基于石墨烯的光纤湿度传感研究

将还原氧化石墨烯(r GO)沉积在侧边抛磨光纤(SPF)上制作了一种新型的光纤湿度传感器。在高湿度区域[相对温度(RH)为70%~95%],传感器的光功率变化达到6.9 d B,尤其在RH为75%~95%区域,传感器对湿度变化能实现相关系数为98.2%的线性响应,灵敏度可达0.31 d B/(%RH),响应速度快于0.13(%RH)/s,并且具有很好的可重复性。对传感机理的理论分析可以解释实验结果,并且表明这种基于石墨烯的光纤传感器亦可广泛应用于其他种类化学气体的探测。这种全新机理的光学传感器是对石墨烯电化学传感器的一种很好的补充,并将促进石墨烯在化学传感技术中的应用。     

Determination of optimal source-detector separation in measuring chromophores in layered tissue with diffuse reflectance

Based on analysis of the relation between mean penetration depth and source-detector separation in a three-layer model with the method of Monte-Carlo simulation, an optimal source-detector separation is derived from the mean penetration depth referring to monitoring the change of chromophores concentration of the sandwiched layer. In order to verify the separation, we perform Monte-Carlo simulations with varied absorption coefficient of the sandwiched layer. All these diffuse reflectances are used to construct a calibration model with the method of partial least square (PLS). High correlation coefficients and low root mean square error of prediction (RMSEP) at the optimal separation have confirmed correctness of the selection. This technique is expected to show light on noninvasive diagnosis of near-infrared spectroscopy.     

基于石墨烯的光纤湿度传感研究EI北大核心CSCD

将还原氧化石墨烯（r GO）沉积在侧边抛磨光纤（SPF）上制作了一种新型的光纤湿度传感器。在高湿度区域[相对温度（RH）为70%～95%],传感器的光功率变化达到6.9 dB,尤其在RH为75%～95%区域,传感器对湿度变化能实现相关系数为98.2%的线性响应,灵敏度可达0.31 dB/（%RH）,响应速度快于0.13（%RH）/s,并且具有很好的可重复性。对传感机理的理论分析可以解释实验结果,并且表明这种基于石墨烯的光纤传感器亦可广泛应用于其他种类化学气体的探测。这种全新机理的光学传感器是对石墨烯电化学传感器的一种很好的补充,并将促进石墨烯在化学传感技术中的应用。     

基于快速蒙特卡罗的散射介质光学参量干涉测量方法研究

提出了一种散射介质光学参量的干涉测量方法.在蒙特卡罗数值模拟的基础上引入聚焦高斯光源模型和基于比例缩放的压缩算法,实现了对光子后向散射分布和干涉特性的快速模拟.利用计算数据训练了前向人工神经网络进行了介质光学参量的反向求解.实验中以脂肪乳注射剂和生物染色剂印度墨水组成的悬混液为样本,通过光学干涉系统测量得到了后向散射光依赖于深度的干涉光强分布,并对其中散射和吸收系数进行了反向计算.所得结果能够正确反映散射和吸收系数与散射和吸收物质浓度之间的线性关系,验证了该方法的可行性.     

基准波长法在混浊介质光谱数据处理中的应用研究

分析了溶质成分的浓度的改变通过吸收和散射效应对光谱的影响,利用通过浓度改变引起的吸收和散射效应相互抵消的波长作为基准波长,并使用基准波长法以有效的消除仪器漂移和温度变化等外界因素的干扰,从而提高模型的预测能力.通过处理脂肪乳溶液和血浆溶液中含不同葡萄糖的光谱数据,证明了基准波长法能提高模型的相关系数和降低模型预测均方差.     

基于快速蒙特卡罗的散射介质光学参量干涉测量方法研究

提出了一种散射介质光学参量的干涉测量方法. 在蒙特卡罗数值模拟的基础上引入聚焦高斯光源模型和基于比例缩放的压缩算法, 实现了对光子后向散射分布和干涉特性的快速模拟. 利用计算数据训练了前向人工神经网络进行了介质光学参量的反向求解. 实验中以脂肪乳注射剂和生物染色剂印度墨水组成的悬混液为样本, 通过光学干涉系统测量得到了后向散射光依赖于深度的干涉光强分布, 并对其中散射和吸收系数进行了反向计算. 所得结果能够正确反映散射和吸收系数与散射和吸收物质浓度之间的线性关系, 验证了该方法的可行性.     

