專(zhuān)利名稱(chēng)：基于雙錐形光纖漸逝波耦合的光纖拉曼傳感檢測(cè)裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種基于熔融雙錐形光纖漸逝波耦合效應(yīng)的光纖拉曼傳感檢測(cè)裝置，屬光學(xué) 纖維及傳感器技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
同已有的檢測(cè)技術(shù)相比，拉曼光譜技術(shù)的主要優(yōu)勢(shì)在于；無(wú)需對(duì)待測(cè)物質(zhì)進(jìn)行任何方式 取樣預(yù)處理，就能得到豐富的有關(guān)分子振動(dòng)以及分子結(jié)構(gòu)的信息。但在通常情況下，由于分 子或原子的拉曼光散射強(qiáng)度較小，僅為入射光的10—1()，同時(shí)與本質(zhì)上更強(qiáng)的熒光信號(hào)重疊， 從而限制了其潛在的應(yīng)用。直到1974年，F(xiàn)leischmann等人首次發(fā)現(xiàn)了表面增強(qiáng)拉曼散射 (Surface-enhanced Raman scattering, SERS)效應(yīng)。1977年Jeanmaire禾口 Van Duyne對(duì)該現(xiàn)象 的本質(zhì)進(jìn)行了研究，指出這是一種與粗糙表面相關(guān)的表面增強(qiáng)效應(yīng)。表面增強(qiáng)拉曼散射效應(yīng) 的發(fā)現(xiàn)使得人們可以從金屬表面，尤其是諸如金、銀、銅等金屬表面，獲得巨大的拉曼散射 增強(qiáng)信號(hào)，從而可輕而易舉地獲取高質(zhì)量的表面分子拉曼信號(hào)，在生物、醫(yī)藥、工業(yè)、納米 材料、國(guó)防科技等領(lǐng)域大大拓寬了其應(yīng)用范圍，并扮演著越來(lái)越重要的角色。
近年來(lái)，隨著激光器、光纖和頻譜掃描技術(shù)的發(fā)展，為了實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)，在線，抗電磁干擾、 遠(yuǎn)距離多點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)化、低濃度、高精度等的監(jiān)測(cè)需求，將表面增強(qiáng)拉曼光譜技 術(shù)、納米合成技 術(shù)以及光纖傳輸技術(shù)相結(jié)合的光纖表面增強(qiáng)拉曼光譜技術(shù)孕育而生。目前已有的光纖SERS 探針主要有納米結(jié)構(gòu)蜂巢方案、空心波導(dǎo)方案、D型光纖方案、以及活性液芯方案等，它們 都通過(guò)光纖實(shí)芯內(nèi)的全反射傳輸光，納米金屬顆粒附著在光纖端面或者纖芯表面，利用傳輸 光能量獲取光纖端面或者纖芯表面的拉曼散射信號(hào)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于針對(duì)已有技術(shù)存在的缺陷，提供一種基于雙錐形光纖漸逝波耦合的光 纖拉曼傳感檢測(cè)裝置。該裝置具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，制造方便，成本低，無(wú)需預(yù)處理等優(yōu)點(diǎn)，適用 于需要實(shí)時(shí)、遠(yuǎn)距離、高精度、低濃度物質(zhì)檢測(cè)等場(chǎng)合。
為達(dá)到上述目的，本發(fā)明的構(gòu)思是
