CN101561396B - 基于双锥形光纤渐逝波耦合的光纤拉曼传感检测装置 - Google Patents

基于双锥形光纤渐逝波耦合的光纤拉曼传感检测装置 Download PDF

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Abstract

本发明述及一种基于双锥形光纤渐逝波耦合的光纤拉曼传感检测装置。它包括一个单色光源和一个高灵敏拉曼光谱仪，所述单色光源，先后经过一个偏振片、一个聚焦透镜、一个光纤耦合平台和一个熔融拉锥光纤连接至所述高灵敏拉曼光谱仪，所述熔融拉锥光纤置于待测溶液中；在所述的熔融拉锥光纤的锥区部分，渐逝波激发光纤表面金属纳米粒子层所吸附的待测溶液分子，使其产生拉曼光谱，并经光纤锥区耦合回光纤中，传送至所述的高灵敏拉曼光谱仪，探测所述待测溶液分子的拉曼光谱。本发明结构简单，抗干扰能力强，灵敏度高，适用于在线分析、实时检测、活体样本分析等多种场合。

Description

基于双锥形光纤渐逝波耦合的光纤拉曼传感检测装置
技术领域：
本发明涉及一种基于熔融双锥形光纤渐逝波耦合效应的光纤拉曼传感检测装置，属光学纤维及传感器技术领域。
背景技术：
同已有的检测技术相比，拉曼光谱技术的主要优势在于；无需对待测物质进行任何方式取样预处理，就能得到丰富的有关分子振动以及分子结构的信息。但在通常情况下，由于分子或原子的拉曼光散射强度较小，仅为入射光的10-10，同时与本质上更强的荧光信号重叠，从而限制了其潜在的应用。直到1974年，Fleischmann等人首次发现了表面增强拉曼散射(Surface-enhanced Raman scattering，SERS)效应。1977年Jeanmaire和Van Duyne对该现象的本质进行了研究，指出这是一种与粗糙表面相关的表面增强效应。表面增强拉曼散射效应的发现使得人们可以从金属表面，尤其是诸如金、银、铜等金属表面，获得巨大的拉曼散射增强信号，从而可轻而易举地获取高质量的表面分子拉曼信号，在生物、医药、工业、纳米材料、国防科技等领域大大拓宽了其应用范围，并扮演着越来越重要的角色。
近年来，随着激光器、光纤和频谱扫描技术的发展，为了实现实时，在线，抗电磁干扰、远距离多点网络化、低浓度、高精度等的监测需求，将表面增强拉曼光谱技术、纳米合成技术以及光纤传输技术相结合的光纤表面增强拉曼光谱技术孕育而生。目前已有的光纤SERS探针主要有纳米结构蜂巢方案、空心波导方案、D型光纤方案、以及活性液芯方案等，它们都通过光纤实芯内的全反射传输光，纳米金属颗粒附着在光纤端面或者纤芯表面，利用传输光能量获取光纤端面或者纤芯表面的拉曼散射信号。
发明内容
本发明的目的在于针对已有技术存在的缺陷，提供一种基于双锥形光纤渐逝波耦合的光纤拉曼传感检测装置。该装置具有结构简单，制造方便，成本低，无需预处理等优点，适用于需要实时、远距离、高精度、低浓度物质检测等场合。
为达到上述目的，本发明的构思是：
为了充分体现拉曼光谱对于物质组成及结构表征和光纤技术远距离、在线检测技术的优势，本发明将表面增强拉曼散射与熔融拉锥光纤相结合，构成用于液体或者气体分子检测的光纤拉曼传感器。拉曼光谱由于本身的低强度，需要一种增强技术以改善检测的难度。表面增强拉曼散射技术主要是依靠表面粗糙化的金、银或者铜等金属溶胶的纳米特性，以极大地增强吸附在金属纳米粒子表面的待测分子的拉曼散射截面，从而极大地增强该待测分子的拉曼散射光强度。光纤熔融拉锥是一种技术上比较成熟的传感技术，它基于光纤渐逝波及其耦合理论。采用熔融拉锥光纤作为传感头，得到具有耦合效应的渐逝波能量。当将熔锥光纤置于待测液体或者气体中时，部分待测液体或者气体分子将吸附在熔锥光纤表面的金属纳米粒子层上。该金属纳米粒子层通过化学合成方法获得，合成方法简单经济。通过离心、化学清洗和筛选，获得符合要求的金属纳米粒子，用APTMS等粘结剂，将金属纳米粒子均匀地固化在光纤锥区表面，从而获得具有纳米粗糙尺度的表面增强拉曼散射锥形光纤传感头。在正常使用时，首先将激发光源耦合进锥形光纤中，当光通过光纤锥区时，部分能量以渐逝波的形式透射入锥区微米量级的表面深度，激发该区域内的待测分子，得到经金属纳米粒子增强的拉曼散射信号，并随渐逝波耦合至光纤中传输，然后直接传送至拉曼光谱仪。
根据上述构思，本发明采用下述技术方案：
