结型光纤葡萄糖传感器的设计与传感特性研究

来源 :哈尔滨理工大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:ytg1987
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葡萄糖是人体内最常见最基本的糖类之一,是人体新陈代谢的重要物质以及能量来源。但是体内葡萄糖含量过高,导致糖尿病和肥胖症等疾病;体内葡萄糖含量过低,会导致低血糖等疾病。因此葡萄糖浓度的高精度检测和特异性识别,具有十分重要的意义。相比其他类型的传感器,光纤传感器具有体积小、结构简单、灵敏度高和易实现在线监测等优点。本文设计并制作了结型光纤葡萄糖传感器,针对光纤结构、灵敏度增强方法、特异性识别和温度干扰补偿等关键问题展开,对光纤传感器的葡萄糖浓度传感性能进行了实验研究。首先,论文理论研究了栅区涂覆层去除前后长周期光纤光栅(Long period fiber grating,LPG)包层的能量分布,仿真了光栅周期对LPG透射波长和消光比的影响。发现,去除栅区涂覆层后LPG可以激发更多的包层模式;光栅周期490~590μm范围,随着光栅周期的增大,LPG干涉光谱中心从1423 nm附近红移至1553 nm附近,且消光比增强。实验选择周期为550μm的LPG,对其葡萄糖传感特性进行了研究,并探索了聚乙烯亚胺、聚丙烯酸和葡萄糖氧化酶构成的葡萄糖敏感膜涂覆层数对LPG透射光谱的影响,发现随着薄膜层数(每层厚度为1μm)的增加,干涉光谱发生蓝移,在敏感膜达到大于6层时,干涉光谱稳定。论文选定6层葡萄糖敏感膜涂覆的光纤传感器,在葡萄糖溶液浓度0~0.25μM范围内,传感器灵敏度为4.72 pm/n M,重复性误差率小于2%;利用氧化酶对葡萄糖溶液分解葡萄糖产生的葡萄糖酸对聚乙烯亚胺和聚丙烯酸溶胀作用,显著提高了裸LPG灵敏度(3.66 pm/n M),实现了特异性识别。其次,为了增加光纤中光场与外界的作用,我们对LPG进行了打结处理,仿真与实验研究了不同结型半径大小LPG包层能量分布。实验选择了结型半径为6.00 cm的传感器对葡萄糖溶液及特异性识别进行传感研究。发现,在葡萄糖溶液浓度为0~0.84μM范围内,传感器灵敏度为10.64 pm/n M,重复性误差率小于2%。最后,为了解决结型LPG光栅区易碎、成本高等问题,论文采用单模光纤制备了半径更小的结型光纤传感器,制备了半径为0.58 cm的结型光纤传感器,并对葡萄糖进行传感性能研究。发现,在葡萄糖溶液浓度为0~8.44 n M范围内,传感器灵敏度为217.23 pm/n M。将结型光纤传感器与布拉格光栅(FBG)级联,利用FBG对结型光纤葡萄糖传感器进行了温度补偿,提高了传感器的抗环境温度干扰能力。
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