侧边抛磨光纤的光谱调制型表面等离子体共振传感研究

表面等离子体共振传感是基于光学消逝波与金属表面等离子体波共振的一种高灵敏度、快速、无标记的测量方式。光纤的表面等离子体共振传感具有在线测量、体积小、抗电磁干扰等优点。为提高折射率传感灵敏度,采用轮式侧边抛磨法抛磨掉多模光纤的全部包层和部分纤芯,并采用溅射法在光纤抛磨区先镀高折射率的铬层然后镀金膜,制作了侧边抛磨光纤表面等离子体共振传感器。研究结果表明:该传感器可实现液体折射率在1.333~1.431RIU范围的测试,平均光谱灵敏度为4.11×103 nm·RIU-1,在1.417~1.431RIU折射率范围内光谱灵敏度达1.09×104 nm·RIU-1,折射率测量范围和光谱灵敏度均优于已报道的结果。此外,该传感器具有良好的稳定性与重复性实验测试,最小分辨率约为3.6×10-5 RIU。该传感器光谱灵敏度高、检测范围大、尺寸小及良好的稳定性与重复性等优点,可被用于食品检测、环境监测、生物医学检测等相关领域。     

光纤耦合三角形金柱阵列的等离子体共振

为了满足表面等离子体传感器高灵敏度、高线性以及较大测量范围的需求,提出侧边抛磨光纤耦合的三角形纳米金柱阵列等离子体共振传感模型.用有限元法仿真得出侧边抛磨光纤倏逝场激发出三角形纳米金柱的三种等离子体共振模式,分别为传输等离子体、三角形纳米金柱的本征等离子体和柱间等离子体,在传感器透射谱中呈现三个共振波谷.本征等离子体和柱间等离子体均属于局域等离子体,所对应的共振波谷对外界环境折射率的灵敏度较低但具有很高的线性度.传输等离子体对应的波谷随折射率变化灵敏度很高且呈非线性关系,优化后三角形金柱阵列设计中,当折射率为1.38~1.42RIU时,灵敏度高达12 882nm/RIU.该传感结构集成了侧边抛磨光纤的强倏逝场,具有传输等离子体的高灵敏度、局域等离子体的高线性度和大测量动态范围等优点,有重要的研究意义和实用价值.     

Detection Limit of Glucose Concentration with Near-Infrared Absorption and Scattering Spectroscopy

Theoretical analyses and Monte Carlo simulation are performed to investigate the detection limit of glucose concentration with near-infrared spectroscopy. The relation between detection limitation of glucose concentration and source-detector separation is derived. Monte Carlo simulation performed with a skin-layered model shows that the ratio of effective photons from the target layer could excess 50% by selecting proper source-detector separation, and that the detection limit of glucose concentration approaches to 0.28mM, which satisfies the requirement of food and drug administration for noninvasive glucose sensing.     

波长调制型表面等离子体共振的传感特性研究

表面等离子体共振(SPR)光学传感器能实现生物医学的快速、无标记、高精度检测,是生物化学分析的重要方法。研制了基于波长调制型的Kretschmann结构表面等离子体共振(SPR)生物传感系统,研究了在体溶液传感方式下的传感性能。利用不同浓度的乙醇和乙二醇溶液进行体溶液传感测试。实验结果表明,在折射率低时共振波长对折射率变化响应的灵敏度低,但响应的线性度高;随着折射率增大,共振波长对折射率的响应变化的灵敏度提高。在1.407 0~1.430RIU折射率范围内,灵敏度高达11 487nm·RIU-1。传感器的共振波长的稳定性为0.213 8nm,可分辨最小折射率趋近10-6 RIU。所研制的波长调制型表面等离子共振传感器操作简单、灵敏度高、检测范围大,可实现浓度极低生物标记物的有效检测,在化学、生物传感领域有重要的应用。