專利名稱：基于光纖熔錐型耦合器的表面增強拉曼散射傳感檢測裝置的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種基于光纖熔錐型耦合效應的表面增強拉曼散射傳感檢測裝置，屬光學纖 維及傳感器技術領域。
背景技術：
同已有的檢測技術相比，拉曼光譜技術的主要優勢在于；無需對待測物質進行任何方式 取樣預處理，就能得到豐富的有關分子振動以及分子結構的信息。但在通常情況下，由于分 子或原子的拉曼光散射強度較小，僅為入射光的1(T、同時與本質上更強的熒光信號重疊， 從而限制了其潛在的應用。直到1974年，Fleischmarm等人首次發現了表面增強拉曼散射 (Surface-enhanced Raman scattering, SERS)效應。1977年Jeanmaire禾口 Van Duyne對 該現象的本質進行了研究，指出這是一種與粗糙表面相關的表面增強效應。表面增強拉曼散 射效應的發現使得人們可以從金屬表面，尤其是諸如金、銀、銅等金屬表面，獲得巨大的拉 曼散射增強信號，從而可輕而易舉地獲取高質量的表面分子拉曼信號，在生物、醫藥、工業、 納米材料、國防科技等領域大大拓寬了其應用范圍，并扮演著越來越重要的角色。
近年來，隨著激光器、光纖和頻譜掃描技術的發展，為了實現實時，在線，抗電磁干擾、 遠距離多點網絡化、低濃度、高精度等的監測需求，將表面增強拉曼光譜技術、納米合成技 術以及光纖傳輸技術相結合的光纖表面增強拉曼光譜技術孕育而生。目前已有的光纖SERS探 針主要有納米結構峰巢方案、空心波導方案、D型光纖方案、以及活性液芯方案等，它們都 通過光纖實芯內的全反射傳輸光，納米金屬顆粒附著在光纖端面或者纖芯表面，利用傳輸光 能量獲取光纖端面或者纖芯表面的拉曼散射信號。
發明內容
本發明的目的在于針對已有技術存在的缺陷，提供一種基于光纖熔錐型耦合效應的光纖 表面增強拉曼散射傳感檢測裝置。該裝置具有結構簡單，制造方便，成本低，無需預處理等 優點，適用于需要實時、遠距離、高精度、低濃度物質多端檢測等場合。
為達到上述目的，本發明的構思是
為了充分體現拉曼光譜對于物質組成及結構表征和光纖技術遠距離、在線檢測技術的優 勢，本發明將表面增強拉曼散射與熔錐型光纖耦合器相結合，構成用于液體或者氣體分子檢 測的光纖拉曼傳感器。拉曼光譜由于本身的低強度，需要一種增強技術以改善檢測的難度。 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
3的拉曼散射光強度。光纖熔融拉錐耦合是一種技術上比較成熟的傳感技術，它基于光纖漸逝 波及其耦合理論。采用熔錐型光纖耦合器作為傳感頭，得到具有耦合效應的漸逝波能量。當 將熔錐型光纖耦合器置于待測液體或者氣體中時，部分待測液體或者氣體分子將吸附在熔錐 型光纖耦合器表面的金屬納米粒子層上。該金屬納米粒子層通過化學合成方法獲得，合成方 法簡單經濟。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光纖熔融耦合錐區表面，從而獲得具有納米粗糙尺度的表 面增強拉曼散射熔錐型耦合光纖傳感頭。在正常使用時，首先將激發光源耦合進熔錐型光纖 耦合器中，當光通過光纖熔融耦合錐區時，部分能量以漸逝波的形式透射入耦合錐區微米量 級的表面深度，激發該區域內的待測分子，得到經金屬納米粒子增強的拉曼散射信號，并隨 漸逝波耦合至光纖耦合器中傳輸，然后直接傳送至拉曼光譜儀。 根據上述構思，本發明采用下述技術方案
一種基于光纖熔錐型耦合器的光纖表面增強拉曼散射傳感檢測裝置，包括兩個單色光源，
