CN212459407U

CN212459407U - 一种金属纳米粒子lspr散射线宽压缩装置

Info

Publication number: CN212459407U
Application number: CN202021377017.6U
Authority: CN
Inventors: 张树斌; 黄梦醒; 王冠军
Original assignee: Hainan University
Current assignee: Hainan University
Priority date: 2020-07-14
Filing date: 2020-07-14
Publication date: 2021-02-02
Anticipated expiration: 2030-07-14

Abstract

本实用新型公开了一种金属纳米粒子LSPR散射线宽压缩装置，该宽压缩装置包括单模光纤、微泡腔、金属纳米粒子、显微镜、偏振片、分光镜；所述单模光纤的端部设置有微泡腔，所述微泡腔的外表面设置有金属纳米粒子；在单模光纤传输方向微泡腔的上端设置有显微镜；所述显微镜的上端设置有偏振片；所述偏振片上端设置有分光镜。本发明提供的光纤微泡薄膜层F‑P微腔结构调制情况下，LSPR散射谱将受到微腔窄谐振模式调制，出现多条窄线宽谱峰，其线宽将主要取决于微腔腔长。本实用新型提供的光纤微泡结构的金属纳米粒子LSPR散射线宽压缩装置，其具有低成本、窄线宽、宽调控范围的优点。

Description

一种金属纳米粒子LSPR散射线宽压缩装置

技术领域

本实用新型属于微纳光学技术领域，具体是涉及一种金属纳米粒子LSPR散射线宽压缩装置。

背景技术

基于金属纳米粒子的局域表面等离激元共振（LSPR）是一种重要的高灵敏度、快速、无标记、集成光学检测技术，在医学诊断、食品卫生、公共安全等领域具有重要应用价值。LSPR 最大特点是其共振波长和电场增强程度与纳米粒子尺寸、结构、组分及表面折射率密切相关，具有良好的调谐性和表面电场增强效果。LSPR 的检测机理是通过测量分析物对LSPR共振峰的信号强度、相位、偏振以及激发角度等参数的影响进行分析。测量LSPR散射或吸收谱峰变化是最常用的LSPR 检测方式。

但由于金属纳米粒子的强烈散射损耗与本征吸收效应，导致其局域表面等离激元共振谱线宽相对较宽，品质因子相对较低。这使其很难分辨纳米量级以下的波长移动，难以满足更高灵敏度乃至单生物分子传感需求。所以，探索如何压缩LSPR线宽，是进一步提高LSPR纳米生物传感器检测灵敏度、促进LSPR生物检测技术继续发展的关键问题。

针对这一关键问题，现有技术采用多种结构来改善LSPR线宽特性。如利用周期性金属纳米粒子阵列的远场辐射耦合作用，在合理设计金属纳米粒子的尺寸以及粒子间距条件下，可使金属纳米粒子阵列的消光谱中产生尖锐的窄线宽远场偶极辐射共振峰。另外，利用按一定位置、间距排布的金属纳米粒子多聚体杂化结构的近场耦合作用，也可产生具有较窄线宽的Fano共振散射峰，这也可以明显提高局域表面等离激元共振传感的品质因子。

但这些方法通常需要严格控制金属纳米粒子尺寸、形貌和间距等参数，所需实验条件都比较苛刻。

实用新型内容

针对现有技术存在的不足，本实用新型的目的在于提供一种金属纳米粒子LSPR散射线宽压缩装置，用以解决由于金属纳米粒子的强烈散射损耗与本征吸收效应，导致其局域表面等离激元共振谱线宽相对较宽，品质因子相对较低，很难分辨纳米量级以下的波长移动，难以满足更高灵敏度乃至单生物分子传感需求的技术问题。

为实现上述目的，本实用新型采用的技术方案为：

一种金属纳米粒子LSPR散射线宽压缩装置，包括单模光纤、薄膜层微泡、金属纳米粒子、显微镜、偏振片、分光片；所述单模光纤的端部设置有薄膜层微泡，所述薄膜层微泡的外表面设置有金属纳米粒子；在单模光纤传输方向微泡腔的上端设置有显微物镜；所述显微镜的上端设置有偏振片；所述偏振片上端设置有分光片。

