一种级联微球透镜增强拉曼探针的制备方法

1.本发明涉及增强拉曼散射技术领域，提供一种应用于拉曼信号增强的级联微球透镜增强拉曼探针的制备方法。


背景技术：

2.拉曼光谱作为一种“光学指纹谱”，具有无损、无标记以及非侵入性等特点，因此广泛应用于材料表征、生命医学、生物制药、食品安全、刑侦检测等科学研究以及国民民生领域。但是自发拉曼散射光强仅为入射光强的10-9
，具有极低的拉曼散射截面，即使采用高能量密度激光光源和高效光路系统，受待测样品光热效应及损伤阈值限制，在痕量/单分子探测领域极具挑战性。因此，发展一种增强拉曼散射光谱技术，实现拉曼在实际领域中的应用是迫切需要的。
3.目前，为增加拉曼散射截面以快速获得高信噪比，已经发展了很多增强拉曼技术，例如等离子体增强拉曼散射、干扰增强拉曼散射、共振拉曼散射和相干反斯托克斯拉曼散射等。其中，等离子体增强拉曼散射技术通过精密设计金属纳米结构，能够产生“热点”以获得巨大的近场电磁场，最终可以实现高效的拉曼散射增强和超高灵敏度的拉曼痕量检测。但在实际拉曼检测应用中，获得高效的拉曼增强金属纳米结构仍然不能很好地平衡性能、成本、再现性和稳定性之间的关系。
4.为了克服等离子体增强拉曼技术固有的缺点，人们开发了非等离子体增强拉曼光谱技术。非等离子体增强拉曼光谱基底由几十个波长的介电微结构组成。它抑制了金属/半导体纳米结构中固有的欧姆能量损失，并以高空间可控性克服了纳米结构对于热点的依赖性。其中介电微球透镜作为非等离子体微腔的代表，具有便于制备、结构简单、稳定性好、价格低廉等优点，在介观光场调控中具有重要作用，成为增强拉曼散射的一种有效途径。通过将优化参数后的两个不同直径的介电微球光学透镜固化制备成功的级联微球透镜增强拉曼探针，实现了高效增强拉曼光信号的应用，具有极其重要的科学研究意义与潜在的应用价值，对于将级联微球透镜拉曼增强探针的制备方法还未见报道。


技术实现要素：

5.本发明的目的在于利用介电微球光学透镜光场调控的作用而提供一种可用于增强拉曼散射强度的级联微球透镜增强拉曼探针的制备方法。利用超薄的紫外固化胶将一级光学微球透镜与二级光学微球透镜连接在一起，可以获得具有优异性能的增强拉曼探针。
6.本发明的另一个目的，是提供一种级联微球透镜增强拉曼探针。
7.为实现本发明的目的所采用的技术方案是：
8.一种级联微球透镜增强拉曼探针的制备方法，包括以下步骤：
9.步骤1：将石英单模光纤剥去涂覆层后用丙酮溶液进行擦拭并充分干燥。
10.步骤2：将上述处理过的光纤置于拉锥机夹具上，以氢气作为热源进行拉锥，得到锥形光纤；
11.步骤3：将锥形光纤剪断后，端部置于二氧化碳激光器中进行熔融烧制，则在锥形纤维的端部形成一级光学微球透镜；
12.步骤4：将玻璃基底分别在丙酮溶液、异丙醇和去离子水中进行超声波清洗；
13.步骤5：将一级光学微球透镜固定在三维位移平台上，沾取通过旋涂法制备得到的noa61紫外胶薄膜，并置于光学显微镜视野内；
14.步骤6：将二级光学微球透镜溶液用无水乙醇溶液进行分散稀释；
15.步骤7：将二级光学微球透镜分散液滴涂在超声清洗过的玻璃基底上，则在玻璃基底上得到稀释分散的二级光学微球透镜；
16.步骤8：将滴涂有二级光学微球透镜的玻璃基底放置在光学显微镜的载物台上方，挑选圆对称性好的微球置于显微镜视野内；
17.步骤9：分别通过控制三维位移平台以及光学显微镜载物台，将二级光学微球透镜放置在一级光学微球透镜的正下方；
18.步骤10：向下移动三维位移平台的z轴，待二级光学微球透镜和一级光学微球透镜在视野中同时清晰后，向上移动z轴，得到未固化的级联微球透镜结构；
19.步骤11：用紫外激光从大球正上方进行照射，得到固化后的级联微球透镜增强拉曼探针结构；
