CN102183506A - 基于表面增强拉曼散射光纤探针的微量物质检测装置 - Google Patents

Abstract

本发明述及一种基于表面增强拉曼散射光纤探针的微量物质检测装置。它包括单色激光光源、光隔离器、聚焦耦合透镜、光纤耦合平台、2×2光纤分路耦合器、两个光纤探针、高灵敏度拉曼光谱仪。所述单色激光光源输出单色激光的光路上依次设置所述光隔离器、聚焦耦合透镜和光纤耦合平台，光纤耦合平台和高灵敏度拉曼光谱仪分别通过光纤与2×2光纤分路耦合器的两个输入端口相连，而该2×2光纤分路耦合器的两个输出端口分别连接上两个光纤探针。两个光纤探针分别置于两个待测液体或气体的样品池中，实现对微量物质的多点实时在线检测。本检测装置同样可对微量有毒有害气体或溶液等物质进行在线检测。

Description

基于表面增强拉曼散射光纤探针的微量物质检测装置

技术领域：

本发明涉及一种基于表面增强拉曼散射光纤探针的微量物质检测装置，属光学纤维及传感器技术领域。

背景技术：

近年来，食品安全面临极大的挑战，人们的健康受到威胁，因而检测低浓度的微量物质成为研究的热点。拉曼光谱相比其他光谱，能够提供丰富的分子结构和分子振动信息，因而已成为物质分析和物质鉴别强有力的工具。但在实用化的过程中，由于拉曼散射截面为10^-30数量级, 仅为瑞利散射的千分之一, 且很容易被荧光背景所淹没, 因而, 限制了其在各个领域的应用。如果将不同形式粗糙化的金属作为基底，拉曼散射强度可提高10⁵~10⁶倍。除此之外，这种表面增强拉曼散射能有效地猝灭荧光，对待测物质实现无污染、无损伤、高灵敏度的探测。正是以上的优势将拉曼光谱的运用推向了医学、化学、生命科学等多个应用领域。

目前，利用表面增强拉曼散射与光纤结合，对浓度为ppb数量级的痕量物质进行分析，以实现微量有毒有害液体或气体的在线检测，已备受研究人员的密切关注。它主要是将具有表面增强效应的粗糙化金属溶胶固化在光纤的端面或其表面，作为增强基底，然后，用特定波长的单色光激发吸附其基底表面的待测微量液体或气体分子，使之产生等离子体共振，从而可大大提高拉曼散射截面，获得高质量的拉曼光谱。根据增强基底处理的位置不同，主要可分为两类：对端面的处理和对光纤内部结构的处理。虽然这些方案在对微量物质检测方面已获得突破性的进展，但仍在某些方面还有待进一步地改善。如在对D型光纤进行端面处理方面，虽然结构简单、工艺无需技巧，但须经预处理，其过程难以把握，重复性差，因此难于实用化；此外，在改变光纤内部结构方面，由于光纤直径很小，对其内表面进行处理较为困难，且待测液体或气体进入光纤内部需要特殊的装置及条件。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于表面增强拉曼散射光纤探针的微量物质检测装置。该检测装置具有结构简单、使用方便、灵敏度高、多点检测等优点, 尤其对微量有毒有害待测物质可实现无污染、无损伤、高灵敏度的多点在线实时检测。

