一种微结构光纤传感器的制作方法

1.本发明涉及光谱分析检测技术领域，具体涉及一种微结构光纤传感器。


背景技术：

2.拉曼光谱中包含了丰富的分子振动方面的信息，被广泛应用于分子识别、界面研究等领域。然而，由于大多数分子的拉曼散射截面较小，导致其拉曼散射强度很弱，限制了拉曼光谱技术在痕量检测和实时传感上的应用。当一些分子被吸附到某些粗糙的金属(如金、银、铜等)表面上时，其拉曼散射强度会增强104～10
10
倍，这被称为表面增强拉曼散射(surface
‑
enhanced raman scattering,sers)效应。sers机理主要分为化学增强机理和电磁场增强机理两类，其中由表面等离子体共振(surface plasmon resonance,spr)引起的局域电磁场增强被认为是最主要的贡献。sers光谱技术克服了拉曼光谱灵敏度低的缺点，可获得常规拉曼光谱不易获得的结构信息，是表面研究、生物分子的结构分析等领域的一种重要手段。因其灵敏度高、无损检测、所需样品量少、样品制备简单等优点，sers光谱技术在生物化学检测领域具有很高的潜在应用价值，目前被广泛应用于疾病诊断、食品安全监督、污染物监测等方面。
3.传统的sers技术是利用电化学粗糙法、分子自组装、丝网印刷、光刻等技术制备纳米金、银基底，通过其表面的局域表面等离子体共振来实现拉曼散射信号的增强。通常这种sers基底的重现性和稳定性较差，并且制作工艺复杂、难以精确控制，大大制约了sers技术的实际应用。目前大多数基于spr电场增强效应的sers传感器采用kretschmann
‑
raether结构，这种使用耦合棱镜的结构存在着传感器体积较大，难以实现远距离传感和小型化等缺点。