一個2X2熔錐型光纖耦合器和兩個高靈敏拉曼光譜儀，其特征在于所述兩個單色光源，先 后各經過兩個偏振片、兩個聚焦透鏡、兩個光纖耦合平臺和所述2X2熔錐型光纖耦合器連接 至所述兩個高靈敏拉曼光譜儀，所述2X2熔錐型光纖耦合器置于待測溶液或者氣體中；在所 述的2X2熔錐型光纖耦合器的熔融拉錐區部分，漸逝波激發光纖表面金屬納米粒子層所吸附 的待測溶液或者氣體分子，使其產生增強的拉曼光譜，并經光纖熔融拉錐區耦合回光纖中， 傳送至所述的高靈敏拉曼光譜儀，從而探測所述待測溶液或者氣體分子的增強拉曼光譜。
上述2X2熔錐型光纖耦合器的結構是由兩根單模或多模光纖熔融拉錐成對稱錐形耦合 區段，其對稱錐形耦合區段的總長度為14mm 40mm，熔融拉錐后的2X2光纖耦合器，其四 端各有其纖芯和包層，分別作為激發光的輸入端口和增強拉曼散射光譜輸出端口；在對稱錐 形耦合區段外層涂敷有經化學合成、清洗及篩選的金、銀或者銅等金屬納米粒子層；當所述 2X2熔錐型光纖耦合器置入待測溶液或者氣體中時，其對稱錐區域表面的金屬納米粒子層上 就會吸附有部分待測液體或者氣體的分子，當漸逝波透射到光纖表面時，就能激發這部分待 測分子，產生增強的拉曼散射。
本發明與現有技術相比較，具有如下顯而易見的突出實質性特點和顯著優點本發明中 采用熔錐型傳感用2X2光纖耦合器件作為傳感頭，由于其耦合錐區部分封裝入經過幾何結構 優化的對稱錐形耦合光纖，使其傳感區域極大地增強了漸逝波的透射深度、強度和光能耦合 效率。在耦合錐區表面，首先通過氫氟酸、去離子水、甲醇等溶液清洗，以避免金屬納米粒 子附著不均勻和對最終采集待測分子拉曼光譜的干擾。然后附著上一層用化學方法合成的金
4系數足夠的大，涂覆的金屬納米粒子均需經化學清 洗、提純、篩選，從而能最大程度地吸附足夠多的待測分子，以盡可能地增強微弱的拉曼散 射信號。通過一系列的優化手段，以保證最終傳送到輸出端口的拉曼光譜信號足夠的強，以 便于后續拉曼光譜儀數據采集部分的數據分析。同時，由于經過光纖對激發光和拉曼散射光 譜信號的傳輸，可實現遠距離檢測，避免檢測人員直接接觸危險物品且減少對人體的危害。 本發明具有結構簡單、制造容易，成本低廉等特點。本發明適合于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，并 可實時、高靈敏度地檢測物質。
圖1為本發明一個實施例的結構框圖2為用于表面增強拉曼散射傳感的2X2熔錐型光纖耦合器結構示意圖； 圖3為本發明具體實施例所獲得的實驗結果。
具體實施例方式
本發明的一個優選實施例結合
如下參見圖1,本基于光纖熔錐型耦合效應的 表面增強拉曼散射傳感檢測裝置包括兩個單色光源1, 2， 一個2X2熔錐型光纖耦合器9和 兩個高靈敏拉曼光譜儀11， 12，所述兩個單色光源1， 2，先后各經過兩個偏振片3, 4、兩 個聚焦透鏡5， 6、兩個光纖耦合平臺7， 8和所述2X2熔錐型光纖耦合器9連接至所述兩個 高靈敏拉曼光譜儀ll， 12，所述2X2熔錐型光纖耦合器9置于待測溶液或者氣體10中；在 所述的2X2熔錐型光纖耦合器9的熔融拉錐區部分，漸逝波激發光纖表面金屬納米粒子層所 吸附的待測溶液或者氣體分子，使其產生增強拉曼光譜，并經光纖熔融拉錐區耦合回光纖中， 傳送至所述的高靈敏拉曼光譜儀11, 12,從而探測所述待測溶液或者氣體分子10的增強拉 曼光譜。
上述2X2熔錐型光纖耦合器9的結構是由兩根單模或多模光纖90、 95熔融拉錐成對 稱錐形耦合區段，其對稱錐形耦合區段的總長度為14mm 40mm，熔融拉錐后的2X2光纖耦 合器9，其四端各有其纖芯92、 94， 97， 99和包層91、 93， ％, 98,可分別作為激發光的輸 入端口 92， 97和拉曼散射光譜輸出端口 94, 99;在對稱錐形耦合區段外層涂敷有經化學合 成、清洗及篩選的金、銀或者銅等金屬納米粒子層910;當所述2X2熔錐型光纖耦合器9置 入待測溶液或者氣體中時，其對稱錐區域表面的金屬納米粒子層上就會吸附有部分待測液體 或者氣體的分子911,當漸逝波透射到光纖表面時，就能激發這部分待測分子，產生增強拉 曼散射。本例僅以最簡易測試光路結構進行實施，參見圖l、圖2和圖3。