暨南大学:基于倾斜光纤布拉格光栅局域光散射的原位表面浊度传感器

【暨南大学:基于倾斜光纤布拉格光栅局域光散射的原位表面浊度传感器】

暨南大学郭团教授课题组提出了一种紧凑的光纤传感器，用于原位和连续的浊度监测，其基于来自目标颗粒的偏振消失波的表面光学散射。该传感器由一个倾斜光纤布拉格光栅（TFBG）组成，封装在一个微流体毛细管内。TFBG的透射光谱提供了一组精细的窄包层共振梳，这些共振梳对浊度非常敏感，因为它们是由靠近光纤表面的微粒引起的偏振消失波的局部光散射（与传统的整体/体积浊度测量相反）。此外，还提出了一种透射光谱区域询问方法，并量化了表面浊度与光学光谱区域响应之间的可重复相关性。我们展示了当传感包层共振的波长与周围固体颗粒的大小匹配时，可以实现最大敏感度的浊度响应。

光纤传感器，包括微纳米光纤、TFBG  和法布里-珀罗干涉仪（FPI），因其低侵入性、抗电磁干扰和耐化学腐蚀等优势，在生物医学、环境保护和能源存储等领域的现场检测中展现出巨大潜力。传统的浊度计具有一个发射光纤端和一个接收光纤端，用于测量与入射光束成一定角度的散射光强度。浊度是从光束通过样品时被颗粒散射的程度推断出来的 。此外，漫反射紫外-可见光谱已被用于监测水样的浊度。光通过熔融石英准直透镜照射到测试样品中，收集反射光以非接触方式估算样品的质量和浓度。最近，提出了同时区分液体样品的温度和浊度的方法。总之，上述所有方法都专注于通过评估液体样品中杂质的透明度来进行整体/体积浊度测量。然而，仍然非常需要定量测量局部浊度，即目标样品表面处的浊度。例如，最近的一篇论文报道了通过监测电解质的浊度来追踪电池的化学动力学/状态及其容量损失，该浊度是通过颗粒诱导的光散射和吸收在电解质-电极界面处进行的。

暨大郭团教授课题组，提出了一种基于TFBG的原位表面浊度测量新方法。TFBG的透射光谱提供了一组对表面浊度高度敏感的窄带包层共振精细梳状图谱，这是由于包层模式与附着在TFBG表面的微粒之间可能发生的多重散射效应。这种散射表现为高总插入损耗。当微粒的直径远小于入射光的波长时，雷利散射成为主导的散射机制。然而，当微粒的大小与入射光的波长相当时，米氏散射更可能占据主导地位。还提出了一种新的光谱区域询问方法，在这种方法中，利用传感器包层模式的光谱变化的总和来精确测量浊度变化。我们成功地建立了TFBG的光谱特性、浊度和粒子大小之间的对应关系。我们提出的TFBG传感器的一个额外优点是，它利用了核心模式对周围介质中的散射和吸收不敏感的优势，同时仅对温度敏感，从而提供了一种有前景的温度独立表面浊度测量方法。光栅平面的方向倾斜可以有效地将前向传播的核心模式耦合到数百个后向传播的包层模式中，以产生如图1所示的密集梳状透射振幅光谱。其中，短波长侧的高阶包层模式拥有强大的消逝场。当周围介质的折射率在TFBG的消逝场采样区域内发生变化时，相应包层模式的共振位置和振幅也会相应改变。图1(a)中用黑色星号*标记的“截止模式”对周围折射率表现出最大的敏感性。位于较短波长处且有效指数低于周围折射率的泄漏模式（leaky modes）的共振位置不会随着外部折射率的变化而发生波长偏移 。

作为对传统折射率测量的替代方法，如图1(a)所示，我们评估了TFBG传感器在浑浊液体环境中的光谱透射性能。如图1(b)所示，所有包层模式的振幅同时衰减归因于混浊液体中悬浮颗粒引起的光散射导致的能量损失。特别是，由TFBG激发的大量包层模式与光纤表面附近的颗粒相互作用，产生局部光散射，这降低了包层模式的反射效率和共振模式的品质因数，因此在透射光谱中表现出包层模式的峰对峰减少。重要的是，表面散射强度不依赖于悬浮液的背景折射率，而依赖于液体中悬浮颗粒的大小和体积浓度。因此，表面散射导致TFBG传感器的包层模式整体散射和吸收效应，这在透射光谱中表现为包络面积的减少。在这里，TFBG透射光谱的包络面积被用来评估悬浮液的局部浊度变化。因此，基于TFBG的包层模式的透射特性，可以有效区分TFBG传感器周围流体中悬浮颗粒引起的光散射和溶质分子的光吸收效应。

