CN108535220B - 楔形尖端纳米结构集成光纤表面等离子体共振生化传感器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种楔形尖端纳米结构集成光纤表面等离子体共振生化传感器，属于光纤传感技术领域。本发明的技术方案要点为：传感器的主体为光纤纤芯直径为400‑600μm、数值孔径为0.24的阶跃折射率多模光纤，裸露的光纤纤芯端面通过研磨并抛光处理形成楔形斜面，该楔形斜面的倾斜角度为20°‑80°，楔形斜面上均匀溅射厚度为50nm的金膜，并且该楔形斜面上利用聚焦离子束刻蚀技术制备正六棱柱形金纳米孔阵列。本发明中的楔形端面纳米结构传感器易于集成化处理，具有便携性、多功能性、远程操控性及结构设计更加灵活多样性等特点，能够同时实现两种生化分子的实时检测，传感效果显著，具有更高的灵敏度和品质因数。
Description
技术领域
本发明属于光纤传感技术领域，具体涉及一种楔形尖端纳米结构集成光纤表面等离子体共振生化传感器。
背景技术
目前研究者提出的基于金属纳米结构的等离子共振传感器多基于大型仪器设备，该类传感器的体积庞大、成本昂贵，不利于生化样品多功能化检测，难以实现传感检测的集成化及便携化；目前虽然有基于光纤结构的反射式局域等离子共振光纤探针，但多为平头设计，依旧难以实现光的斜入射，检测灵敏度相对较低，品质因数较小；而目前已出现的基于倾斜端面的金属微纳结构的等离子共振传感器不能满足生化样品的多功能检测，集成化程度相对较低。
发明内容
本发明解决的技术问题是提供了一种结构简单、设计合理且能够同时实时检测两种生化分子的楔形尖端纳米结构集成光纤表面等离子体共振生化传感器，该传感器是在光纤纤芯尖端表面具有一定倾斜角度（楔形）的等离子共振集成生化光纤传感器，这种传感器结构具有成本低、灵敏度高和多角度控制等特点；通过控制楔形尖端的角度能够有效控制传感器的灵敏度；采用溅射镀膜的方法在楔形斜面上均匀溅射一层厚度为50nm的金膜，之后采用聚焦离子束刻蚀技术在楔形结构的两个斜面上分别制备金纳米孔阵列，界面处等离子共振产生的强场显示出较强的光与物质作用，增加了传感性能；通过在两个倾斜端面表面做不同的生化分子修饰实现对两种不同生化分子的同时实时监测。
本发明为解决上述技术问题采用如下技术方案，楔形尖端纳米结构集成光纤表面等离子体共振生化传感器，其特征在于：该传感器采用终端反射式传感结构，所述传感器的主体为光纤纤芯直径为400-600μm、数值孔径为0.24的阶跃折射率多模光纤，裸露的光纤纤芯端面通过研磨并抛光处理形成楔形斜面，该楔形斜面的倾斜角度为20°-80°，楔形斜面上均匀溅射厚度为50nm的金膜，并且该楔形斜面上利用聚焦离子束刻蚀技术制备正六棱柱形金纳米孔阵列，两个倾斜端面表面分别做不同的生化分子修饰，实现对两种不同生化分子的同时检测。
优选的，所述光纤纤芯的外侧依次包覆有光纤包层和光纤涂覆层，其中光纤纤芯直径为400μm，光纤包层直径为430μm，光纤涂覆层直径为730μm。
优选的，所述金纳米孔阵列的结构周期为700nm，该金纳米孔阵列横截面的外接圆直径为200nm。
本发明所述的楔形尖端纳米结构集成光纤表面等离子体共振生化传感器的制备方法，其特征在于具体步骤为：
步骤S1：取一段长为60mm、光纤纤芯直径为400μm、数值孔径为0.24的阶跃折射率多模光纤，在距离光纤纤芯端面3mm位置用光纤钳剥去光纤涂覆层和光纤包层，并用无水乙醇将裸露的光纤纤芯端面清洗干净；
