一种用于手性分子探测的光纤装置的制作方法

1.本发明涉及手性探测领域，具体涉及一种用于手性分子探测的光纤装置。


背景技术：

2.手性是自然界普遍存在的现象，在生活中起着至关重要的作用，同时也受到研究人员的广泛关注。手性分子、手性药物和手性材料在化学、生物学、医学药学、材料学等诸多领域中起着极其重要的作用。很多物质的材料性质或医学适用性取决于手性，而且许多生物过程和生物功能都与手性有关，例如，分子识别代谢反应酶催化反应、手性生物分子(如蛋白质、氨基酸和碳水化合物)以及药物中合成的手性分子的生物学功能都受到手性的强烈影响。分子的手性通常是由不对称碳引起，即一个碳上的四个基团互不相同。目前，已知的手性分子的功能都受到手性的强烈影响，例如蛋白质、氨基酸、碳水化合物以及药物中合成的手性分子。因此，对手性信号的检测及手性分子的识别是生物制药、有机化学、高分子材料及药物化学等领域的研究重点和热点。
3.公布号为“cn113702286a”，名称为“一种基于表面增强效应的手性分子探测器件、探测装置及方法”的专利申请、公布号为“cn111751344a”，名称为“测量手性分子的手性测量装置”的专利申请、公告号为“cn112378858b”，专利申请名称为“一种手性探测系统”的专利均公开了基于光路的手性分子探测装置或方法，这些装置或方法使用了光学元件搭建的光路系统，对光束准直要求较高，便携性较差，探测时需要的手性分子较多，容易受到干扰探测的准确度和精确度较差。公布号为“cn111982826a”，名称为“一种手性探测器”的专利申请和公布号为“cn111426664a”，名称为“一种基于金刚石氮-空位色心的分子手性探测器”的专利申请利用金属微纳结构的表面等离激元效应探测手性分子的手性，但是手性分子与金属微纳结构产生的手性电磁场之间的作用距离较短。
4.综上所述，现有的手性探测装置便携性较差、手性探测的准确度和精确度较差、需要手性分子的量较多、手性分子与手性电磁场的作用距离较短。


技术实现要素：

5.为解决以上问题，本发明提供了一种用于手性分子探测的光纤装置，该装置包括光纤、反射层、光纤环形器、光源、光探测器，反射层为手性结构，反射层固定设置在光纤的一端，光纤的另一端为预留端，光纤靠近反射层一端有一段去包层区域，去包层区域去掉光纤包层，露出光纤线芯，预留端与光纤环形器的一个端口连接，光纤环形器的其余两个端口分别与光源和光探测器相连接，光源发出的激光由光纤环形器进入预留端，从预留端射出的激光经过光纤环形器进入光探测器。
6.更进一步地，去包层区域的包层完全去掉或部分去掉。
7.更进一步地，去包层区域的长度为0.1cm-0.5cm。
8.更进一步地，手性结构为非对称的“l”或非对称的“a”或非对称的“t”。
9.更进一步地，反射层为手性结构周期间隔排布组成。
10.更进一步地，反射层为凹状结构，该凹状结构为球壳的一部分。
11.更进一步地，去包层区域的表面设置有贵金属颗粒。
12.更进一步地，贵金属颗粒的材料为金或银，贵金属颗粒的粒径为100nm-800nm。
13.更进一步地，去包层区域的表面固定设置有金属螺旋线。
14.更进一步地，光纤为单模石英光纤或多模石英光纤。
15.本发明的有益效果：本发明提供了一种用于手性分子探测的光纤装置，本发明使用光纤，所以不存在激光准直的问题，且方便携带；本发明手性电磁场在光纤纤芯内传播时靠近纤芯的表面，与纤芯外侧的手性分子的相互作用距离较长，相同条件下，能够与更远距离处的手性分子相互作用，探测时所需要的手性分子的量较少；手性电磁场的强度严格依赖于手性分子的手性，本发明装置的探测准确度较高；探测手性分子时，手性电磁场的强度变化较大，即反射激光的反射系数变化较大，因此，本发明装置的探测灵敏度和精确度较高。
16.以下将结合附图对本发明做进一步详细说明。
附图说明
17.图1是本发明提供的一种用于手性分子探测的光纤装置的示意图；
