CN103894622A - 一种快速可控光纤芯端银纳米颗粒的原位合成方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种快速可控光纤芯端银纳米颗粒的原位合成方法及装置。本发明可通过激发光源强度与辐照时间的调制，实现对纳米颗粒粒子大小与分布的可控。本发明采用的直接在光纤芯端上合成银纳米颗粒的方法还可被拓展到多芯光纤上来制备银纳米颗粒阵列，并与多种拉曼探针标记技术结合，实现对多种待分析物的同时检测或某一特定分析物的多通道检测。本发明的合成方法操作简单，制备过程快速、可控、综合成本低，且合成的光纤银纳米颗粒与光纤拉曼增强光谱可完美结合，在化学分析与生物检测中具有非常好的应用价值。

Description

一种快速可控光纤芯端银纳米颗粒的原位合成方法及装置

技术领域

本发明涉及银纳米颗粒的合成，具体地说是一种运用激光诱导技术在光纤芯端实现银纳米颗粒原位可控、低成本快速合成的方法及装置。

背景技术

金属纳米颗粒在极化电磁场的作用下，其表面附近或间距比较小纳米粒子间局域电磁场会极大增强，基于此效应形成了如分子增强荧光、表面增强拉曼光谱、尖端增强拉曼光谱等技术，广泛应用于化学分析与生物检测等领域，其中光纤增强拉曼光谱是在上述技术中非常有应用前景的一个方向。从合成成本与过程复杂性、增强效果等方面来综合考虑，银纳米颗粒相对于其它金属纳米材料是一种较优的选择；目前已经报道的银纳米合成主要是通过湿化学技术来实现的，其合成时间较长，合成过程受影响因素（时间、温度、搅拌）比较多，尤其需先合成再修饰到光纤上，且其很难可控仅修饰在对检测有贡献的纤芯表面区域。

发明内容

本发明的目的在于提供一种粒度和分布可控、便于操作、低成本、快速原位自组装的光纤银纳米颗粒合成方法及装置。

本发明的一种快速可控光纤芯端银纳米颗粒的原位合成方法，其是在包裹有光致还原性溶液的光纤芯头处直接进行激光诱导的光还原反应；所述激光为波长λ=405nm的蓝紫光，输出光强不高于100mW；所述光致还原性溶液为硝酸银、光诱导剂、稳定剂聚乙烯吡咯烷酮与溶剂丙酮形成的混合溶液。

优选的，所述光致还原性溶液的制备是先将高纯硝酸银粉末溶于丙酮中形成溶液；再取为溶液体积0.5%~1%的光诱导剂放入上述溶液中，搅拌均匀静置备用；最后，取溶液体积0.5%~1%的聚乙烯吡咯烷酮加入其中，混合均匀即可。

将1mg硝酸银粉末溶于10-12ml丙酮中，搅拌1-2h，再加入光诱导剂，搅拌均匀静置备用。

所述光诱导剂优选为艳佳固 819。

一种用于实现本发明所述的快速可控光纤芯端银纳米颗粒的原位合成方法的装置，其包括用于发射波长λ=405nm的蓝紫光且输出光强不高于100mW的可控激光器、光还原反应平台以及用于检测光还原反应状况的光电探测器；所述可控激光器与光还原反应平台通过光纤相连接。

所述光还原反应平台包括支架和固定在支架上的透明薄玻璃片，所述支架上设有用于固定光纤芯端头的光纤固定夹，所述光纤芯端头与所述透明薄玻璃片相贴近。贴近距离能保证后滴加上的光致还原性溶液能够完全包裹住光纤头。

所述光电探测器包括一位于透明薄玻璃片正下方的敏感探头，所述敏感探头通过信号传输线与光电探测器的信号处理模块相连。

所述光纤上设有准直器。

本发明中激光器由可控电源供电，发出的激光束耦合进入光纤，光纤的一端与玻璃片滴加的光致还原性溶液接触，在玻璃片的另一面放置光电探测设备。

本发明结构简单、便于操作，制备过程可通过激光强弱及时间控制；纳米银颗粒生成与原位自组装一步实现；光源强度与时间自动可控调节；制备能耗低，耦合光纤激光输出功率为微瓦至几十微瓦量级，普通LED就能满足要求；光纤初始耦合光强及纳米颗粒原位合成过程可通过光电透射信号实时监测；普通光纤可重复使用使其应用成本大幅地降低。

