Sensor SPR de Fibra Óptica Baseado em PMMA

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Projeto ideal do sensor de ressonância de plasma de superfície com base em fibra de polimetilmetacrilato
Autores:Huanzhu Lv, Kefei Zhang, Xiaocui Ma, Wenbo Zhong, Yaxin Wang, Xiang Gao
Aluna: Ana Cristina Silva Gomes
Professora: Rossana Moreno
resumo
O presente artigo aborda um sensor de índice de refração de fibra de polimetilmetacrilato (PMMA) baseado em ressonância de plasma de superfície (SPR).
Aplicação: medir o índice de refração de um líquido.
Desempenho:
Teoria SPR; 
Propriedades estruturais da fibra tipo D polida lateralmente.
Parâmetros otimizados do sensor SPR
Efeitos do material da película metálica;
Espessura da película metálica;
Comprimento da zona de detecção nas características espectrais do sensor.
Parâmetros ótimos do sensor SPR
 
Resultados: sensibilidade do sensor SPR de fibra óptica projetado neste artigo pode ser significativamente aprimorada.
Simulação Numérica
Experimento Real 
O deslocamento da posição ressonante pode ser utilizado para monitorar pequenas variações sobre o índice de refração do meio ao redor da fibra óptica.
Métodos de excitação do SPW (Onda de Plasma de Superfície) 	
Acoplamento de prisma, 
Acoplamento de grade e 
Acoplamento de guia de onda de fibra.
		Acoplamento de prisma	Acoplamento de grade 	Acoplamento de guia de onda de fibra
	Vantagens 	Estrutura compacta e conveniente para a detecção do índice de refração	Redução do custo da estrutura de detecção, usando o plástico 	Tamanho pequeno, baixa perda de transmissão, monitoramento remoto e medição distribuída
	Desvantagens	grandes componentes para controlar o ângulo de incidência do feixe	Só podem ser usados para analisar substâncias transparentes	
Sensor SPR baseado na fibra de cristal fotônico (PCF) 
Provou ter desempenho de detecção superior.
Fibra óptica polimérica (POF)
Superior em aplicações práticas devido ao seu baixo custo e simplicidade de fabricação.
 Em comparação com a fibra amorfa, a POF tem um raio de curvatura menor e uma biocompatibilidade mais excelente. 
PCF vs POF
Estrutura básica do sensor de fibra óptica SPR 
Influência dos materiais da camada de metal
Metais optados para discutir o efeito do material da camada de metal no desempenho do sensor SPR
 
Au, Ag e Cu.
	 
Parâmetros
	Índice de revestimento de 1,458
	Índice de refração de 1,48
	diâmetro D de 600 μm
	Comprimento da zona de detecção de 1 cm 
	Abertura numérica NA de 0,24.
Diagrama de comparação dos espectros de transmissão de três metais diferentes
 
Relação entre o espectro de transmissão do sensor de fibra óptica SPR correspondente a diferentes materiais metálicos e o índice de refração externo 
Relação entre os comprimentos de onda de ressonância SPR dos três metais e o índice de refração externo 
Influência da espessura da película de ouro
Espessura do filme de ouro desempenha um papel decisivo em despertar o fenômeno SPR.
Espectro de transmissão SPR de diferentes espessuras de película de ouro foi simulado.
A espessura da película de metal é definida como 30nm, 40nm, 50nm, 60nm e 70nm.
Espectros de perda do modo fundamental para tamanhos diferentes dos slots abertos (ra = 1 μm, rb= 0,8 μm, rc = 8 μm, Λ = 3,5 μm, tg = 50 nm e ns = 1,26)
Influência do comprimento da zona de detecção
Comprimento da zona de detecção é definido em 0,5 cm, 1,0 cm, 1,5 cm, 2,0 cm e 2,5 cm
The parameters of preparation of fiber SPR sensor
Material of optical fiber	 PMMA
Diameter of optical fiber	 125 μm
NA of optical fiber	 0.32
Gold film thickness	 50 nm
Length of sensing zone	 2 cm
Diagrama do processo de processamento da fibra óptica do tipo D
Processo de preparação do sensor SPR de fibra óptica
Preparação do sensor SPR de fibra óptica
A fibra óptica é polida utilizando o polimento mecânico. 
Coloque a fibra ótica polida em um recipiente contendo solução de acetona pura e limpe ultrassonicamente por 15 min. 
Em seguida, limpe ultrassonicamente com etanol absoluto por 5 min e seque para uso. 
O método de pulverização catódica por magnetron tem as características de alta eficiência de deposição e boa uniformidade do revestimento. 
O equipamento de revestimento utilizado é o instrumento de revestimento por pulverização catódica por magnetron de alto vácuo JGP-560B produzido pela SKY Technology Development COCO, Ltd Chinese Academy of Sciences.
Fibra óptica do sistema de detecção SPR
Fibra óptica do sistema de detecção SPR
Composto de fonte de luz halógena (360 nm – 1500 nm), filtro óptico, lente de focalização, refletores, sensor de fibra SPR, espectrômetro (350 nm – 1100 nm) e computador.
O filtro óptico e a lente de foco são colocados na extremidade posterior da fonte de luz, portanto, a energia da luz pode ser acoplada na fibra óptica ao máximo por meio de ajuste.
A outra extremidade da fibra é conectada ao sensor de fibra SPR com um conector de fibra SMA905.
Para garantir a estabilidade da medição, o sensor SPR de fibra óptica é encapsulado em um microcanal com diâmetro interno de 3 mm. 
A injeção e o fluxo de saída da solução de glicerol a uma temperatura constante (20 ºC) são alcançados conectando uma seringa e um frasco de resíduos.
Fibra óptica do sistema de detecção SPR
A estrutura do microcanal é feita por tecnologia de impressão 3D, e o material é resina fotossensível.
A outra extremidade do sensor de fibra óptica SPR é conectada ao espectrômetro através do conector de fibra FC.
O comprimento de onda de detecção do espectrômetro é ajustado para a faixa de 400 nm – 1000 nm. 
A solução de glicerina com diferentes frações de massa é composta de glicerina e água deionizada
	NO.	Concentração (%)	Indice de Refração 	Resonance wavelength(nm)
	1	0	1.334	678
	2	4.96	1.341	693
	3	9.97	1.344	700
	4	14.98	1.351	715
	5	19.97	1.357	734
	6	24.78	1.365	756
	7	29.91	1.372	781
	8	34.82	1.378	806
	9	39.87	1.381	824
	10	44.36	1.388	859
Espectros de transmissão normalizados de sensores de fibra SPR correspondentes a diferentes índices de refração.
Relação entre o comprimento de onda de ressonância SPR da fibra óptica e o índice de refração externo
Conclusões
Os resultados indicam que o desempenho do sensor será efetivamente aprimorado se o ouro for selecionado como o material da película de metal, a espessura da película de ouro for selecionada em 50 nm e o comprimento da zona de detecção for 2 cm.
O sensor é aplicado à medição do índice de refração da glicerina. 
Após processar os dados experimentais, chegou-se a conclusão que ele tem um valor de aplicação esplêndido em segurança alimentar e monitoramento ambiental devido às suas características diferenciadas como baixo custo, grande estabilidade, excelente desempenho do plasmon e alto índice de sensibilidade de refração.
OBRIGADA!
DÚVIDAS?