CN110044871A - 表面等离激元效应的在线物质定性检测装置及制作方法 - Google Patents

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成建新
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    • G01N21/62—Systems in which the material investigated is excited whereby it emits light or causes a change in wavelength of the incident light
    • G01N21/63—Systems in which the material investigated is excited whereby it emits light or causes a change in wavelength of the incident light optically excited
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Abstract

本发明公开了一种基于表面等离激元效应的在线物质定性检测装置及制作方法，本发明将光纤直接固定在镀有金属薄膜的纳米环形狭缝表面，经过拉锥，光纤中的光部分泄露到环形狭缝中，在特定波段，泄露的光波可以在环形腔内激发表面等离激元，从而吸收光纤中入射光的一部分光源，光纤与示波器相连接，通过观察示波变化来判断是否存在待检物质。本发明将拉曼光纤直接依附于纳米微球阵列的表面，能够快速准确得从光谱仪中判断是否存在所测物质，更加小型化、智能化、便捷化。

Description

表面等离激元效应的在线物质定性检测装置及制作方法
技术领域
本发明涉及光学检测装置，具体涉及一种表面等离激元效应的在线物质定性检测装置及制作方法。
背景技术
拉曼光谱是指光波在散射后频率发生相应变化的现象，是一种无损的分析技术，可以获得样品的化学结构、相和形态、结晶度以及分子相互作用的详细信息。拉曼光谱中谱峰的位置和强度能直接反映物质的含量，因此可以简化模型和减少样本的标定。当用波长比试样粒径小得多的单色照射气体、液体和透明试样时，大部分的光会按原来的发现投射，而一小部分则按不同的角度散射开来，产生散射光。在垂直方向观察时，除了与原入射光有相同的频率的瑞利散射外，还有一系列对称分布在若干条很弱的与入射光频率发生位移的拉曼谱线，这种现象称为拉曼效应。由于拉曼谱线的数目，位移的大小，谱线的长度直接与试样分子振动或转动能级有关。因此，与红外吸收光谱类似，对拉曼光谱的研究，也可以得到有关分子振动或转动的信息。目前拉曼光谱分析技术已广泛应用于物质的鉴定，分子结构的研究。
现有装置必须将待测物体放入测量光路中，才能得到较为准确的光谱图，结构复杂，操作不便。
发明内容
发明目的：本发明的目的是提供一种表面等离激元效应的在线物质定性检测装置及制作方法，解决现有装置必须将待测待测物体放入测量光路中，结构复杂，操作不便的问题。
技术方案：本发明所述的表面等离激元效应的在线物质定性检测装置包括基片和光纤，所述基片上设置有聚苯乙烯的纳米级微球阵列，所述微球阵列之间填充凝胶，所述微球阵列顶部设有环形狭缝，所述微球阵列顶部和凝胶层的表面均镀有金属薄膜或波导介质，光纤固定在所述微球阵列表面。
为了增加检测物与光场相互作用长度，提高检测灵敏度，所述微球阵列的各个微球顶部的横截面为欧姆形。
本发明所述的表面等离激元效应的在线物质定性检测装置的制作方法，包括以下步骤：
(1)取SiO2片作为基底，清洗后进行亲水性处理、加热干燥后旋涂PS微球阵列，在PS微球阵列中填充SiO2或者TiO2前驱物溶液形成的凝胶，凝胶填充的高度小于微球直径；
(2)选择性刻蚀微球顶部，形成环形狭缝后，在微球顶部和凝胶层表面镀上一层纳米级金属薄膜或波导介质；
(3)将光纤粘结固定在微球阵列表面，即得检测装置。
其中，所述步骤(1)中基底分别放入丙酮和乙醇中进行超声清洗，放入浓H2SO4/H2O2的混合溶液中进行亲水处理。
所述步骤(2)中采用FIB进行刻蚀。
所述步骤(3)中采用多模光纤。
工作原理：本发明将待检测样品填充在环形狭缝内，光纤直接粘附在装置表面。光纤中通入光源后环形腔内会形成圆柱形表面等离激元，形成强烈的局域电场增强，填充在腔内的检测样品借助增强的电场激发出能够检测到的拉曼信号。
有益效果：本发明将拉曼光纤直接依附于纳米微球阵列的表面，能够快速准确得从光谱仪中判断是否存在所测物质，更加小型化、智能化、便捷化。
附图说明
图1是本发明在SiO2基底上旋涂一层制备完成的不同直径的PS微球阵列示意图；
图2是本发明在基底和PS微球阵列中注入SiO2或TiO2前驱物溶液形成的凝胶示意图；
图3是本发明在PS微球顶部进行选择性部分刻蚀后，形成环形狭缝的示意图；
图4是本发明在PS微球阵列表面镀上金属薄膜的示意图；
图5是形成SERS基底后，将光纤直接粘在半球形金属表面截面示意图；
图6是形成SERS基底后，将光纤直接粘在半球形金属表面俯视示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明进行进一步说明。
如图5-6所示，表面等离激元效应的在线物质定性检测装置包括SiO2基片1和位于SiO2基片1上方的聚苯乙烯的的纳米级微球阵列2，PS微球阵列2之间填充有PMMA光刻胶3，PS微球阵列2顶部进行部分刻蚀后形成的环形狭缝4，在刻蚀完的PS微球阵列2顶部和光刻胶3上均镀上一层金属银膜5，最后将光纤6直接粘在制成的用于拉曼散射的微球阵列2的顶部上。
本发明的流程图如图1-4所示，具体步骤如下：
(1)取一块2cm×2cm的SiO2作为基片，在室温条件下将其分别放入丙酮(99.7％)和乙醇(99.9％)中超声40W功率下清洗15min和10min，然后放入浓H2SO4/H2O2的混合溶液中进行亲水处理，并在90℃的水浴中加热1小时，最后用电阻率18.2MΩ的去离子水冲洗SiO2基片3-4次；
(2)制备不同直径的聚苯乙烯微球阵列的胶体溶剂20ml，直径分别设定为390nm、690nm、990nm，直径偏差率0.2％，体积百分比浓度为0.05％，溶剂为去离子水；
(3)制备SiO2的前驱物溶液，SiO2的前驱物溶液中各物质质量分别为：TEOS(98wt％)＝1g，0.1M/L的HCl＝1g，EtOH(100％)＝1.5g，混合后搅拌一小时备用；
(4)将步骤(2)中制备的聚苯乙烯微球阵列胶体溶剂与步骤(3)中制备的前驱溶液混合，形成溶液，添加的胶体溶剂：前驱混合溶液体积百分比是1：200，即0.01ml；
(5)将步骤(4)中配置好的溶液滴加在(1)中处理好的SiO2基片上，开启匀胶机，利用旋涂法，在基片上高速旋转，一些PS微球溶液收到离心力的作用，随着旋转速度的增加，悬浮液随之蒸发，形成均匀的一层PS微球；
6)在制成的PS微球阵列中填充SiO2前驱物溶液形成的凝胶，SiO2的前驱物溶液中各物质质量分别为：TEOS(98wt％)＝1g，0.1M/L的HCl＝1g，EtOH(100％)＝1.5g，设置转速2500rpm/min，时间40s，旋涂三次，使凝胶均匀填充于PS微球阵列之间，接着在150℃前烘1小时，使凝胶与阵列有很好的粘附效果；
7)将上一步得到的纳米微球阵列放入FIB样品室内，选择不同大小束流在其表面刻蚀出一定大小和深度的矩形坑，相连矩形的相位相异；刻蚀完后采用磁控溅射镀膜机溅射一层200nm厚的金属银膜，从而形成金属纳米环形狭缝微球阵列的SERS基底，如图4所示；
8)截取一段纤芯200μm，包层220μm的多模光纤，对其进行研磨。将研磨好的光纤直接放在镀有银膜的PS微球阵列表面，用胶带固定住，截面图与俯视图如图5所示。
基片上直接旋涂制备完成的不同直径的PS微球阵列，PS微球阵列中填充SiO2或者TiO2前驱物溶液形成的凝胶，凝胶填充的高度小于微球直径，选择性部分刻蚀掉PS微球顶部，从而与填充的凝胶形成纳米尺度环形狭缝，再覆盖上一层纳米级的金属层形成金属环形腔阵列，环形狭缝中一些从上部渗入的金属粒子需要用试剂洗净。将待检测样品填充在环形狭缝内，光纤直接粘附在装置表面。光纤中通入光源后金属环形腔内会形成圆柱形表面等离激元，形成强烈的局域电场增强，填充在腔内的检测样品借助增强的电场激发出能够检测到的拉曼信号，光源也可以从底部直接进入金属环形狭缝，结构简单，易于加工制备。
本发明的装置具有不同直径的金属半球形阵列，将待测物体注入金属半球形阵列内，光纤直接依附在金属半球形阵列表面。光源从光纤的一端进入，或从底部直接照射，通过金属半球形阵列时，一部分光源将被吸收，激光在金属结构的作用下产生可测量的拉曼信号。

