CN111272730A - 高灵敏度光纤表面等离激元传感器及其制备方法 - Google Patents

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    • G01N21/658—Raman scattering enhancement Raman, e.g. surface plasmons

Abstract

本发明公开了一种高灵敏度光纤表面等离激元传感器及其制备方法，所述传感器包括光纤和设于光纤端面的金薄膜，所述的金薄膜为双周期金圆盘阵列结构，所述的双周期金圆盘阵列结构是采用不同直径的纳米PS微球在金薄膜表面依次通过离子刻蚀得到。本发明具有双周期的特点，将待测液体注入这样的双周期金圆盘结构内，光纤直接依附该结构表面。光源从光纤的另一端进入，或从底部直接照射，通过双周期金圆盘阵列时，一部分光源将被吸收，激光在金属结构的作用下产生可测量的拉曼信号。本发明可以通过光纤将探测光从光源引出，与样品相互作用，又经光纤的收集和传输，将信号光送至监测***，结构简单，适用于加工生产。

Description

高灵敏度光纤表面等离激元传感器及其制备方法
技术领域
本发明涉及光化学传感器技术领域，具体涉及一种高灵敏度光纤表面等离激元传感器及其制备方法。
背景技术
表面等离子体激元(SPPs)是光和金属表面的自由电子相互作用所引起的一种电磁波模式。它的存在最早是由鲁弗斯•里奇在1957年预测，后来随着研究人员不断深入的探索，发现在光的振荡电磁场存在下，金属纳米粒子的自由电子相对于金属晶格发生振荡，此时纳米结构周围的局域光场强度较入射光光场强度而言发生大幅度提高。这个过程是特定频率的光共振，称为表面等离子体共振(SPR)。表面等离子体共振自20世纪90年代首次用于生物***的实时分析以来，由于其具备实时性、无标签性和非侵入性的特点，已成为生物化学、生物学和医学领域的一项重要的光学生物传感技术。但由于金属孔阵列的非连续性，金属表面的电子数目将大量减少，在公正波长增强的电场通过金属或介质界面迅速衰减，所以金属孔阵列中同时存在表面等离子激元（SPP）和局域表面等离子体共振(LSPR)。
近年来，利用纳米粒子和纳米孔径几何形状的等离子体生物传感器因能满足需求而受到广泛关注。T. W. Ebbesen等人最早对纳米孔阵列光学性质进行研究，研究表明在适当条件下，金属薄膜中的单个纳米孔可能以类似的方式支持LSPR，对如何在近电场的范围内控制光子的运动给出了一个明确的答案，同时也为人们如何对光的使用和控制提供了一个新的途径。随后，国内外许多研究针对影响投射增强效应的几个参数，如金属材料及周期结构等方面进行进一步探讨。大部分结构是在纳米孔阵列中覆盖一层金属薄膜或在基底上制造金属纳米孔阵列。但采用多周期结构的纳米粒子制备不规则孔阵列的方法却鲜有涉及与研究，随着传感器技术的不断发展，人们对这种结构传感器的期望也越来越高，特别是，纳米孔阵列具有很高的应用前景。
因此，将光纤直接依附在多周期纳米金圆盘阵列表面，制备完成的光纤具有极的高度灵敏度，能够快速准确得从光谱仪中判断是否存在所测物质，更加小型化、智能化、便捷化。主要运用于机场海关违禁物的检测、珠宝行业真伪鉴别及食品行业等一些重要的领域。
发明内容
本发明的目的在于改变传统圆形孔阵列，提供种高灵敏度光纤表面等离激元传感器及其制备方法，利用纳米球刻蚀出一种不规则的多周期纳米孔阵列结构，光源进入光纤后，由于SP激发和耦合效应，一部分的光将被金圆盘阵列吸收，从而出现在示波器上的波形将会出现尖锐的、反对称的峰谷线形，同一金膜也可以制备出多个不同周期的图案，形成多个吸收峰，呈现出全新的光学特性，可用于光学传感研究。
为实现上述目的，本发明提供的技术方案是：
一种高灵敏度光纤表面等离激元传感器，包括光纤和设于光纤端面的金薄膜，所述的金薄膜为双周期金圆盘阵列结构，所述的双周期金圆盘阵列结构是采用不同直径的纳米PS微球在金薄膜表面依次通过离子刻蚀得到。
