基于智能手机的光纤光谱仪及其传感应用

发布时间：2020-03-30 19:46

【摘要】：智能手机的普及和人们对于健康、环境的关注和高效生活的追求,推动了大量基于智能手机的研究成果的发表,甚至是商用产品的出现。本文提出了一种智能手机光纤光谱仪的方案,利用细芯光纤作为入射光纤,得到的波长分辨率在可见光范围内高达0.5nm。该光谱仪所有的光学元件都封装在了一个60mm*42mm*17mm的3D打印技术制作的外壳里面,具有结构紧凑、便捷灵活以及成本低廉的特点。本文还介绍了细芯光纤多模干涉仪的传感理论,分析了其温度、压力和折射率传感的原理,并使用软件建立了仿真模型,针对可见光波段的透射光谱进行了优化。在实验阶段,采用实时光谱测量的湿法腐蚀装置制作了性能增强的细芯光纤多模干涉仪,分别使用提出的智能手机光纤光谱仪和商用的光谱仪对其进行了折射率传感实验,得出在折射率高于1.4时具有较高的灵敏度。两者的测量结果具有较高的一致性,说明了基于智能手机的折射率传感器的可行性。最后,我们将上述传感器集成到了微流控芯片中,介绍了微流控芯片的制作方法和传感器的封装过程,从而可以进一步扩展到生物和化学传感等应用中。
【图文】：

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绿光激光器照射样品溶液，产生的荧光通过光纤导入到光谱仪装置，可以检测到某种特逡逑定的ｍｉｃｒｏＲＮＡｓ分子。以上两种光谱仪结构比较类似，分光元件都采用透射式光栅，逡逑分辨率分别可以徸到0．３３３ｎｍ和０．３３８ｎｍ。如图１．２所示，经典的透射式光栅组成的智逡逑能手机光谱仪通常包含一个小孔、准直镜、柱透镜以及光栅。２０１６年，Ｚｈａｎｇ等在光谱逡逑仪的结构上做了改变，引入了双功能的色散光学元件一Ｇ－Ｆｒｅｓｎｅｌ器件，，实现了对牛逡逑血清白蛋白的浓度检测。Ｇ－Ｆｒｅｓｎｅｌ器件的特点是可以同时实现线性光栅的色散和菲涅逡逑耳透镜的聚焦作用，从而使光谱仪更加徵型化，但是在分辨率方面只有１．３到２．１ｎｍ。逡逑Ｂ逡逑

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产品通常集成度高和功能强大，并且被设计和包装成独立的设备。借助于无线通讯技术，逡逑例如蓝牙，ＷＩＦＩ等，这些新型产品可以和智能手机实现数据同步。例如，Ｑｌｏｕｄｌａｂ公逡逑司推出的血液测量系统（图１．４（ａ））可以测量血压，血脂以及葡萄糖浓度［２４］；邋Ｔｙｔｏｃａｒｅ公逡逑司的ＴｙｔｏＨｏｍｅ系列产品（图１．４（ｂ））可以测量体温、心跳等自我疾病检查，还能实现医逡逑生的远程听诊等功能［２５］。更为重要的是，智能手机光谱仪也开始出现在人们的生活中。逡逑ＴｅｌｌＳｐｅｃ是一款拉曼光谱技术的微型光谱扫描仪图１．４（ｃ））。当按住机身上的按钮，逡逑其会向待测食物发出一束５ｍＷ低功率激光，并利用内置光谱仪对反射回来的激光进行逡逑测量，随后会将数据通过智能手机上传至云端，服务器利用其分析引擎获取食物中的成逡逑分，最终将结果传回。利用ＴｅｌｌＳｐｅｃ可以分析食物中的营养成分。由ＣｏｎｓｕｍｅｒＰｈｙｓｉｃｓ逡逑公司研发的ＳＣｉＯ光谱仪（图１．４（ｄ））是另一款类似的光谱仪，能够扫描各种材料的分子信逡逑息
【学位授予单位】：浙江大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：TH744;TP212

【参考文献】