CN102798624A - 基于回音壁模式的近场拉曼生物传感器 - Google Patents

基于回音壁模式的近场拉曼生物传感器 Download PDF

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吴一辉
郝鹏
李锋
王全龙
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Abstract

本发明涉及一种基于回音壁模式的近场拉曼生物传感器，该生物传感器采用两种技术方案，其一为激励锥形光纤的一端对准可调谐激光器的输出窗口，微球谐振腔位于激励锥形光纤和输出锥形光纤的锥形区处，被测生物样品吸附于输出锥形光纤锥形区的表面；其二为耦合锥形光纤的输入端对准可调谐激光器的输出窗口，微球谐振腔位于耦合锥形光纤的锥形区处，被测生物样品吸附于微球谐振腔的表面。本发明基于回音壁模式的近场拉曼生物传感器具有信号强度大和信噪比高的特点，能够实现高能量密度近场激励和高效率探测，获得表面拉曼增强效应的同时能够获得被测分子的高灵敏度折射率变化信息。

Description

基于回音壁模式的近场拉曼生物传感器
技术领域
本发明属于生物、化学分析与传感领域，涉及一种基于回音壁模式的近场拉曼生物传感器。
背景技术
拉曼散射所探测的是光和物质非弹性散射后发生的频率移动，拉曼位移与分子的振动模式密切相关。特征振动模式反映出分子结构上的特征，在非简并的状态下，不同模式之间的振动频率也不同。分子的振动模式数目随着分子内结构复杂度的增加而增加，但是由于影响分子振动的主要是化学键，所以一个特定官能团的特征振动模式和频率是相对固定的，因此拉曼散射具有很好的化学特异性，非常适合化学和生物体系的研究的需求。但是拉曼散射的散射截面(cross section)很小，因此自发拉曼散射的信号强度和信噪比通常很低，这是传统的拉曼光谱分析面临的一个难以逾越的障碍，大大限制了其在生物样品特别是活细胞和活体上的应用。
回音壁（Whispering Gallery Mode，WGM）具有长相干长度，窄光谱线宽，低阈值、高转化效率、高速调制等特点。近年来由WGM构成的微腔激光器应用也已有许多报道，由WGM导致的拉曼增强效应已经被许多实验所证实。事实上Snow等在1985年就研究了乙醇和水滴在WGM谐振下的受激拉曼现象，他们比较了在光学微谐振腔内这两种物质的受激拉曼谐振峰与自发拉曼峰的不同。近来，有关气溶胶的受激拉曼研究已有报道。但是，目前的回音壁模式生物传感方法普遍采用远场激励方式，由于空气折射率与被测物折射率相差较大，光的耦合效率较低，需用较高功率的激光器对样品进行激发，这样就会造成样品受损；不仅如此，这种激励方式常不可避免的引入其他散射以及衬底的干扰，信噪比低。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种信号强度和信噪比高，能够实现高能量密度近场激励和高效率探测，获得表面拉曼增强效应的同时获得被测分子的高灵敏度折射率变化信息的基于回音壁模式的近场拉曼生物传感器。
为了解决上述技术问题，本发明可以采用下述两种技术方案。
技术方案一
本发明的基于回音壁模式的近场拉曼生物传感器包括可调谐激光器，激励锥形光纤，微球谐振腔，输出锥形光纤；激励锥形光纤的一端对准可调谐激光器的输出窗口，微球谐振腔位于激励锥形光纤和输出锥形光纤的锥形区处。
被测生物样品吸附于输出锥形光纤锥形区的表面。可调谐激光器发出的光耦合进入激励锥形光纤，当光通过激励锥形光纤的锥形区时通过消逝场与微球谐振腔近场耦合，光耦合进入微球谐振腔后在一系列特定波长处，将通过不断的全反射将光限制在微球谐振腔内形成特有的回音壁模式。微球谐振腔具有极高的Q值，将产生极大的局域场增强效应，被测生物样品的拉曼光谱信号受到微球谐振腔回音壁模式产生的表面电磁场的增强作用，提高了拉曼信号的强度和信噪比。增强的被测生物样品拉曼光谱信号通过消逝场近场耦合到输出锥形光纤的锥形区，最后经输出锥形光纤耦合输出到拉曼光谱仪。