步骤S2：使用透镜光纤研磨机将裸露的光纤纤芯端面研磨并进行抛光处理形成楔形斜面；
步骤S3：在抛光处理后的楔形斜面上分别均匀溅射厚度为50nm的金膜；
步骤S4：采用聚焦离子束刻蚀技术在楔形斜面上分别刻蚀正六棱柱形金纳米孔阵列形成楔形尖端纳米结构集成光纤表面等离子体共振生化传感器，该金纳米孔阵列的结构周期为700nm，金纳米孔阵列横截面的外接圆直径为200nm。
本发明所述的楔形尖端纳米结构集成光纤表面等离子体共振生化传感器在对两种生化分子同时进行特异性识别检测中的应用，其特征在于具体过程为：采用Y型的阶跃折射率多模光纤跳线进行信号的耦合传输，光纤光源发射的宽谱光经Y型光纤跳线的一支进入楔形尖端纳米结构集成光纤表面等离子体共振生化传感器，在光纤纤芯和金纳米孔阵列结构薄膜界面激发局域表面等离子体共振，传感信号经跳线另一支耦合到光谱仪CCD上进行探测，在楔形结构的两个倾斜端面表面分别做不同的生化分子修饰，实现对两种不同生化分子的同时检测。
本发明与现有技术相比具有以下有益效果：本发明中的楔形端面纳米结构传感器易于集成化处理，具有便携性、多功能性、远程操控性及结构设计更加灵活多样性等特点，能够同时实现两种生化分子的实时检测，传感效果显著，与传统平面光纤探针相比具有更高的灵敏度和品质因数。
附图说明
图1是本发明的结构示意图。
图中：1-光纤涂覆层，2-光纤包层，3-光纤纤芯，4-金膜，5-金纳米孔阵列。
具体实施方式
结合附图详细描述本发明的具体内容，楔形尖端纳米结构集成光纤表面等离子体共振生化传感器，该传感器采用终端反射式传感结构，所述传感器的主体为光纤纤芯直径为400-600μm、数值孔径为0.24的阶跃折射率多模光纤，光纤纤芯的外侧依次包覆有光纤包层和光纤涂覆层，其中光纤纤芯直径为400μm，光纤包层直径为430μm，光纤涂覆层直径为730μm，裸露的光纤纤芯端面通过研磨并抛光处理形成楔形斜面，该楔形斜面的倾斜角度为20°-80°，楔形斜面上均匀溅射厚度为50nm的金膜，并且该楔形斜面上利用聚焦离子束刻蚀技术制备正六棱柱形金纳米孔阵列，该金纳米孔阵列的结构周期为700nm，金纳米孔阵列横截面的外接圆直径为200nm，两个倾斜端面表面分别做不同的生化分子修饰，实现对两种不同生化分子的同时检测。
采用Y型的阶跃折射率多模光纤跳线进行信号的耦合传输，光纤光源发射的宽谱光经Y型光纤跳线的一支进入楔形尖端纳米结构集成光纤表面等离子体共振生化传感器，在光纤纤芯和金纳米孔阵列结构薄膜界面激发局域表面等离子体共振，传感信号经跳线另一支耦合到光谱仪CCD上进行探测，在两个倾斜端面表面分别做不同的生化分子修饰，实现对两种不同生化分子的同时检测。
楔形尖端纳米结构集成光纤表面等离子体共振生化传感器的具体制备过程为：
步骤S1：取一段长为60mm、光纤纤芯直径为400μm、数值孔径为0.24的阶跃折射率多模光纤，在距离光纤纤芯端面3mm位置用光纤钳剥去光纤涂覆层和光纤包层，并用无水乙醇将裸露的光纤纤芯端面清洗干净；
步骤S2：使用透镜光纤研磨机将裸露的光纤纤芯端面研磨并进行抛光处理形成楔形斜面；
步骤S3：在抛光处理后的楔形斜面上分别均匀溅射厚度为50nm的金膜；
步骤S4：采用聚焦离子束刻蚀技术在楔形斜面上分别刻蚀正六棱柱形金纳米孔阵列形成楔形尖端纳米结构集成光纤表面等离子体共振生化传感器，该金纳米孔阵列的结构周期为700nm，金纳米孔阵列横截面的外接圆直径为200nm。
