[發明專利]高靈敏度光纖表面等離激元傳感器及其制備方法

有效

• 申請號: 202010086462.5
• 申請日: 2020-02-11
• 公開（公告）號: CN111272730B
• 公開（公告）日: 2022-08-02
• 發明（設計）人: 倪海彬;曹璦琛;平安;葛璐;周盈;成建新;張璐
• 申請（專利權）人: 南京信息工程大學
• 主分類號: G01N21/65
• 分類號: G01N21/65
• 代理公司: 南京鐘山專利代理有限公司 32252
• 代理人: 王磊

本發明公開了一種高靈敏度光纖表面等離激元傳感器及其制備方法，所述傳感器包括光纖和設于光纖端面的金薄膜，所述的金薄膜為雙周期金圓盤陣列結構，所述的雙周期金圓盤陣列結構是采用不同直徑的納米PS微球在金薄膜表面依次通過離子刻蝕得到。本發明具有雙周期的特點，將待測液體注入這樣的雙周期金圓盤結構內，光纖直接依附該結構表面。光源從光纖的另一端進入，或從底部直接照射，通過雙周期金圓盤陣列時，一部分光源將被吸收，激光在金屬結構的作用下產生可測量的拉曼信號。本發明可以通過光纖將探測光從光源引出，與樣品相互作用，又經光纖的收集和傳輸，將信號光送至監測系統，結構簡單，適用于加工生產。

技術領域

本發明涉及光化學傳感器技術領域，具體涉及一種高靈敏度光纖表面等離激元傳感器及其制備方法。

背景技術

表面等離子體激元(SPPs)是光和金屬表面的自由電子相互作用所引起的一種電磁波模式。它的存在最早是由魯弗斯?里奇在1957年預測，后來隨著研究人員不斷深入的探索，發現在光的振蕩電磁場存在下，金屬納米粒子的自由電子相對于金屬晶格發生振蕩，此時納米結構周圍的局域光場強度較入射光光場強度而言發生大幅度提高。這個過程是特定頻率的光共振，稱為表面等離子體共振(SPR)。表面等離子體共振自20世紀90年代首次用于生物系統的實時分析以來，由于其具備實時性、無標簽性和非侵入性的特點，已成為生物化學、生物學和醫學領域的一項重要的光學生物傳感技術。但由于金屬孔陣列的非連續性，金屬表面的電子數目將大量減少，在公正波長增強的電場通過金屬或介質界面迅速衰減，所以金屬孔陣列中同時存在表面等離子激元（SPP）和局域表面等離子體共振(LSPR)。

近年來，利用納米粒子和納米孔徑幾何形狀的等離子體生物傳感器因能滿足需求而受到廣泛關注。T. W. Ebbesen等人最早對納米孔陣列光學性質進行研究，研究表明在適當條件下，金屬薄膜中的單個納米孔可能以類似的方式支持LSPR，對如何在近電場的范圍內控制光子的運動給出了一個明確的答案，同時也為人們如何對光的使用和控制提供了一個新的途徑。隨后，國內外許多研究針對影響投射增強效應的幾個參數，如金屬材料及周期結構等方面進行進一步探討。大部分結構是在納米孔陣列中覆蓋一層金屬薄膜或在基底上制造金屬納米孔陣列。但采用多周期結構的納米粒子制備不規則孔陣列的方法卻鮮有涉及與研究，隨著傳感器技術的不斷發展，人們對這種結構傳感器的期望也越來越高，特別是，納米孔陣列具有很高的應用前景。

因此，將光纖直接依附在多周期納米金圓盤陣列表面，制備完成的光纖具有極的高度靈敏度，能夠快速準確得從光譜儀中判斷是否存在所測物質，更加小型化、智能化、便捷化。主要運用于機場海關違禁物的檢測、珠寶行業真偽鑒別及食品行業等一些重要的領域。

發明內容

本發明的目的在于改變傳統圓形孔陣列，提供種高靈敏度光纖表面等離激元傳感器及其制備方法，利用納米球刻蝕出一種不規則的多周期納米孔陣列結構，光源進入光纖后，由于SP激發和耦合效應，一部分的光將被金圓盤陣列吸收，從而出現在示波器上的波形將會出現尖銳的、反對稱的峰谷線形，同一金膜也可以制備出多個不同周期的圖案，形成多個吸收峰，呈現出全新的光學特性，可用于光學傳感研究。

為實現上述目的，本發明提供的技術方案是：

一種高靈敏度光纖表面等離激元傳感器，包括光纖和設于光纖端面的金薄膜，所述的金薄膜為雙周期金圓盤陣列結構，所述的雙周期金圓盤陣列結構是采用不同直徑的納米PS微球在金薄膜表面依次通過離子刻蝕得到。

本發明在光纖端面制備周期性納米金圓盤陣列。通過對光纖進行90°切割或者拉錐的工藝，外界的光從光纖另一端入射，經過光纖傳輸到有圖案的金膜的底部，部分頻率的光能夠在納米盤陣列表面激發表面等離激元，同時這部分光的能量轉化為表面等離激元，從金納米盤反射回去的光中這一部分光的強度減小，通過解調反射光，可以得到激發表面等離激元的波長，從而實現實時傳感檢測等應用。