為了充分體現(xiàn)拉曼光譜對(duì)于物質(zhì)組成及結(jié)構(gòu)表征和光纖技術(shù)遠(yuǎn)距離、在線檢測(cè)技術(shù)的優(yōu) 勢(shì)，本發(fā)明將表面增強(qiáng)拉曼散射與熔融拉錐光纖相結(jié)合，構(gòu)成用于液體或者氣體分子檢測(cè)的 光纖拉曼傳感器。拉曼光譜由于本身的低強(qiáng)度，需要一種增強(qiáng)技術(shù)以改善檢測(cè)的難度。表面 增強(qiáng)拉曼散射技術(shù)主要是依靠表面粗糙化的金、銀或者銅等金屬溶膠的納米特性，以極大地 增強(qiáng)吸附在金屬納米粒子表面的待測(cè)分子的拉曼散射截面，從而極大地增強(qiáng)該待測(cè)分子的拉曼散射光強(qiáng)度。光纖熔融拉錐是一種技術(shù)上比較成熟的傳感技術(shù)，它基于光纖漸逝波及其耦 合理論。采用熔融拉錐光纖作為傳感頭，得到具有耦合效應(yīng)的漸逝波能量。當(dāng)將熔錐光纖置 于待測(cè)液體或者氣體中時(shí)，部分待測(cè)液體或者氣體分子將吸附在熔錐光纖表面的金屬納米粒 子層上。該金屬納米粒子層通過(guò)化學(xué)合成方法獲得，合成方法簡(jiǎn)單經(jīng)濟(jì)。通過(guò)離心、化學(xué)清 洗和篩選，獲得符合要求的金屬納米粒子，用APTMS等粘結(jié)劑，將金屬納米粒子均勻地固 化在光纖錐區(qū)表面，從而獲得具有納米粗糙尺度的表面增強(qiáng)拉曼散射錐形光纖傳感頭。在正 常使用時(shí)，首先將激發(fā)光源耦合進(jìn)錐形光纖中，當(dāng)光通過(guò)光纖錐區(qū)時(shí)，部分能量以漸逝波的 形式透射入錐區(qū)微米量級(jí)的表面深度，激發(fā)該區(qū)域內(nèi)的待測(cè)分子，得到經(jīng)金屬納米粒子增強(qiáng) 的拉曼散射信號(hào)，并隨漸逝波耦合至光纖中傳輸，然后直接傳送至拉曼光譜儀。 根據(jù)上述構(gòu)思，本發(fā)明采用下述技術(shù)方案
一種基于雙錐形光纖漸逝波耦合的光纖拉曼傳感檢測(cè)裝置，包括一個(gè)單色光源和一個(gè)高 靈敏拉曼光譜儀，其特征在于所述單色光源，先后經(jīng)過(guò)一個(gè)偏振片、 一個(gè)聚焦透鏡、 一個(gè) 光纖耦合平臺(tái)和一個(gè)熔融拉錐光纖連接至所述高靈敏拉曼光譜儀，所述熔融拉錐光纖置于待 測(cè)溶液中；在所述的熔融拉錐光纖的錐區(qū)部分，漸逝波激發(fā)光纖表面金屬納米粒子層所吸附 的待測(cè)溶液分子，使其產(chǎn)生拉曼光譜，并經(jīng)光纖錐區(qū)耦合回光纖中，傳送至所述的高靈敏拉 曼光譜儀，探測(cè)所述待測(cè)溶液分子的拉曼光譜。
上述熔融拉錐光纖的結(jié)構(gòu)是由一根單模或多模光纖熔融拉錐成雙錐形耦合區(qū)段，其雙 錐形耦合區(qū)段的長(zhǎng)度為14mm 40mm，熔融拉錐后的雙錐形光纖，其兩端各有其纖芯和包層， 可分別作為激發(fā)光的輸入端口和拉曼散射光譜輸出端口。在雙錐形耦合區(qū)段外層涂敷有經(jīng)化 學(xué)合成、清洗及篩選的金、銀或者銅等金屬納米粒子層，當(dāng)所述熔融拉錐光纖置入待測(cè)溶液 或者氣體中時(shí)，雙錐區(qū)域表面的金屬納米粒子層上就會(huì)吸附有部分待測(cè)液體或者氣體的分子， 當(dāng)漸逝波透射到光纖表面時(shí)，就能激發(fā)這部分待測(cè)分子，產(chǎn)生拉曼散射。
本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比較，具有如下顯而易見(jiàn)的突出實(shí)質(zhì)性特點(diǎn)和顯著優(yōu)點(diǎn)本發(fā)明中
采用熔錐型傳感用雙錐光纖耦合器件作為傳感頭，由于其耦合錐區(qū)部分封裝入經(jīng)過(guò)幾何結(jié)構(gòu) 優(yōu)化的錐形光纖，使其傳感區(qū)域極大地增強(qiáng)了漸逝波的透射深度、強(qiáng)度和光能耦合效率。在 耦合錐區(qū)表面，首先通過(guò)氫氟酸、去離子水、甲醇等溶液清洗，以避免金屬納米粒子附著不 均勻和對(duì)最終采集待測(cè)分子拉曼光譜的干擾。然后附著上一層用化學(xué)方法合成的金屬納米粒 子，為了使最終得到的拉曼增強(qiáng)系數(shù)足夠的大，涂覆的金屬納米粒子均需經(jīng)化學(xué)清洗、提純、 篩選，從而能最大程度地吸附足夠多的待測(cè)分子，以盡可能地增強(qiáng)微弱的拉曼散射信號(hào)。