本发明的基于回音壁模式的近场拉曼生物传感器还包括金属纳米粒子；所述金属纳米粒子吸附于输出锥形光纤锥形区的表面。
被测生物样品吸附于金属纳米粒子上。金属纳米粒子处在微球谐振腔的消逝场内，由于微球谐振腔具有极高的Q值，将产生极大的局域场增强效应，同时消逝场也会导致金属纳米粒子产生表面等离子体共振；被测生物样品固定于金属纳米粒子上，其拉曼光谱信号将受到微球谐振腔的回音壁模式产生的表面的电磁场增强与金属纳米粒子表面等离子体共振所产生拉曼增强双重增强作用，进一步提高了拉曼信号的强度和信噪比。
技术方案二
本发明的基于回音壁模式的近场拉曼生物传感器包括可调谐激光器，耦合锥形光纤，微球谐振腔；耦合锥形光纤的输入端对准可调谐激光器的输出窗口，微球谐振腔位于耦合锥形光纤的锥形区处。
被测生物样品吸附于微球谐振腔的表面，耦合锥形光纤的输出端对准拉曼光谱仪的输入接口。可调谐激光器发出的光耦合进入锥形光纤，当光通过耦合锥形光纤的锥形区时通过消逝场与微球谐振腔近场耦合，光耦合进入微球谐振腔后在一系列特定波长处，将通过不断的全反射将光限制在微球谐振腔内形成回音壁模式。微球谐振腔具有极高的Q值，将产生极大的局域场增强效应，被测生物样品的拉曼光谱信号受到微球谐振腔回音壁模式产生的表面电磁场的增强作用，提高了拉曼信号的强度和信噪比。增强的被测生物样品拉曼光谱信号通过消逝场近场耦合到耦合锥形光纤的锥形区，最后经耦合锥形光纤的输出端输出到拉曼光谱仪。
本发明的基于回音壁模式的近场拉曼生物传感器还包括金属纳米粒子；所述金属纳米粒子吸附于微球谐振腔的表面。
被测生物样品吸附于金属纳米粒子上。金属纳米粒子处在微球谐振腔的消逝场内，由于微球谐振腔具有极高的Q值，将产生极大的局域场增强效应，同时消逝场也会导致金属纳米粒子产生表面等离子体共振；被测生物样品固定于金属纳米粒子上，其拉曼光谱信号将受到微球谐振腔的回音壁模式产生的表面的电磁场增强与金属纳米粒子表面等离子体共振所产生拉曼增强双重增强作用，进一步提高了拉曼信号的强度和信噪比。
当被测生物样品吸附于微球谐振腔表面时，使得微球谐振腔外表面折射率发生变化，利用本发明可同时获得极高的折射率检测灵敏度，折射率变化和分子振动将同时表征被测物。
所述激励锥形光纤、输出锥形光纤、耦合锥形光纤为单模、多模光纤或锥形光波导，作为激发光的近场耦合激励端和耦合输出端。
所述激励锥形光纤、输出锥形光纤、耦合锥形光纤由一段单模或多模光纤通过化学腐蚀、高温火焰或激光熔融拉伸而成锥形，具有耦合输入和输出的功能。
所述微球谐振腔为石英微球或高Q平面微腔。
所述光学石英微球谐振腔经高温熔融而成，起到产生回音壁模式表面电磁场获得增强的作用。
所述的金属纳米粒子为金纳米粒子或银纳米粒子，其中包括核壳结构的金纳米粒子或核壳结构的银纳米粒子。
所述的金属纳米粒子的形状可为球形，棒形，方形或三角形。
拉曼光谱技术作为研究分子结构和各种物质微观结构的重要工具虽然一开始就受到了世人的高度关注，但也存在着非常致命的缺点：检测灵敏度太低。根据电磁辐射经典理论，拉曼散射是分子在外电场的作用下被极化而产生偶极矩，变化的偶极矩向外辐射的过程中受到分子中原子间振动的调制，而产生拉曼散射光。作用在分子上的局域电场的增强，或是分子极化率的改变可以使散射光增强，产生表面拉曼增强效应，这也就是大多数学者所认为表面增强拉曼（SERS）增强的重要增强机理物理增强和化学增强。光学微球腔的回音壁模式可以使光场被封闭在微球内，球外的光场为近场，是局限于球表面附近的一种非传播波消逝波，其表面电磁场增强因子可达105。通过锥形光纤近场耦合的方式，激励光学微球腔内的回音壁模式，利用微球表面的电磁场增强效应实现拉曼散射表面增强。此中增强效应也可以与金属纳米粒子表面等离子体共振所产生拉曼增强作用同时使用，从而极大程度的提高拉曼表面增强效果。光学微球腔的回音壁模式由于全反射，谐振腔内的场分布被局限在极小的体积内，从而获得较高的Q值（一般在108），将其用于生物化学检测可获得被测分子的高灵敏度折射率变化。同时探测光学微球腔的回音壁模式信号和拉曼信号，整个系统将同时具有生物传感和拉曼谱分析功能，这将为解决免疫学检测中高灵敏度探测和非特异性吸附的判别问题提供一个新方法。
