CN110346332A - 一种耦合增强的d型光纤spr传感器 - Google Patents

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王�琦
牛立业
宋行
王雪州
井建迎
赵万明
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    • G01N21/17—Systems in which incident light is modified in accordance with the properties of the material investigated
    • G01N21/55—Specular reflectivity
    • G01N21/552—Attenuated total reflection
    • G01N21/553—Attenuated total reflection and using surface plasmons
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Abstract

本发明公开了一种耦合增强的D型光纤SPR传感器，包括D型光纤结构，所述D型光纤结构的平整截面镀有金膜，所述金膜的表面镀有金纳米球壳。该SPR传感器采用D型光纤结构，通过加大D型光纤的研磨深度，增大了传感器的有效探测面积，并使消逝场能量可以直接与被测物质作用，避免了能量耦合的损耗，提高了传感器的灵敏度。在D型光纤的平整截面上镀一层金膜，在金膜表面固定一层金纳米球壳，由于金纳米球壳内部存在空腔，其独特的结构特征可以有效的提高局域电场的场强。

Description

一种耦合增强的D型光纤SPR传感器
技术领域
本发明涉及传感器技术领域，尤其涉及一种基于金膜和金纳米球壳耦合增强的D型光纤SPR传感器。
背景技术
由于已发现贵金属的表面等离子体激元(SPPs)性质，因此对该现象的基础和应用研究已经广泛开展。SPPs是在外部光电场激发下由贵金属结构中的表面自由电子的集体振荡形成的特殊表面电磁波。一般而言，SPPs分为两种类型：传播表面等离子体激元(PSPPs)和局部表面等离子体(LSPs)。PSPP存在于金属材料和电介质之间的界面处并沿金属表面传播。LSP位于贵金属纳米结构的表面上。当SPP和贵金属上的入射光波之间的相互作用满足一定条件时，发生表面等离子体共振(SPR)，这导致显着的表面电场增强。近十年来，基于SPR 效应的表面增强技术得到了蓬勃发展和广泛关注，并出现了许多研究方向。
近年来，随着纳米材料的深入研究，贵金属纳米复合材料的研究也在不断增加。贵金属纳米结构由于其SPR效应而得到了广泛的研究，这导致表面附近的局部电场显着增强，并可用于增强附近分子的光谱强度。在此基础上，基于 SPR效应的灵敏度检测研究有效地解决了低浓度检测的诸多问题，对于许多领域具有重要意义。然而，随着科学技术的不断发展和进步，各种检测技术的检测灵敏度也越来越高。与具有单一结构的贵金属系统相比，由于表面等离子体之间的杂化相互作用或与材料的相互作用，这些复合结构表现出更丰富和丰富的光学性质。大量的理论和实验结果证实，使用贵金属复合纳米结构可以进一步改善局部电场增强效应，这在敏感检测领域具有很大的潜力。
基于光纤SPR的传感器具有高效率，高灵敏度，所需样品少，无标记和实时检测等特点，已成为光学传感研究领域的热点。尽管基于光纤的SPR传感器已经开发了数十年，但提高光纤SPR传感器的检测灵敏度仍然是该领域持续关注的问题，现有技术中的光纤SPR传感器具有灵敏度低、精度低的缺陷。
发明内容
为了解决现有光纤SPR生物传感器的灵敏度和精确性较低的问题，本发明提出了一种基于金膜和金纳米球壳耦合增强的D型光纤SPR传感器，具体结构包括：D型光纤结构，所述D型光纤结构包括半圆形截面和平整截面，所述平整截面上镀有金膜，所述金膜的表面镀有金纳米球壳。
所述D型光纤结构的光纤直径为50—1000um，平整截面的宽度为50— 1000um。
所述金膜的厚度为10nm—150nm。
所述金纳米球壳的直径么为10nm—100nm，所述金纳米球壳的壁厚为5nm —45nm。
