表面增強拉曼散射光纖探針的製作方法

2023-05-04 00:59:41 2

專利名稱：表面增強拉曼散射光纖探針的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種表面增強拉曼散射光纖探針，屬光學纖維及傳感器技術領域。
背景技術：
近年來，食品安全面臨極大的挑戰，人們的健康受到威脅，因而檢測低濃度的微量 物質成為研究的熱點。拉曼光譜相比其他光譜，能夠提供豐富的分子結構和分子振動信息， 因而成為物質分析和物質鑑別強有力的工具。但在實用化的過程中，由於拉曼散射截面為 10—3°數量級，僅為瑞利散射的千分之一，且很容易被螢光背景所淹沒，因而，限制了其在各 個領域的應用。如果將不同形式粗糙化的金屬作為基底，拉曼散射強度可提高105 106 倍。除此之外，這種表面增強拉曼散射能有效地猝滅螢光，對待測物質實現無汙染、無損傷、 高靈敏度的探測。正是以上的優勢將拉曼光譜的運用推向了醫學、化學、生命科學等多個應 用領域。 目前，利用表面增強拉曼散射與光纖結合，對濃度為ppb級的痕量分析，用以實現 微量有毒有害液體的檢測，備受研究學者的關注。它主要是將具有表面增強效應的粗造化 金屬溶膠固化在光纖的端面或表面作為增強基底，用特定波長的單色光激發吸附其基底表 面的待測微量液體或氣體分子，使之表面產生等離子體共振，從而可大大提高拉曼散射截 面，獲得高質量的拉曼光譜。根據增強基底處理的位置不同，主要分為以下兩類對端面的 處理和對光纖內部結構的處理。雖然這些方案在微量物質檢測方面已獲得突破性的進展， 但仍在某些方面有待進一步改善。如在對D型光纖進行端面處理方面，雖然結構簡單、工藝 無需技巧，但須經預處理，其過程難以把握，不具有重複性，因此難於實用化；此外，在改變 光纖內部結構方面，由於光纖直徑很小，對其內表面進行處理較為困難，且待測液體或氣體 進入光纖內部需要特殊的裝置及條件。

