CN102954957B - 一种拉曼光谱仪探针及其制作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种拉曼光谱仪探针及其制作方法，其结构包括多模光纤，该多模光纤的探测端面上附着有纳米金属微结构及SiO2气溶胶层；纳米金属微结构外表面附有惰性致密层；该惰性致密层为化学惰性材料。其制作过程为，在多模光纤的探测端面上喷涂上SiO2气溶胶粘结剂，再喷涂上用化学惰性材料隔绝的纳米金属微球粒子；或者在多模光纤的探测端面镀上一层纳米级的金属层；用光刻技术将其表面蚀刻为齿状纳米金属微结构，最后在其表面涂上一层数纳米厚的SiO2气溶胶层,形成化学隔绝状态。本发明具有更高的灵敏度和探测精度，且结构简单，制造方便，成本低，无需预处理等，可广泛应用于各类型微量有毒有害物质的检验、检测工作。
Description
技术领域
本发明涉及光学检测仪器领域，尤其涉及一种拉曼光谱仪探针。
背景技术
近年来，三聚氰胺、苏丹红等事件暴露出了食品安全领域的巨大漏洞，公众的生命健康受到严重威胁，检测低浓度的微量物质成为食品安全检测方面的研究热点。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，因而成为物质分析和物质鉴别强有力的工具。然而，拉曼散射截面通常在10-30的量级，这仅为瑞利散射的千分之一，且极容易淹没在荧光背景噪声中，极大地限制了拉曼光谱在各个领域中的应用。
表面增强拉曼散射（Surface-Enhanced Raman Scattering, SERS）是一种重要的谱学技术，该技术利用具有极强电磁场的纳米金属粒子产生的强电磁场增强对被测物质的激发能力，其增强能力可以达到106~1012，可以从分子水平上鉴别吸附在纳米结构表面的物质。除此之外，这种表面增强拉曼散射能有效地淬灭荧光，实现对被测物质无污染、无损害、高灵敏度的探测。目前，大量的研究关注于利用表面增强拉曼散射（SERS）与光纤结合，对浓度为ppb级的痕量分析以实现微量有毒有害液体的检测。但是，现有的方案往往存在光纤处理困难或者需要进行预处理等问题，大大减缓了该技术的实用化进程。
发明内容
为克服上述问题，本发明提出一种拉曼光谱仪探针及其制作方法，作为一次性使用光纤探针，结构简单，使用方便，抗干扰能力强，灵敏度高。
为达到上述目的，本发明所提出的技术方案为：一种拉曼光谱仪探针，包括多模光纤，所述多模光纤的探测端面上附着有纳米金属微结构及SiO2气溶胶层；所述纳米金属微结构为纳米金属微球粒子，由所述SiO2气溶胶层粘结于多模光纤的探测端面上；所述纳米金属微结构外表面附有惰性致密层；所述惰性致密层为化学惰性材料。
或者，一种拉曼光谱仪探针，包括多模光纤，其特征在于：所述多模光纤的探测端面上附着有纳米金属微结构及SiO2气溶胶层；所述纳米金属微结构为光刻蚀的齿状纳米金属微结构，其上涂有一层所述SiO2气溶胶层作为惰性致密层。
本发明提出的另一技术方案为：一种拉曼光谱仪探针的制作方法，其特征在于：先在多模光纤的探测端面上喷涂上SiO2气溶胶粘结剂，然后再喷涂上用化学惰性材料隔绝的纳米金属微球粒子；或者直接在多模光纤的探测端面吸附掺有用化学惰性材料隔绝的纳米金属微球粒子的SiO2水溶液，并进一步烘干。
进一步的，所述烘干方式为红外烘干或者热风烘干。
进一步的，在烘干过程中，保持多模光纤的探测端面在下，SiO2水溶液在上；或者保持多模光纤的探测端面在上，SiO2水溶液在下。