一种基于双锥形光纤渐逝波耦合的光纤拉曼传感检测装置，包括一个单色光源和一个高灵敏拉曼光谱仪，其特征在于：所述单色光源，先后经过一个偏振片、一个聚焦透镜、一个光纤耦合平台和一个熔融拉锥光纤连接至所述高灵敏拉曼光谱仪，所述熔融拉锥光纤置于待测溶液中；在所述的熔融拉锥光纤的锥区部分，渐逝波激发光纤表面金属纳米粒子层所吸附的待测溶液分子，使其产生拉曼光谱，并经光纤锥区耦合回光纤中，传送至所述的高灵敏拉曼光谱仪，探测所述待测溶液分子的拉曼光谱。
上述熔融拉锥光纤的结构是：由一根单模或多模光纤熔融拉锥成双锥形耦合区段，其双锥形耦合区段的长度为14mm～40mm，熔融拉锥后的双锥形光纤，其两端各有其纤芯和包层，可分别作为激发光的输入端口和拉曼散射光谱输出端口。在双锥形耦合区段外层涂敷有经化学合成、清洗及筛选的金、银或者铜等金属纳米粒子层，当所述熔融拉锥光纤置入待测溶液或者气体中时，双锥区域表面的金属纳米粒子层上就会吸附有部分待测液体或者气体的分子，当渐逝波透射到光纤表面时，就能激发这部分待测分子，产生拉曼散射。
本发明与现有技术相比较，具有如下显而易见的突出实质性特点和显著优点：本发明中采用熔锥型传感用双锥光纤耦合器件作为传感头，由于其耦合锥区部分封装入经过几何结构优化的锥形光纤，使其传感区域极大地增强了渐逝波的透射深度、强度和光能耦合效率。在耦合锥区表面，首先通过氢氟酸、去离子水、甲醇等溶液清洗，以避免金属纳米粒子附着不均匀和对最终采集待测分子拉曼光谱的干扰。然后附着上一层用化学方法合成的金属纳米粒子，为了使最终得到的拉曼增强系数足够的大，涂覆的金属纳米粒子均需经化学清洗、提纯、筛选，从而能最大程度地吸附足够多的待测分子，以尽可能地增强微弱的拉曼散射信号。通过一系列的优化手段，以保证最终传送到输出端口的拉曼光谱信号足够的强，以便于后续拉曼光谱仪数据采集部分的数据分析。同时，由于经过光纤对激发光和拉曼散射光谱信号的传输，可实现远距离检测，避免检测人员直接接触危险物品且减少对人体的危害。本发明具有结构简单、制造容易，成本低廉等特点。本发明适合于要求对环境组成精确测量和控制的场合，例如水产养殖、工业制造、环境监测、生物科学及科学研究等诸多领域，并可实时、高灵敏度地检测物质。
附图说明
图1为本发明一个实施例的结构框图；
图2为用于表面增强拉曼散射传感的双锥形光纤结构示意图；
图3为本发明具体实施例所获得的实验结果。
具体实施方式
本发明的一个优选实施例结合附图说明如下：
参见图1，本基于双锥形光纤渐逝波的光纤拉曼传感检测装置包括一个单色光源(1)和一个高灵敏拉曼光谱仪(7)，其特征在于：所述单色光源(1)，先后经过一个偏振片(2)、一个聚焦透镜(3)、一个光纤耦合平台(4)和一个熔融拉锥光纤(5)连接至所述高灵敏拉曼光谱仪(7)，所述熔融拉锥光纤(5)置于待测溶液(6)中；在所述的熔融拉锥光纤(5)的锥区部分，渐逝波激发光纤表面金属纳米粒子层所吸附的待测溶液分子，使其产生拉曼光谱，并经光纤锥区耦合回光纤中，传送至所述的高灵敏拉曼光谱仪(7)，探测所述待测溶液分子(6)的拉曼光谱。
上述熔融拉锥光纤(5)的结构是：由一根单模或多模光纤(50、55)熔融拉锥成双锥形耦合区段，其双锥形耦合区段的长度为14mm～40mm，熔融拉锥后的双锥形光纤(50、55)，其两端各有其纤芯(51、56)和包层(52、57)，可分别作为激发光的输入端口(50)和拉曼散射光谱输出端口(55)；在双锥形耦合区段外层涂敷有经化学合成、清洗及筛选的金、银或者铜等金属纳米粒子层(58)；当所述熔融拉锥光纤(5)置入待测溶液或者气体中时，其双锥区域表面的金属纳米粒子层上就会吸附有部分待测液体或者气体的分子(59)，当渐逝波透射到光纤表面时，就能激发这部分待测分子，产生拉曼散射。
本例仅以最简易测试光路结构进行实施，参见图1、图2和图3。该光路系统包含有532nmAr+光源(1)，20倍光学透镜(3)、光纤耦合平台(4)，熔融双锥形光纤(5)，R6G待测溶液(6)(及其盛装容器)，安道尔拉曼光谱仪(7)。532nm Ar+光源(1)激发输出单色性好、谱峰线宽窄的激发光，经过20倍光学透镜(3)耦合注入至放在光纤耦合平台(4)上的熔融双锥形光纤(5)的输入端口中。熔锥光纤(5)的双锥耦合区域置入装有R6G待测溶液(6)的玻璃器皿中，由于光纤熔融双锥区的渐逝波效应和双锥表面金属银纳米粒子层(58)的表面增强拉曼散射效应，使得光经过双锥耦合区域后，携带有R6G待测分子的拉曼光谱信息，经光纤传送至安道尔高灵敏拉曼光谱仪中，可检测得到R6G拉曼光谱(图3)。
所述光纤熔融双锥区的表面，经过氢氟酸、去离子水、甲醇等溶液清洗净化，为固化分布均匀的纳米金属颗粒提供条件。
所述的光纤熔融双锥区外层涂敷有银纳米颗粒层，是用ATPMS粘结剂固化而成的。