本发明中采用激光诱导光化学还原技术直接在光纤端面纤芯区域内同步制备与组装银纳米颗粒，整个过程无需人工干预，完全原位自组装，同时可通过激发光源强度与辐照时间的调制，实现对纳米颗粒粒子大小与分布的可控。整个生成与组装过程可在几秒或几分钟内内完成，后续清洗过程可在1分钟内完成，清洗过程不会造成纳米粒子脱落。考虑到上述制备过程快速、可控，以及光纤廉价且经清洗或重新切断后可重复使用等优点，光纤上原位组装纳米银粒子在增强拉曼光谱分析研究领域具有很好前景。此外，本发明采用的直接在光纤芯端上合成银纳米颗粒的方法还可被拓展到多芯光纤上来制备银纳米颗粒阵列，并与多种拉曼探针标记技术结合，实现对多种待分析物的同时检测或某一特定分析物的多通道检测。本发明中光纤芯端银纳米颗粒的原位合成方法，操作简单，过程易于控制、综合成本低，且合成的光纤银纳米颗粒与光纤拉曼增强光谱可完美结合，在化学分析与生物检测中具有非常好的应用价值。

附图说明

图1为光纤芯端银纳米颗粒合成的装置结构示意图；

图2为光诱导反应原理图；

图3为银纳米颗粒合成过程中光纤透射光强的变化图；

图4(a-f)为强度1μW的激发光下银纳米颗粒合成过程示意图；

图5(a-f)为强度20μW的激发光下银纳米颗粒合成过程示意图。

具体实施方式

本发明的一种快速可控光纤芯端银纳米颗粒的原位合成方法，其是在包裹有光致还原性溶液的光纤芯头处直接进行激光诱导的光还原反应；所述激光为波长λ=405nm的蓝光，输出光强不高于100mW；所述光致还原性溶液为硝酸银、光诱导剂艳佳固 819、稳定剂聚乙烯吡咯烷酮与溶剂丙酮形成的混合溶液，其制备是先将1mg高纯硝酸银粉末溶于10ml丙酮中，搅拌2h得溶液；再加入溶液体积0.5%~1%的光诱导剂，搅拌均匀后，静置24h后备用；最后，取溶液体积0.5%~1%的聚乙烯吡咯烷酮加入其中，混合均匀即可。

用于实现上述快速可控光纤芯端银纳米颗粒的原位合成方法的装置，其包括用于发射波长λ=405nm的蓝紫光且输出光强不高于100mW的可控激光器1、光还原反应平台以及用于检测光还原反应状况的光电探测器；可控激光器与光还原反应平台通过光纤相连接，光纤上设有准直器3；光还原反应平台包括支架6和固定在支架6上的透明薄玻璃片5，支架6上设有用于固定光纤芯端头的光纤固定夹4，光纤芯端头与所述透明薄玻璃片5相贴近。贴近距离能保证后滴加上的光致还原性溶液能够完全包裹住光纤头；所述光电探测器包括一位于透明薄玻璃片正下方的敏感探头7a，所述敏感探头通过信号传输线与光电探测器的信号处理模块7b相连。

如图1所示，本发明的一种快速可控光纤芯端银纳米颗粒原位合成的装置，包括可控激光器1，经光纤2a输出由准直器3与将用于合成银纳米颗粒的光纤2b相连，在光纤2b另一端端末用两片光纤固定夹4夹住，使其能够与透明薄玻璃片5垂直，在薄玻璃片5下放置光电探测器的敏感探头7a，再通过信号传输线2c与光电探测器的信号处理模块7b相连，以此来监测银纳米颗粒的生成状况。其中光纤固定夹4、薄玻璃片5、敏感探头7a将由支架6固定。用于银纳米颗粒合成的特异感光还原性溶液被滴加在薄玻璃片5与光纤固定夹4夹持的光纤2b端的相贴近处，使光纤芯头处包裹在光致还原性溶液中。如图1搭建装置，然后在光纤2b与薄玻璃片5相接处滴加制备完成的光致还原性溶液，通过观测玻璃片下端的光电探测器中透射光强信号变化，监控银纳米颗粒的合成情况。图3给出了透射光/激发光强度之比与纳米颗粒合成时间的关系图，由图可知在纳米颗粒的合成过程中，光电探测器所接收到的透射光强强度一直在减弱，当透射光强降至激发光光强1/100左右并不再有显著变化时，即可认为银纳米颗粒的制备完成。光纤组装上的银纳米颗粒不易脱落，且可反复使用。对比图4(a-f)（激发光强为1μW）与图5(a-f)（激发光强为20μW）可知，激发光的光强越大，光纤头上的银纳米颗粒可同时自发形核，生长速度越快即辐照时间短，粒度较为均匀，但分布较稀疏；同时当激发光的光强变弱，纳米颗粒经过一个典型形核及晶核长大的过程，需要较长生长时间即辐照时间较长，颗粒粒度从中间大到周边小明显分布。具体的光强的选取可按需求的银纳米颗粒规格设定。此外，若光纤2b为多芯光纤，便可同时在各纤芯上生成银纳米颗粒，在后期应用中，可对每个芯面内纳米粒子进行不同拉曼探针标记，使其能同时检测多种分析物或进行多通道检测。

