微型移动式光谱技术

文/ Benedikt Schwarz

微型移动式光谱技术

文/ Benedikt Schwarz

集中式流量传感器光谱技术在现场分析中的应用

把实验室所有检测分析元器件都集成在一块光纤芯片上？是的。本文方案有诸多优势，那么在实施IR光谱检验最小化时，需要做些什么呢？

许多有机物质都可以通过其吸收光谱的特性对中红外范围的红外光进行鉴别并量化。通过不同分子的不同旋转振荡和震动振荡，各种化学物质都会展现其独一无二的化学分子特性。由于大多数这样的谐振振荡都发生在中红外范围，因此这一段光谱范围（3～20 µm）对化学传感器来讲是非常有意义的，也常常被称为“指纹区”。传统的吸收光谱系统通常都由光源设备、波长选择装置、感应互动区和一个光电探测器组成。其中的光电探测器是一个单独的部件、用精密的校准棱镜和反射镜连接成一体。

与可见光或者近红外光不同，上述的光学元器件其价格都相当高。在中红外光谱检测中，大多数情况下都要用到宽带光源，波长选择用傅里叶红外光谱变换仪（FTIR）以及气体或者液体检测皿，常常还要用到配有冷却系统的光电探测器。这样的检测系统虽然在实验室中，可以当作万能型的检测设备用于不同化学成分的检验、分析，但由于它们的大小、机械敏感性限制，所以只能在有限的移动应用中被使用。

而化工、生物、制药和环保等领域中大量的应用则更需要紧凑、经济的分析检测仪。

市场上对便携、经济型检测仪的需求越来越来越强烈，一定程度上，也直接促进了检测仪的小型化发展，它所用零部件的集成，尤其是其电气部分都集成在唯一一块光纤芯片上。这不仅仅降低了它们的生产成本，还能够将其设计成更加紧凑、且能使用电池作为电源的光谱检测仪，即使用于现场分析也完全可以。这样一来，一些只需定性的样本就大可不必被送到实验室去检测了，大大节约了时间成本。另外，由于移动式微型光谱仪操作较简捷，完全可以由门外汉在现场操作，或者集成到已有的自动化系统之中，这样就使得直接得到检测报告成为可能。

图1.光纤芯片传感器：只需一滴液体就足以完成成分的测定。

微型光纤芯片的集成

微型移动式光谱检测系统研发的最大难度是把所有必须的光学仪器集成在一块小小的光纤芯片上。这里有一个非常特殊的要求：光源和探测器必须极其相容。作为结构最紧凑、性能最强大的光源就是所谓的QCLs量子级联激光器；一种在许多检测仪中都有其应用的光源。

若要求再高一点：那就是特殊设计和制造的，并且可以当作光探测器使用的量子级联激光器了。这里的难点不仅仅是同时优化激光发射和探测两种工作模式，更多的是激光光谱与探测器接收的光谱敏感性之间的相互对应一致。由于电压误差的关系，这种双功能的量子级联结构的光学元器件的功能会在激光发射器和探测器之间来回转换。

传统检测系统小型化的另一个挑战是光的功率大小。在集成的微型光纤芯片中，光是在芯片上激光发射器和激光探测器之间直接传导的。同时，这种光波传导光纤也可以当作感应互动区来使用。此时最重要的是：光应该是最大程度上未损失的被传导，同时也应与包围光的周围液体强烈的相互作用。等离子的波导体是最合适的光波传导元件了。所谓的表面等离子体激元（SPPs）是一种电磁波，一种能够在金属和电介体（例如空气）之间的边界层传播的波。这种表面波是在光与集体振荡相互作用下从金属中释放出载流子而产生的。它与介电的波导体（例如玻璃纤维）完全不同，表面等离子波的绝大部分不在波导体的内部传播、相反是在金属的外层表面传播的。

我们所介绍的方案就是利用了这一效应；不是利用了简单的“玻璃纤维光纤”，而是表面等离子波与化学物质有着很高的感应性能，且探测器也有着很低的耦合性能。为了提高它的耦合性能，在等离子波导体上涂敷了薄薄的一层电介体（参见图3）。这种被称之为“介质加载”等离子波导体把导光性能提高了更高的层次，也提高了在探测器中的耦合性能，同时也没有明显的影响与周围环境的相互感应（导光性能达96%以上）。作为一个不错的辅助效应是：这样的光缆有着很低的损耗，因此可以有最大的传播距离。

液体传感器的整体集成

在开发激光器、探测器和波导体的同时也有了高集成度传感器所需的所有部件。第一次的实验尝试就已经显示出这种光纤芯片的巨大应用潜力了。将这样的传感器浸入液体中，例如水和乙醇组成的液体中时，则可以在0%～60%很宽的含水量范围、按照0.06%的精度准确的测定出混合液含水量的多少（参见图4）。必须强调的是：这一样机性试验仅仅是为了测试传感器的功能，传感器的全部潜力还没没有被挖掘出来。通过进一步的改进措施和检测电子元器件的优化，检测精度将会大幅度提高。例如，根据成本费用的高低在较小的检测范围内通过提高感应互动区的互动长度来提高检测精度。这里所介绍的传感器方案可以毫无压力地扩展到多种波长，并且可以在有着多个激光器－波导体－探测器单元与不同布拉格光栅并联的光纤芯片中使用。

图2.单片集成的传感器：激光器发出的光沿着等离子波导体传导到探测器。

图3.表面等离子波感应互动区：在金的表面涂敷了一层介电层之后，其表面传导等离子波的性能大大提高了，与周围环境的相互作用也增强了。

图4. 吸收性能检测：当传感器浸入水和乙醇的混合液中时，可以检测出混合液中的含水量，含水量浓度的检测精度为0.06%。

适用于气态分析

气态分析时所覆盖的光谱范围宽度大约100 cm-1，适合于在各种分析应用。能够吸收多种波长进行分析的传感器可以在特定材料的探测中使用。在中红外光波范围内，光学传感器的应用范围不限于液体介质的检测，以及气态介质的检测。例如，工业生产过程中排放出来的废气检测也可以使用这种光学传感器，另外，它还需要准确的吸收性能曲线和准确的QCL量子联级激光器的发射波长。气体分析的难点是吸收强度太低，这使得单片集成难度加大。

基于QCL量子联级激光器

基于QCL量子联级激光器的化学传感器，其具体应用领域包括了血糖水平的光学测定，又或是工业废水的检测、废气中有害物质的排放等。而最令人感兴趣的则是其在线监测性能，也就是说，在需要连续性的极限值监控过程中使用。

如今，利用现有的检测设备很难实现这样的在线监控，而微型传感器则可以方便地安装固定到生产系统中，这也帮助省略了很多费时费力的取样、检测步骤。此外，其他的领域也多有应用，比如像稀释剂（例如制药工业）或者宇宙飞船推进燃料生产时的质量监控。在制药领域中，移动式的检测仪器不仅仅能够快速的完成分析诊断，而且还能够适用于更多条件不足的场合及领域，比如成本不足时、基础设施或卫生条件不足时。

本文作者来自维也纳技术大学微结构和纳米结构研究所。