本发明具有如下优点：光纤近场耦合高Q回音壁增强的近场激励和探测的方法，可实现微谐振腔的回音壁模式产生的表面的电磁场增强与金属纳米粒子表面等离子体共振所产生拉曼增强的双重增强作用，可有效地提高被测物拉曼信号的增强因子，提高自发拉曼散射的信号强度和信噪比。近场激发大大提高了光与物质的耦合效率，近场接收则减少了远场杂散光影响。同时本发明还可同时探测光学微谐振腔的回音壁模式信号和拉曼信号，同时获得被测物的光学折射率和分子振动拉曼谱，具有生物传感和拉曼谱分析功能，将有望解决免疫学检测中高灵敏度探测和非特异性吸附的判别问题。采用回音壁模式近场激励拉曼光谱，可在回音壁模式的谐振频率处形成一窄带滤波器，将与激励光波长相同的光滤掉，这样就可以省去常规拉曼光谱分析系统所必需的陷波器，提高信噪比。
附图说明
下面结合附图及具体实施方式对本发明作进一步详细说明。
图1为本发明的基于回音壁模式的近场拉曼生物传感器技术方案一的结构示意图，图中1-1激励锥形光纤，1-2微球谐振腔，1-3输出锥形光纤，1-4金属纳米粒子，1-5被测生物样品。
图2为本发明的基于回音壁模式的近场拉曼生物传感器技术方案二的结构示意图，2-1耦合锥形光纤，2-2微球谐振腔，2-3金属纳米粒子，2-4被测生物样品。
具体实施方式
实施例1：
如图1所示，本发明的基于回音壁模式的近场拉曼生物传感器包括可调谐激光器，激励锥形光纤1-1，微球谐振腔1-2，输出锥形光纤1-3，金属纳米粒子1-4；激励锥形光纤1-1的一端对准可调谐激光器的输出窗口，微球谐振腔1-2位于激励锥形光纤1-1和输出锥形光纤1-3的锥形区处，金属纳米粒子1-4吸附于微球谐振腔2-2的表面，被测生物样品1-5吸附于金属纳米粒子1-4上。
所述激励锥形光纤1-1、输出锥形光纤1-3可以为单模、多模光纤或锥形光波导。微球谐振腔为石英微球或高Q平面微腔。金属纳米粒子1-4为金纳米粒子、银纳米粒子，其中包括核壳结构的金纳米粒子或核壳结构的银纳米粒子，纳米粒子的形状可为球形，棒形，方形或三角形。
可调谐激光器发出的光耦合进入激励锥形光纤1-1，当光通过锥形区时通过消逝场与微球谐振腔1-2近场耦合，光耦合进入微球谐振腔1-2后在一系列特定波长处（低阶和高阶谐振波长处），将通过不断的全反射将光限制在微球谐振腔1-2内形成特有的回音壁模式，其Q值可达到106～108。微球谐振腔1-2表面激励产生的拉曼信号与近场耦合输出锥形光纤1-3以相同的方式耦合输出到拉曼光谱仪。金属纳米粒子1-4固定于其中的输出锥形光纤1-3上，其处在微球谐振腔的消逝场内，由于微球谐振腔具有极高的Q值将产生极大的局域场增强效应，同时消逝场场也会导致金属纳米粒子1-4产生表面等离子体共振，被测生物样品1-5固定于金属纳米粒子1-4上，其拉曼光谱信号将受到微球谐振腔的回音壁模式产生的表面的电磁场增强与金属纳米粒子表面等离子体共振所产生拉曼增强双重增强作用，从而极大提高了拉曼信号的强度和信噪比。
实施例2：
如图2所示，本发明的基于回音壁模式的近场拉曼生物传感器包括可调谐激光器，耦合锥形光纤2-1，微球谐振腔2-2，金属纳米粒子2-3；耦合锥形光纤2-1的一端对准可调谐激光器的输出窗口，微球谐振腔2-2位于耦合锥形光纤2-1的锥形区处，金属纳米粒子2-3吸附于微球谐振腔2-2的表面，被测生物样品2-4吸附于金属纳米粒子2-3上。