本发明提出的又一技术方案为：一种拉曼光谱仪探针的制作方法，其特征在于：先在多模光纤的探测端面镀上一层纳米级的金属层；然后用光刻技术将其表面蚀刻为齿状纳米金属微结构，最后在其表面涂上一层数纳米厚的SiO2气溶胶层,形成化学隔绝状态，该SiO2气溶胶层厚度以1nm~20nm为佳。
进一步的，所述镀金属层的方式采用蒸镀法或者离子溅射镀膜方式。
本发明的有益效果：本发明的一种拉曼光谱仪探针，采用化学惰性材料隔绝的纳米金属微结构，可有效增强拉曼散射的强度，并隔绝来自于纳米金属微结构的信号干扰；采用SiO2气溶胶粘结纳米金属微球粒子，或者采用光刻技术在探测端面蚀刻出齿状纳米金属微结构，工艺简单，易于实现；该结构作为一次性使用光纤探针，结构简单，制造方便，成本低，无需预处理，而且抗干扰能力强，灵敏度高，适用于在线分析、实时检测、活体样本分析、痕量有毒有害物质测量等多种场合的信息采集和传输。
附图说明
图1为本发明实施例一探测端面结构示意图；
图2为本发明实施例二探测端面结构示意图；
图3为实施例一的制作方法示意图一；
图4为实施例一的制作方法示意图二；
图5为实施例二的制作方法示意图；
图6为本发明的应用示例。
标号说明：101多模光纤；102纳米金属微球粒子；103 SiO2气溶胶层；201多模光纤；202齿状纳米金属微结构；203 SiO2气溶胶层；301多模光纤；302纳米金属微球粒子；303 SiO2水溶液；304 SiO2气溶胶层；305 SiO2气溶胶层；401多模光纤；402金属层；403齿状纳米金属微结构；404 SiO2气溶胶层；1多模光纤探针；2裸光纤连接器；3拉曼光谱仪；4待测液体。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式，对本发明做进一步说明。
本发明的一种拉曼光谱仪探针主要由一根同时传输激发光和拉曼散射光的多模光纤组成，其探测端面附着有纳米金属微结构及SiO2气溶胶层；该纳米金属微结构外表面附有惰性致密层；所述惰性致密层为化学惰性材料。利用纳米金属微结构具有强的电磁场增强的长程效应来增强激发光对被测物质的激励作用，使得被测物质受激产生的拉曼辐射得到大幅度地提高，增强了同等激发光强条件下的拉曼信号，降低了对探测器的要求。纳米金属微结构外表面的惰性致密壳层则有效保证所测得分子的拉曼信号时真正来自待测基底的，而不是来自于纳米金属微结构，起到一个隔绝的作用。同时，由于激发出来的拉曼散射光将向四周散射，此时多模光纤表面的纳米金属微结构可以聚焦及反射拉曼散射光，有效地增强了后向拉曼散射光的强度，提高了探测的灵敏度。
如图1所示为探测端面的一种结构，其纳米金属微结构采用的是纳米金属微球粒子102，即在多模光纤101的探测端面上附着有纳米金属微球粒子，由SiO2气溶胶层103粘结于多模光纤101的探测端面上。纳米金属微球粒子102表面由化学惰性材料隔绝，以保证所测得分子的拉曼信号是真正来自待测基底。
如图2所示为探测端面的另一种结构，其纳米金属微结构采用光刻技术蚀刻的齿状纳米金属微结构202,即在多模光纤201的探测端面上涂一层纳米级的金属层，并将其光刻为齿状纳米金属微结构202，最后在其表面涂上一层数纳米厚的SiO2气溶胶层203,形成化学隔绝状态，以保证所测得分子的拉曼信号是真正来自待测基底。该SiO2气溶胶层203的厚度以1nm~20nm为佳。
本发明的一种拉曼光谱仪探针的制作方法：先在多模光纤101的探测端面上喷涂上SiO2气溶胶粘结剂103，然后再喷涂上用化学惰性材料隔绝的纳米金属微球粒子102；或者直接在多模光纤301的探测端面吸附掺有用化学惰性材料隔绝的纳米金属微球粒子302的SiO2水溶液303，并进一步烘干。如图3所示，在烘干过程中，保持多模光纤301的探测端面在下，SiO2水溶液303在上，用红外烘干或者热风烘干等方式烘干，以获得吸附有纳米金属微球粒子302的纳米微结构的SiO2气溶胶层304。或者，在烘干过程中，保持多模光纤301的探测端面在上，SiO2水溶液303在下，用红外烘干或者热风烘干等方式烘干，以获得吸附有纳米金属微球粒子302的纳米微结构的SiO2气溶胶层305，如图4所示。