由于采用了上述技术方案，本发明提供的一种耦合增强的D型光纤SPR传感器：该SPR传感器采用D型光纤结构，通过加大D型光纤的研磨深度，增大了传感器的有效探测面积，D形传感光纤激发的消逝场能量高、有效作用面积大，消逝场能量不需要穿过预留的光纤包层，可以直接与被测物质作用，避免了能量耦合的损耗，提高了传感器的灵敏度。在D型光纤的平整截面上镀一层金膜，在金膜表面固定一层金纳米球壳，由于金纳米球壳内部存在空腔，其独特的结构特征可以有效的提高局域电场的场强。当金膜的SPR效应和金纳米球壳的 LSPR效应同时存在时，就会产生相互耦合，这种耦合会导致纳米粒子与金膜之间的局域电场发生增强，进一步提高传感器灵敏度。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明D型光纤SPR传感器的结构示意图；
图2为本发明D型光纤的结构示意图；
图3(a)(b)是本发明实施例1中的D型光纤/金膜SPR传感器在不同折射率溶液中的敏感光谱图；
图4(a)(b)是本发明实施例1中的D型光纤/金膜/金纳米壳在不同折射率溶液中的敏感光谱图；
图中：1、D型光纤，2、金膜，3、金纳米球壳，11、平整截面，12、半圆形截面。
具体实施方式
为使本发明的技术方案和优点更加清楚，下面结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚完整的描述：
如图1和图2所示的一种耦合增强的D型光纤SPR传感器，本传感器主要利用SPR/LSPR耦合增强来提高光纤SPR传感器检测的灵敏度和精确度，D型光纤结构1包括半圆形截面12和平整截面11，在D型光纤的平整截面11上镀一层金膜2，在金膜2表面固定金纳米球壳3。由于金纳米球壳3内部存在空腔，其独特的结构特征可以有效的提高局域电场的场强。当金膜的SPR效应和金纳米球壳的LSPR效应同时存在时，就会产生相互耦合，这种耦合会导致纳米粒子与金膜之间的局域电场发生增强，进一步提高传感器灵敏度。采用D型光纤，在增强传感器灵敏度的同时，由于D型光纤具有一个平整截面，因此在镀膜和固定纳米粒子时的操作工艺更简单方便。
实施例：
本实施例中，制备一种用于检测溶液折射率的金膜和金纳米球壳耦合增强的D型光纤SPR传感器。采用折射率传感实验测试了D型光纤/金膜SPR传感器和D型光纤/金膜/Au纳米壳(AuNS(50/40))SPR传感器的传感性能。D型光纤/金膜SPR传感器的共振谱如图3(a)所示，灵敏度拟合曲线如图3(b) 所示。如图3所示，D型光纤/金膜SPR传感器的灵敏度和线性度为2071nm/RIU 和99.30％。D型光纤/金膜/Au纳米壳(AuNS(50/40))SPR传感器的共振谱如图4(a)所示，灵敏度拟合曲线如图4(b)所示。D型光纤/金膜/Au纳米壳 (AuNS(50/40))SPR传感器的灵敏度和线性度分别为2690nm/RIU和99.61％。添加Au纳米壳后，传感器的共振谱发生红移。与没有Au纳米壳的传感器相比，传感器的线性度更好，灵敏度提高了619nm/RIU。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种耦合增强的D型光纤SPR传感器，其特征在于包括：D型光纤结构(1)，所述D型光纤结构(1)包括半圆形截面(12)和平整截面(11)，所述平整截面(11)上镀有金膜(2)，所述金膜(2)的表面镀有金纳米球壳(3)。
2.根据权利要求1所述的一种耦合增强的D型光纤SPR传感器，其特征还在于：所述D型光纤结构(1)的光纤直径为50—1000um，平整截面(11)的宽度为50—1000um。
3.根据权利要求1所述的一种基于金膜和金纳米球壳耦合增强的D型光纤SPR传感器，其特征还在于：所述金膜(2)的厚度为10nm—150nm。
4.根据权利要求1所述的一种耦合增强的D型光纤SPR传感器，其特征还在于：所述金纳米球壳(3)的直径么为10nm—100nm，所述金纳米球壳(3)的壁厚为5nm—45nm。
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