CN111965161A - 一种光纤表面增强拉曼光谱传感检测装置及检测方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种光纤表面增强拉曼光谱传感检测装置及检测方法，包括：平凸柱面透镜，位于光路上；多模光纤探针，其输入端与平凸柱面透镜的输出端光路连接；其表面的设定位置上设置有金属纳米颗粒层，形成敏感区；样品池，设置于敏感区位置处，且设置有拉曼探头，敏感区位于拉曼探头的焦距处；功率探测器，其输入端与多模光纤探针的输出端光路连接。利用多模光纤中的偏斜光线激发多模光纤表面增强拉曼散射基底，偏斜光线能产生很高的倏逝场，具有更强的传感性能。
Description
技术领域
本发明涉及食品安全光谱检测与光纤传感技术领域，是一种光纤表面增强拉曼光谱传感检测装置及检测方法。
背景技术
公开该背景技术部分的信息仅仅旨在增加对本发明的总体背景的理解，而不必然被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已经成为本领域一般技术人员所公知的现有技术。
物质辨别及定量检测技术在食品安全、环境保护以及生命科学领域具有很重要的应用，对于人们生活质量保障的重要性不言而喻。光谱检测法通常是基于分子层面的物理性质来确定物质的种类，目前相关的技术有荧光光谱法、光干涉检测法、吸收光谱法和拉曼光谱法等。当前，拉曼光谱分析是以拉曼散射为基础建立起来的分子结构表征技术，可用来对分子的化学官能团进行鉴定，不受水溶剂的影响实现样品成分的特异性检测。近年来，借助于拉曼光谱仪的小型化和微型化，表面增强拉曼光谱(SERS)技术已经从实验室技术逐渐发展成为一种现场快检技术，有望在迫切需要现场快速检测工具的食品安全、环境监测、国防和公共安全等领域得到广泛应用。
局域表面等离子体共振是金属纳米颗粒一个重要的光学性质，其与金属纳米颗粒周围介质的折射率密切相关，当共振条件满足时，局域以及散射的光场都会得到极大的增强，利用金属纳米颗粒的这个效应可以极大增强物质的非线性效应，如表面增强拉曼散射、表面增强倍频效应等，在化学、医学、生物分子传感等诸多领域中有很重要的应用。
准确可靠的SERS定量分析一直是SERS领域的热点和痛点问题，迄今尚未能得到有效解决。目前，大部分工作都聚焦于提高电磁场增强的稳定性，如制备重现可靠的(溶胶或固态)SERS基底、内标法消除热点区域的电磁场增强的高度不均匀性等。但是，不同浓度下，由于目标分子与基底的相互作用方式，如表面吸附构型、吸附位点等会发生改变，从而可能影响定量分析结果。
发明内容
为了解决现有技术中存在的技术问题，本发明的目的是提供一种光纤表面增强拉曼光谱传感检测装置及检测方法。
为解决以上技术问题，本发明的以下一个或多个实施例提供了如下技术方案：
第一方面，本发明提供一种光纤表面增强拉曼光谱传感检测装置，包括：
平凸柱面透镜，位于光路上；
多模光纤探针，其输入端与平凸柱面透镜的输出端光路连接；其表面的设定位置上设置有金属纳米颗粒层，形成敏感区；
样品池，设置于敏感区位置处，且设置有拉曼探头，敏感区位于拉曼探头的焦距处；
功率探测器，其输入端与多模光纤探针的输出端光路连接。
第二方面，本发明提供一种光纤表面增强拉曼光谱传感检测方法，包括如下步骤：
单频激光经准直后进入平凸柱面透镜，将高斯光束转变为片光束，并以不同角度入射到多模光纤探针输入面的不同位置处；
多模光纤探针内的光束激发样品池内的样品，产生拉曼散射，并在贵金属纳米颗粒层的作用下增强；
增强后的拉曼散射光被拉曼探针接收，传输给拉曼光谱仪；
多模光纤探针输出的光束被功率探测器接收；
通过拉曼光谱和功率衰减，对样品进行定性和定量检测。
与现有技术相比，本发明的以上一个或多个技术方案取得了以下有益效果：
(1)利用多模光纤中的偏斜光线激发多模光纤表面增强拉曼散射基底，偏斜光线能产生很高的倏逝场，具有更强的传感性能，因此不需要将光纤二次破坏性加工以得到锥形、D形、凹槽形结构，来获得倏逝场，该方法保持了光纤原有的结构和鲁棒性，使光纤SERS基底具有较强的可靠性。
(2)平凸柱面透镜可以将高斯光束转变成片光束，使装置在进行激发光入射角调整时，具有更高的分辨率，进而可以使得检测装置具有更高的检测灵敏度。
(3)利用同一个多模光纤探针，既进行拉曼光谱检测又进行吸收光强检测，将表面增强拉曼光谱检测和吸收光强检测相结合，能够同时实现物质的定性及定量检测。
附图说明