优选的，通过化学修饰方法将金属纳米粒子设置微泡腔的外表面。

优选的，所述分光片上端单模光纤传输方向设置有CCD摄像机。

优选的，在所述分光片右端单模光纤传输方向的垂直方向上设置有光纤光谱仪。

优选的，所述薄膜层微泡结构包括空心微泡腔和微泡顶部薄膜层，所述微泡顶部薄膜层和金属纳米粒子构成一种复合结构的Fabry-Perot微腔结构。

优选的，所述金属纳米粒子厚度d1为1-70纳米，修饰在光纤微泡腔薄膜外表面；所述微泡薄膜层厚度d2为0.3-3微米，即300-3000纳米。

优选的，所述金属纳米粒子厚度d1和微泡薄膜层厚度d2之间满足d1·d2大于等于450小于等于205000。

优选的，所述偏振片由玻璃或者合成树脂制成，其阿贝数值A1为32-58.5，表面粗糙度Ra为2-8纳米。

优选的，为了解决由于金属纳米粒子的强烈散射损耗与本征吸收效应，对金属纳米粒子LSPR散射线宽进行压缩以满足更高灵敏度需求，所述金属纳米粒子厚度d1、微泡薄膜层厚度d2、所述偏振片的阿贝数值A1之间满足以下关系：

d2=α·(A1)2+d1；

其中，α为微泡薄膜层厚度系数，取值范围为0.12-2.45。

优选的，为了进一步更好地解决由于金属纳米粒子的强烈散射损耗与本征吸收效应，对金属纳米粒子LSPR散射线宽进行压缩以满足更高灵敏度乃至单生物分子传感需求，所述偏振片的表面粗糙度Ra、阿贝数值A1、微泡薄膜层厚度d2之间满足以下关系：

d2/A1=β·(A1/Ra)；

其中，β为关系因子，取值范围为2.18-18.45。

优选的，本实用新型还提供一种基于光纤微泡结构的金属纳米粒子LSPR散射线宽压缩装置的线宽压缩方法，该线宽压缩方法包括以下步骤：

S1、光纤微泡腔的制备：将端面沾有液体的两根光纤放在熔接机里面对接后进行电弧放电操作，液体受热后膨胀会在光纤端部形成一个微泡；随后调整熔接机放电及马达参数来改变气泡结构，实现单端气泡，最后继续放电会使单端微泡变薄至微米厚度薄膜层；

S2、采用显微物镜收集经FP干涉模式调制的窄线宽LSPR散射谱信号，信号经过偏振片后经一分光片被送至CCD相机和光纤光谱仪进行成像和光谱分析。

优选的，在所述微腔调制情况下，所述LSPR散射谱将受到所述微腔窄谐振模式调制，出现多条窄线宽谱峰；所述线宽主要取决于微腔腔长。

与现有技术相比，本实用新型具有以下有益效果和优点：

1、本实用新型的金属纳米粒子LSPR散射线宽压缩装置，利用微泡薄膜层F-P窄线宽谐振腔模式来调制纳米粒子LSPR 模式，实现金属纳米粒子LSPR 散射线宽低于50nm的有效压缩。

2、本实用新型的金属纳米粒子LSPR散射线宽压缩装置，通过运用显微物镜探测方式检测LSPR散射谱，检测系统比较集成，成本也比较低、具备集成化、远距离探测潜能，有助于实现一种真正意义上的无标记、集成LSPR纳米生物传感器。

3、本实用新型的金属纳米粒子LSPR散射线宽压缩装置，在高折射率光纤端部制备不同形貌的光纤微泡结构。微泡顶端薄膜层厚度最薄可达300nm，且厚度可控。利用上述微泡薄膜层结构和金属纳米粒子，可以实现一种复合结构的Fabry-Perot微腔结构。在此基础上，提出运用微泡薄膜层Fabry-Perot窄线宽谐振腔模式来调制纳米粒子LSPR 模式，实现金属纳米粒子LSPR 散射线宽低于50nm的有效压缩。

