CN111854979B - 一种基于lspr效应的温度传感器及其制备、检测方法 - Google Patents
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Abstract
一种基于LSPR效应的温度传感器及其制备、检测方法，温度传感器包括金属纳米球和透明基体，所述透明基体的表面开槽并将金属纳米球嵌入固定，金属纳米球的上半部分高出透明基体的表面；所述金属纳米球的一侧设置有激光发生器，另一侧设置有光谱仪，激光发生器发射的激光穿过金属纳米球被光谱仪接收，光谱仪进行光谱测量，通过显示吸收峰的位置判断环境温度。制备方法包括首先采用刻蚀工艺在透明基体的表面开设用于放置金属纳米球的凹槽；然后将纯净的金属纳米球放置在透明基体的凹槽上并固定。本发明能够直接放置在待测环境中，不受各种恶劣环境的限制，实现实时高效的远距离、非接触测温过程。
Description
技术领域
本发明属于温度传感器领域，具体涉及一种基于LSPR效应的温度传感器及其制备、检测方法。
背景技术
近年来，伴随着先进纳米技术的发展，对于光学传感的研究取得了爆发性的进步，并已经被广泛应用于食品安全、环境监测、生物诊断等重要领域，光学传感的核心是分析物与电磁场发生相互作用引起的光学信号变化，因此，常见的光学传感策略通常依赖于消光、荧光、电化学发光及拉曼散射等光学现象。在各类光学传感技术中，基于消光的局域表面等离子共振(localized surface plasmon resonance，LSPR)传感技术由于具有制备简单、成本低廉、响应快速、信噪比高及无需标记等优点，因此，而受到了较多的关注。
LSPR是金属表面的自由电子云集体震荡的频率与入射光频率相同时，二者发生共振而产生的一种强等离子体消光现象。LSPR基底中最常见的是由贵金属(如金、银、铂金等)构成的纳米颗粒及纳米阵列。具备如下优点：(1)高摩尔消光系数，如纳米金棒(Aunanorod，Au NRs)的消光系数可达6×109M-1·cm-1；(2)光谱可根据纳米结构的形状、大小、组成及相互间的耦合来进行调整；(3)具有较好的化学及光学稳定性；(4)易于进行表面修饰。LSPR基底的能量可体现为消光光谱上的波峰和波谷，受周围环境介电性质的影响大。而环境温度的改变会对金属的节点常数产生显著影响，导致金属LSPR波峰产生位移。因此，该性质成为了传统LSPR传感系统中最关注的检测参数，被广泛应用于基于亲和识别的化学、生物分子分析。现有的温度传感方案中没有将金属的LSPR性质和温度传感器结合的先例，现有的温度传感器一般利用电磁效应进行温度测量，在电磁环境复杂的情况中无法正常使用。现有的温度传感器多为接触式传感，即测量温度和观测都需要在一定距离内进行观测。
发明内容
本发明的目的在于针对上述现有技术中接触式温度传感器使用过程受限制多以及操作不便的问题，提供一种基于LSPR效应的温度传感器及其制备、检测方法，能够直接放置在待测环境中，不受各种恶劣环境的限制，实现实时高效的远距离、非接触测温过程。
为了实现上述目的，本发明有如下的技术方案：
一种基于LSPR效应的温度传感器，包括金属纳米球和透明基体，所述透明基体的表面开槽并将金属纳米球嵌入固定，金属纳米球的上半部分高出透明基体的表面；所述金属纳米球的一侧设置有激光发生器，另一侧设置有光谱仪，激光发生器发射的激光穿过金属纳米球被光谱仪接收，光谱仪进行光谱测量，通过显示吸收峰的位置判断环境温度。
优选的，所述的金属纳米球为金、银或铜制成的球形纳米颗粒。
优选的，所述的金属纳米球的直径为50nm，金属纳米球嵌入透明基体的截面跨度为40nm，吸收峰为350nm～700nm。