为达到上述目的，本发明的构思是：

将单色光源、光隔离器、聚光耦合透镜、光纤耦合平台、2×2单模或多模光纤分路耦合器、光纤探针和拉曼光谱仪组合，构成一种可用于对微量有毒有害气体或溶液等物质进行在线实时检测的表面增强拉曼散射传感检测装置。所述的光纤探针为一段尖端带有半圆曲面的锥形光纤，光纤锥区及半圆曲面表面涂覆有金属纳米粒子，以增强拉曼散射强度。当激发光传输通过尖端带有半圆曲面的锥形光纤探针时，其透射出的渐逝波可激发吸附于金属纳米粒子上的待测溶液或气体分子的拉曼散射光谱；所述光纤探针带有的半圆曲面尖端同时还具有对拉曼散射光的反射聚集功能，其反射聚集的拉曼散射光谱经所述的2×2单模或多模光纤分路耦合器，传送至高灵敏度拉曼光谱仪，能进一步增强微弱拉曼散射信号的收集，以实现对微量物质分子信息的检测。装置中的2×2单模或多模光纤分路耦合器具有激发光传送和拉曼散射光接收之功能，两个端口分别连接所述的光纤探针，使该装置实现对被测物质的两点在线检测，此外，该装置还具有探测光路扩展之功能。该装置的核心部件是尖端高温熔融成半圆曲面的锥形光纤探针，在通常实时在线监测中，首先将单色激发光源通过聚光耦合透镜和光纤耦合平台注入2×2单模或多模光纤分路耦合器中，然后经单模或多模光纤传输进入光纤探针锥区及尖端，激发光以渐逝波的形式透入光纤探针锥区及半圆曲面尖端微米级深度，激发该区域内吸附的待测分子，获得经金属纳米粒子增强的待测分子拉曼散射光，而产生的拉曼散射光中一部分将被反射，再次进入2×2单模或多模光纤分路耦合器回传，同时，另一个光纤探针的锥区和半圆曲面也激发探针区域内吸附的待测分子，获得经金属纳米粒子增强的待测分子拉曼散射光，进入2×2单模或多模光纤分路耦合器回传，最后两个光纤探针激发的拉曼散射光从2×2单模或多模光纤分路耦合器的一个输出端口直接传送至高灵敏的拉曼光谱仪，实现两点在线检测。

根据上述构思，本发明采用下述技术方案：

一种基于表面增强拉曼散射光纤探针的微量物质检测装置，包括一个单色激光光源、一个光隔离器、一个聚焦耦合透镜、一个光纤耦合平台、一个2×2单模或多模光纤分路耦合器、两个光纤探针和一个高灵敏度拉曼光谱仪，其特征在于所述单色激光光源输出单色激光的光路上依次设置所述光隔离器、聚焦耦合透镜和光纤耦合平台，所述光纤耦合平台和高灵敏度拉曼光谱仪分别通过光纤与所述2×2单模或多模光纤分路耦合器的两个输入端口相连，而该2×2单模或多模光纤分路耦合器的两个输出端口分别连接上所述两个光纤探针，所述两个光纤探针分别置于两个待测液体或气体的样品池中，实现对微量痕量物质的多点实时在线检测。

所述的光纤探针为一段尖端带有半圆曲面的锥形光纤，其锥形光纤及其半圆曲面表面涂覆有金属纳米粒子，以增强拉曼散射强度。当激发光传输通过光纤锥区和尖端带有半圆曲面的锥形光纤时，其透射出的渐逝波可激发吸附于金属纳米粒子上的待测溶液或气体分子的拉曼散射光谱；所述光纤探针带有的半圆曲面尖端同时还具有对拉曼散射光的反射聚集功能，其反射聚集的拉曼散射经所述的2×2单模或多模光纤分路耦合器传送至高灵敏度拉曼光谱仪，能进一步增强微弱拉曼散射信号的收集，以实现对微量物质分子信息的检测。

上述的基于表面增强拉曼散射的光纤探针，包括一根用于激发光传输及拉曼散射光接收的光纤、一段锥形光纤和一个半圆曲面，其特征在于：在所述的光纤的一端，通过化学或物理方法形成一段锥形光纤，再在其尖端高温熔融一个半圆曲面；同时，在光纤锥区和半圆曲面表面涂覆一层金属纳米粒子，当激发光传输经过光纤锥区和半圆曲面时，其透射出的渐逝波将激发吸附在其金属纳米粒子表面的待测溶液或气体分子的表面增强拉曼散射光；此外，光纤锥区和半圆曲面同时还具有聚集和反射拉曼散射光的收集功能。