本发明在光纤端面制备周期性纳米金圆盘阵列。通过对光纤进行90°切割或者拉锥的工艺，外界的光从光纤另一端入射，经过光纤传输到有图案的金膜的底部，部分频率的光能够在纳米盘阵列表面激发表面等离激元，同时这部分光的能量转化为表面等离激元，从金纳米盘反射回去的光中这一部分光的强度减小，通过解调反射光，可以得到激发表面等离激元的波长，从而实现实时传感检测等应用。
主要工作原理：当光波入射到金属表面时，在光波的引导下自由电子会在界面上小幅度的集体震荡，这样自由震荡的正、负粒子组成的集体称为表面等离子体（SurfacePlasmons，SPs），然而这样的金纳米圆盘阵列中存在着多重的SP模，借助这些SP模的激发，可以得到理想的透射及反射光谱。所以光源进入光纤后，由于SP激发和耦合效应，一部分的光将被金圆盘阵列吸收，从而出现在示波器上的波形将会出现尖锐的、反对称的峰谷线形。同一金膜也可以制备出多个不同周期的图案，形成多个吸收峰。
为了优化上述技术方案，采取的具体措施还包括：
上述的双周期金圆盘阵列结构包括第一圆盘和第二圆盘；其中，所述的第一圆盘是由大直径纳米PS微球以金薄膜为基底进行刻蚀制备，第一圆盘之间紧密连接；所述的第二圆盘是以第一圆盘制备后的表面作为新的基底并由小直径纳米PS微球进行刻蚀制备，第二圆盘之间紧密连接。
上述的第一圆盘采用的大直径纳米PS微球的直径与第二圆盘采用的小直径纳米PS微球的直径比为2:1；其中，每一组第一圆盘中，包括一个设于中心的整体第二圆盘以及以中心周向均匀分布的六个部分第二圆盘。
上述的金薄膜与光纤端面之间采用电镀或胶粘的方式进行连接。
本发明还保护一种所述的高灵敏度光纤表面等离激元传感器的制备方法，包括以下步骤：
S1：取多模光纤，对其进行90°切割或拉锥；
S2：在切割或者拉锥完成的光纤端面通过电镀或胶粘的方式设置一层50nm厚的金薄膜；
S3：制备两组不同直径的聚苯乙烯微球阵列的胶体溶液，将两组胶体溶液分别缓慢注射到水表面，分别形成有序的微球薄膜A和微球薄膜B；
S4：将微球薄膜A转移至步骤S2得到的光纤端面上，自然干燥后放入离子刻蚀样品室内，在其表面刻蚀出纳米金圆盘阵列后再刻蚀掉表层的纳米小球；
S5：将微球薄膜B转移至步骤S4得到的光纤端面上，自然干燥后放入离子刻蚀样品室内，在其表面刻蚀出纳米金圆盘阵列后再刻蚀掉表层的纳米小球，得到具有双周期纳米金圆盘阵列结构的高灵敏度光纤表面等离激元传感器。
进一步地，所述步骤S2中，胶粘的方式具体是指由环氧胶将金薄膜粘贴在光纤端面。
进一步地，步骤S3中，所述的微球薄膜A采用的聚苯乙烯微球的直径与微球薄膜B采用的聚苯乙烯微球的直径比为2:1。
进一步地，所述步骤S4和S5中，刻蚀采用的束流为10~100nm/min。
本发明具有双周期的特点，将待测液体注入这样的双周期金圆盘结构内，光纤直接依附该结构表面。光源从光纤的另一端进入，或从底部直接照射，通过双周期金圆盘阵列时，一部分光源将被吸收，激光在金属结构的作用下产生可测量的拉曼信号。拉曼光谱是指光波在散射后频率发生相应变化的现象，是一种无损的分析技术，可以获得样品的化学结构、相和形态、结晶度以及分子相互作用的详细信息。拉曼光谱中谱峰的位置和强度能直接反映物质的含量，因此可以简化模型和减少样本的标定。当用波长比试样粒径小得多的单色照射气体、液体和透明试样时，大部分的光会按原来的发现投射，而一小部分则按不同的角度散射开来，产生散射光。在垂直方向观察时，除了与原入射光有相同的频率的瑞利散射外，还有一系列对称分布在若干条很弱的与入射光频率发生位移的拉曼谱线，这种现象称为拉曼效应。由于拉曼谱线的数目，位移的大小，谱线的长度直接与试样分子振动或转动能级有关。因此，与红外吸收光谱类似，对拉曼光谱的研究，也可以得到有关分子振动或转动的信息。目前拉曼光谱分析技术已广泛应用于物质的鉴定，分子结构的研究。
本发明的有益效果在于：
1. 本发明是在切割后的镀有一层金薄膜的光纤端面直接转移一层制备完成的PS微球阵列，对其进行刻蚀，接着去除转移的PS微球阵列，制备出第一层紧密连接的周期性纳米金圆盘结构。接着在这样的结构上再转移一层制备完成的PS微球阵列，此时的PS微球直径为第一次转移的PS微球直径的一半，然后再刻蚀再去球。外界光从制备结束的双周期结构光纤的另一端射入，经光纤传输到有图案的金膜底部，通过光谱仪对其光学特性进行检测及分析，结构简单，易于加工制备。