20.在上述技术方案中，步骤1中，所述光纤为掺锗的石英单模光纤，折射率为1.4682，直径为9/125/250μm。
21.在上述技术方案中，步骤2中，所述光纤拉锥方法使用的设备为拉锥机，设置拉锥机的氢气流量为220ml/min，拉伸速度为3000μm/sec，拉锥时间为50-80s，可通过控制拉锥时间制备出直径为10-40μm的锥形光纤。
22.在上述技术方案中，步骤3中，所述二氧化碳激光器输出波长为10.6μm，激光功率为40-50w，光斑直径为2mm，通过控制熔融锥形光纤的直径和长度可以制备出直径为20-60μm的一级光学微球透镜。
23.在上述技术方案中，步骤5中，所述noa61紫外胶薄膜的厚度为200nm，所述制备方法，旋涂的速度设置为低速3000rpm/min，旋涂的时间为20s以及高速5000rpm/min，旋涂的时间为30s。进一步地讲，紫外胶的厚度小于200nm，可以避免影响一级光学微球透镜和二级光学微球透镜二者光学耦合效应。
24.在上述技术方案中，步骤6中，在上述技术方案中，步骤6中，所述二级光学微球透镜直径应等于一级光学微球透镜聚焦光斑的尺寸，其范围为1-10μm，其材料为二氧化硅，折射率为1.45。进一步地讲，当两者的尺寸匹配符合上述条件时，二者直径的光学纳米射流的对拉曼增强的贡献达到在该一级光学微球透镜尺寸下的最大值。
25.在上述技术方案中，步骤9中，所述光学显微镜使用的是透射模式，光学镜头为50倍镜，na为0.5。进一步地讲，透视模式下，可以通过一级光学微球透镜看到二级光学微球透镜，有助于调节两者之间的相对位置。
26.在上述技术方案中，步骤11中，所述得紫外固化激光器功率为14μw，波长为365nm。
27.与现有技术相比，本发明的有益效果是：1)、本发明提供的级联微球透镜增强拉曼探针的制备，其制备方法简单、成本低廉、良好的生物相容性、稳定性和重复性高便于重复利用。
2)、本发明提供的级联微球透镜增强拉曼探针，能够根据需求制备不同微尺寸的微球拉曼探针结构，可以实现较高的拉曼增强效应，并且可以适用于不同拉曼分子的检测，以及与不同类型的等离激元增强拉曼技术进行耦合，最终实现超高的拉曼检测灵敏度。3)、本发明提供的级联微球透镜增强拉曼探针具有优异的综合性能，在增强拉曼技术领域有重要的应用价值。
附图说明
28.图1所示为级联微球透镜增强拉曼探针的制备流程示意图；
29.图2所示为级联微球透镜增强拉曼探针的扫描电镜图；
30.图3所示为级联微球透镜增强拉曼探针的扫描电镜图；
31.图4所示为级联微球透镜增强拉曼探针增强拉曼报告分子4-硝基苯硫醇后的拉曼光谱示意图；
具体实施方式
32.以下结合具体实施例对本发明做进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
33.实施案例1
34.一种级联微球透镜拉曼探针的制备方法，包括以下步骤：
35.步骤1：将折射率为1.4682，直径为9/125/250μm的石英单模光纤剥去涂覆层后用丙酮溶液进行擦拭并充分干燥。
36.步骤2：将上述处理过的光纤置于拉锥机夹具上，以氢气作为热源进行拉锥，其中设置氢气流量为220ml/min，拉伸速度为3000μm/sec，时间为60s，得到直径为25μm的锥形光纤。
37.步骤3：将锥形光纤剪断后，将端部伸出15μm置于激光功率为48w，光斑直径为2mm的二氧化碳激光器中进行熔融烧制，得到尺寸为45μm的一级光学微球透镜。
38.步骤4：将玻璃基底分别在丙酮溶液、异丙醇和去离子水中进行超声波清洗。
39.步骤5：将noa61紫外胶涂敷在玻璃上，然后经旋涂机进行旋涂，制备出厚度为200nm的薄膜，其中旋涂的速度为低速4000rpm/min，旋涂的时间为20s以及高速7000rpm/min，旋涂的时间为30s。
