暨南大學(xué):基于傾斜光纖布拉格光柵局域光散射的原位表面濁度傳感器

【暨南大學(xué):基于傾斜光纖布拉格光柵局域光散射的原位表面濁度傳感器】

暨南大學(xué)郭團(tuán)教授課題組提出了一種緊湊的光纖傳感器，用于原位和連續(xù)的濁度監(jiān)測(cè)，其基于來(lái)自目標(biāo)顆粒的偏振消失波的表面光學(xué)散射。該傳感器由一個(gè)傾斜光纖布拉格光柵（TFBG）組成，封裝在一個(gè)微流體毛細(xì)管內(nèi)。TFBG的透射光譜提供了一組精細(xì)的窄包層共振梳，這些共振梳對(duì)濁度非常敏感，因?yàn)樗鼈兪怯煽拷饫w表面的微粒引起的偏振消失波的局部光散射（與傳統(tǒng)的整體/體積濁度測(cè)量相反）。此外，還提出了一種透射光譜區(qū)域詢問(wèn)方法，并量化了表面濁度與光學(xué)光譜區(qū)域響應(yīng)之間的可重復(fù)相關(guān)性。我們展示了當(dāng)傳感包層共振的波長(zhǎng)與周圍固體顆粒的大小匹配時(shí)，可以實(shí)現(xiàn)最大敏感度的濁度響應(yīng)。

光纖傳感器，包括微納米光纖、TFBG 和法布里-珀羅干涉儀（FPI），因其低侵入性、抗電磁干擾和耐化學(xué)腐蝕等優(yōu)勢(shì)，在生物醫(yī)學(xué)、環(huán)境保護(hù)和能源存儲(chǔ)等領(lǐng)域的現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)中展現(xiàn)出巨大潛力。傳統(tǒng)的濁度計(jì)具有一個(gè)發(fā)射光纖端和一個(gè)接收光纖端，用于測(cè)量與入射光束成一定角度的散射光強(qiáng)度。濁度是從光束通過(guò)樣品時(shí)被顆粒散射的程度推斷出來(lái)的 。此外，漫反射紫外-可見(jiàn)光譜已被用于監(jiān)測(cè)水樣的濁度。光通過(guò)熔融石英準(zhǔn)直透鏡照射到測(cè)試樣品中，收集反射光以非接觸方式估算樣品的質(zhì)量和濃度。最近，提出了同時(shí)區(qū)分液體樣品的溫度和濁度的方法?？傊?，上述所有方法都專注于通過(guò)評(píng)估液體樣品中雜質(zhì)的透明度來(lái)進(jìn)行整體/體積濁度測(cè)量。然而，仍然非常需要定量測(cè)量局部濁度，即目標(biāo)樣品表面處的濁度。例如，最近的一篇論文報(bào)道了通過(guò)監(jiān)測(cè)電解質(zhì)的濁度來(lái)追蹤電池的化學(xué)動(dòng)力學(xué)/狀態(tài)及其容量損失，該濁度是通過(guò)顆粒誘導(dǎo)的光散射和吸收在電解質(zhì)-電極界面處進(jìn)行的。