4、本实用新型的金属纳米粒子LSPR散射线宽压缩装置，通过设置，所述金属纳米粒子厚度d1、微泡薄膜层厚度d2、所述偏振片的阿贝数值A1的范围和关系，解决由于金属纳米粒子的强烈散射损耗与本征吸收效应，对金属纳米粒子LSPR散射线宽进行压缩以满足更高灵敏度需求。

5、本实用新型的金属纳米粒子LSPR散射线宽压缩装置，通过设置所述偏振片的表面粗糙度Ra、阿贝数值A1、微泡薄膜层厚度d2之间满足的关系，进一步更好地解决由于金属纳米粒子的强烈散射损耗与本征吸收效应，对金属纳米粒子LSPR散射线宽进行压缩以满足更高灵敏度乃至单生物分子传感需求。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施方式的技术方案，下面将对实施方式中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本实用新型的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，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相关的附图。

图1为本实用新型的基于光纤微泡结构压缩金属纳米粒子LSPR散射线宽的结构图。

图2为本实用新型的基于光纤微泡结构压缩金属纳米粒子LSPR散射线宽方法实现观测系统图。

图3为本实用新型的线宽压缩结果分析图，从左到右依次是微泡薄膜层Fabry-Perot窄线宽谐振腔模式，未调控的金属纳米粒子LSPR散射谱以及经微泡薄膜层Fabry-Perot窄线宽谐振腔调控后的窄线宽LSPR散射谱。

图中：1单模光纤；2微泡内部空心；3微泡薄膜层；4金属纳米粒子；5超连续谱光源；6显微物镜；7偏振片；8分光片；9CCD相机；10光纤光谱仪。

具体实施方式

为使本实用新型实施方式的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本实用新型实施方式中的附图，对本实用新型实施方式中的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施方式是本实用新型一部分实施方式，而不是全部的实施方式。基于本实用新型中的实施方式，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式，都属于本实用新型保护的范围。

因此，以下对在附图中提供的本实用新型的实施方式的详细描述并非意在限制要求保护的本实用新型的范围，而是仅仅表示本实用新型的选定实施方式。基于本实用新型中的实施方式，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式，都属于本实用新型保护的范围。

实施例一

请参照图1-2，一种金属纳米粒子LSPR散射线宽压缩装置，包括单模光纤、薄膜层微泡、金属纳米粒子、显微物镜、偏振片、分光片；所述单模光纤的端部设置有微泡腔，所述微泡腔的外表面设置有金属纳米粒子；在单模光纤传输方向微泡腔的上端设置有显微物镜；所述显微物镜的上端设置有偏振片；所述偏振片上端设置有分光片。

通过化学修饰方法将金属纳米粒子设置微泡腔的外表面。所述分光片上端单模光纤传输方向设置有CCD相机。在所述分光片右端单模光纤传输方向的垂直方向上设置有光纤光谱仪。

所述薄膜层微泡结构包括空心微泡腔和微泡顶部薄膜层，所述微泡顶部薄膜层和金属纳米粒子构成一种复合结构的Fabry-Perot微腔结构。

所述金属纳米粒子厚度为1-50纳米，修饰在光纤微泡腔薄膜外表面；所述微泡薄膜层厚度范围为1-3微米，即1000-3000纳米。

请参照图3，其中x轴代表波长，y轴代表强度/AU；图3中我们从左往右依次看过，可以看到利用微泡薄膜层窄线宽谐振模式，对金属纳米粒子LSPR散射光谱的周期性增强和抑制效果，实现了对LSPR线宽到50纳米的有效调制和压缩。

实施例二

一种金属纳米粒子LSPR散射线宽压缩方法，该线宽压缩方法包括以下步骤：

S2、采用显微物镜收集经FP微谐振模式调制的窄线宽LSPR散射谱信号，信号经过偏振片后经一分光片被送至CCD和光纤光谱仪进行成像和光谱分析。

在所述微腔调制情况下，所述LSPR散射谱将受到所述微腔窄谐振模式调制，出现多条窄线宽谱峰；所述线宽主要取决于微腔腔长。

实施例三

光纤微泡腔的制备基于液体受热蒸发膨胀导致光纤端面受到挤压，形成中空结构。随后调整放电及马达参数来改变气泡结构，实现单端气泡，最后继续放电使得微泡薄膜层达到微米级厚度。

