤生化传感器的敏感性和适应性,我们提出将不同的功能化薄膜与光纤传感器结合,最终实现对DNA及银离子的高灵敏度和选择性传感。本文主要包括以下两方面工作:通过对微纳光纤模式干涉仪表面修饰氧化石墨烯薄膜,研究不同pH值条件下氧化石墨烯与DNA分子之间作用机制,实现了对DNA分子的高灵敏度检测。光纤表面修饰的氧化石墨烯能通过π-π垛堞效应与单链DNA相互作用,并且这种作用力能在一定pH范围内存在。基于此,本论文通过静电组装的方式将氧化石墨烯涂覆于微纳光纤模式干涉仪表面,从而实现该器件在pH 4.3-8.5(人体pH)范围内捕捉单链DNA的能力。实验获得该传感器具有高灵敏度检测能力,检测极限为10-12 M。传感器且结构紧凑、灵敏度高、可进行远程操控等优点,便于实现复杂环境内单链DNA的检测,补充了现有检测单链DNA的技术手段。利用单链DNA选择性捕捉银离子并发生构象转变,在微纳光纤模式干涉仪表面修饰单链DNA实现了对银离子的特异性检测。含有丰富胞嘧啶的单链DNA与银离子具有特殊的结合能力,基于此,本论文将特异碱基结构的单链DNA探针组装于微纳光纤表面,DNA链在捕捉银离子后发生构象转变,从而引起干涉仪表面折射率的变化并转化为干涉信号的漂移。实验获得传感器的检测极限为1.36×10-9 M,响应时间小于10分钟,因此该传感器具有应用于真实环境银离子实时分析的潜力。

关键词：光纤生化传感器微纳光纤干涉仪氧化石墨烯薄膜 DNA传感器 Ag+传感器