可调谐激光器发出的光进入耦合锥形光纤2-1，当光通过锥形区时通过消逝场与微球谐振腔1-2近场耦合，光耦合进入微球谐振腔2-2后在一系列特定波长处（低阶和高阶谐振波长处），将通过不断的全反射将光限制在微球谐振腔2-2内形成特有的回音壁模式，其Q值可达到106～108。微球谐振腔2-2表面激励产生的拉曼信号以相同的近场耦合方式通过耦合锥形光纤2-1输出到拉曼光谱仪。金属纳米粒子2-3固定于微球谐振腔上，其处在微球谐振腔的消逝场内，由于微球谐振腔具有极高的Q值将产生极大的局域场增强效应，同时消逝场场也会导致金属纳米粒子2-3产生表面等离子体共振，被测生物样品2-4固定于金属纳米粒子2-3上，其拉曼光谱信号将受到微球谐振腔的回音壁模式产生的表面的电磁场增强与金属纳米粒子表面等离子体共振所产生拉曼增强得双重增强作用，从而极大提高了拉曼信号的强度和信噪比。同时，当被测样品吸附在金属纳米粒子上时由于微腔极高的Q值可通过光电探测器光强变化获得被测分子的高灵敏度折射率变化信息。光学微球谐振腔的回音壁模式信号和拉曼信号共同探测，整个系统将同时具有生物传感和拉曼谱分析功能，从而可有望解决生物传感中的高灵敏度探测和非特异性吸附的判别问题。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，被测生物样品还可以直接固定于锥形光纤锥形区的表面或者微球谐振腔的表面。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进，这些改进也应该视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种基于回音壁模式的近场拉曼生物传感器，其特征在于包括可调谐激光器，激励锥形光纤（1-1），微球谐振腔（1-2），输出锥形光纤（1-3）；激励锥形光纤（1-1）的一端对准可调谐激光器的输出窗口，微球谐振腔（1-2）位于激励锥形光纤（1-1）和输出锥形光纤（1-3）的锥形区处。
2.根据权利要求1所述的基于回音壁模式的近场拉曼生物传感器，其特征在于还包括金属纳米粒子（1-4）；所述金属纳米粒子（1-4）吸附于输出锥形光纤（1-3）锥形区的表面。
3.根据权利要求1或2所述的基于回音壁模式的近场拉曼生物传感器，其特征在于所述激励锥形光纤（1-1）、输出锥形光纤（1-3）为单模、多模光纤或锥形光波导。
4.根据权利要求1或2所述的基于回音壁模式的近场拉曼生物传感器，其特征在于所述微球谐振腔（1-2）为石英微球或高Q平面微腔。
5.根据权利要求2所述的基于回音壁模式的近场拉曼生物传感器，其特征在于所述的金属纳米粒子（1-4）为金纳米粒子或银纳米粒子。
6.一种基于回音壁模式的近场拉曼生物传感器，其特征在于包括可调谐激光器，耦合锥形光纤（2-1），微球谐振腔（2-2）；耦合锥形光纤（2-1）的输入端对准可调谐激光器的输出窗口，微球谐振腔（2-2）位于耦合锥形光纤（2-1）的锥形区处。
7.根据权利要求6所述的基于回音壁模式的近场拉曼生物传感器，其特征在于还包括金属纳米粒子（2-3）；所述金属纳米粒子（2-3）吸附于微球谐振腔（2-2）的表面。
8.根据权利要求5或6所述的基于回音壁模式的近场拉曼生物传感器，其特征在于所述耦合锥形光纤（2-1）为单模、多模光纤或锥形光波导。
9.根据权利要求5或6所述的基于回音壁模式的近场拉曼生物传感器，其特征在于所述微球谐振腔（2-2）为石英微球或高Q平面微腔。
10.根据权利要求7所述的基于回音壁模式的近场拉曼生物传感器，所述的金属纳米粒子（2-3）为金纳米粒子或银纳米粒子。
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