該光路系統包含有兩個 532nm Ar+光源1， 2，兩個20倍光學透鏡5， 6、兩個光纖耦合平臺7， 8， 一個2X2熔錐型 光纖耦合器9， R6G待測溶液10 (及其盛裝容器)，兩個安道爾拉曼光譜儀11， 12。兩個532nm Af光源l， 2激發輸出單色性好、譜峰線寬窄的激發光，經過兩個20倍光學透鏡5， 6分別 耦合注入至放在光纖耦合平臺7， 8上的2X2熔錐型光纖耦合器9的兩個輸入端口中。2X2 熔錐型光纖耦合器9的對稱熔錐耦合區域置入裝有R6G待測溶液10的玻璃器皿中，由于光纖 對稱熔錐耦合區的漸逝波效應和熔錐耦合區表面金屬銀納米粒子層910的表面增強拉曼散射 效應，使得光經過熔錐耦合區域后，攜帶有R6G待測分子的增強拉曼光譜信息，經光纖傳送 至安道爾高靈敏拉曼光譜儀中，可檢測得到R6G增強拉曼光譜(圖3)。
所述光纖對稱熔錐耦合區的表面，經過氫氟酸、去離子水、甲醇等溶液清洗凈化，為固 化分布均勻的納米金屬顆粒提供條件。
所述的光纖對稱熔錐耦合區外層涂敷有銀納米顆粒層，是用ATPMS粘結劑固化而成的。
權利要求
1.一種基于光纖熔錐型耦合器的表面增強拉曼散射傳感檢測裝置，包括兩個單色光源(1，2)，一個2×2熔錐型光纖耦合器(9)和兩個高靈敏拉曼光譜儀(11，12)，其特征在于所述兩個單色光源(1，2)，先后各經過兩個偏振片(3，4)、兩個聚焦透鏡(5，6)、兩個光纖耦合平臺(7，8)和所述2×2熔錐型光纖耦合器(9)連接至所述兩個高靈敏拉曼光譜儀(11，12)，所述2×2熔錐型光纖耦合器(9)置于待測溶液或者氣體(10)中；在所述的2×2熔錐型光纖耦合器(9)的熔融拉錐區部分，漸逝波激發光纖表面金屬納米粒子層所吸附的待測溶液或者氣體分子，使其產生增強的拉曼光譜，并經光纖熔融拉錐區耦合回光纖中，傳送至所述的高靈敏拉曼光譜儀(11，12)，從而探測所述待測溶液或者氣體分子(10)的拉曼光譜。
2. 根據權利要求1所述的光纖熔錐型耦合器的表面增強拉曼散射傳感檢測裝置，其特征在于 所述2x2熔錐型光纖耦合器(9)結構是由兩根單模或多模光纖(90、 95)熔融拉錐成對稱 錐形耦合區段，其對稱錐形耦合區段的總長度為14mm 40mm,熔融拉錐后的2x2光纖耦 合器(9)'其四端各有其纖芯(92、 94， 97， 99)和包層(91、 93， 96， 98)，分別作為激發 光的輸入端口(92， 97)和增強的拉曼散射光譜輸出端口(94， 99);在對稱錐形耦合區段外 層涂敷有經化學合成、清洗及篩選的金、銀或者銅等金屬納米粒子層(910);當所述2x2 熔錐型光纖耦合器(9)置入待測溶液或者氣體中時，其對稱錐區域表面的金屬納米粒子層 上就會吸附有部分待測液體或者氣體的分子(911),當漸逝波透射到光纖表面時，就能激 發這部分液體或者氣體待測分子，產生增強的拉曼散射。
全文摘要
本發明涉及一種基于熔錐型光纖耦合器的表面增強拉曼散射傳感檢測裝置。它包括兩個單色光源，一個2×2熔錐型光纖耦合器和兩個高靈敏拉曼光譜儀。所述兩個單色光源，先后經過兩個偏振片、兩個聚焦透鏡、兩個光纖耦合平臺和所述2×2熔融型光纖耦合器連接至所述兩個高靈敏拉曼光譜儀，所述2×2熔錐型光纖耦合器置于待測溶液或者氣體中；在所述的2×2熔錐型光纖耦合器的熔融拉錐區部分，漸逝波激發光纖表面金屬納米粒子層所吸附的待測溶液或者氣體分子，使其產生拉曼光譜，并經光纖熔融拉錐區耦合回光纖中，傳送至所述的高靈敏拉曼光譜儀，從而探測所述待測溶液或氣體分子的拉曼光譜。本發明結構簡單，抗干擾能力強，靈敏度高，適用于在線分析、實時檢測、活體樣本分析等多種場合。
文檔編號G01N21/63GK101666750SQ20091019651
公開日2010年3月10日 申請日期2009年9月25日 優先權日2009年9月25日
發明者付興虎, 琳 劉, 龐拂飛, 王廷云, 娜 陳, 陳振宜 申請人:上海大學