2. 现有的测量必须将待测物体放入测量光路中，才能得到较为准确的光谱图，本发明与现有技术相比，可以通过光纤将探测光从光源引出，与样品相互作用，又经光纤的收集和传输，将信号光送至监测***。本发明结构简单，适用于加工生产。
附图说明
图1是本发明切割或拉锥后的光纤端面结构示意图。
图2是本发明粘贴有金薄膜的光纤端面旋涂一层制备完成的大直径的PS微球阵列示意图。
图3是本发明大直径的PS微球刻蚀后形成具有周期性结构的金圆盘阵列示意图。
图4是本发明中继续刻蚀去除表面的大直径PS微球，再转移一层小直径PS微球阵列的示意图。
图5是图4中进行刻蚀后形成具有周期性结构的金圆盘阵列示意图。
图6是本发明继续刻蚀去除小直径PS微球的整体结构示意图。
图7是本发明光纤端面结构的放大图。
图中序号，1-光纤、2-环氧胶、3-金薄膜、4-大直径纳米PS微球、5-小直径纳米PS微球、31-第一圆盘、32-第二圆盘、321-整体第二圆盘、322-部分第二圆盘。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。
一种高灵敏度光纤表面等离激元传感器，包括光纤1和设于光纤端面的金薄膜3，所述的金薄膜3为双周期金圆盘阵列结构，所述的双周期金圆盘阵列结构是采用不同直径的纳米PS微球在金薄膜3表面依次通过离子刻蚀得到。参见图7，所述的双周期金圆盘阵列结构包括第一圆盘31和第二圆盘32；其中，所述的第一圆盘是由大直径纳米PS微球4以金薄膜3为基底进行刻蚀制备，第一圆盘31之间紧密连接；所述的第二圆盘32是以第一圆盘31制备后的表面作为新的基底并由小直径纳米PS微球5进行刻蚀制备，第二圆盘32之间紧密连接。
本实施例中，所述第一圆盘31采用的大直径纳米PS微球4的直径与第二圆盘32采用的小直径纳米PS微球5的直径比为2:1；其中，每一组第一圆盘31中，包括一个设于中心的整体第二圆盘321以及以中心周向均匀分布的六个部分第二圆盘322。
实施例1
一种高灵敏度光纤表面等离激元传感器的制备方法，包括以下步骤：
S1：参见图1，取多模光纤，对其进行拉锥，多模光纤的纤芯为200μm，包层为220μm，拉锥工艺后，需要对多模光纤进行研磨；
S2：参见图1，在拉锥完成的光纤端面通过胶粘的方式设置一层50nm厚的金薄膜，具体为采用环氧胶2将金薄膜粘贴在光纤的端面；
S3：制备两组不同直径的聚苯乙烯微球阵列的胶体溶液，将两组胶体溶液分别缓慢注射到水表面，分别形成有序的微球薄膜A和微球薄膜B；其中，微球薄膜A采用的聚苯乙烯微球的直径设定为600nm，具体参见图2中的标注4，微球薄膜B采用的聚苯乙烯微球的直径设定为300nm，具体参见图4中的标注5，胶体溶液体积20mL，直径偏差率为0.2%，体积百分比浓度为0.05%，溶剂为去离子水；
S4：参见图2~3，将微球薄膜A转移至步骤S2得到的光纤端面上，自然干燥后放入离子刻蚀样品室内，选择刻蚀速率大约是20nm/min（刻蚀速率范围10nm/min 到100 nm/min，可根据不同需求进行调整），其表面刻蚀出纳米金圆盘阵列后再刻蚀掉表层的纳米小球；
S5：参见图4~6，将微球薄膜B转移至步骤S4得到的光纤端面上，自然干燥后放入离子刻蚀样品室内，选择刻蚀速率大约是20nm/min（刻蚀速率范围10nm/min 到100 nm/min，可根据不同需求进行调整），其表面刻蚀出纳米金圆盘阵列后再刻蚀掉表层的纳米小球，得到具有双周期纳米金圆盘阵列结构的高灵敏度光纤表面等离激元传感器。
S6：光源进入光纤的另一端，经过光纤传输到有图案的金膜底部，利用光谱仪对该结构的光谱进行实时监测。
实施例2
一种高灵敏度光纤表面等离激元传感器的制备方法，包括以下步骤：
S1：取多模光纤，对其进行90°切割，多模光纤的纤芯为200μm，包层为220μm，90°切割后，需要对多模光纤进行研磨；
S2：在切割完成的光纤端面通过电镀的方式设置一层50nm厚的金薄膜；