技术实现要素：

4.本发明是为了解决上述问题而进行的，目的在于提供一种微结构光纤传感器。
5.本发明提供了一种微结构光纤传感器，可增强拉曼散射效应从而精确检测待测物溶液，包括：微结构光纤、多张金属薄膜以及多张探针分子；其中，微结构光纤包括：纤芯；套管，套设在纤芯的外侧，套管与纤芯形成有主安装通道；多个支撑臂，设置在主安装通道内将主安装通道分割成互不相通的多个次安装通道，该次安装通道用于容纳待测物溶液；每个次安装通道的内壁上均完全贴覆有金属薄膜；多张探针分子设置在对应的多个次安装通道内，位于金属薄膜上。
6.在本发明提供的微结构光纤传感器中，还可以具有这样的特征：其中，金属薄膜的厚度为20nm
‑
90nm。
7.在本发明提供的微结构光纤传感器中，还可以具有这样的特征：其中，微结构光纤的长度为5cm
‑
20cm。
8.在本发明提供的微结构光纤传感器中，还可以具有这样的特征：其中，探针分子通过化学键吸附的方式自组装在检测通道的内壁。
9.在本发明提供的微结构光纤传感器中，还可以具有这样的特征：其中，多支撑臂绕纤芯环形均匀分布。
10.在本发明提供的微结构光纤传感器中，还可以具有这样的特征：其中，待测物溶液的折射率范围为1.33～1.45。
11.在本发明提供的微结构光纤传感器中，还可以具有这样的特征：其中，探针分子包含巯基。
12.发明的作用与效果
13.根据本发明所涉及的微结构光纤传感器，因为支撑臂将纤芯和套管形成的主安装通道分隔成多个互不相通的次安装通道，每个次安装通道均完全贴覆有金属薄膜，多张探针分子设置在对应的金属薄膜上，所以，激光在纤芯中传输并激发表面等离子体共振现象，共振时探针分子与金属纳米薄膜交界处的电磁场强度急剧增强。即探针分子发出的表面增强拉曼散射信号在检测通道内传输，并在光纤长度上得到信号的累积，从而实现拉曼信号的进一步增强。因此，本发明提供的微结构光纤传感器具有较高的灵敏度，能够降低检测极限。
附图说明
14.图1是本实施例中微结构光纤传感器的剖视图；
15.图2是本实施例中未填充液体时的归一化传输光谱；
16.图3是本实施例中未填充液体时的拉曼光谱；
17.图4是本实施例中充入折射率为1.3333液体时的归一化传输光谱；
18.图5是本实施例中充入折射率为1.3333液体时的拉曼光谱。
具体实施方式
19.为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，以下结合实施例及附图对本发明作具体阐述。
20.图1是本实施例中微结构光纤传感器的剖视图。
21.如图1所示，本实施例提供的微结构光纤传感器100包括微结构光纤1、六张金属薄膜2以及六张探针分子3。
22.微结构光纤1的材料为熔融石英，采用预制棒拉丝技术制成，包括长度均为15cm的纤芯11、套管12以及六个支撑臂13。
23.套管12套设在纤芯的外侧，使得套管12的内侧面与纤芯11的外侧面形成主安装通道。
24.六个支撑臂13均位于主安装通道内，支撑臂13的一端安装在纤芯上，另一端安装在套管的内壁。在本实施例中，六个支撑臂13绕纤芯11环形均匀分布，从而将主安装通道分割成六个大小相同且互不相通的的次安装通道14。
25.金属薄膜2为银膜，该银膜通过镀覆的方式安装在次安装通道14的内壁，从而形成容纳待测物溶液的检测通道21。
26.在本实施例中，优选厚度为30
‑
60nm的金属薄膜2确保良好的表面等离子体共振特性。
27.为清楚表达微结构光纤1的结构，在本实施例中，只在其中一个次安装通道14安装有金属薄膜2。
28.六张探针分子3分别安装在六个检测通道21内。探针分子包含巯基，在本实施例中，探针分子为4
‑
巯基苯硼酸，通过化学键吸附在检测通道21中的金属薄膜2上。在其他的实施例中，探针分子也可以为4
‑
巯基吡啶或巯基苯甲酸。
29.将制作好的微结构光纤传感器100一端与光纤跳线连接，接入测试系统，检测本实施例微结构光纤传感器100的拉曼信号增强效果。首先选用发光波长范围为350～2500nm的卤钨灯光源，将从光纤跳线引出的光耦合至本实施例微结构光纤传感器100的纤芯1中，再通过跳线输出至光谱分析仪，记录本发明传感器的归一化传输光谱。
30.然后将微结构光纤传感器100一端与定制y型光纤跳线连接，将位于本发明传感器的spr共振波长附近的激光通过定制y型跳线耦合至本发明传感器的纤芯1中，采用背向检测的方式，通过定制y型跳线收集在镀制有金属薄膜2的一系列检测通道21中传输的表面增强拉曼散射信号并输出至拉曼光谱仪，记录本实施微结构光纤传感器100的拉曼光谱。
31.上述的定制y型跳线由芯径与本实施例中的纤芯1直径相近的数根多模光纤组成，其光纤排布方式参照本发明传感器的纤芯1与一系列检测通道21的排布方式，由数根多模光纤围绕一根多模光纤排布而成。
32.由于激光在纤芯1中传输并激发表面等离子体共振现象，共振时探针分子3与金属薄膜2交界处的电磁场强度急剧增强。探针分子3产生的表面增强拉曼散射信号在围绕纤芯1均匀排布的各个镀有金属薄膜2的一系列检测通道21内传输，并在光纤长度上得到信号的累积，从而实现拉曼信号的进一步增强。
33.图2是本实施例中未填充液体时的归一化传输光谱，图3是本实施例中未填充液体时的拉曼光谱，图4是本实施例中充入折射率为1.3333液体时的归一化传输光谱和图5是本实施例中充入折射率为1.3333液体时的拉曼光谱。
34.将浓度为5mmol/l的4
‑
巯基苯硼酸的乙醇溶液在检测通道21内镀有银膜的微结构光纤中浸泡12h后，用乙醇冲洗，最后用氮气吹干，得到基于表面增强拉曼散射效应的微结构光纤传感器。
35.当检测通道中未填充待测物液体(折射率为1)时。微结构光纤传感器的归一化传输光谱如图2所示，此时不激发表面等离子体共振。选用功率为50mw的532nm激光器激发拉曼信号，记录本发明的传感器在不同积分时间下的拉曼光谱，如图3所示。
36.当上述的基于表面增强拉曼散射效应的微结构光纤传感器的检测通道21内填充的液体为水(折射率为1.3333)时。微结构光纤传感器的归一化传输光谱如图4所示，其spr共振峰位于541nm处。选用功率为50mw的532nm激光器激发拉曼信号，记录本发明的传感器在不同积分时间下的拉曼光谱，如图5所示。探针分子的拉曼散射信号强度相较于不激发spr的情况得到了显著增强。
37.实施例的作用与效果
38.根据本实施例所涉及的微结构光纤传感器，因为支撑臂将纤芯和套管形成的主安装通道分隔成六个互不相通的次安装通道，每个次安装通道均完全贴覆有金属薄膜，多张探针分子设置在对应的金属薄膜上，所以，激光在纤芯中传输并激发表面等离子体共振现象，共振时探针分子与金属纳米薄膜交界处的电磁场强度急剧增强。即探针分子发出的表
面增强拉曼散射信号在检测通道内传输，并在光纤长度上得到信号的累积，从而实现拉曼信号的进一步增强。因此，本实施例提供的微结构光纤传感器具有较高的灵敏度，能够降低检测极限。
39.上述实施方式为本发明的优选案例，并不用来限制本发明的保护范围。
40.在上述实施中以支撑臂的数量为六个为例进行举例说明，但是并不限制支撑臂的数量。另外，由于只有靠近纤芯的探针分子才有增强效应，所以示意图只画了这一部分，实际上整个次安装通道内可全覆盖探针分子。