本发明以局域表面等离子体共振作为传感原理，该效应的产生依赖于宽谱光源，目的是在光纤纤芯楔形结构的两个倾斜端面实现波长调制方式的传感检测。为了增强信号强度、优化传感性能，制作传感器的光纤选择大孔径多模光纤，即选择光纤纤芯、光纤包层及光纤涂覆层直径分别为400μm、430μm、730μm，数值孔径为0.24的大孔径塑料包层光纤。
以上显示和描述了本发明的基本原理，主要特征和优点，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明的范围。
Claims (2)
1.楔形尖端纳米结构集成光纤表面等离子体共振生化传感器，其特征在于：该传感器采用终端反射式传感结构，所述传感器的主体为光纤纤芯直径为400-600μm、数值孔径为0.24的阶跃折射率多模光纤，裸露的光纤纤芯端面通过研磨并抛光处理形成楔形斜面，该楔形斜面的倾斜角度为20°-80°，楔形斜面上均匀溅射厚度为50nm的金膜，并且该楔形斜面上利用聚焦离子束刻蚀技术制备正六棱柱形金纳米孔阵列，两个倾斜端面表面分别做不同的生化分子修饰，实现对两种不同生化分子的同时检测；
所述光纤纤芯的外侧依次包覆有光纤包层和光纤涂覆层，其中光纤纤芯直径为400μm，光纤包层直径为430μm，光纤涂覆层直径为730μm；
所述金纳米孔阵列的结构周期为700nm，该金纳米孔阵列横截面的外接圆直径为200nm；
所述的楔形尖端纳米结构集成光纤表面等离子体共振生化传感器采用如下方法制备得到：
步骤S1：取一段长为60mm、光纤纤芯直径为400μm、数值孔径为0 .24的阶跃折射率多模光纤，在距离光纤纤芯端面3mm位置用光纤钳剥去光纤涂覆层和光纤包层，并用无水乙醇将裸露的光纤纤芯端面清洗干净；
步骤S2：使用透镜光纤研磨机将裸露的光纤纤芯端面研磨并进行抛光处理形成楔形斜面；
步骤S3：在抛光处理后的楔形斜面上分别均匀溅射厚度为50nm的金膜；
步骤S4：采用聚焦离子束刻蚀技术在楔形斜面上分别刻蚀正六棱柱形金纳米孔阵列形成楔形尖端纳米结构集成光纤表面等离子体共振生化传感器，该金纳米孔阵列的结构周期为700nm，金纳米孔阵列横截面的外接圆直径为200nm。
2.权利要求1所述的楔形尖端纳米结构集成光纤表面等离子体共振生化传感器在对两种生化分子同时进行特异性识别检测中的应用，其特征在于具体过程为：采用Y型的阶跃折射率多模光纤跳线进行信号的耦合传输，光纤光源发射的宽谱光经Y型光纤跳线的一支进入楔形尖端纳米结构集成光纤表面等离子体共振生化传感器，在光纤纤芯和金纳米孔阵列结构薄膜界面激发局域表面等离子体共振，传感信号经跳线另一支耦合到光谱仪CCD上进行探测，在楔形结构的两个倾斜端面表面分别做不同的生化分子修饰，实现对两种不同生化分子的同时检测。
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Also Published As
| Publication number | Publication date |
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| CN108535220A (zh) | 2018-09-14 |
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