一種納米金粒子傳感器及其製作方法

2023-07-23 17:08:11 1

一種納米金粒子傳感器及其製作方法
【專利摘要】本發明提供的是一種納米金粒子傳感器及其製備方法。多芯光纖的端面呈錐臺結構，錐臺表面鍍有全反射膜，鍍有全反射膜的光纖端面上固定有規律排布的納米金粒子，在多芯光纖的一個纖芯中注入激發光，激發光在錐臺鍍膜處被反射至光纖端面處、並在光纖端面發生全內反射，產生的倏逝場激發納米金粒子的局域表面等離子體共振效應，反射光通過與注入激發光的纖芯對稱德纖芯收集，通過反射光光譜感知外界物質物理量的變化。本發明將多芯光纖、近場光鑷自組裝技術與納米金粒子局域表面等離子體共振效應相結合，利用多芯光纖構成的近場光鑷能夠對納米金粒子捕獲，使得納米金粒子按照捕獲區域分布規律進行光學自組裝規則排布,結構簡單、體積更小、重複性高。
【專利說明】一種納米金粒子傳感器及其製作方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及的是一種光纖傳感器，本發明也涉及一種光纖傳感器的製備方法。具體地說是一種納米金粒子傳感器及其製作方法。
【背景技術】
[0002]納米金粒子是指直徑在1?lOOnm的金的微小顆粒，一般分散在水溶膠中。早在中世紀納米金粒子就因其獨特的光學性質而受到人們的重視，納米金粒子會對特定波長可見光進行選擇吸收呈現出豐富多彩的顏色。納米金材料有著特異的表面效應、量子尺寸效應和宏觀量子隧道效應，在電學、磁學、光學和化學性質方面具有常規材料不具備的優越性能。因此，在催化、電子材料、微器件、增強材料和傳感器材料方面有著廣闊的應用前景。其中納米粒子的表面增強拉曼性質(Surface enhanced Raman scattering, SERS)、局域表面等離子體共振(Localized surface plasmon resonance, LSPR)方面的研究進展迅速。
[0003]局域表面等離子體共振(LSPR)是當入射光入射到納米粒子表面時所產生的一種物理光學現象。當入射光頻率與金屬自由電子集體振蕩頻率發生共振時，LSPR的共振條件對納米顆粒周圍的介電環境十分敏感，宏觀表現在特定的波長範圍產生強烈的吸收光譜。由於LSPR現象是由納米粒子的光散射產生，因此LSPR不需要傳統SPR (表面等離子體共振)技術那樣的複雜的光路系統，可以通過簡單、便攜、靈敏的光纖光譜儀來實現在生物傳感、分析化學、臨床醫學、生物檢測等方面的研究。
[0004]納米金粒子難以單獨發揮作用，必須藉助一定的介質作為顆粒的載體。使用比較多的是採用玻璃基片作為基底，體積比較大，難以實現微小環境的檢測需求。光纖具有良好的傳輸光的特性，而且抗輻射能力強，受外界因素影響小，採用光纖傳輸信號可以適應惡劣的外界環境，因而使用光纖作為基底將納米顆粒採用化學方法組裝到光纖表面後採集檢測信號具有很強的實際應用價值。
[0005]目前，納米金粒子與光纖結合通常具有以下幾種方式:納米金粒子修飾在多模光纖端面、納米金粒子修飾在光纖側面以及納米金粒子修飾在光子晶體光纖的空氣孔中。
[0006]KeitaMitsui (Applied Physics Letters, 85 (18): 4231 - 4233, 2004)等人在光纖端面上吸附上一層金納米顆粒，採用反射式的光纖LSPR傳感結構，對分子的親和力進行實時測量，靈敏度達到常規全反射類型SPR裝置的水平。Stokes和Tuan Vo-Dinh (Sensorsand Actuators B-Chemical, 69 (1-2): 28-36，2000)將氧化招納米顆粒和銀納米顆粒附在光纖一端，實驗中實時探測了 CFV(cresyl fast violet)分子和 BCB(brilliant cresylblue)分子，其中CFV分子的探測水平可以達到50ppb (lppb=l X l(T6mg/ml )。