所述可控激光器1为功率连续可调蓝紫光激光器(λ=405nm)，输出光强的调制范围0-100mW。光电探测器中的敏感探头7a、信号处理模块7b、传输线2c为透射信号原位监测仪器的主要构成部分，光纤2a、2b为普通光纤，容易购买。银纳米颗粒合成是基于激光诱导的光还原反应生成的，具体生成原理如图2，光致诱发剂（艳佳固 819）在405nm蓝紫光激发的作用下，变为激发单重态及更加不稳定的激发三重态，并在瞬间发生劈裂产生自由基，自由基可以将溶液中由硝酸银电离形成的Ag⁺离子还原成Ag单质，通过激光强弱及辐照时间控制反应动力学过程，可实现银纳米颗粒在光纤端面纤芯区域内原位可控生成与组装。

本发明利用激光诱导技术实现了光纤芯端银纳米颗粒的原位自组装合成，合成过程简单、易操作；同时用光电探测器监测透射光的光强，并结合可控激光器的使用，使得银纳米颗粒的合成精确可控；光纤的使用方便操作，降低成本，又可进行多纳米颗粒阵列的合成，且合成的光纤银纳米颗粒与光纤拉曼增强光谱可完美结合，在化学分析与生物检测中具有非常好的应用价值。

Claims (8)

1.一种快速可控光纤芯端银纳米颗粒的原位合成方法，其特征在于，在包裹有光致还原性溶液的光纤芯头处直接进行激光诱导的光还原反应；所述激光为波长λ=405nm的蓝紫光，输出光强不高于100mW；所述光致还原性溶液为硝酸银、光诱导剂、稳定剂聚乙烯吡咯烷酮与溶剂丙酮形成的混合溶液。

2.如权利要求1所述的快速可控光纤芯端银纳米颗粒的原位合成方法，其特征在于，所述光致还原性溶液的制备是先将硝酸银粉末溶于丙酮中配成溶液，再加入溶液体积0.5%~1%的光诱导剂，搅拌均匀静置备用，最后，取溶液体积0.5%~1%的聚乙烯吡咯烷酮加入其中，混合均匀即可。

3.如权利要求2所述的快速可控光纤芯端银纳米颗粒的原位合成方法，其特征在于，将1mg硝酸银粉末溶于10-12ml丙酮中，搅拌1-2h，再加入光诱导剂，搅拌均匀静置备用。

4.如权利要求3所述的快速可控光纤芯端银纳米颗粒的原位合成方法，其特征在于，所述光诱导剂为艳佳固 819。

5.用于实现权利要求1-4任一项所述的快速可控光纤芯端银纳米颗粒的原位合成方法的装置，其特征在于，包括用于发射波长λ=405nm的蓝紫光且输出光强不高于100mW的可控激光器、光还原反应平台以及用于检测光还原反应状况的光电探测器；所述可控激光器与光还原反应平台通过光纤相连接。

6.如权利要求5所述的装置，其特征在于，所述光还原反应平台包括支架和固定在支架上的透明薄玻璃片，所述支架上设有用于固定光纤芯端头的光纤固定夹，所述光纤芯端头与所述透明薄玻璃片相贴近。

7.如权利要求5所述的装置，其特征在于，所述光电探测器包括一位于透明薄玻璃片正下方的敏感探头，所述敏感探头通过信号传输线与光电探测器的信号处理模块相连。

8.如权利要求5所述的装置，其特征在于，所述光纤上设有准直器。

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