上述的光纤锥区，是由一段单模或多模光纤通过浸入氢氟酸腐蚀或高温熔融拉伸而成的锥形结构，锥区长度为1～20mm；且具有表面增强拉曼散射的激发、反射和收集等功能。

上述的尖端半圆曲面，是经高温熔融而成的半圆曲面，其直径为10～125μm，起到表面增强拉曼散射的激发、反射和聚焦收集等作用，同时可增强反向拉曼散射强度。

上述的锥形光纤和半圆曲面的表面涂敷有金属纳米颗粒层。

并，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。上述的2×2单模或多模光纤分路耦合器可同时作为激发光的输入传输通道和反向拉曼散射光输出传输通道，可以连接两个光纤探头，同时，还能扩展多个测试光路。

上述的单色光源，可以采用波长532nm的单色绿光激光光源，也可以采用其它波长单色激光光源，由于大多待测液体或气体分子的吸收峰在532nm波长附近，从而容易获得较强的拉曼散射光谱。

本发明与现有技术相比较，具有如下显而易见的实质性特点和显著优点：

1．光纤探针作为本检测装置的核心部件，是采用高温熔融拉锥或化学腐蚀两种方法制作而成，方法简便易行；其锥形结构经优化后，可极大地增强光纤探针传感区域渐逝波的透射深度和强度。

2．将熔融拉锥或化学腐蚀而成的锥形光纤一端高温熔融成半圆曲面，可将部分拉曼散射光反射至光纤中，且通过2×2单模或多模光纤分路耦合器回传，同时还可以增强拉曼散射光的聚集，以提高拉曼散射光的收集强度。

3．在活性基底涂覆之前，用化学试剂（如浓硫酸、甲醇等）对光纤锥区和锥尖进行表面清洗，以产生更多带负电荷的羟基，并采用硅烷耦联剂，可使金属纳米粒子尽可能多地均匀附着于光纤锥区和锥尖表面。

4．为了提高装置探测的灵敏度，在光纤探针表面涂覆上一层金属纳米薄膜层后，再采用原子层沉积技术工艺方法，对光纤锥区和半圆曲面锥尖活性增强基底进行表面修饰。

5．以光纤作为载体对激发光和拉曼散射光进行传输，可避免检测人员直接接触危险物品，减少有害物质对人体的危害。

6．本发明适合于需要对环境进行精确测量和控制的场合，例如水产养殖、工业制造、环境监测、生化研究等诸多领域，并可以实现多点实时在线高灵敏度检测。

附图说明

图1为基于表面增强拉曼散射光纤探针的微量物质检测装置的系统结构示意图；

图2为本发明光纤探针结构图；

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：

参考图1，本基于表面增强拉曼散射光纤探针的检测传感装置包括一个532nm 单色光源（1），一个光隔离器（2），一个20倍光学透镜（3）、一个光纤耦合平台（4），一个2×2单模或多模光纤分路耦合器（5），两个基于表面增强拉曼散射的光纤探针（6），一台安道尔高灵敏度拉曼光谱仪（7），两份待测液体或气体（8）。所述的532nm单色光源（1）可以激发输出单色性好、光谱线宽窄的单色激发光，先后经过光隔离器（2）、20倍光学透镜（3）和光纤耦合平台（4）与2×2单模或多模光纤分路耦合器（5）的一个输入端口连接， 2×2单模或多模光纤分路耦合器（5）的另一个输入端口与安道尔高灵敏度拉曼光谱仪（7）相连，2×2单模或多模光纤分路耦合器（5）的两个输出端口分别连接上两个光纤探针（6），然后，两个光纤探针（6）分别置于两个待测液体或气体的样品池（8）中，由于光纤探针的锥区（61）及半圆曲面锥尖（62）表面吸附有待测溶液或气体（64），光纤锥区（61）的渐逝波将经金属银纳米粒子层（63）激发待测溶液或气体分子（64）的拉曼散射光谱，而携带有待测溶液或气体分子（64）的拉曼信号光，经半圆曲面尖端（62）反射、聚集耦合返回到光纤中传输，由2×2单模或多模光纤分路耦合器（5）将两个光纤探针（6）收集的拉曼散射光传输至安道尔高灵敏拉曼光谱仪（7），实现对微量痕量物质的多点实时在线检测。