發明內容
本發明的目的在於針對已有技術存在的不足，提供一種表面增強拉曼散射光纖探 針。該探針結構簡單，製造方便，成本低，無需預處理等優點，可用於微量有毒有害物質的檢 為達到上述目的，本發明的構思是 將表面增強拉曼散射與單錐形光纖和石英微球結合，構成用於液體或氣體檢測的 光纖拉曼探針。此光纖拉曼探針的核心部分為帶石英微球的錐形光纖。基於滲透到錐形 波導和微球結構外的漸逝波理論。當光纖一端經化學腐蝕或物理熔融拉伸成錐形光纖後， 其錐區隨著纖徑的減小，對光的束縛能力將逐漸減弱，從而會產生較強的漸逝波，以此可作 為拉曼散射的激發源。由於散射光向四周散射，熔融連接在錐形光纖尖端的石英微球可起 到聚焦及反射散射光的作用，以增強後向拉曼散射光的強度，從而可提高探測的靈敏度。此 外，為探測低濃度的痕量物質，可採用錐形光纖和石英微球表面增強拉曼散射技術。表面增 強拉曼散射技術主要是依靠表面粗糙化的金、銀或者銅等金屬溶膠的納米特性，以極大地增強吸附在金屬納米粒子表面的待測分子的拉曼散射截面，從而極大地增強該待測分子的 拉曼散射光強度。其中最簡便有效的表面增強拉曼散射技術為金屬溶膠法。該金屬納米粒 子通過化學合成方法獲得，合成方法簡單經濟。且通過離心、化學清洗和篩選，獲得符合要 求的金屬納米粒子，用APTMS等粘結劑，將金屬納米粒子均勻地固化在帶微球的錐形光纖 表面，從而獲得具有納米粗糙尺度的活性表面增強拉曼散射錐形光纖探針。在使用時，首先 將激發光源耦合進帶微球的錐形光纖中，當光通過光纖錐區時，部分能量以漸逝波的形式 透入錐區表面微米級深度，以激發該區域內吸附的待測分子，得到經金屬納米粒子增強的 待測分子拉曼散射光，再經過光纖末端熔接的石英微球對光的聚焦和反射，該拉曼散射光 部分返回到錐形光纖傳輸，然後直接傳送至拉曼光譜儀測得。
根據上述構思，本發明採用下述技術方案 —種表面增強拉曼散射光纖探針，包括一根用於激發光傳輸及拉曼散射光接收的 光纖，其特徵在於在所述的光纖的一端，通過化學或物理方法形成一段錐形光纖，再在其 尖端高溫熔接上一個石英微球；並在錐形光纖和石英微球表面塗覆上金屬納米粒子層；當 激發光傳輸經過錐形光纖和石英微球時，其透射出的漸逝波將激發吸附在其金屬納米粒子 表面的待測溶液或氣體分子的表面增強拉曼散射光；此外，錐形光纖和石英微球同時還具 有聚集和反射拉曼散射光的收集功能。 上述的錐形光纖是由一段單模或多模光纖通過浸入氫氟酸腐蝕或高溫熔融拉伸
而成錐形，其錐區的長度為1 20mm ;具有表面增強拉曼散射的激發、反射和收集等功能。 上述的石英微球是經高溫熔融而成，其直徑為10 150 ii m，起到表面增強拉曼散
射的激發、反射、聚焦和收集等作用，同時可增強反向拉曼散射強度。 上述錐形光纖和石英微球表面塗敷有金屬納米顆粒層為銀納米顆粒層。 上述一根光纖為單模或多模光纖，可同時作為激發光的輸入埠和拉曼散射光譜
的輸出埠。
本發明與現有技術相比較，具有如下顯而易見的實質性特點和顯著優點 1.本發明中採用幾何結構優化的錐形光纖，可極大地增強傳感區域漸逝波的透射
深度、強度和光耦合效率。 2.在錐形光纖及石英微球表面塗覆一層金屬納米薄膜層提高探測的靈敏度。
3.在光纖末端熔接一個石英微球，可將部分拉曼散射光反射回光纖中傳輸，同時 可聚焦拉曼散射光，提高探測靈敏度。 4.採用單根光纖同時對激發光和拉曼散射光譜信號進行傳輸，可避免檢測人員直 接接觸危險物品，以減少對人體的危害。本發明具有結構簡單、製作容易，成本低廉、使用方 便等特點。 5.本發明適合於要求對環境組成精確測量和控制的場合，例如水產養殖、工業制 造、環境監測、生物科學及科學研究等諸多領域，可高靈敏度地檢測微量物質。