Claims (1)

1.一种基于双锥形光纤渐逝波耦合的光纤拉曼传感检测装置，包括一个单色光源(1)和一个高灵敏拉曼光谱仪(7)，其特征在于：所述单色光源(1)，先后经过一个偏振片(2)、一个聚焦透镜(3)、一个光纤耦合平台(4)和一个熔融拉锥光纤(5)连接至所述高灵敏拉曼光谱仪(7)，所述熔融拉锥光纤(5)置于待测溶液或气体(6)中；在所述的熔融拉锥光纤(5)的锥区部分，渐逝波激发光纤表面金属纳米粒子层所吸附的待测溶液分子，使其产生拉曼光谱，并经光纤锥区耦合回光纤中，传送至所述的高灵敏拉曼光谱仪(7)，探测所述待测溶液分子的拉曼光谱；所述熔融拉锥光纤(5)结构是：由一根单模或多模光纤(50、55)熔融拉锥成双锥形耦合区段，其双锥形耦合区段的长度为14mm～40mm，熔融拉锥后的双锥形光纤(50、55)，其两端各有其纤芯(51、56)和包层(52、57)，可分别作为激发光的输入端口(50)和拉曼散射光谱输出端口(55)；在双锥形耦合区段外层涂敷有经化学合成、清洗及筛选的金、银或者铜金属纳米粒子层(58)；当所述熔融拉锥光纤(5)置入待测溶液或者气体(6)中时，其双锥区域表面的金属纳米粒子层上就会吸附有部分待测溶液或者气体的分子(59)，当渐逝波透射到光纤表面时，就能激发这部分待测溶液或者气体的分子，产生拉曼散射。
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