本发明的一种拉曼光谱仪探针的另一种制作方法：如图5所示，先在多模光纤401的探测端面镀上一层纳米级的金属层402；然后用光刻技术将其表面蚀刻为齿状纳米金属微结构403，并由化学惰性材料隔绝；最后在其表面涂上一层数纳米厚的SiO2气溶胶层404。该SiO2气溶胶层404的厚度以1nm~20nm为佳。其中镀金属层的方式可以采用普通的蒸镀法，可以采用离子溅射等镀膜方式；而蚀刻纳米微结构所使用的光刻胶既可以是正胶，也可以是负胶。
如图6所示为本发明的拉曼光谱仪探针的一个应用示例，本发明的探针为一多模光纤探针1，将其探测端面一端置于含有被测物质的待测液体4中，另一端通过裸光纤连接器2连接到拉曼光谱仪3中。本发明的拉曼光谱仪探针能够极大的提高系统的拉曼光谱激发及收集能力，其纳米金属微结构具有强的电磁场增强的长程效应，同时其对拉曼光具有良好的会聚效应，且纳米金属微结构表面的惰性致密壳层可有效保证所测得分子的拉曼信号是真正来自待测基底的，而不是来自纳米金属微结构上的，起到隔绝的作用；因此具有更高的灵敏度和探测精度。且具有结构简单，制造工艺简单易行，成本低，无需预处理等优点，可广泛应用于各类型微量有毒有害物质的检验、检测工作。
尽管结合优选实施方案具体展示和介绍了本发明，但所属领域的技术人员应该明白，在不脱离所附权利要求书所限定的本发明的精神和范围内，在形式上和细节上对本发明做出的各种变化，均为本发明的保护范围。
Claims (8)
1.一种拉曼光谱仪探针，包括多模光纤，其特征在于：所述多模光纤的探测端面上附着有纳米金属微结构及SiO2气溶胶层；所述纳米金属微结构为纳米金属微球粒子，由所述SiO2气溶胶层粘结于多模光纤的探测端面上；所述纳米金属微结构外表面附有惰性致密层；所述惰性致密层为化学惰性材料。
2.一种拉曼光谱仪探针，包括多模光纤，其特征在于：所述多模光纤的探测端面上附着有纳米金属微结构及SiO2气溶胶层；所述纳米金属微结构为光刻蚀的齿状纳米金属微结构，其上涂有一层所述SiO2气溶胶层作为惰性致密层。
3.一种拉曼光谱仪探针的制作方法，其特征在于：先在多模光纤的探测端面上喷涂上SiO2气溶胶粘结剂，然后再喷涂上用化学惰性材料隔绝的纳米金属微球粒子；或者直接在多模光纤的探测端面吸附掺有用化学惰性材料隔绝的纳米金属微球粒子的SiO2水溶液，并进一步烘干。
4.如权利要求3所述的一种拉曼光谱仪探针的制作方法，其特征在于：所述烘干方式为红外烘干或者热风烘干。
5.如权利要求3所述的一种拉曼光谱仪探针的制作方法，其特征在于：在烘干过程中，保持多模光纤的探测端面在下，SiO2水溶液在上。
6.如权利要求3所述的一种拉曼光谱仪探针的制作方法，其特征在于：在烘干过程中，保持多模光纤的探测端面在上，SiO2水溶液在下。
7.一种拉曼光谱仪探针的制作方法，其特征在于：先在多模光纤的探测端面镀上一层纳米级的金属层；然后用光刻技术将其表面蚀刻为齿状纳米金属微结构，最后在其表面涂上一层数纳米厚的SiO2气溶胶层,形成化学隔绝状态。
8.如权利要求7所述的一种拉曼光谱仪探针的制作方法，其特征在于：所述镀金属层的方式采用蒸镀法或者离子溅射镀膜方式。
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