S3：制备两组不同直径的聚苯乙烯微球阵列的胶体溶液，将两组胶体溶液分别缓慢注射到水表面，分别形成有序的微球薄膜A和微球薄膜B；其中，微球薄膜A采用的聚苯乙烯微球的直径设定为600nm，微球薄膜B采用的聚苯乙烯微球的直径设定为300nm，胶体溶液体积20mL，直径偏差率为0.2%，体积百分比浓度为0.05%，溶剂为去离子水；
S4：将微球薄膜A转移至步骤S2得到的光纤端面上，自然干燥后放入离子刻蚀样品室内，选择刻蚀速率大约是80nm/min（刻蚀速率范围10nm/min 到100 nm/min，可根据不同需求进行调整），其表面刻蚀出纳米金圆盘阵列后再刻蚀掉表层的纳米小球；
S5：将微球薄膜B转移至步骤S4得到的光纤端面上，自然干燥后放入离子刻蚀样品室内，选择刻蚀速率大约是80nm/min（刻蚀速率范围10nm/min 到100 nm/min，可根据不同需求进行调整），其表面刻蚀出纳米金圆盘阵列后再刻蚀掉表层的纳米小球，得到具有双周期纳米金圆盘阵列结构的高灵敏度光纤表面等离激元传感器。
S6：光源进入光纤的另一端，经过光纤传输到有图案的金膜底部，利用光谱仪对该结构的光谱进行实时监测。
以上所述的仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明创造构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种高灵敏度光纤表面等离激元传感器，其特征在于：包括光纤(1)和设于光纤端面的金薄膜(3)，所述的金薄膜(3)为双周期金圆盘阵列结构，所述的双周期金圆盘阵列结构是采用不同直径的纳米PS微球在金薄膜(3)表面依次通过离子刻蚀得到。
2.根据权利要求1所述的一种高灵敏度光纤表面等离激元传感器，其特征在于：所述的双周期金圆盘阵列结构包括第一圆盘(31)和第二圆盘(32)；其中，所述的第一圆盘是由大直径纳米PS微球(4)以金薄膜(3)为基底进行刻蚀制备，第一圆盘(31)之间紧密连接；所述的第二圆盘(32)是以第一圆盘(31)制备后的表面作为新的基底并由小直径纳米PS微球(5)进行刻蚀制备，第二圆盘(32)之间紧密连接。
3.根据权利要求2所述的一种高灵敏度光纤表面等离激元传感器，其特征在于：所述第一圆盘(31)采用的大直径纳米PS微球(4)的直径与第二圆盘(32)采用的小直径纳米PS微球(5)的直径比为2:1；其中，每一组第一圆盘(31)中，包括一个设于中心的整体第二圆盘(321)以及以中心周向均匀分布的六个部分第二圆盘(322)。
4.根据权利要求1或2所述的一种高灵敏度光纤表面等离激元传感器，其特征在于：所述的金薄膜(3)与光纤(1)端面之间采用电镀或胶粘的方式进行连接。
5.权利要求1~3任一项所述的高灵敏度光纤表面等离激元传感器的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1：取多模光纤，对其进行90°切割或拉锥；
S2：在切割或者拉锥完成的光纤端面通过电镀或胶粘的方式设置一层50nm厚的金薄膜；
S3：制备两组不同直径的聚苯乙烯微球阵列的胶体溶液，将两组胶体溶液分别缓慢注射到水表面，分别形成有序的微球薄膜A和微球薄膜B；
S4：将微球薄膜A转移至步骤S2得到的光纤端面上，自然干燥后放入离子刻蚀样品室内，在其表面刻蚀出纳米金圆盘阵列后再刻蚀掉表层的纳米小球；
S5：将微球薄膜B转移至步骤S4得到的光纤端面上，自然干燥后放入离子刻蚀样品室内，在其表面刻蚀出纳米金圆盘阵列后再刻蚀掉表层的纳米小球，得到具有双周期纳米金圆盘阵列结构的高灵敏度光纤表面等离激元传感器。
6.根据权利要求5所述的高灵敏度光纤表面等离激元传感器的制备方法，其特征在于：所述步骤S2中，胶粘的方式具体是指由环氧胶(2)将金薄膜粘贴在光纤端面。
7.根据权利要求5所述的高灵敏度光纤表面等离激元传感器的制备方法，其特征在于：步骤S3中，所述的微球薄膜A采用的聚苯乙烯微球的直径与微球薄膜B采用的聚苯乙烯微球的直径比为2:1。
8.根据权利要求5所述的高灵敏度光纤表面等离激元传感器的制备方法，其特征在于：所述步骤S4和S5中，刻蚀采用的束流为10~100nm/min。
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