参考图2，本实施例的基于表面增强拉曼散射的光纤探针(6)，包括一段用于激发射和接收拉曼散射光的锥形光纤（61）、一个半圆曲面尖端（62）和金属银纳米粒子层（63），其特征在于：所述锥形光纤（61）的一端通过高温熔融形成半圆曲面尖端（62），其表面涂覆一层金属银纳米粒子（63），利用光纤锥区表面透射出的渐逝波，以激发和接收吸附于金属纳米粒子层（63）上的待测溶液分子（64）的拉曼散射光谱；此外，光纤探针表面所涂覆的金属银纳米粒子（64），可大大增强拉曼散射强度。

所述锥形光纤（61）的锥形结构是由一根单模光纤一端经氢氧焰高温熔融拉锥或氢氟酸化学腐蚀而成，其锥区长度为1～4mm，该单模光纤的另一端与2×2单模光纤分路耦合器（5）熔融连接，同时作为激发光的输入端口和拉曼散射光的输出端口。

所述光纤探针（6）的锥区（61）和半圆曲面尖端（62），经过浓硫酸、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。

所述光纤探针（6）锥区（61）和半圆曲面尖端（62）表面涂敷有银纳米颗粒层，该银纳米颗粒层经ATPMS粘结固化而成。

所述尖端半圆曲面（62）直径为5～20μm，在所述光纤探针中起光的反射和聚焦光作用。

Claims (3)

1.一种基于表面增强拉曼散射光纤探针的微量物质检测装置，包括一个单色激光光源（1）、一个光隔离器（2）、一个聚焦耦合透镜（3）、一个光纤耦合平台（4）、一个2×2单模或多模光纤分路耦合器（5）、两个光纤探针（6）和一个高灵敏度拉曼光谱仪（7），其特征在于所述单色激光光源（1）输出单色激光的光路上依次设置所述光隔离器（2）、聚焦耦合透镜（3）和光纤耦合平台（4），所述光纤耦合平台（4）和高灵敏度拉曼光谱仪（7）分别通过光纤与所述2×2单模或多模光纤分路耦合器（5）的两个输入端口相连，而该2×2单模或多模光纤分路耦合器（5）的两个输出端口分别连接上所述两个光纤探针（6），所述两个光纤探针（6）分别置于两个待测液体或气体的样品池中，实现对微量痕量物质的多点实时在线检测。

2.根据权利要求1所述的基于表面增强拉曼散射光纤探针的微量物质检测装置，其特征在于所述的光纤探针（6）为一段尖端带有半圆曲面（62）的锥形光纤（61），其锥形光纤及其半圆曲面表面涂覆有金属纳米颗粒子（63），以增强拉曼散射强度；当激发光传输通过尖端带有半圆曲面（62）的锥形光纤（61）时，其透射出的渐逝波可激发吸附于金属纳米粒子上的待测溶液或气体分子（64）的拉曼散射光谱；所述的光纤传感探针同时具有对拉曼散射光的反射聚集功能，其反射聚集的拉曼光谱经所述的2×2单模或多模光纤分路耦合器（5）传送至高灵敏度拉曼光谱仪（7），以实现对微量物质分子信息的检测。

3.根据权利要求1所述的基于表面增强拉曼散射光纤探针的微量物质检测装置，其特征在于通过对其光路的扩展，可实现多于两点的多点光纤探针（6）的在线检测。

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