通 過(guò)一系列的優(yōu)化手段，以保證最終傳送到輸出端口的拉曼光譜信號(hào)足夠的強(qiáng)，以便于后續(xù)拉曼光譜儀數(shù)據(jù)采集部分的數(shù)據(jù)分析。同時(shí)，由于經(jīng)過(guò)光纖對(duì)激發(fā)光和拉曼散射光譜信號(hào)的傳 輸，可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離檢測(cè)，避免檢測(cè)人員直接接觸危險(xiǎn)物品且減少對(duì)人體的危害。本發(fā)明具有 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、制造容易，成本低廉等特點(diǎn)。本發(fā)明適合于要求對(duì)環(huán)境組成精確測(cè)量和控制的場(chǎng) 合，例如水產(chǎn)養(yǎng)殖、工業(yè)制造、環(huán)境監(jiān)測(cè)、生物科學(xué)及科學(xué)研究等諸多領(lǐng)域，并可實(shí)時(shí)、高 靈敏度地檢測(cè)物質(zhì)。


圖1為本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的結(jié)構(gòu)框圖2為用于表面增強(qiáng)拉曼散射傳感的雙錐形光纖結(jié)構(gòu)示意圖； 圖3為本發(fā)明具體實(shí)施例所獲得的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。
具體實(shí)施例方式
本發(fā)明的一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例結(jié)合

如下
參見(jiàn)圖1，本基于雙錐形光纖漸逝波的光纖拉曼傳感檢測(cè)裝置包括一個(gè)單色光源(l)和一 個(gè)高靈敏拉曼光譜儀(7)，其特征在于所述單色光源(l)，先后經(jīng)過(guò)一個(gè)偏振片(2)、 一個(gè)聚焦
透鏡(3)、 一個(gè)光纖耦合平臺(tái)(4)和一個(gè)熔融拉錐光纖(5)連接至所述高靈敏拉曼光譜儀(7)，所 述熔融拉錐光纖(5)置于待測(cè)溶液(6)中；在所述的熔融拉錐光纖(5)的錐區(qū)部分，漸逝波激發(fā)光
纖表面金屬納米粒子層所吸附的待測(cè)溶液分子，使其產(chǎn)生拉曼光譜，并經(jīng)光纖錐區(qū)耦合回光
纖中，傳送至所述的高靈敏拉曼光譜儀(7)，探測(cè)所述待測(cè)溶液分子(6)的拉曼光譜。
上述熔融拉錐光纖(5)的結(jié)構(gòu)是由一根單?；蚨嗄９饫w(50、 55)熔融拉錐成雙錐形耦合 區(qū)段，其雙錐形耦合區(qū)段的長(zhǎng)度為14mm 40mm,熔融拉錐后的雙錐形光纖(50、 55)，其兩 端各有其纖芯(51、 56)和包層(52、 57)，可分別作為激發(fā)光的輸入端口(50)和拉曼散射光譜輸 出端口(55);在雙錐形耦合區(qū)段外層涂敷有經(jīng)化學(xué)合成、清洗及篩選的金、銀或者銅等金屬 納米粒子層(58);當(dāng)所述熔融拉錐光纖(5)置入待測(cè)溶液或者氣體中時(shí)，其雙錐區(qū)域表面的金 屬納米粒子層上就會(huì)吸附有部分待測(cè)液體或者氣體的分子(59)，當(dāng)漸逝波透射到光纖表面時(shí)， 就能激發(fā)這部分待測(cè)分子，產(chǎn)生拉曼散射。