18.图2是本发明提供的装置使用时光源、光探测器、光纤环形器的连接方式示意图；
19.图3是本发明提供的装置中组成反射层的“l”型手性结构的示意图；
20.图4是本发明提供的又一种用于手性分子探测的光纤装置的示意图；
21.图5是本发明提供的再一种用于手性分子探测的光纤装置的示意图；
22.图6是本发明提供的再一种用于手性分子探测的光纤装置的示意图；
23.图7是本发明提供的再一种用于手性分子探测的光纤装置的示意图；
24.图8是本发明提供的再一种用于手性分子探测的光纤装置的示意图。
25.图中：1、光纤；2、反射层；3、贵金属颗粒；4、金属螺旋线。
具体实施方式
26.为进一步阐述本发明达成预定目的所采取的技术手段及功效，以下结合附图及实施例对本发明的具体实施方式、结构特征及其功效，详细说明如下。
27.实施例1
28.本发明提供了一种用于手性分子探测的光纤装置，如图1所示，包括光纤1、反射层2。反射层2为手性结构，反射层2的材料为贵金属材料，具体地，反射层2的材料为金或银，一方面贵金属材料的反射性能较好，能够反射更多的激光，另一方面，贵金属材料在激光照射下能够产生表面等离激元效应，进而产生手性电磁场。反射层2固定设置在光纤1一端的端面上，光纤1的另一端为预留端，反射层2由镀膜或溅射或电子束刻蚀工艺制备。光纤1靠近反射层2的一端设有去包层区域，去掉该区域的包层，使得去包层区域的光纤1的纤芯完全暴露，这样，光纤1去包层区域内传播的涡旋光场能够与光纤1去包层区域外侧的手性分子充分地产生相互作用。将去包层区域设置在紧靠反射层2处，能够使得反射后的激光直接与手性分子相互作用，手性电磁场沿光纤1传播一段距离后，一方面，手性电磁场的强度会减弱，使得手性电磁场与手性分子之间的相互作用强度减弱，从而对手性电磁场的强度改变
较小，手性探测的精确度和灵敏度均较差；另一方面，手性电磁场会逐渐靠近光纤1的中心轴线，这样，使得手性电磁场与手性分子之间的距离变大，从而手性电磁场与手性分子之间的相互作用较弱，从而对手性电磁场的强度改变较小，手性探测的精确度和灵敏度均较差。
29.应用时，还包括光纤环形器、光源、光探测器。如图2所示，光纤环形器有三个端口，其中，端口1与光源连接，端口2与本发明装置中的光纤1的预留端连接，端口3与光探测器连接，这样，光源发出的激光由光纤环形器的端口1进入光纤环形器，从端口2射出进入光纤1的预留端，从光纤1的预留端射出进入光纤环形器的激光，由端口2进入光纤环形器，通过端口3进入光探测器。对手性分子进行手性探测时，将待测手性分子的溶液滴在去包层区域处，或者将光纤1设有去包层区域的一端浸入手性分子溶液中，即需要手性分子的溶液与光纤1的去包层区域充分接触。光源发出的激光由端口1进入光纤环形器，从端口2进入由预留端进入光纤1，在光纤1中以基模传播，基模在光纤1中沿纤芯的中心轴线传播，与纤芯的边缘距离较大，且基模不具有手性，所以经过去包层区域时激光与手性分子溶液之间不产生相互作用。反射层2为手性结构，激光照射在手性结构上时，由于表面等离激元效应，会产生手性电磁场，即产生涡旋光场，这样，经过具有手性的反射层2的反射后，不具有手性的基模形式变为手性电磁场，手性电磁场在光纤1中传播时靠近光纤1的纤芯的边缘进行传播，在去包层区域处，手性电磁场具有手性，且与去包层区域外侧的手性分子之间的距离较近，手性电磁场与手性分子之间产生相互作用，使得光纤1内传播的手性电磁场的强度发生变化，反射激光的反射系数变化，入射激光的强度已知，即能够根据反射激光的反射系数确定待测手性分子的手性。
30.去包层区域使得手性分子直接与光纤1的纤芯接触，且手性电磁场沿纤芯边缘传播，这样，手性电磁场与手性分子之间的距离较近，在同等条件下，能够使得距离更远的手性分子与手性电磁场产生相互作用，即手性电磁场与手性分子之间的相互作用距离较长，从而本发明装置的探测距离较长，且需要的手性分子的量较少。手性电磁场与手性分子相互作用时，手性电磁场的强度严格依赖于待测手性分子的手性，即反射激光的反射系数严格依赖于待测手性分子的手性，因此本发明装置探测手性的准确度较高。手性分子的手性对手性电磁场的光强影响较大，即在相同条件下，手性特征相近的两种手性分子得到的反射激光的反射系数差异较大，所以本发明装置探测手性的精确度和灵敏度均较高。