构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。
图1是本发明实施例的基于偏斜光线激发的光纤表面增强拉曼光谱传感检测装置的整体结构示意图；
图2是本发明实施例的多模光纤探针示意图；
图3本发明实施例的片光束在多模光纤探针输入端的激发位置；
图4、图5是本发明实施例的0.1μg/mL的罗丹明6G溶液在不同入射条件下的光衰减图；
图6是本发明实施例的获得的罗丹明6G溶液的浓度关系图；
图7是本发明实施例的获得的浓度为0.1μg/mL罗丹明6G溶液的拉曼光谱图。
其中，1-单频激光器，2-准直透镜，3-平凸柱面透镜，4-多模光纤探针，5-样品池，6-功率探测器，7-拉曼探头，8-拉曼光谱仪，9-拉曼光谱及功率衰减显示器。
具体实施方式
应该指出，以下详细说明都是示例性的，旨在对本发明提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本发明的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
第一方面，本发明提供一种光纤表面增强拉曼光谱传感检测装置，包括：
平凸柱面透镜，位于光路上；
多模光纤探针，其输入端与平凸柱面透镜的输出端光路连接；其表面的设定位置上设置有能产生表面增强拉曼光谱的材料层(贵金属纳米颗粒层)，形成敏感区；
样品池，设置于敏感区位置处，且设置有拉曼探头，敏感区位于拉曼探头的焦距处；
功率探测器，其输入端与多模光纤探针的输出端光路连接。
样品池主要功能用于形成测量暗室，固定光纤探针，引入拉曼激发光，收集拉曼散射光。主要包括拉曼探头筒、激发光束筒、光纤探针敏感矩形区域、光纤槽以及光纤压块。拉曼探头筒末端到光纤探针的垂直距离为拉曼探头物镜的焦距。光纤压块用于固定光纤探针。
平凸柱面透镜产生窄线状光束，能较精确选择最佳入射位置，而且光射线群越窄，光纤中与横模竞争相关的泵浦吸收不稳定性就越弱。
局域表面等离子体共振技术可以增强拉曼散射的信号强度，提高拉曼光谱法辨别物质的能力。光纤具有体积小、重量轻、抗电磁干扰能力强、集传输和传感于一体的特性，多模光纤传感技术利用偏斜光线激发产生较强渐逝场，增强光与物质的相互作用，获得了更高的泵浦激光吸收能力，提高了拉曼光谱及吸收光谱法的检测能力。
利用贵金纳米颗粒的局域表面等离子体共振特性获得的表面增强拉曼散射现象以及利用偏斜光线激发的多模光纤传感技术，提出的一套基于偏斜光线激发的局域表面等离子体共振光纤化学传感检测装置，该检测装置将多模光纤偏斜光线传感技术引入表面增强拉曼散射效应，增强光与物质的相互作用，获得了更高的泵浦激光吸收能力，进而增强了多模光纤上的金属纳米颗粒之间的局域表面等离子体共振，提高拉曼散射信号的灵敏度，一方面发挥拉曼光谱检测法的物质辨别能力，另一方面发挥了多模光纤吸收光谱法的定量检测能力，为物质的现场快速辨别及定量分析提供了新的解决方案。
在一些实施例中，还包括激光器，激光器位于平凸柱面透镜的光路上游。
进一步的，所述激光器为单频激光器。
进一步的，激光器与平凸柱面透镜之间设置有准直透镜。
在一些实施例中，多模光纤探针的输入端的入射光束与多模光纤探针的轴线呈设定夹角。
进一步的，入射光束与多模光纤探针的轴线之间的夹角为5-15°。
更进一步的，入射光束与多模光纤探针的轴线之间的夹角为8-11°。
在一些实施例中，所述金属纳米颗粒为金纳米颗粒。
拉曼探头自带聚焦透镜，拉曼散射光通过聚焦透镜聚集后输入拉曼探头，可以提高检测的灵敏度。
第二方面，本发明提供一种光纤表面增强拉曼光谱传感检测方法，包括如下步骤：
单频激光经准直后进入平凸柱面透镜，将高斯光束转变为片光束，并以不同角度入射到多模光纤探针输入面的不同位置处；
多模光纤探针内的光束激发样品池内的样品，产生拉曼散射，并在贵金属纳米颗粒层的作用下增强；
增强后的拉曼散射光被拉曼探针接收，传输给拉曼光谱仪；
多模光纤探针输出的光束被功率探测器接收；
通过拉曼光谱和功率衰减，对样品进行定性和定量检测。
在一些实施例中，单频激光的波长为532±1nm，功率为98-102mW。
实施例
如图1所示，基于偏斜光线激发的光纤表面增强拉曼光谱传感检测装置，包括单频激光器1、准直透镜2、平凸柱面透镜3、多模光纤探针4、光纤探针样品池5、功率探测器6、拉曼探头7、拉曼光谱仪8、拉曼光谱及功率衰减显示器9，其中，单频激光器1输出光信号的波长为532nm，功率100mW，拉曼探头7为内置532nm滤光片的拉曼收集及分光装置。