圖1為表面增強拉曼散射光纖探針結構示意圖。
具體實施例方式
本發明的一個優選實施例結合

如下 參考圖1，本發明提供的表面增強拉曼散射的光纖探針，包括一根用於發射/接收 拉曼散射的單模或多模光纖(1)、一段錐形光纖(2)和一個石英微球(3)，所述的錐形光纖 (2)是通過浸入氫氟酸進行化學腐蝕和經高溫熔融拉錐而成，其尖端通過高溫熔接一個石 英微球(3);同時，用於發射/接收的錐形光纖利用錐區透射出的漸逝波，激發吸附在其錐 區和石英微球表面的待測溶液分子(5);此外，錐形光纖和石英微球表面塗覆金屬納米粒 子層(4)，可增強拉曼散射強度。 所述光纖探針的錐區和石英微球表面沾有R6G待測溶液，由於光纖錐區的漸逝波 效應和錐區及石英微球表面金屬納米粒子層(4)的表面增強拉曼散射效應，使得光經過光 纖探針後，攜帶有吸附其表面銀納米粒子層上的R6G待測溶液分子(5)的拉曼光譜信息，經 石英微球(3)反射、聚焦耦合回光纖，再傳送至高靈敏拉曼光譜儀中，實現微量有毒有害物 質的檢測。 所述的單模或多模光纖(1)可同時作為激發光的輸入埠和拉曼散射光譜輸出 埠。 所述的錐形光纖(2)結構是由一根單模光纖的一端其錐區的長度為lmm 4mm，
所述的錐形光纖(2)及石英微球(3)表面，經過濃硫酸、去離子水、甲醇等溶液清 洗淨化，為固化分布均勻的納米金屬顆粒提供條件。 所述的錐形光纖(2)及石英微球(3)外表面塗敷有銀納米顆粒層(4)，是採用 ATPMS粘結劑固化而成的。 所述石英微球(3)為一個直徑為10 150 ii m的石英球，在所述的錐形光纖尖端 起到光的反射和聚焦作用。
權利要求
一種表面增強拉曼散射光纖探針，包括一根用於激發光傳輸及拉曼散射光接收的光纖(1)，其特徵在於在所述的光纖(1)的一端形成一段錐形光纖(2)，而在錐形光纖(2)的尖端熔接一個石英微球(3)；並在錐形光纖(2)和石英微球(3)表面塗覆有金屬納米粒子層(4)；當激發光傳輸經過錐形光纖(2)和石英微球(3)時，其透射出的漸逝波將激發吸附在其金屬納米粒子(4)表面的待測溶液或氣體分子(5)的表面增強拉曼散射光；此外，錐形光纖(2)和石英微球(3)同時還具有聚集和反射拉曼散射光的收集功能。
2. 根據權利要求l所述的表面增強拉曼散射光纖探針，其特徵在於所述錐形光纖(2)是由一段單模或多模光纖形成，其錐區的長度為1 20mm ;具有表面增強拉曼散射的激發、反射和收集功能。
3. 根據權利要求l所述的表面增強拉曼散射光纖探針，其特徵在於所述石英微球(3)直徑為10 150iim，起到表面增強拉曼散射的激發、反射和聚焦收集等作用，同時可增強反向拉曼散射強度。
4. 根據權利要求l所述的表面增強拉曼散射光纖探針，其特徵在於所述錐形光纖(2)和石英微球(3)的表面塗敷有金屬納米粒子層(4)為銀納米顆粒層。
5. 根據權利要求l所述的表面增強拉曼散射光纖探針，其特徵在於所述光纖(1)為單模或多模光纖，可同時作為激發光的輸入埠和拉曼散射光譜的輸出埠。
全文摘要
本發明涉及一種表面增強拉曼散射光纖探針。它包括一根可同時用於激發光傳輸及拉曼散射光譜接收的光纖、一段錐形光纖和一個石英微球所述的光纖一端形成一段錐形光纖，再在其尖端熔接上一個石英微球；當激發光經過錐形光纖和石英微球時，其透射出的漸逝波會激發待測溶液或氣體分子的拉曼光譜；同時，在錐形光纖和石英微球表面塗覆上金屬納米粒子，可增強拉曼散射強度。此外，錐形光纖和石英微球相結合的傳感結構同時還具有反射和聚焦收集表面增強拉曼散射光譜的功能。該光纖探針與單色光源和高靈敏度拉曼光譜儀結合可組成拉曼檢測傳感裝置。本發明結構簡單，抗幹擾能力強，靈敏度高，適用於在線分析、實時檢測、活體樣本分析、痕量有毒有害物質測量等多種場合的信息採集和傳輸。
文檔編號G01N21/65GK101713738SQ20091020050
公開日2010年5月26日 申請日期2009年12月22日 優先權日2009年12月22日
發明者劉琳, 龐拂飛, 張琨, 柏華, 王廷雲, 陳娜, 陳振宜 申請人:上海大學