本發(fā)明屬于光纖表面等離激元共振傳感，具體涉及一種基于金納米陣列調(diào)制電場(chǎng)的近場(chǎng)泄露增強(qiáng)型光纖spr傳感器，制備方法和檢測(cè)傳感系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

1、表面等離激元(surface?plasmon?resonance,spr)現(xiàn)象是指由電磁波激發(fā)材料中的自由電子產(chǎn)生的一種集體共振現(xiàn)象。spr主要有兩種類型，即傳播型和局域型，二者對(duì)于局部環(huán)境介電常數(shù)的變化都很敏感，因此常用于液體濃度變化的檢測(cè)以及生物分子吸附結(jié)合的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。

2、光纖spr傳感器具有體積小、成本低、抗電磁干擾、遠(yuǎn)距離實(shí)時(shí)檢測(cè)等優(yōu)點(diǎn)，目前被廣泛應(yīng)用于醫(yī)學(xué)檢測(cè)和生命研究領(lǐng)域。為了進(jìn)一步優(yōu)化傳統(tǒng)spr傳感器的傳感性能，研究者們通常會(huì)從基底結(jié)構(gòu)和膜層選材兩方面入手。cn111272666a公開(kāi)了一種基于磁光表面等離基元共振的生物蛋白傳感器。該發(fā)明利用磁光材料，外加橫向磁場(chǎng)，對(duì)bsa蛋白進(jìn)行檢測(cè)。其結(jié)構(gòu)由下至上依次為襯底、yis種子薄膜層、連續(xù)磁光介質(zhì)層和六方周期au孔洞結(jié)構(gòu)層，實(shí)現(xiàn)了高靈敏蛋白檢測(cè)。cn105004698a公開(kāi)一種表面等離激元共振生物傳感器，包括棱鏡、金納米陣列、二氧化硅薄膜、石墨烯；所述結(jié)構(gòu)利用納米顆粒陣列結(jié)構(gòu)激發(fā)spr的靈敏特性。

3、為此，考慮通過(guò)光纖基底結(jié)構(gòu)，使得光在纖芯中全反射產(chǎn)生的倏逝波盡可能多地暴露在外面的傳感層中，提升倏逝波的強(qiáng)度，從而提升光纖spr傳感器靈敏度。常見(jiàn)的倏逝波增強(qiáng)型光纖基底結(jié)構(gòu)包括d型側(cè)拋和纖芯失配型，其中單模-多模-單模型結(jié)構(gòu)屬于纖芯失配型結(jié)構(gòu)的一種；以及考慮基于陣列結(jié)構(gòu)的完美吸收體結(jié)構(gòu)，即底層金屬層-中間納米材料層-頂層金屬陣列層，頂層金屬納米陣列激發(fā)的局域型表面等離激元共振與底層金屬激發(fā)的傳播型表面等離激元共振之間會(huì)產(chǎn)生近場(chǎng)電子耦合，會(huì)極大地放大spr響應(yīng)信號(hào)。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本發(fā)明在于將基于陣列結(jié)構(gòu)的完美吸收體與透射式光纖spr傳感器相結(jié)合，提供一種基于金納米陣列調(diào)制電場(chǎng)的近場(chǎng)泄露增強(qiáng)型光纖spr傳感器從而提高光纖spr傳感器的傳感性能。

2、本發(fā)明的目的是通過(guò)以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的：

3、一種光纖spr傳感器，包括單模-多模-單模結(jié)構(gòu)光纖，所述單模-多模-單模結(jié)構(gòu)光纖由軸向連接的單模光纖和多模光纖組成，且所述多模光纖位于單模光纖中間；所述多模光纖為裸露纖芯的d型側(cè)拋光纖，其側(cè)拋面的至少部分區(qū)域?yàn)閭鞲袇^(qū)域；

4、所述傳感區(qū)域從所述多模光纖的側(cè)拋面向上依次設(shè)置有貴金屬層、納米材料層和納米陣列層；

5、所述貴金屬層，其固化在所述側(cè)拋面的上表面，厚度為40-60nm；

6、所述納米材料層，其固化在所述貴金屬層的上表面，厚度為8-20nm；

7、所述納米陣列層由多個(gè)呈陣列排布的納米單元組成，所述納米單元固化在所述納米材料層4的上表面，且所述納米單元采用電子束曝光的方法制備。

8、本發(fā)明所述光纖spr傳感器在具有纖芯表面的側(cè)拋面上濺射一層平整光滑的貴金屬層，從而當(dāng)光在纖芯中全反射產(chǎn)生的倏逝波的波矢與表面等離激元波的波矢滿足相位匹配條件時(shí)，傳播型表面等離激元共振被激發(fā)。與此同時(shí)，由于金納米陣列的存在會(huì)激發(fā)局域表面等離激元共振，而局域表面等離激元會(huì)使得電場(chǎng)增強(qiáng)，電場(chǎng)增強(qiáng)會(huì)進(jìn)一步增強(qiáng)傳播型表面等離激元共振，從而進(jìn)一步提升對(duì)光的吸收率，使得傳感器的傳感性能大幅提升，主要表現(xiàn)為傳感器的靈敏度大幅提升。