本例僅以最簡(jiǎn)易測(cè)試光路結(jié)構(gòu)進(jìn)行實(shí)施，參見(jiàn)圖1、圖2和圖3。該光路系統(tǒng)包含有532nm Ar+光源(1)， 20倍光學(xué)透鏡(3)、光纖耦合平臺(tái)(4)，熔融雙錐形光纖(5)， R6G待測(cè)溶液(6)(及 其盛裝容器)，安道爾拉曼光譜儀(7)。 532nmAr+光源(l)激發(fā)輸出單色性好、譜峰線寬窄的激 發(fā)光，經(jīng)過(guò)20倍光學(xué)透鏡(3)耦合注入至放在光纖耦合平臺(tái)(4)上的熔融雙錐形光纖(5)的輸 入端口中。熔錐光纖(5)的雙錐耦合區(qū)域置入裝有R6G待測(cè)溶液(6)的玻璃器皿中，由于光纖 熔融雙錐區(qū)的漸逝波效應(yīng)和雙錐表面金屬銀納米粒子層(58)的表面增強(qiáng)拉曼散射效應(yīng)，使得光經(jīng)過(guò)雙錐耦合區(qū)域后，攜帶有R6G待測(cè)分子的拉曼光譜信息，經(jīng)光纖傳送至安道爾高靈 敏拉曼光譜儀中，可檢測(cè)得到R6G拉曼光譜(圖3)。
所述光纖熔融雙錐區(qū)的表面，經(jīng)過(guò)氫氟酸、去離子水、甲醇等溶液清洗凈化，為固化分 布均勻的納米金屬顆粒提供條件。
所述的光纖熔融雙錐區(qū)外層涂敷有銀納米顆粒層，是用ATPMS粘結(jié)劑固化而成的。
權(quán)利要求
1.一種基于雙錐形光纖漸逝波耦合的光纖拉曼傳感檢測(cè)裝置，包括一個(gè)單色光源(1)和一個(gè)高靈敏拉曼光譜儀(7)，其特征在于所述單色光源(1)，先后經(jīng)過(guò)一個(gè)偏振片(2)、一個(gè)聚焦透鏡(3)、一個(gè)光纖耦合平臺(tái)(4)和一個(gè)熔融拉錐光纖(5)連接至所述高靈敏拉曼光譜儀(7)，所述熔融拉錐光纖(5)置于待測(cè)溶液(6)中；在所述的熔融拉錐光纖(5)的錐區(qū)部分，漸逝波激發(fā)光纖表面金屬納米粒子層所吸附的待測(cè)溶液分子，使其產(chǎn)生拉曼光譜，并經(jīng)光纖錐區(qū)耦合回光纖中，傳送至所述的高靈敏拉曼光譜儀(7)，探測(cè)所述待測(cè)溶液分子(6)的拉曼光譜。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于雙錐形光纖漸逝波耦合的光纖拉曼傳感檢測(cè)裝置，其特征在于 所述熔融拉錐光纖(5)結(jié)構(gòu)是由一根單?；蚨嗄９饫w(50、 55)熔融拉錐成雙錐形耦合區(qū)段， 其雙錐形耦合區(qū)段的長(zhǎng)度為14mm 40mm，熔融拉錐后的雙錐形光纖(50、 55)，其兩端各有 其纖芯(51、 56)和包層(52、 57)，可分別作為激發(fā)光的輸入端口(50)和拉曼散射光譜輸出端口 (55);在雙錐形耦合區(qū)段外層涂敷有經(jīng)化學(xué)合成、清洗及篩選的金、銀或者銅等金屬納米粒 子層(58);當(dāng)所述熔融拉錐光纖(5)置入待測(cè)溶液或者氣體中時(shí)，其雙錐區(qū)域表面的金屬納米 粒子層上就會(huì)吸附有部分待測(cè)液體或者氣體的分子(59)，當(dāng)漸逝波透射到光纖表面時(shí)，就能 激發(fā)這部分待測(cè)分子，產(chǎn)生拉曼散射。
全文摘要
本發(fā)明述及一種基于雙錐形光纖漸逝波耦合的光纖拉曼傳感檢測(cè)裝置。它包括一個(gè)單色光源和一個(gè)高靈敏拉曼光譜儀，所述單色光源，先后經(jīng)過(guò)一個(gè)偏振片、一個(gè)聚焦透鏡、一個(gè)光纖耦合平臺(tái)和一個(gè)熔融拉錐光纖連接至所述高靈敏拉曼光譜儀，所述熔融拉錐光纖置于待測(cè)溶液中；在所述的熔融拉錐光纖的錐區(qū)部分，漸逝波激發(fā)光纖表面金屬納米粒子層所吸附的待測(cè)溶液分子，使其產(chǎn)生拉曼光譜，并經(jīng)光纖錐區(qū)耦合回光纖中，傳送至所述的高靈敏拉曼光譜儀，探測(cè)所述待測(cè)溶液分子的拉曼光譜。本發(fā)明結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，抗干擾能力強(qiáng)，靈敏度高，適用于在線分析、實(shí)時(shí)檢測(cè)、活體樣本分析等多種場(chǎng)合。
文檔編號(hào)G01N21/65GK101561396SQ20091005203
公開(kāi)日2009年10月21日 申請(qǐng)日期2009年5月26日 優(yōu)先權(quán)日2009年5月26日
發(fā)明者付興虎, 琳 劉, 龐拂飛, 文建湘, 王廷云, 陳振宜 申請(qǐng)人:上海大學(xué)