 图1. 比较TFBG折射率测量和浊度测量方法

该浊度检测平台的适用性通过将传感器固定在微流控管内并使用图2所示的检测系统进行评估。使用光谱范围为1500-1600 nm的宽带光源（BBS）提供非偏振输入光。使用偏振器和偏振控制器（PC）精确控制入射光的偏振状态。透射光谱由分辨率为0.02 nm的光谱分析仪（OSA）监测。我们采用内径为0.5 mm的微流控管通道，并精心调节蠕动泵速度至35.4 rpm。这种精确控制有助于浊度颗粒与管内背景液体的均匀混合。这种对管径和流速的优化被证明是防止气泡形成和颗粒沉淀的关键，从而保持了实验的准确性和可重复性。

图2. TFBG传感器浊度测量实验装置的示意图配置

光谱响应与浊度测量

TFBG传感器对不同浊度的二氧化硅粒子悬浮液的光谱响应如图3(a)和3(b)所示。几乎所有高阶包层模式共振的振幅都随着浊度的增加而同时减小。因此，TFBG传感器的包层模式的振幅变化可以用作量化表面浊度的指标。将1510-1575 nm范围内的包层模式的光谱包络面积作为反映表面浊度的度量标准。如图3(c)所示，我们拟合了五组重复实验的光谱区域响应的平均值和标准差。对于三种不同粒径的二氧化硅悬浮液，TFBG光谱的包络面积随着浊度的增加逐渐减小，且都满足非线性回归的分布规律。为了表征TFBG传感器表面浊度的实时响应，我们分别对粒径为50 nm、2 µm和5 µm的二氧化硅悬浮液的表面浊度进行了连续测试。每个样本以1.66 mL/min的速度通过系统泵送180秒。TFBG传感器在不同浊度下的实时光谱区域响应如图3(d)所示。随着样本浊度的增加，由于高阶包层模式的振幅衰减，光谱区域减小，这与更多的二氧化硅颗粒进入TFBG的消逝场有关。由二氧化硅颗粒在传感器表面上引起的局部光散射效应导致TFBG消逝场能量的衰减。此外，TFBG传感器在不同二氧化硅粒径和浊度下展现出优异的响应和基线恢复偏差。这些结果表明，TFBG传感器在实时表面浊度检测应用中表现出良好的一致性和可重复性。

图3. TFBG传感器用于浊度测量

光波长与颗粒大小之间的关系

进一步，研究了TFBG传感器对不同粒径的二氧化硅悬浮液的光谱响应。配制了粒径范围为15 nm至20 µm、浊度为778 NTU的二氧化硅悬浮液（图4(a)）。正如预期的那样，如图4(b)所示，TFBG传感器的光谱区域响应相对于颗粒大小呈现出钟形分布，其中横坐标经过概率回归处理。当二氧化硅颗粒直径接近入射波长（1.5 µm）时，光谱区域的变化达到峰值，这归因于光散射效率对颗粒大小的依赖性。Mie-Lorenz理论表明，对于特定的波长和折射率，球形颗粒的光散射效率取决于其直径[23]。根据米氏散射理论，当传播模式的消逝场扩展到光纤外部时，大部分能量被尺寸接近光波长的颗粒散射。值得注意的是，对于相同的颗粒大小，光谱区域的变化随着浊度的增加而增加。这一趋势在不同浊度水平下保持一致，如图4(c)所示。特别是，当颗粒大小与入射波长不匹配时，TFBG传感器的灵敏度降低。因此，TFBG传感器的表面浊度灵敏度表现出对入射光波长和目标颗粒大小的强烈依赖性（图4(d)）。

图4. (a) 不同颗粒大小的二氧化硅悬浮液，其浊度为778 NTU。(b) 光谱区域、颗粒大小与浊度之间的关系；(c) 不同浊度级别的光谱区域响应；(d) 消逝场和表面浊度的探测范围。