40.步骤6：将一级光学微球透镜固定在三维位移平台上，沾取薄薄一层通过旋涂法制备得到的noa61紫外胶薄膜，并置于光学显微镜视野内。
41.步骤7：将直径为6.46
±
0.5μm的二级光学微球透镜溶液，其尺寸等于所制备的一级光学微球透镜聚焦光斑，用无水乙醇溶液进行稀释分散，得到二级光学微球透镜稀释溶液，然后滴涂在超声波清洗过得玻璃基底上。
42.步骤8：将滴涂有二级光学微球透镜玻璃基底放置在光学显微镜的载物台上方，并挑选圆对称性好的二级光学微球透镜置于显微镜视野内。
43.步骤9：在光学显微镜的透射模式以及50倍镜下，分别通过控制三维位移平台以及光学显微镜载物台，将二级光学微球透镜放置在一级光学微球透镜的正下方。
44.步骤10：向下移动三维位移平台的z轴，将一级光学微球透镜靠近二级光学微球透
镜，待二者在显微镜视野中同时清晰后，向上移动z轴，由于胶的粘附力，二级光学微球透镜会黏在一级光学微球透镜的正下方，得到未固化的级联微球透镜结构。
45.步骤11：用激光功率为14μw，波长为365nm的紫外激光从一级光学微球透镜正上方进行照射，由于二氧化硅的透光效应，照射20min后即得到固化后的级联微球透镜增强拉曼探针结构。
46.通过拉曼光谱仪测量上述所得级联微球透镜增强拉曼探针对拉曼报告分子4-硝基苯硫醇的拉曼增强效果，拉曼信号增强为20倍。
47.实施案例2
48.一种级联微球透镜拉曼探针的制备方法，包括以下步骤：
49.步骤1：将折射率为1.4682，直径为9/125/250μm的石英单模光纤剥去涂覆层后用丙酮溶液进行擦拭并充分干燥。
50.步骤2：将上述处理过的光纤置于拉锥机夹具上，以氢气作为热源进行拉锥，其中设置氢气流量为220ml/min，拉伸速度为3000μm/sec，时间为70s，得到直径为15μm的锥形光纤。
51.步骤3：将锥形光纤剪断后，将端部伸出15μm置于激光功率为50w，光斑直径为2mm的二氧化碳激光器中进行熔融烧制，得到尺寸为35μm的一级光学微球透镜。
52.步骤4：将玻璃基底分别在丙酮溶液、异丙醇和去离子水中进行超声波清洗。
53.步骤5：将noa61紫外胶涂敷在玻璃上，然后经旋涂机进行旋涂，制备出厚度为200nm的薄膜，其中旋涂的速度为低速4000rpm/min，旋涂的时间为20s以及高速7000rpm/min，旋涂的时间为30s。
54.步骤6：将一级光学微球透镜固定在三维位移平台上，沾取薄薄一层通过旋涂法制备得到的noa61紫外胶薄膜，并置于光学显微镜视野内。
55.步骤7：将直径为4.86
±
0.5μm的二级光学微球透镜溶液，其尺寸等于所制备的一级光学微球透镜聚焦光斑，用无水乙醇溶液进行稀释分散，得到二级光学微球透镜稀释溶液，然后滴涂在超声波清洗过得玻璃基底上。
56.步骤8：将滴涂有二级光学微球透镜玻璃基底放置在光学显微镜的载物台上方，并挑选圆对称性好的二级光学微球透镜置于显微镜视野内。
57.步骤9：在光学显微镜的透射模式以及50倍镜下，分别通过控制三维位移平台以及光学显微镜载物台，将二级光学微球透镜放置在一级光学微球透镜的正下方。
58.步骤10：向下移动三维位移平台的z轴，将一级光学微球透镜靠近二级光学微球透镜，待二者在显微镜视野中同时清晰后，向上移动z轴，由于胶的粘附力，二级光学微球透镜会黏在一级光学微球透镜的正下方，得到未固化的级联微球透镜结构。
59.步骤11：用激光功率为14μw，波长范365nm的紫外激光从一级光学微球透镜正上方进行照射，由于二氧化硅的透光效应，照射20min后即得到固化后的级联微球透镜增强拉曼探针结构。
60.使用与实施案例1中同样的方法，测量上述所得级联微球透镜增强拉曼探针增强倍数为15倍。实施案例3
61.一种级联微球透镜增强拉曼探针的制备方法，包括以下步骤：