所述单频激光器1、准直透镜、平凸柱面透镜、多模光纤探针通过空间光路连接。其中，准直透镜焦距300mm，平凸柱面透镜焦距200mm。
532nm的单频激光器1固定于准直透镜2焦距处，其输出的光经准直透镜2转变为准直光束，再经平凸柱面透镜3后，光束变为8.4mm瑞利范围内的40μm厚的光片。
多模光纤探针4采用纤芯直径320μm、包层直径480μm、数值孔径0.44的光纤，总长度为85cm，分为探针输入端a、输出端b、敏感区c，其中，输入端长度为54.5cm，输出端长度30cm，敏感区长度为0.5cm，采用静电吸附的方式修饰了金纳米颗粒，颗粒大小10nm。在检测时，通过移液器将待测样品(如0.1μg/mL的罗丹明6G溶液样品)滴加在多模光纤探针4敏感区。
多模光纤探针4输入端a固定于平凸柱面透镜的焦平面上，并与焦平面成9°的夹角。输出端接功率探测器6。敏感区放置在样品池5内，且位于拉曼探头7的焦距处。平凸柱面透镜3产生的片光束与多模光纤探针4输入端光纤的轴线成9°的夹角，且位于光纤端面距边缘(xo位置)118μm的位置上。
其工作原理如下：功率为100mW、532nm波长的激光从单频激光器1发出，经准直透镜2准直后进入平凸柱面透镜3，平凸柱面透镜3将高斯光束转变成片光束，并以不同的角度入射到多模光纤探针4输入端面上的不同位置，多模光纤探针4的敏感区置于光纤探针样品池5中，拉曼散射光通过样品池5上端的聚焦透镜输入拉曼探头7，最后进入拉曼光谱仪8和拉曼光谱显示装置9，获得样品拉曼光谱，多模光纤探针4输出端连接到功率探测器6以收集光纤光功率，通过显示单元显示光功率衰减，以获得样品浓度。
从图4、图5可以看出，当片光束按照图3所示的入射位置以26μm的步长步进且入射角从0度逐步累加0.5度至40度时，0.1μg/mL的罗丹明6G溶液在不同入射角条件下产生的光衰减不同，当入射角度大于10°时，光衰减值变小；当片光束入射到光纤端面的靠近边缘位置，如x0、x1、x2、x15、x16和x17时，光衰减曲线位于较低的衰减区间；当片光束入射到光纤端面的x3和x4位置，并且入射角在8-11°之间时，光衰减最大，此时传感装置具有最高的灵敏度。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种光纤表面增强拉曼光谱传感检测装置，其特征在于：包括：
平凸柱面透镜，位于光路上；
多模光纤探针，其输入端与平凸柱面透镜的输出端光路连接；其表面的设定位置上设置有能产生表面增强拉曼光谱的材料层，形成敏感区；
样品池，设置于敏感区位置处，且设置有拉曼探头，敏感区位于拉曼探头的焦距处；
功率探测器，其输入端与多模光纤探针的输出端光路连接。
2.根据权利要求1所述的光纤表面增强拉曼光谱传感检测装置，其特征在于：还包括激光器，激光器位于平凸柱面透镜的光路上游。
3.根据权利要求2所述的光纤表面增强拉曼光谱传感检测装置，其特征在于：所述激光器为单频激光器。
4.根据权利要求2所述的光纤表面增强拉曼光谱传感检测装置，其特征在于：激光器与平凸柱面透镜之间设置有准直透镜。
5.根据权利要求1所述的光纤表面增强拉曼光谱传感检测装置，其特征在于：多模光纤探针的输入端的入射光束与多模光纤探针的轴线呈设定夹角。
6.根据权利要求5所述的光纤表面增强拉曼光谱传感检测装置，其特征在于：入射光束与多模光纤探针的轴线之间的夹角为5-15°。
7.根据权利要求6所述的光纤表面增强拉曼光谱传感检测装置，其特征在于：入射光束与多模光纤探针的轴线之间的夹角为8-11°。
8.根据权利要求1所述的光纤表面增强拉曼光谱传感检测装置，其特征在于：所述金属纳米颗粒为贵金属纳米颗粒。
9.一种光纤表面增强拉曼光谱传感检测方法，其特征在于：包括如下步骤：
单频激光经准直后进入平凸柱面透镜，将高斯光束转变为片光束，并以不同角度入射到多模光纤探针输入面的不同位置处；
多模光纤探针内的光束激发样品池内的样品，产生拉曼散射，并在贵金属纳米颗粒层的作用下增强；
增强后的拉曼散射光被拉曼探针接收，传输给拉曼光谱仪；
多模光纤探针输出的光束被功率探测器接收；
通过拉曼光谱和功率衰减，对样品进行定性和定量检测。
10.根据权利要求9所述的光纤表面增强拉曼光谱传感检测方法，其特征在于：单频激光的波长为532±1nm，功率为98-102mW。
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