31.实施例2
32.在实施例1的基础上，光纤1可以为单模石英光纤也可以为多模石英光纤。单模石英光纤传播激光的质量较好，传播距离较长，适合远距离手性探测，另外，单模石英光纤的包层较厚，去包层区域相对容易制备。多模石英光纤能够传播多种模式的激光，且多模石英光纤的纤芯较粗，一方面，待测手性分子溶液的接触更充分，手性电磁场与手性分子的相互作用更强，需要的手性分子的量更少；另一方面，由于纤芯更粗，手性电磁场传播时更靠近手性分子，能够与更远处的手性分子相互作用，这样，手性电磁场与手性分子之间的相互作用距离更远。去包层区域的长度为0.1cm-0.5cm，去包层区域的长度较短时，手性分子与光纤1纤芯之间的作用面积较小，手性分子的溶液与光纤1纤芯的接触不够充分，手性探测需要的手性分子量较多，手性探测的效率较差；去包层区域的长度较长时，过多的激光由暴露的纤芯处泄露出，导致反射回光纤1的预留端的激光较少，反射激光的强度变化有限，这样手性探测的“量程”较小，精确度和灵敏度较差。反射层2的面积大于等于光纤1的纤芯的截
面积，能够将更多的激光反射进光纤1，这样能够将更多的激光反射回光纤1内继续传播，这样，手性电磁场的强度能够产生更多的变化，从而反射激光的反射系数的范围较大，这样本发明装置能够探测的手性的范围更大，即能够探测的手性分子的种类更多，因此，本发明探测装置的“量程”较大。
33.反射层2为手性结构，具体地，反射层2为非对称的“l”或非对称的“a”或非对称的“t”等具有手性的结构，以非对称的“l”为例，如图3所示，非对称的“l”的短边和长边的长度不同，同时短边和长边的金属结构的厚度可以相同，也可以不同，优选地，短边和长边的金属结构的厚度不同，这样，手性结构的手性较强，产生的手性电磁场的手性较强，手性较强的手性电磁场与手性分子相互作用时，对手性电磁场的强度改变较大，这样，本发明探测装置的精确度和灵敏度较高；更具体地，反射层2可以为单个非对称的“l”或非对称的“a”或非对称的“t”等具有手性的结构也可以为周期性排布的多个非对称的“l”或非对称的“a”或非对称的“t”等具有手性的结构，优选地，反射层2为周期性排布的多个非对称的“l”或非对称的“a”或非对称的“t”等具有手性的结构，由于多个手性结构周期排布时产生的手性电磁场的手性为单个手性结构产生的手性电磁场的叠加，不存在手性结构产生的手性电磁场之间的抵消，从而，产生的手性电磁场的手性更强，这样一来，一方面，较强手性的手性电磁场与手性分子之间的相互作用更强，手性电磁场与手性分子相互作用时对手性电磁场的强度的改变更大，反射激光的反射系数的改变更大，因此，本发明装置探测手性的精确度和灵敏度较高；另一方面，更强的手性电磁场在去包层区域中传播时更靠近边缘，这样手性电磁场与手性分子之间的距离更近，相互作用的距离更长，需要的手性分子的量更少。
34.实施例3
35.与实施例2不同的是，如图4所示，光纤1设有反射层2一端的端面为凹状，相对应地，反射层2不是平面结构，反射层2为如图4所示的凹状结构，凹状结构为球壳的一部分。这样，一方面，凹状反射层2对产生的手性电磁场具有发散作用，使得手性电磁场在光纤1的去包层区域内传播时更靠近去包层区域纤芯的边缘，即更靠近去包层区域纤芯的表面，从而，手性电磁场与手性分子之间的相互作用距离更大，相同条件下，探测时需要的手性分子的量较少。