基于石墨烯包覆球形熔接光子晶体光纤的蔗糖传感器

技术领域

本发明属于测量浓度技术领域，基于石墨烯包覆球形熔接光子晶体光纤的蔗糖传感器。

背景技术

随着现代科学技术的发展，在生物科学，环境检测等学科领域中，人们对分析结果的要求越来越高，需要在短时间内提供物质更多的信息，因此传感器越来越被人们所关注。

蔗糖是一种最常见的食用糖，但是人体如果摄入过量的蔗糖，就会有潜在的健康危害。因此，在人们的生活中，对于蔗糖的检测必不可少。

由于光纤具有损耗低，抗干扰能力强，耐腐蚀，成本低等优点，因此基于全光纤结构的传感具有深远的研究意义和广阔的应用前景。

发明内容

1.本发明通过以下技术方案实现：基于石墨烯包覆球形熔接光子晶体光纤的蔗糖传感器，由激光光源(1)，单模光纤(2)，第一单模光子晶体熔接球(3)，光子晶体光纤(4)，第二单模光子晶体熔接球(5)，水槽(6)光谱分析仪(7)，石墨烯膜(8)组成；其特征在于：光从激光光源(1)发出进入单模光纤(2)中，经过第一单模光子晶体熔接球(3)，部分光进入了光子晶体光纤(4)的包层当中，部分光继续在纤芯中传输；光在第二单模光子晶体熔接球(5)耦合时，形成干涉，当感测区浸泡在水槽(6)中的蔗糖溶液中时，由于石墨烯膜(8)会吸附溶液中的蔗糖分子，将石墨烯膜(8)和光子晶体光纤(4)的包层看成一个整体，则其有效折射率将会发生改变，通过光谱分析仪(5)解调，干涉波谷发生偏移可以测定蔗糖浓度。

所述的石墨烯薄膜的转移与包覆。首先用CVD法制备的长有单层石墨烯的铜箔，将其放在表面光滑、干净的基片上，并用胶带将铜箔的四边粘住，使得铜箔均匀地平铺在基片上，避免褶皱。之后再将聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)均匀地涂在铜箔上，并使用KW-4A型台式匀胶机在3000转/分钟的条件下旋转40s，使PMMA均匀地涂覆在铜箔表面。之后将铜箔放在恒温平台上120℃烘烤10min，使PMMA胶凝固以保持足够的强度，然后将其浸泡在浓度比为去离子水：双氧水：盐酸＝20:1:1的蚀刻溶液中十五分钟后将铜箔取出在橡胶手套上拖动，以去除背面石墨烯，之后再浸泡在浓度比为去离子水：双氧水：盐酸＝10:1:1的蚀刻溶液中，将铜箔完全蚀刻，得到PMMA/石墨烯浮于刻蚀溶液表面；接着使用PET片将浮于刻蚀溶液表面的PMMA/石墨烯复合膜捞取，并转移至去离子水中，再将提前准备好的光子晶体光纤浸入去离子水中且放在石墨烯薄膜的底端，用提拉的方法将石墨稀包覆在拉锥光纤上。

本发明的工作原理是：实心光子晶体光纤与单模光纤进行粗锥熔接，得到马赫-曾德尔干涉结构。包层模式在第一个耦合点上从基模激发，然后光被分成两部分穿过涂有石墨烯膜的感测区域传输，通过第二个耦合点重新耦合，形成干涉。

该结构的透射强度可以表示如下：

其中I

其中Δn

当薄膜吸附溶液中的分子时，其有效折射率发生改变，若将薄膜和包层看成一个整体，则包层的有效折射率发生改变，而纤芯的折射率不变。因此，m阶的干涉波谷将发生变化，其变化量表示为：

从上式看出。当包层有效折射率变大时，(Δneff+Δn)减小，即Δn为负，干涉波谷向短波长方向移动，即蓝移；反之则会向长波长方向移动，即红移。

所述石墨烯的工作原理为：石墨烯本身的原始晶格，特别是空位缺陷和拓扑缺陷处，可以通过吸附空气中的水和氧气在表面产生羟基甚至醛基，因此蔗糖中的羟基官能团易于被石墨烯所吸附。随着蔗糖浓度的增加，石墨烯表面对蔗糖的吸附程度也不断地增加，该吸附属于物理吸附，是一个动态的吸附平衡过程。

本发明的有益效果是：本发明的设计中以石墨烯显著提升马赫-曾德尔原理的干涉结构对蔗糖溶液浓度的灵敏度。该传感器在蔗糖溶液浓度为0-230ppm范围内呈现良好的线性关系，具有高线性响应度(R2＝0.98233)，且透射光谱的干涉波谷随着蔗糖溶液浓度的增加呈现蓝移现象。该传感器易于制造，成本低，体积小，可用于低浓度蔗糖溶液的检测。

附图说明

图1是基于石墨烯包覆球形熔接光子晶体光纤的蔗糖传感器结构示意图。

具体实施方式

如图1所示，基于石墨烯包覆球形熔接光子晶体光纤的蔗糖传感器，由激光光源，单模光纤，水槽，光子晶体光纤，石墨烯膜，光谱分析仪组成。利用石墨烯能吸附蔗糖分子影响包层折射率，光线通过时由于光程差发生改变，通过光谱分析仪解调，干涉波谷偏移，从而达到传感效果。由于光纤具有损耗低，抗干扰能力强，耐腐蚀，成本低等优点，且蔗糖为最常见食用糖，生活中对蔗糖检测必不可少，因此该传感器具有深远的研究意义和广阔的应用前景。