上述制备过程可以分为首次放电，使光纤端面形成一弧度，然后在两光纤表面涂覆微量液体；推进马达，使两光纤接触，液体附在光纤表面；光纤熔接机再次放电，两光纤端面中间受到挤压，产生一空气泡；继续放电，同时推离马达，微泡变长变细；继续对一端光纤放电，继续推离马达，两光纤脱离，形成两微泡；继续放电，同时薄膜层变薄。微泡直径在150-250微米左右，微泡顶部呈一薄膜层结构。通过优化工艺，可将薄膜层中心区域厚度控制在1-3微米左右。此薄膜层可起到复合结构的Fabry-perot微腔作用。随后可采用化学修饰方法在薄膜层外表面修饰多个分散的金属纳米粒子。

所述金属纳米粒子厚度d1为1-70纳米，修饰在光纤微泡腔薄膜外表面；所述微泡薄膜层厚度d2为0.3-3微米，即300-3000纳米。

所述金属纳米粒子厚度d1和微泡薄膜层厚度d2之间满足d1·d2大于等于450小于等于205000。

所述偏振片由玻璃或者合成树脂制成，其阿贝数值A1为32-58.5，表面粗糙度Ra为2-8纳米。

为了解决由于金属纳米粒子的强烈散射损耗与本征吸收效应，对金属纳米粒子LSPR散射线宽进行压缩以满足更高灵敏度需求，所述金属纳米粒子厚度d1、微泡薄膜层厚度d2、所述偏振片的阿贝数值A1之间满足以下关系：

d2=α·(A1)2+d1；

其中，α为微泡薄膜层厚度系数，取值范围为0.12-2.45。

为了进一步更好地解决由于金属纳米粒子的强烈散射损耗与本征吸收效应，对金属纳米粒子LSPR散射线宽进行压缩以满足更高灵敏度乃至单生物分子传感需求，所述偏振片的表面粗糙度Ra、阿贝数值A1、微泡薄膜层厚度d2之间满足以下关系：

d2/A1=β·(A1/Ra)；

其中，β为关系因子，取值范围为2.18-18.45。

本实用新型首次提出对一种基于光纤微泡结构的LSPR纳米传感器。可利用微泡薄膜层窄谐振模式对纳米粒子LSPR的周期性增强或抑制效果，实现有效调制和压缩LSPR线宽低于50nm目的。此外，本项目提出利用显微物镜探测方式检测LSPR散射谱，检测系统比较集成，成本也比较低、具备集成化、远距离探测潜能，有助于实现一种真正意义上的无标记、集成LSPR纳米生物传感器。

以上所述仅为本实用新型的优选实施方式而已，并不用于限制本实用新型，对于本领域的技术人员来说，本实用新型可以有各种更改和变化；凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims

1.一种金属纳米粒子LSPR散射线宽压缩装置，其特征在于：该宽压缩装置包括单模光纤、微泡腔、金属纳米粒子、显微镜、偏振片、分光镜；所述单模光纤的端部设置有微泡腔，所述微泡腔的外表面设置有金属纳米粒子；在单模光纤传输方向微泡腔的上端设置有显微镜；所述显微镜的上端设置有偏振片；所述偏振片上端设置有分光镜。

2.如权利要求1所述的一种金属纳米粒子LSPR散射线宽压缩装置，其特征在于：通过可调谐激光器将金属纳米粒子设置在微泡腔的外表面。

3.如权利要求1所述的一种金属纳米粒子LSPR散射线宽压缩装置，其特征在于：所述显微镜包括物镜和目镜，所述物镜位于目镜的下端。

4.如权利要求1所述的一种金属纳米粒子LSPR散射线宽压缩装置，其特征在于：在分光镜上端单模光纤传输方向设置有CCD摄像机。

5.如权利要求1所述的一种金属纳米粒子LSPR散射线宽压缩装置，其特征在于：在分光镜右端单模光纤传输方向的垂直方向上设置有光谱仪。

6.如权利要求1所述的一种金属纳米粒子LSPR散射线宽压缩装置，其特征在于：所述微泡结构包括微泡腔和微泡顶部薄膜，所述微泡腔、微泡顶部薄膜和金属纳米粒子构成F-P微腔结构。