另一方面，凹状结构上的手性结构不再是平面的手性结构，而是设置在曲面上的手性结构，手性结构由“类二维结构”变为“类三维结构”，沿光纤1轴线方向上不同位置处的手性结构或手性结构的不同部分会产生强烈的电磁耦合，即在光纤1轴线垂直方向上不在同一平面上的手性结构或手性结构的部分会产生强烈的电磁耦合，从而能够激发出具有更多自由度和更强手性的手性电磁场；更多的自由度使得手性电磁场与手性分子相互作用的电场分量和磁场分量更多，更强的手性电磁场使得手性电磁场与手性分子相互作用的电场和磁场的强度更大，由于手性电磁场与手性分子相互作用的电场分量和磁场分量更多，且电场和磁场的强度更大，从而手性电磁场与手性分子相互作用的强度更大，且更加充分；进而，手性电磁场与手性分子相互作用时，手性电磁场的强度改变更大，即反射激光的反射系数的改变更大，因此，本发明装置的探测精确度和灵敏度更高。
36.优选地，反射层2的凹状结构的曲率半径大于光纤1线芯直径的二分之一，小于光纤1线芯直径的十倍，这样既能够将手性电磁场有效地发散到去包层区域纤芯的边缘处，同时还能够增强手性电磁场的手性。反射层2的凹状结构的曲率半径小于光纤1线芯直径的二分之一时，反射层2凹状结构对激光的发散作用太强，使得产生的手性电磁场局域在光纤1
端部的凹状结构内，没有有效地进入去包层区域，进而不能与手性分子产生有效的相互作用。反射层2的凹状结构的曲率半径大于光纤1线芯直径的十倍时，一方面，手性结构沿光纤1轴线方向上不同位置处的差异较小，这样一来，不同位置处产生的强电磁耦合作用较弱，不能产生有效的手性电磁场增强效果；另一方面，对激光的发散作用太弱，不能起到有效的使手性电磁场更靠近去包层区域纤芯表面传播的作用。
37.实施例4
38.在实施例3的基础上，如图5所示，在去包层区域的纤芯表面固定设置有贵金属颗粒3。贵金属颗粒3的材料为金或银，贵金属颗粒3的形状为球状。贵金属颗粒3的粒径为100nm-800nm，贵金属颗粒3间隔排布在去包层区域的纤芯表面，相邻贵金属颗粒3的间距大于300nm，由于相邻间距大于300nm的贵金属颗粒3之间不会产生相互作用，从而相邻贵金属颗粒3之间不会产生相互作用，贵金属颗粒3，还会使得反射激光的能量之间的共振耦合对手性探测没有贡献变低，减小本发明装置手性探测的“量程”，进而，这部分能量对于手性探测是能量损耗，因此，相邻贵金属颗粒3的间距大于300nm，不会产生不必要的能量损耗。
39.去包层区域内传播的手性电磁场靠近纤芯的边缘传播，与贵金属颗粒3相互作用，手性电磁场使得贵金属颗粒3的表面产生局域表面等离激元共振，手性电磁场的能量集中在贵金属颗粒3表面；这样，一方面，相比于未设置贵金属颗粒3时的情况，贵金属颗粒3使得去包层区域与手性分子接触更加充分，这样本发明装置探测时需要的手性分子的量更少；另一方面，贵金属颗粒3局域了较强的手性电磁场，这使得手性电磁场与手性分子之间的空间距离较近，从而相同条件下，手性电磁场与手性分子相互作用的距离更长，同时也使得更多的手性分子与手性电磁场相互作用；再一方面，贵金属颗粒3表面产生的局域表面等离激元共振使得手性电磁场与手性分子之间的相互作用更强，从而手性电磁场的强度变化更大，即反射激光的反射系数变化较大，所以，本发明探测装置的精确度和灵敏度较高。
40.实施例5
41.在实施例3的基础上，如图6所示，在去包层区域的纤芯表面固定设置有沿一个方向环绕的金属螺旋线4，金属螺旋线4的材料为金或银，金属螺旋线4的螺距为百微米到毫米量级，螺距可以均匀设置，也可以不均匀设置。金属螺旋线4为手性结构，且金属螺旋线4上会产生表面等离极化激元，这样一来，一方面，具有手性的金属螺旋线4与去包层区域内传播的手性电磁场之间相互作用，由于金属螺旋线4与手性电磁场的距离较近，且金属螺旋线4上产生表面等离极化激元效应，金属螺旋线4内产生环形电流，螺旋内部电场和磁场的方向平行，能够产生较强的手性电磁场，这样气到了增强手性电磁场的手性的作用，从而，具有手性的表面等离极化激元使得手性电磁场的手性更强，一方面，更强手性的手性电磁场的传播更靠近纤芯的表面，这样，手性电磁场与手性分子之间的相互作用的距离更长；另一方面，更强手性的手性电磁场与手性分子的相互作用更强，相互作用时，使得手性电磁场的强度变化更大，即反射激光的反射系数的变化更大，因此，本发明装置的探测精确度和灵敏度较高。
