CN104749163B - 一种太赫兹波段半导体材料的表面增强拉曼散射传感探针 - Google Patents
一种太赫兹波段半导体材料的表面增强拉曼散射传感探针 Download PDFInfo
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Abstract
一种太赫兹波段半导体材料的表面增强拉曼散射传感探针,由单孔光纤和置于光纤腔内的半导体微纳粒子组成，单孔光纤材料为二氧化硅，单孔光纤长为3微米，外径为3微米，内径为2.8微米；半导体微纳粒子布满单孔光纤的整个内腔，半导体微纳粒子材料为GaAs或InAs，半导体微纳粒子直径为0.6微米；其制备方法,首先制备单孔光纤；然后将半导体微纳量级的粒子注入到单孔光纤中。本发明的优点是：该制备方法操作简单、可重复性好、成本低廉并且环境友好；制备的探针具有表面增强型拉曼散射光学信号和具有载体性质的单孔光纤,易于实现光学探针的多功能,在药物装载运输,生物传感及探测等应用领域具有重要的应用价值。
Description
技术领域
本发明属于纳米材料学领域,具体涉及一种太赫兹波段半导体材料的表面增强拉曼散射传感探针。
背景技术
近年来,随着纳米材料制备、表征等技术的高速发展,基于纳米材料的光学探针以其独特的光学性质及小尺寸的特点在生物传感、生物成像与生物检测领域的重大应用前景引起了人们的广泛关注。各种结构和材料的光学探针层出不穷,极大地提高了探测的灵敏度和检测范围,有效的改善了生物、化学领域的研究手段。
表面增强拉曼散射(surface enhanced Raman scattering,简称SERS)是人们将激光拉曼光谱应用到表面科学研究的探索中所发现的异常表面光学现象。它可以将吸附在材料表面的有机分子的拉曼信号放大约百万倍,对于微纳米量级粒子形态分布的表面信号的增强可以达到百万亿倍,因此在探测器的应用和单分子检测方面有着巨大的发展潜力。
太赫兹波是介于远红外线和毫米波段之间的电磁波(通常指频率在0.1THz-10THz之间的电磁波)，具有很多独特的性质、波粒二相性、对很多介电材料和非极性液体具有良好的穿透性、不会引起有害电离的安全特性、光谱分辨特性及与微波相比可以作为更好通信载体的宽频带性等。这些特性使得太赫兹波在许多领域具有广泛的应用前景，如生物医学、天文遥感、环境监测、材料、国防、通信等。由于太赫兹波的频率低于金属的等离子体频率，因此，不同于在光学波段的情形，金属在该波段的表面等离子体具有非常弱的场局部化特性。而半导体的等离子体频率依赖于导带的电子密度，因而在太赫兹波段可以通过掺杂、光激发等手段来调节或控制半导体的表面等离子体特性。
尽管关于SERS探针的结构和制备方法已有大量报道,但多数制备方法较为繁琐,灵敏度、稳定性和生物兼容性尚有待进一步提高。目前太赫兹波段半导体材料的表面增强拉曼散射传感探针的研究很少,它们主要以单孔光纤为模板,通过向光纤腔内注入半导体微纳粒子简化了制备步骤,提高了灵敏度和生物兼容性。
发明内容
本发明的目的是针对上述技术分析和存在的问题，提供了一种灵敏度高、稳定性和生物兼容性好，并且操作简单、可重复性好、成本低廉以及环境友好的太赫兹波段半导体材料的表面增强拉曼散射传感探针。
本发明的技术方案:
一种太赫兹波段半导体材料的表面增强拉曼散射传感探针,由单孔光纤和置于光纤腔内的半导体微纳粒子组成，单孔光纤材料为二氧化硅，单孔光纤长为3微米，外径为3微米，内径为2.8微米；半导体微纳粒子布满单孔光纤的整个内腔，半导体微纳粒子材料为GaAs或InAs，半导体微纳粒子直径为0.6微米。
一种所述太赫兹波段半导体材料的表面增强拉曼散射传感探针的制备方法,首先制备单孔光纤；然后将半导体微纳量级的粒子注入到单孔光纤中。
本发明的太赫兹波段半导体材料的表面增强拉曼散射传感探针利用置于光纤腔内的半导体微纳粒子作为表面增强拉曼散射(SERS)基底,在1THz到10THz频率的太赫兹激发光照射下,能够产生较强的表面增强型拉曼散射信号。
本发明的优点是：该制备方法操作简单、可重复性好、成本低廉并且环境友好；制备的探针具有表面增强型拉曼散射光学信号和具有载体性质的单孔光纤,易于实现光学探针的多功能,在药物装载运输,生物传感及探测等应用领域具有重要的应用价值。