9、進(jìn)一步的，所述貴金屬層的靶材選自金或銀；更優(yōu)選的，所述貴金屬層為致密平整的層，采用磁控濺射法鍍制。

10、進(jìn)一步的，所述納米材料層的靶材選自石墨烯，氧化石墨烯或二硒化鎢。

11、進(jìn)一步的，所述納米單元的靶材選自金或銀，且所述納米單元的底面為矩形；更優(yōu)選的，通過(guò)設(shè)置納米單元的邊長(zhǎng)、高度和周期來(lái)實(shí)現(xiàn)不同強(qiáng)度的近場(chǎng)泄露，進(jìn)而調(diào)控電場(chǎng)增強(qiáng)，進(jìn)而調(diào)控傳感器的傳感性能。由于矩形納米金單元尺寸相同并呈特定的周期性排列，會(huì)產(chǎn)生表面晶格共振現(xiàn)象，即局域表面等離激元共振會(huì)與陣列平面內(nèi)的衍射光耦合，從而導(dǎo)致共振光譜的半峰全寬變小，提高傳感器的檢測(cè)精度和品質(zhì)因數(shù)。

12、進(jìn)一步的，所述單模-多模-單模結(jié)構(gòu)光纖的所述單模光纖和多模光纖中心軸向?qū)R；所述單模光纖的直徑約為125μm，其中纖芯直徑約為8.3μm；多模光纖的長(zhǎng)度為1.5-2cm，直徑約為125μm，其中纖芯直徑約為105μm；側(cè)邊拋磨后的多模光纖部分的剩余厚度約為60μm，所述側(cè)拋面為光滑平面。

13、本發(fā)明的第二方面在于公開(kāi)一種檢測(cè)傳感系統(tǒng)，包括寬帶光源、上述光纖spr傳感器、光譜分析儀和計(jì)算機(jī)；所述寬帶光源通過(guò)光纖跳線連接所述光纖spr傳感器上，所述光纖spr傳感器另一端通過(guò)光纖跳線連接到光譜分析儀上，光譜分析儀將數(shù)據(jù)傳送給計(jì)算機(jī)來(lái)進(jìn)行數(shù)據(jù)分析；

14、使用時(shí)將待測(cè)溶液滴加在所述光纖spr傳感器的傳感區(qū)域上，計(jì)算機(jī)通過(guò)分析接收到的光譜數(shù)據(jù)并與計(jì)算機(jī)內(nèi)已有標(biāo)定數(shù)據(jù)相比較，可得出待測(cè)溶液指定化學(xué)成分或生物蛋白的含量，例如用于特定重金屬離子、免疫蛋白分子、dna分子的檢測(cè)。

15、進(jìn)一步的，使用時(shí)，將所述光纖spr傳感器置于載玻片上，側(cè)拋面朝上，滴加足量待測(cè)液體在載玻片上，使傳感區(qū)域完全浸潤(rùn)在待測(cè)液體中以實(shí)現(xiàn)檢測(cè)。

16、本發(fā)明的第三方面在于公開(kāi)所述光纖spr傳感器的制備方法，包括：

17、步驟1：將多模光纖焊接在兩段單模光纖中間，制備得到一個(gè)單模-多模-單模結(jié)構(gòu)光纖，其中所述單模光纖和多模光纖中心軸向?qū)R；

18、步驟2：利用拋磨砂輪將所述單模-多模-單模結(jié)構(gòu)光纖中的多模光纖從其外壁向纖芯方向進(jìn)行側(cè)邊拋磨處理，制成d型側(cè)拋光纖，且側(cè)拋面表面打磨平滑；

19、步驟3：將步驟2獲得的單模-多模-單模結(jié)構(gòu)光纖固定于金屬支架上，置于磁控濺射儀中，在側(cè)拋面上濺射一層貴金屬靶材，形成貴金屬膜，厚度為40-60nm；

20、步驟4：將鍍了貴金屬層后的光纖浸入納米材料分散液中，將所述納米材料分散液置于恒溫箱中待分散液完全蒸發(fā)，獲得納米材料層；

21、步驟5：在納米材料層上表面旋涂電子束膠并按照預(yù)設(shè)的陣列圖案進(jìn)行電子束曝光；經(jīng)顯影、定影后，在已經(jīng)圖案化的電子束膠上鍍預(yù)設(shè)厚度的納米靶材，形成多個(gè)結(jié)構(gòu)相同的納米單元；然后剝離剩余的電子束膠，完成納米陣列層的制備；

22、從而獲得具有傳感區(qū)域的所述光纖spr傳感器。

23、與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的技術(shù)方案所帶來(lái)的有益效果是：

24、在改善基底結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)來(lái)說(shuō)，本發(fā)明將單模-多模-單模的光纖失配型光纖結(jié)構(gòu)與d型光纖結(jié)構(gòu)相結(jié)合，增強(qiáng)了倏逝場(chǎng)的泄露，實(shí)現(xiàn)了傳感器增敏的目的；

25、在膜層材料及結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)來(lái)說(shuō)，本發(fā)明將基于陣列結(jié)構(gòu)的完美吸收體與透射式光纖spr傳感器相結(jié)合，同時(shí)陣列的設(shè)計(jì)還會(huì)引發(fā)表面晶格共振，多種效應(yīng)相互促進(jìn)，共同作用，使得傳感器的性能得到顯著提升；

26、本發(fā)明的傳感區(qū)域長(zhǎng)度較小于5cm，僅需使用很少量的待測(cè)液體即可測(cè)量出折射率的數(shù)據(jù)，且傳感器體積小、質(zhì)量輕、成本低、可用于遠(yuǎn)距離檢測(cè)和實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，可用于農(nóng)業(yè)、軍事、生物、工業(yè)等諸多領(lǐng)域。