隨後Viets (Journal of Ranman Spectroscopy, 31 (7):625-631, 2000)先後提出了斜端面和維形端面的光纖探針。Lin TSaojen (Journal of Supercritical Fluids, 41 (2): 317-325，2007)等人採用反射式光纖LSPR傳感器，在高壓環境下對液體中Ni2+濃度進行了測試後又對移植在光纖端面上的金屬顆粒進行單克隆體修飾。這一類端面修飾的方法，通常需要使用多模光纖，並且由於採用直接照射的方式，一般激發效率都不高。[0007]將納米金粒子修飾在光纖側面需要將光纖研磨、腐蝕至纖芯或者進行拉錐處理，然後修飾上一層金屬納米顆粒，作為傳感器的敏感單元與外界發生作用。2000年，NiWeihai (Journal of Physical Chemistry C, 112 (22):8105-8109, 2008)等人將金屬納米棒組裝在被腐蝕的光纖側面，利用倏逝場來激勵LSPR，得到散射光譜對環境折射率的靈敏度達 200nm/RIU。Tang (Sens.Actuators B, 119 (I): 105-109，2006)等人在 2006 年把納米金膠體塗到長周期光纖光柵表面，用來探測周圍物質折射率的改變。這種傳感器可以探測葡萄糖的濃度，當在納米金上固定脫氧核糖核蛋白(DNP)時，檢測精度可達0.14mg/L。2011年，Rani Dutta (Applied Optics, E138-E144, 2011)等人研究了基於腐蝕法製作的U型光纖納米粒子傳感器，由於在光纖表面增加納米粒子的密度，觀察到了其最大吸收區域的紅移。這類傳感器的問題是當光纖經過拋磨、化學腐蝕等方法處理後，光纖變的很脆弱，很容易斷裂。
[0008]光子晶體光纖的空氣孔結構，在傳感中是氣體和液體很好的載體，已經被用來設計製作納米金粒子傳感器基底，光在空心光子晶體光纖中傳輸，光被局限在纖芯，分析物被填充在空氣孔中，這樣大大提高了光與SERS基底的作用區域。納米金粒子修飾在光子晶體光纖的空氣孔中同樣存在方法複雜且難以保證一致性的問題。
[0009]總的來說，納米金粒子傳感器可以通過以上幾種方法來實現，但均有激發效率低、重複性不高以及方法複雜等缺點。當使用多模光纖進行端面修飾納米金粒子時，由於光源部分採用直接照射的方式，一般激發效率都不高；把納米金粒子修飾在光纖的側面時，由於光纖經過拋磨、化學腐蝕等方法處理後，變得很脆弱，使這種方法製作的納米金粒子傳感器的重複性不高；納米金粒子修飾在光子晶體光纖的空氣孔中同樣存在方法複雜且難以保證一致性的問題。

【發明內容】

[0010]本發明的目的在於提供一種結構簡單、體積更小、重複性高的納米金粒子傳感器。本發明的目的還在於提供一種納米金粒子傳感器的製造方法。
[0011]本發明的納米金粒子傳感器包括多芯光纖，所述多芯光纖的端面呈錐臺結構，在錐臺表面鍍有全反射膜，鍍有全反射膜的光纖端面上固定有規律排布的納米金粒子，在多芯光纖的一個纖芯中注入激發光，激發光在錐臺鍍膜處被反射至光纖端面處、並在光纖端面發生全內反射，產生的倏逝場激發納米金粒子的局域表面等離子體共振效應，反射光通過與注入激發光的纖芯對稱德纖芯收集，通過反射光光譜感知外界物質物理量的變化。
[0012]本發明的納米金粒子傳感器還可以包括:
[0013]1、所述的多芯光纖的多個纖芯的分布位置關於光纖主軸中心對稱，並處於同一公共包層中。
[0014]2、所述的光纖端面的錐臺結構是對稱的圓錐臺結構或者是對稱的多角楔形結構。
[0015]3、所述的錐臺表面鍍有的反射膜是金屬膜、全電介質反射膜或金屬電解質反射膜中的一種。
[0016]本發明的納米金粒子傳感器的製造方法為:
[0017]將纖芯位置對稱的多芯光纖的端面加工成錐臺形狀，在錐臺表面鍍全反射膜，放入矽烷偶聯劑APTMS和甲醇溶液中，在其表面固定功能基團，所述功能基團為氨基或琉基，放入納米金粒子溶膠中，在多芯光纖中通入雷射，雷射在錐臺鍍膜處被反射至光纖端面處，並在光纖端面發生全內反射，產生相干的倏逝場，在倏逝場近場捕獲作用下將納米金粒子固定好，取出光纖，並用去離子水清洗去除多餘的納米金粒子溶膠，即形成納米金粒子傳感器。