附图说明
图1是该太赫兹波段半导体材料的表面增强拉曼散射传感探针的俯视结构示意图。
图2是该太赫兹波段半导体材料的表面增强拉曼散射传感探针的三维立体结构示意图。
图中：1.载体光纤二氧化硅 2.半导体微纳粒子
图3是该太赫兹波段半导体材料的表面增强拉曼散射传感探针的增强因子与激发源频率关系图。
图4是该太赫兹波段半导体材料的表面增强拉曼散射传感探针的三维电场分布图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚,下面将结合附图对本发明的实施例进行详细的阐述。然而,本领域的普通技术人员可以理解,在本发明实施例中,为了使读者更好地理解本申请而提出了许多技术细节。但是,即使没有这些技术细节和基于以下实施例的种种变化和修改,也可以实现本申请各权利要求所要求保护的技术方案。
实施例：
一种太赫兹波段半导体材料的表面增强拉曼散射传感探针,如图1、2所示，由单孔光纤1和置于光纤腔内的半导体微纳粒子2组成，单孔光纤1材料为二氧化硅，单孔光纤长为3微米，外径为3微米，内径为2.8微米；半导体微纳粒子InAs布满单孔光纤的整个内腔，半导体微纳粒子直径为0.6微米。
一种所述太赫兹波段半导体材料的表面增强拉曼散射传感探针的制备方法,首先制备单孔光纤；然后将半导体微纳量级的粒子注入到单孔光纤中。由于半导体粒子球是注入到单孔光纤的，所以相邻两个粒子球之间距离是不确定的，此实施例中，我们设定最近两个粒子球之间的间距为0.05微米。激发光沿着与单孔光纤轴线平行的方向照射到整个传感探针上，激发光源为1THz到10THz频率波段的太赫兹波。
本发明中应用基于时域有限差分方法的FDTD SOLUTIONS模拟软件初步模拟了太赫兹波段半导体材料的表面增强拉曼散射传感探针的场增强情况。模拟的边界条件设置为完美匹配层边界条件。在FDTD初步模拟完成之后，我们应用Matlab对模型的数据进行处理，得到图3所示的太赫兹波段半导体材料的表面增强拉曼散射传感探针增强因子与频率的关系图和图4所示的传感探针的三维电场分布图。
图3所示为太赫兹波段半导体材料的表面增强拉曼散射传感探针在1THz到10THz激发光源照射下的拉曼增强因子与激发源频率的关系图，由于设备内存的局限性，无法在FDTD模拟软件中设置更细致的网格划分，所以呈现出来的增强因子比较小，但是实际上的增强因子远大于图3所呈现的。对于发明中所述的太赫兹波段半导体材料的表面增强拉曼散射传感探针，我们可以通过改变单孔光纤的环厚度和高度，半导体微纳粒子的材料选择和粒子的直径以及粒子间距而得到不同的增强因子。
此实施例中，我们可以得到太赫兹波段半导体材料的表面增强拉曼散射传感探针产生最大增强的对应频率为3.25THz，而且通过我们多次模拟的结果可以发现：使太赫兹波段半导体材料的表面增强拉曼散射传感探针产生最大增强因子的对应频率是比较稳定的，而且会随着传感探针尺寸的变化而呈现稳定的变化。
图4所示为太赫兹波段半导体材料的表面增强拉曼散射传感探针三维电场分布图。我们可以很直观的看到传感探针在中心区域有最大的电场增强，这也正是此发明中我们期待得到的理想结果。由于中心区域较大电场增强的存在，可以提高灵敏度，降低检出限。图3和图4所呈现的增强强度数值都比较小是因为模拟设备的局限以及他们所呈现的并非是传感探针中增强强度最大的部分，此太赫兹波段半导体材料的表面增强拉曼散射传感探针的实际增强因子可以达到103-105量级的大小。
Claims (2)
1.一种太赫兹波段半导体材料的表面增强拉曼散射传感探针,其特征在于：由单孔光纤和置于光纤腔内的半导体微纳粒子组成，单孔光纤材料为二氧化硅，单孔光纤长为3微米，外径为3微米，内径为2.8微米；半导体微纳粒子布满单孔光纤的整个内腔，半导体微纳粒子材料为GaAs或InAs，半导体微纳粒子直径为0.6微米。
2.一种如权利要求1所述太赫兹波段半导体材料的表面增强拉曼散射传感探针的制备方法,其特征在于：首先制备单孔光纤；然后将半导体微纳量级的粒子注入到单孔光纤中。
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