42.同时，表面等离极化激元效应对周围介质的变化十分敏感，手性分子的手性会改变表面等离极化激元的手性和强度，从而使得表面等离极化激元对手性电磁场的增强作用发生变化，手性电磁场的手性变化使得手性电磁场与手性分子之间的相互作用强度改变，因此，金属螺旋线4的设置使得手性分子和手性电磁场之间的相互作用对手性电磁场的强
度变化更大，即反射激光的反射系数的改变更大，因此，本发明装置的精确度和灵敏度较高；另一方面，金属螺旋线4上产生的表面等离极化激元与手性电磁场的相互作用使得手性电磁场在去包层区域内传播时更靠近纤芯表面，这样，手性电磁场与手性分子相互作用的距离更远，探测时所需要的手性分子的量更少。
43.优选地，金属螺旋线4靠近反射层2的一端与反射层2接触。由于金属螺旋线4与反射层2接触处的间距由小变大，能够使得紫外到红外波段的激光有效地耦合到金属螺旋线4中，进而使得金属螺旋线4与手性电磁场的相互作用较强，同时使得本发明装置的适用性更强。
44.实施例6
45.在实施例5的基础上，如图7所示，去包层区域纤芯表面上金属螺旋线4的螺距间隔内还设置有贵金属颗粒3。贵金属颗粒3在手性电磁场作用下会产生具有手性的局域表面等离激元，金属螺旋线4在手性电磁场作用下会产生具有手性的表面等离极化激元。金属螺旋线4内产生环形电流，在螺旋内部电场方向和磁场方向相互平行，能够产生手性电磁场，产生的手性电磁场使得贵金属颗粒3产生的手性的局域表面等离激元的手性更强，这样，手性分子与贵金属颗粒3和金属螺旋线4之间的相互作用更强，从而手性电磁场的强度变化更大，即反射激光的反射系数的变化较大，因此，本发明装置的精确度和灵敏度较高。
46.实施例7
47.与实施例6不同的是，去包层区域的厚度不是完全去掉，如图8所示，去包层区域包层的厚度是均匀渐变的，去包层区域上均匀渐变的包层的包络为圆台面，越靠近反射层2一端，包层的厚度越薄，与反射层2接触处的包层的厚度为零。同时沿去包层区域纤芯轴线上不同位置处金属螺旋线4的螺旋半径不同，螺旋半径与包层的厚度的变化相匹配，即金属螺旋线4依然紧贴环绕设置在去包层区域纤芯表面。这样，一方面，靠近反射层2一端会由包层泄露出较多的具有手性的倏逝波，手性倏逝波的传播与界面处环境的关系十分密切，使得手性电磁场的强度变化更大，反射激光的反射系数的变化更大，因此，本发明装置的探测精确度和灵敏度均较高；另一方面，反射层2的包层表面与包层和纤芯界面形成的尖锥处手性电磁场的强度和密度较高，且形态较多，比如靠近纤芯界面边缘传播的手性电磁场、发散进入包层传播的手性电磁场、贵金属颗粒3上的手性局域表面等离激元、金属螺旋线4上的手性表面等离极化激元、泄露出包层的手性倏逝波，多种形态的手性电磁场在尖锥处的强度均较大，这样，尖锥处手性电磁场与手性分子的相互作用极强，手性电磁场的强度变化更大，即反射激光的反射系数的变化更大，因此，本发明装置探测手性的精确度和灵敏度较高。
48.更进一步地，包层圆台面包络延长后形成的圆锥面的圆锥顶点与反射层2的球心重合，即去包层区域包层的表面延长后交于一点，该点为反射层2所在球壳的球心。这样，反射层2产生的手性电磁场的发散方向沿去包层区域的包层的表面传播，会有较多的手性电磁场泄漏到去包层区域的包层内传播，尤其是靠近反射层2的包层表面与包层和纤芯界面形成的尖锥处各种形态的手性电磁场的强度和密度均更大，手性电磁场与手性分子相互作用的强度较大，手性电磁场的强度变化更大，反射激光的反射系数的变化更大，所以，本发明装置的探测精确度和灵敏度较高。
49.以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定
本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。