[0018]本發明的納米金粒子傳感器的製造方法還可以包括:所述的納米金粒子溶膠中，納米金粒子顆粒可以是球形、棒狀、三角形、星狀或其他形貌的納米金顆粒。
[0019]本發明基於如下原理:將纖芯位置對稱的多芯光纖端面研磨成圓錐臺結構，並在錐面上鍍一層高反射率全反射膜。如圖4所示，在光纖芯中傳輸的雷射被錐臺側面反射膜以一定角度反射至光纖端面，在光纖端面發生全反射，在發生全內反射時入射光波的能量雖然全部反射回光密介質，但在光疏介質的界面微薄的一層中依舊存在著能量，即倏勢波，由此產生對納米金粒子的近場捕獲。
[0020]圖5和圖6分別展示了四芯光纖端面光場分布仿真圖和雙芯光纖雙光束相干倏逝場駐波。由於我們使用的多芯光纖纖芯具有對稱性使得入射光束亦具有對稱特性，光束產生的倏逝場將在交點中心處形成幹涉，將捕獲區域分割成明暗相間的幹涉區域，被捕獲的納米金粒子在光阱力的作用下運動，按照近場光梯度力勢阱的分布形式有序的排列，從而完成光學自組裝過程。將納米金粒子固化好後撤去捕獲雷射，在多芯光纖的一個芯中通以傳感光，傳感光在全反射區的納米尺度金粒子表面激發出局域表面等離子體效應(LSPR)。
[0021]如圖7所示，當一束光照射在球形金屬納米粒子上時，振蕩電場使傳導電子一起振蕩。當電子云相對於原子核有位移時，電子和原子核間的庫倫相互作用將產生一個靜電回復力使傳導電子一起振蕩。當入射光的頻率和金屬內的等離子體振蕩頻率相同時，就會產生共振，這種共振在宏觀上就表現金屬納米粒子對光的吸收。其共振頻率與電子的密度、電子有效質量、電荷分布的形狀和大小等密切相關。
[0022]LSPR的共振條件對納米顆粒周圍的介質環境十分敏感，顆粒周圍吸附的物質將導致LSPR共振波長的紅移。根 據金屬球消光光譜公式:
[0023]
【權利要求】
1.一種納米金粒子傳感器包括多芯光纖，所述多芯光纖的端面呈錐臺結構，其特徵是:在錐臺表面鍍有全反射膜，鍍有全反射膜的光纖端面上固定有規律排布的納米金粒子，在多芯光纖的一個纖芯中注入激發光，激發光在錐臺鍍膜處被反射至光纖端面處、並在光纖端面發生全內反射，產生的倏逝場激發納米金粒子的局域表面等離子體共振效應，反射光通過與注入激發光的纖芯對稱德纖芯收集，通過反射光光譜感知外界物質物理量的變化。
2.根據權利要求1所述的納米金粒子傳感器，其特徵是:所述的多芯光纖的多個纖芯的分布位置關於光纖主軸中心對稱，並處於同一公共包層中。
3.根據權利要求1或2所述的納米金粒子傳感器，其特徵是:所述的光纖端面的錐臺結構是對稱的圓錐臺結構或者是對稱的多角楔形結構。
4.根據權利要求1或2所述的納米金粒子傳感器，其特徵是:所述的錐臺表面鍍有的反射膜是金屬膜、全電介質反射膜或金屬電解質反射膜中的一種。
5.一種權利要求1所述的納米金粒子傳感器的製造方法，其特徵是:將纖芯位置對稱的多芯光纖的端面加工成錐臺形狀，在錐臺表面鍍全反射膜，放入矽烷偶聯劑APTMS和甲醇溶液中，在其表面固定功能基團，放入納米金粒子溶膠中，在多芯光纖中通入雷射，雷射在錐臺鍍膜處被反射至光纖端面處，並在光纖端面發生全內反射，產生相干的倏逝場，在倏逝場近場捕獲作用下將納米金粒子固定好，取出光纖，並用去離子水清洗去除多餘的納米金粒子溶膠，即形成納米金粒子傳感器。
6.根據權利要求5所述的納米金粒子傳感器的製造方法，其特徵是:所述的納米金粒子溶膠中，納米金粒子顆粒可以是球形、棒狀、三角形、星狀或其他形貌的納米金顆粒。
7.根據權利要求5或61所述的納米金粒子傳感器的製造方法，其特徵是:所述功能基團為氨基或琉基。
【文檔編號】G01N21/552GK103630515SQ201310689966
【公開日】2014年3月12日 申請日期:2013年12月17日 優先權日:2013年12月17日
【發明者】劉志海, 雷皎潔, 張羽, 趙恩銘, 王鐳, 梁佩博, 苑立波 申請人:哈爾濱工程大學