优选的，所述的透明基体采用平板玻璃，平板玻璃的厚度为3mm～4mm，长度为50mm，宽度为40mm。
优选的，所述金属纳米球嵌入透明基体的表面之后采用玻璃胶粘合固定。
本发明还提供一种基于LSPR效应的温度传感器制备方法，包括以下步骤：
-采用刻蚀工艺在透明基体的表面开设用于放置金属纳米球的凹槽，凹槽的宽度满足金属纳米球放入之后能够金属纳米球的上半部分高出透明基体的表面；
-将纯净的金属纳米球放置在透明基体的凹槽上并固定。
优选的，透明基体采用平板玻璃，透明基体上的凹槽采用氢氟酸进行刻蚀，刻蚀过程为：
1)将石蜡熔化，涂在透明基体上，在透明基体上形成一层蜡膜；
2)在蜡膜上雕刻凹槽；
3)在透明基体表面涂氢氟酸进行刻蚀，氢氟酸浓度为40％，密度为1.12g/cm3；
4)除去透明基体表面石蜡，再使用纯水反复清洗得到表面有凹槽的透明基体。
本发明还提供一种采用所述基于LSPR效应的温度传感器的检测方法，包括以下步骤：
将温度传感器长期放置于待测环境中进行实时测量，通过激光发生器从金属纳米球的一侧发射激光，激光穿过金属纳米球之后被另一侧的光谱仪接收，光谱仪进行光谱测量，通过显示吸收峰的位置判断环境温度。
优选的，通过显示吸收峰的位置判断环境温度的具体方法为：
当金属纳米球直径为50nm，对于由金、银或铜制成的金属纳米球，环境温度分别在100k、300k、500k和700k时，金纳米球的吸收峰位置分别为600nm、553nm、458nm和534nm，银纳米球的吸收峰位置分别为492nm、517nm、358nm和361nm；环境温度分别在100k、300k和500k时铜纳米球的吸收峰位置分别为677nm、658nm、634nm。
优选的，将实验测得的金属介电常数相关数据输入计算模型中，得到金属纳米球吸收光谱随着温度变化的详细数据。
相较于现有技术，本发明基于LSPR效应的温度传感器有以下有益效果：结构简单，由于金属纳米球和透明基体的物理性质比较稳定，可以长期放置于待测环境中，进行温度的实时监测。由于金属的物理性质会随着温度发生变化，其中介电常数的变化会对材料的折射率产生影响，从而引起局域表面等离子体能量的改变，据此本发明激光发生器发射的激光穿过金属纳米球被光谱仪接收，光谱仪进行光谱测量，通过显示吸收峰的位置判断环境温度，温度探测距离可以根据入射光强的变化得到调节及提升，使用灵活。本发明所采用的金属纳米球体积小，吸收光谱随着温度变化响应快，能满足研制便携式设备的需要。
相较于现有技术，本发明基于LSPR效应的温度传感器制备方法采用刻蚀工艺在透明基体的表面开设用于放置金属纳米球的凹槽，便于操作，保证凹槽的宽度满足要求。
相较于现有技术，本发明采用基于LSPR效应的温度传感器的检测方法，具有易检测、自动化、高敏感度的特点，为实现便利、快速、自动化的检测装备打下基础，能方便快速的检测环境温度。利用金属纳米球对光能的吸收的特点，能有效实现远距离非接触式测温。该温度传感器能够长期放置在所需测温环境中，进行长期监测，并实时获得相关数据。
附图说明
图1为采用金纳米球且直径为50nm时，局域表面等离子体效应的吸收峰示意图；
图2为采用银纳米球且直径为50nm时，局域表面等离子体效应的吸收峰示意图；
图3为采用铜纳米球且直径为50nm时，局域表面等离子体效应的吸收峰示意图；
图4本发明基于LSPR效应的温度传感器主视示意图。
具体实施方式
下面结合附图及实施例对本发明做进一步的详细说明。
由于金属纳米颗粒吸收峰在不同温度时吸收峰有明显变化，据此，本发明通过研究吸收光谱的变化设计相应的温度传感器。本发明提供一种基于金属纳米球LSPR效应的温度传感器，能提供长期高效的测温过程，不受恶劣环境影响，并能通过进行远距离非接触式测温。