Claims (6)

1.一种表面等离激元效应的在线物质定性检测装置，其特征在于，包括基片(1)和光纤(6)，所述基片(2)上设置有聚苯乙烯的纳米级微球阵列(2)，所述微球阵列(2)之间填充凝胶(3)，所述微球阵列(2)顶部设有环形狭缝(4)，所述微球阵列(2)顶部和凝胶层的表面均镀有金属薄膜或波导介质，光纤(6)固定在所述微球阵列(2)表面。
2.根据权利要求1所述的表面等离激元效应的在线物质定性检测装置，其特征在于，所述微球阵列(2)的各个微球顶部的横截面为欧姆形。
3.如权利要求1所述的表面等离激元效应的在线物质定性检测装置的制作方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)取SiO2片作为基底，清洗后进行亲水性处理、加热干燥后旋涂PS微球阵列，在PS微球阵列中填充SiO2或者TiO2前驱物溶液形成的凝胶，凝胶填充的高度小于微球直径；
(2)选择性刻蚀微球顶部，形成环形狭缝后，在微球顶部和凝胶层表面镀上一层纳米级金属薄膜或波导介质；
(3)将光纤粘结固定在微球阵列表面，即得检测装置。
4.根据权利要求3所述的表面等离激元效应的在线物质定性检测装置的制作方法，其特征在于，所述步骤(1)中基底分别放入丙酮和乙醇中进行超声清洗，放入浓H2SO4/H2O2的混合溶液中进行亲水处理。
5.根据权利要求3所述的表面等离激元效应的在线物质定性检测装置的制作方法，其特征在于，所述步骤(2)中采用FIB进行刻蚀。
6.根据权利要求3所述的表面等离激元效应的在线物质定性检测装置的制作方法，其特征在于，所述步骤(3)中采用多模光纤。
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