中国科学院研发紧凑型光纤传感器 可在狭窄空间进行灵敏分析

中国科学院的研究人员开发了一种新型的高灵敏度柔性传感器,用于在非常小的空间内进行各种化学和生物分析。这种传感器体积小,意味着它可能被用于血管内。

  6月23日消息,中国科学院的研究人员开发了一种新型的高灵敏度柔性传感器,用于在非常小的空间内进行各种化学和生物分析。这种传感器体积小,意味着它可能被用于血管内,随着进一步的发展,这种传感器可能被用来检测特定的化学物质、DNA分子或病毒。

  中国科学院长春光学精细机械物理研究所的研究小组成员陈超说:“我们的新型光纤传感器结构简单,制造成本低,同时足够小,可以在狭窄区域进行高灵敏度测量。在未来,它可以用于化学和生物传感的各种应用。”

  新的传感器由一根1毫米长的光纤端部组成,光纤端部变窄并弯曲成一种称为S锥的结构。通过检测被称为折射率的光学特性的变化,该装置可以检测浓度、pH值和其他化学参数。

  在《光学材料快报》杂志上,研究人员表明,他们的传感器设计比其他锥形光纤折射率传感器的灵敏度高9倍。他们还证明设备的测量不受温度变化的影响,这有助于确保准确的分析。

  陈超说:“这种微型传感器可能被用于炼油厂检测可能导致火灾或爆炸的泄漏。这种装置很灵敏,分析所需的样品很少,例如,这些特性可以使它有助于检测食品中的污染物。”

  为了操作传感器,研究人员通过光纤从一个特殊的超连续谱源发出白光。当光进入光纤的锥形区域时,其中一部分会逸出并以改变光的光谱的方式与周围的样品相互作用。这种改变后的光照射到光纤末端的银镜上,并通过光纤反射回光谱分析仪,该分析仪监测并记录光谱的变化。光谱位移可以用来测定样品的化学性质。

  新的传感器改进了研究人员先前开发的一种传感器,该传感器还具有用于折射率传感的S锥。为了使其更适用于狭窄或有限的空间,他们设计了新的传感器,使用反射光而不是通过样品传输的光。这一变化使得设备的测量对光纤插入样品时可能遇到的小弯曲不太敏感。S形锥度也使得光纤的传感部分比其他基于锥形光纤的反射折射率传感器更小,因为锥形光纤太长,无法形成紧凑的探头。

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  由上图可知,研究人员基于S锥形光纤探针(STFP)设计了一种新传感器(a),可用于高灵敏度折射率测量。当来自宽带光源(BBS)的光进入光纤的锥形区域时,一部分光会与周围的样品发生相互作用,从而改变光的光谱(b)。改变后的光通过光纤反射回光谱分析仪(OSA),该光谱仪监视并记录光谱变化,从而提供有关样品化学性质的信息。

  为了测试新的传感器设计,研究人员将其浸泡在室温下不同浓度的甘油水溶液中。通过监测反射光谱的变化,研究人员证明传感器对周围溶液的折射率变化非常敏感。当他们把传感器从室温加热到100摄氏度,以10度为增量时,传感器的反射光谱变化很小。这表明温度变化不会影响传感器的精度。

  接下来,研究人员计划测试使光纤锥度更窄是否会进一步提高传感器的灵敏度。他们还想制造一种在纤维表面带有功能化材料的传感器,这种材料可以与特定分子结合,使传感器能够检测到DNA或病毒的存在。

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刘小飞

传感器科技领域资深作者,以独特的视角、深度的调查分析看传感器世界。