暨大郭團(tuán)教授課題組，提出了一種基于TFBG的原位表面濁度測(cè)量新方法。TFBG的透射光譜提供了一組對(duì)表面濁度高度敏感的窄帶包層共振精細(xì)梳狀圖譜，這是由于包層模式與附著在TFBG表面的微粒之間可能發(fā)生的多重散射效應(yīng)。這種散射表現(xiàn)為高總插入損耗。當(dāng)微粒的直徑遠(yuǎn)小于入射光的波長(zhǎng)時(shí)，雷利散射成為主導(dǎo)的散射機(jī)制。然而，當(dāng)微粒的大小與入射光的波長(zhǎng)相當(dāng)時(shí)，米氏散射更可能占據(jù)主導(dǎo)地位。還提出了一種新的光譜區(qū)域詢問(wèn)方法，在這種方法中，利用傳感器包層模式的光譜變化的總和來(lái)精確測(cè)量濁度變化。我們成功地建立了TFBG的光譜特性、濁度和粒子大小之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系。我們提出的TFBG傳感器的一個(gè)額外優(yōu)點(diǎn)是，它利用了核心模式對(duì)周圍介質(zhì)中的散射和吸收不敏感的優(yōu)勢(shì)，同時(shí)僅對(duì)溫度敏感，從而提供了一種有前景的溫度獨(dú)立表面濁度測(cè)量方法。光柵平面的方向傾斜可以有效地將前向傳播的核心模式耦合到數(shù)百個(gè)后向傳播的包層模式中，以產(chǎn)生如圖1所示的密集梳狀透射振幅光譜。其中，短波長(zhǎng)側(cè)的高階包層模式擁有強(qiáng)大的消逝場(chǎng)。當(dāng)周圍介質(zhì)的折射率在TFBG的消逝場(chǎng)采樣區(qū)域內(nèi)發(fā)生變化時(shí)，相應(yīng)包層模式的共振位置和振幅也會(huì)相應(yīng)改變。圖1(a)中用黑色星號(hào)*標(biāo)記的“截止模式”對(duì)周圍折射率表現(xiàn)出最大的敏感性。位于較短波長(zhǎng)處且有效指數(shù)低于周圍折射率的泄漏模式（leaky modes）的共振位置不會(huì)隨著外部折射率的變化而發(fā)生波長(zhǎng)偏移 。

作為對(duì)傳統(tǒng)折射率測(cè)量的替代方法，如圖1(a)所示，我們?cè)u(píng)估了TFBG傳感器在渾濁液體環(huán)境中的光譜透射性能。如圖1(b)所示，所有包層模式的振幅同時(shí)衰減歸因于混濁液體中懸浮顆粒引起的光散射導(dǎo)致的能量損失。特別是，由TFBG激發(fā)的大量包層模式與光纖表面附近的顆粒相互作用，產(chǎn)生局部光散射，這降低了包層模式的反射效率和共振模式的品質(zhì)因數(shù)，因此在透射光譜中表現(xiàn)出包層模式的峰對(duì)峰減少。重要的是，表面散射強(qiáng)度不依賴于懸浮液的背景折射率，而依賴于液體中懸浮顆粒的大小和體積濃度。因此，表面散射導(dǎo)致TFBG傳感器的包層模式整體散射和吸收效應(yīng)，這在透射光譜中表現(xiàn)為包絡(luò)面積的減少。在這里，TFBG透射光譜的包絡(luò)面積被用來(lái)評(píng)估懸浮液的局部濁度變化。因此，基于TFBG的包層模式的透射特性，可以有效區(qū)分TFBG傳感器周圍流體中懸浮顆粒引起的光散射和溶質(zhì)分子的光吸收效應(yīng)。

圖1. 比較TFBG折射率測(cè)量和濁度測(cè)量方法

該濁度檢測(cè)平臺(tái)的適用性通過(guò)將傳感器固定在微流控管內(nèi)并使用圖2所示的檢測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行評(píng)估。使用光譜范圍為1500-1600 nm的寬帶光源（BBS）提供非偏振輸入光。使用偏振器和偏振控制器（PC）精確控制入射光的偏振狀態(tài)。透射光譜由分辨率為0.02 nm的光譜分析儀（OSA）監(jiān)測(cè)。我們采用內(nèi)徑為0.5 mm的微流控管通道，并精心調(diào)節(jié)蠕動(dòng)泵速度至35.4 rpm。這種精確控制有助于濁度顆粒與管內(nèi)背景液體的均勻混合。這種對(duì)管徑和流速的優(yōu)化被證明是防止氣泡形成和顆粒沉淀的關(guān)鍵，從而保持了實(shí)驗(yàn)的準(zhǔn)確性和可重復(fù)性。