参见图4，本发明基于LSPR效应的温度传感器，包括金属纳米球和透明基体，透明基体的表面开槽并将金属纳米球嵌入固定，金属纳米球的上半部分高出透明基体的表面。
金属纳米球为金、银或铜制成的球形纳米颗粒。
金属纳米球的直径为50nm，金属纳米球嵌入透明基体的截面跨度为40nm，金属纳米球的吸收峰为350nm～700nm。透明基体采用平板玻璃，平板玻璃的厚度为3mm～4mm，长度为50mm，宽度为40mm。金属纳米球嵌入透明基体的表面之后采用玻璃胶粘合固定。金属纳米球的一侧设置有激光发生器，另一侧设置有光谱仪，激光发生器发射的激光穿过金属纳米球被光谱仪接收，光谱仪进行光谱测量，通过显示吸收峰的位置判断环境温度。
一种基于LSPR效应的温度传感器制备方法，包括以下步骤：
首先，采用刻蚀工艺在透明基体的表面开设用于放置金属纳米球的凹槽，凹槽的宽度满足金属纳米球放入之后能够金属纳米球的上半部分高出透明基体的表面；
然后，将纯净的金属纳米球放置在透明基体的凹槽上并固定。
具体的，透明基体采用平板玻璃，透明基体上的凹槽采用氢氟酸进行刻蚀，刻蚀过程为：
1)将石蜡熔化，涂在平板玻璃上，在平板玻璃上形成一层蜡膜；
2)利用电子显微镜观察，在蜡膜上雕刻约40nm宽度的凹槽；
3)将平板玻璃放平，在平板玻璃表面涂氢氟酸进行刻蚀，氢氟酸浓度为40％，密度为1.12g/cm3，刻蚀时间大约10s，刻蚀完成后擦去，形成约40nm凹槽
4)刻蚀完成后首先清洁平板玻璃表面的石蜡，用镊子将石蜡轻轻除去，再使用纯水反复清洗，得到面表有凹槽的平板玻璃，将金属纳米球使用少量玻璃胶粘合在凹槽上。
一种采用所述基于LSPR效应的温度传感器的检测方法，包括以下步骤：将温度传感器长期放置于待测环境中进行实时测量，可以是高温或低温的空气环境中，通过激光发生器从金属纳米球的一侧发射激光，激光穿过金属纳米球之后被另一侧的光谱仪接收，光谱仪进行光谱测量，通过显示吸收峰的位置判断环境温度。根据入射光强的变化调节温度探测距离。
利用金属局域表面等离子的性质，将温度与金属光学性质结合在一起能有效进行周围温度的测量，通过显示吸收峰的位置判断环境温度的具体方法为：
当金属纳米球直径为50nm，对于由金、银或铜制成的金属纳米球，环境温度分别在100k、300k、500k和700k时，金纳米球的吸收峰位置分别为600nm、553nm、458nm和534nm，银纳米球的吸收峰位置分别为492nm、517nm、358nm和361nm；环境温度分别在100k、300k和500k时铜纳米球的吸收峰位置分别为677nm、658nm、634nm。
本发明利用局域表面等离子体共振效应，当金属纳米颗粒所在的温度发生变化时，会导致金属纳米颗粒表面的折射率发生变化，进而导致纳米材料的吸收波长产生偏移，通过测量金属纳米球的光谱，分析吸收峰所在位置，能有效反应环境温度发生的变化。由于金属纳米球的体积小，吸收光谱随着温度变化响应快，这一特点能满足研制便携式设备的需要。
本发明还提供了金属纳米球在理论实验中的结果，将实验测得的金属介电常数相关数据输入计算模型中，得到金属纳米球吸收光谱随着温度变化的详细数据。
本发明采用基于LSPR效应的温度传感器的检测方法，具有易检测、自动化、高敏感度的特点，为实现便利、快速、自动化的检测装备打下基础，能方便快速的检测环境温度。利用金属纳米球对光能的吸收的特点，能有效实现远距离非接触式测温。该温度传感器能够长期放置在所需测温环境中，进行长期监测，并实时获得相关数据。