圖2.TFBG傳感器濁度測(cè)量實(shí)驗(yàn)裝置的示意圖配置

光譜響應(yīng)與濁度測(cè)量

TFBG傳感器對(duì)不同濁度的二氧化硅粒子懸浮液的光譜響應(yīng)如圖3(a)和3(b)所示。幾乎所有高階包層模式共振的振幅都隨著濁度的增加而同時(shí)減小。因此，TFBG傳感器的包層模式的振幅變化可以用作量化表面濁度的指標(biāo)。將1510-1575 nm范圍內(nèi)的包層模式的光譜包絡(luò)面積作為反映表面濁度的度量標(biāo)準(zhǔn)。如圖3(c)所示，我們擬合了五組重復(fù)實(shí)驗(yàn)的光譜區(qū)域響應(yīng)的平均值和標(biāo)準(zhǔn)差。對(duì)于三種不同粒徑的二氧化硅懸浮液，TFBG光譜的包絡(luò)面積隨著濁度的增加逐漸減小，且都滿足非線性回歸的分布規(guī)律。為了表征TFBG傳感器表面濁度的實(shí)時(shí)響應(yīng)，我們分別對(duì)粒徑為50 nm、2 μm和5 μm的二氧化硅懸浮液的表面濁度進(jìn)行了連續(xù)測(cè)試。每個(gè)樣本以1.66 mL/min的速度通過(guò)系統(tǒng)泵送180秒。TFBG傳感器在不同濁度下的實(shí)時(shí)光譜區(qū)域響應(yīng)如圖3(d)所示。隨著樣本濁度的增加，由于高階包層模式的振幅衰減，光譜區(qū)域減小，這與更多的二氧化硅顆粒進(jìn)入TFBG的消逝場(chǎng)有關(guān)。由二氧化硅顆粒在傳感器表面上引起的局部光散射效應(yīng)導(dǎo)致TFBG消逝場(chǎng)能量的衰減。此外，TFBG傳感器在不同二氧化硅粒徑和濁度下展現(xiàn)出優(yōu)異的響應(yīng)和基線恢復(fù)偏差。這些結(jié)果表明，TFBG傳感器在實(shí)時(shí)表面濁度檢測(cè)應(yīng)用中表現(xiàn)出良好的一致性和可重復(fù)性。

圖3.TFBG傳感器用于濁度測(cè)量

光波長(zhǎng)與顆粒大小之間的關(guān)系

進(jìn)一步，研究了TFBG傳感器對(duì)不同粒徑的二氧化硅懸浮液的光譜響應(yīng)。配制了粒徑范圍為15 nm至20 μm、濁度為778 NTU的二氧化硅懸浮液（圖4(a)）。正如預(yù)期的那樣，如圖4(b)所示，TFBG傳感器的光譜區(qū)域響應(yīng)相對(duì)于顆粒大小呈現(xiàn)出鐘形分布，其中橫坐標(biāo)經(jīng)過(guò)概率回歸處理。當(dāng)二氧化硅顆粒直徑接近入射波長(zhǎng)（1.5 μm）時(shí)，光譜區(qū)域的變化達(dá)到峰值，這歸因于光散射效率對(duì)顆粒大小的依賴性。Mie-Lorenz理論表明，對(duì)于特定的波長(zhǎng)和折射率，球形顆粒的光散射效率取決于其直徑[23]。根據(jù)米氏散射理論，當(dāng)傳播模式的消逝場(chǎng)擴(kuò)展到光纖外部時(shí)，大部分能量被尺寸接近光波長(zhǎng)的顆粒散射。值得注意的是，對(duì)于相同的顆粒大小，光譜區(qū)域的變化隨著濁度的增加而增加。這一趨勢(shì)在不同濁度水平下保持一致，如圖4(c)所示。特別是，當(dāng)顆粒大小與入射波長(zhǎng)不匹配時(shí)，TFBG傳感器的靈敏度降低。因此，TFBG傳感器的表面濁度靈敏度表現(xiàn)出對(duì)入射光波長(zhǎng)和目標(biāo)顆粒大小的強(qiáng)烈依賴性（圖4(d)）。

圖4. (a) 不同顆粒大小的二氧化硅懸浮液，其濁度為778 NTU。(b) 光譜區(qū)域、顆粒大小與濁度之間的關(guān)系；(c) 不同濁度級(jí)別的光譜區(qū)域響應(yīng)；(d) 消逝場(chǎng)和表面濁度的探測(cè)范圍。