以上结合具体特征及其实施例对本发明进行了描述，显而易见的，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，还可以对其进行各种修改和组合。相应地，本说明书和附图仅仅是所附权利要求所界定的本发明的示例性说明，且视为已覆盖本发明范围内的任意和所有修改、变化、组合或等同物。显然，本领域技术人员可以对本发明进行各种改动和变型，这些不脱离本发明的精神和范围的修改和变型也属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内。
Claims (5)
1.一种基于LSPR效应的温度传感器，其特征在于：包括金属纳米球和透明基体，所述透明基体的表面开槽并将金属纳米球嵌入固定，金属纳米球的上半部分高出透明基体的表面；所述金属纳米球的一侧设置有激光发生器，另一侧设置有光谱仪，激光发生器发射的激光穿过金属纳米球被光谱仪接收，光谱仪进行光谱测量，通过显示吸收峰的位置判断环境温度；所述的金属纳米球的直径为50nm，金属纳米球嵌入透明基体的截面跨度为40nm，吸收峰为350nm～700nm；所述的透明基体采用平板玻璃，平板玻璃的厚度为3mm～4mm，长度为50mm，宽度为40mm；所述金属纳米球嵌入透明基体的表面之后采用玻璃胶粘合固定；所述的金属纳米球为金、银或铜制成的球形纳米颗粒；当金属纳米球的直径为50nm，对于由金、银或铜制成的金属纳米球，环境温度分别在100k、300k、500k和700k时，金纳米球的吸收峰位置分别为600nm、553nm、458nm和534nm，银纳米球的吸收峰位置分别为492nm、517nm、358nm和361nm；环境温度分别在100k、300k和500k时铜纳米球的吸收峰位置分别为677nm、658nm、634nm。
2.一种基于LSPR效应的温度传感器制备方法，其特征在于，所述基于LSPR效应的温度传感器为权利要求1所述基于LSPR效应的温度传感器，包括以下步骤：
-采用刻蚀工艺在透明基体的表面开设用于放置金属纳米球的凹槽，凹槽的宽度满足金属纳米球放入之后能够金属纳米球的上半部分高出透明基体的表面；
-将纯净的金属纳米球放置在透明基体的凹槽上并固定。
3.根据权利要求2所述基于LSPR效应的温度传感器制备方法，其特征在于，所述的透明基体采用平板玻璃，透明基体上的凹槽采用氢氟酸进行刻蚀，刻蚀过程为：
1)将石蜡熔化，涂在透明基体上，在透明基体上形成一层蜡膜；
2)在蜡膜上雕刻凹槽；
3)在透明基体表面涂氢氟酸进行刻蚀，氢氟酸浓度为40％，密度为1.12g/cm3；
4)除去透明基体表面石蜡，再使用纯水反复清洗得到表面有凹槽的透明基体。
4.一种采用如权利要求1所述基于LSPR效应的温度传感器的检测方法，其特征在于，包括以下步骤：将温度传感器长期放置于待测环境中进行实时测量，通过激光发生器从金属纳米球的一侧发射激光，激光穿过金属纳米球之后被另一侧的光谱仪接收，光谱仪进行光谱测量，通过显示吸收峰的位置判断环境温度。
5.根据权利要求4所述的检测方法，其特征在于，通过显示吸收峰的位置判断环境温度的具体方法为：当金属纳米球的直径为50nm，对于由金、银或铜制成的金属纳米球，环境温度分别在100k、300k、500k和700k时，金纳米球的吸收峰位置分别为600nm、553nm、458nm和534nm，银纳米球的吸收峰位置分别为492nm、517nm、358nm和361nm；环境温度分别在100k、300k和500k时铜纳米球的吸收峰位置分别为677nm、658nm、634nm。
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