62.步骤1：将折射率为1.4682，直径为9/125/250μm的石英单模光纤剥去涂覆层后用丙酮溶液进行擦拭并充分干燥。
63.步骤2：将上述处理过的光纤置于拉锥机夹具上，以氢气作为热源进行拉锥，其中设置氢气流量为220ml/min，拉伸速度为3000μm/sec，时间为55s，得到直径为30μm的锥形光纤。
64.步骤3：将锥形光纤剪断后，将端部伸出15μm置于激光功率为56w，光斑直径为2mm的二氧化碳激光器中进行熔融烧制，得到尺寸为50μm的一级光学微球透镜。
65.步骤4：将玻璃基底分别在丙酮溶液、异丙醇和去离子水中进行超声波清洗。
66.步骤5：将noa61紫外胶涂敷在玻璃上，然后经旋涂机进行旋涂，制备出厚度为200nm的薄膜，其中旋涂的速度为低速4000rpm/min，旋涂的时间为20s以及高速7000rpm/min，旋涂的时间为30s。
67.步骤6：将一级光学微球透镜固定在三维位移平台上，沾取薄薄一层通过旋涂法制备得到的noa61紫外胶薄膜，并置于光学显微镜视野内。
68.步骤7：将直径为7.27
±
0.5μm的二级光学微球透镜溶液，其尺寸等于所制备的一级光学微球透镜聚焦光斑(～7.5μm)，用无水乙醇溶液进行稀释分散，得到二级光学微球透镜稀释溶液，然后滴涂在超声波清洗过得玻璃基底上。
69.步骤8：将滴涂有二级光学微球透镜玻璃基底放置在光学显微镜的载物台上方，并挑选圆对称性好的二级光学微球透镜置于显微镜视野内。
70.步骤9：在光学显微镜的透射模式以及50倍镜下，分别通过控制三维位移平台以及光学显微镜载物台，将二级光学微球透镜放置在一级光学微球透镜的正下方。
71.步骤10：向下移动三维位移平台的z轴，将一级光学微球透镜靠近二级光学微球透镜，待二者在显微镜视野中同时清晰后，向上移动z轴，由于胶的粘附力，二级光学微球透镜会黏在一级光学微球透镜的正下方，得到未固化的级联微球透镜结构。
72.步骤11：用激光功率为14μw，波长为365nm的紫外激光从一级光学微球透镜正上方进行照射，由于二氧化硅的透光效应，照射20min后即得到固化后的级联微球透镜增强拉曼探针结构。
73.使用与实施案例1中同样的方法，测量上述所得级联微球透镜增强拉曼探针增强倍数为25倍。
74.实施案例4
75.一种级联微球透镜增强拉曼探针的制备方法，包括以下步骤：
76.步骤1：将折射率为1.4682，直径为9/125/250μm的石英单模光纤剥去涂覆层后用丙酮溶液进行擦拭并充分干燥。
77.步骤2：将上述处理过的光纤置于拉锥机夹具上，以氢气作为热源进行拉锥，其中设置氢气流量为220ml/min，拉伸速度为3000μm/sec，时间为75s，得到直径为13μm的锥形光纤。
78.步骤3：将锥形光纤剪断后，将端部伸出15μm置于激光功率为55w，光斑直径为2mm的二氧化碳激光器中进行熔融烧制，得到尺寸为30μm的一级光学微球透镜。
79.步骤4：将玻璃基底分别在丙酮溶液、异丙醇和去离子水中进行超声波清洗。
80.步骤5：将noa61紫外胶涂敷在玻璃上，然后经旋涂机进行旋涂，制备出厚度为
200nm的薄膜，其中旋涂的速度为低速4000rpm/min，旋涂的时间为20s以及高速7000rpm/min，旋涂的时间为30s。
81.步骤6：将一级光学微球透镜固定在三维位移平台上，沾取薄薄一层通过旋涂法制备得到的noa61紫外胶薄膜，并置于光学显微镜视野内。
82.步骤7：将直径为3.98
±
0.5μm的二级光学微球透镜溶液，其尺寸等于所制备的一级光学微球透镜聚焦光斑，用无水乙醇溶液进行稀释分散，得到二级光学微球透镜稀释溶液，然后滴涂在超声波清洗过得玻璃基底上。
83.步骤8：将滴涂有二级光学微球透镜玻璃基底放置在光学显微镜的载物台上方，并挑选圆对称性好的二级光学微球透镜置于显微镜视野内。
84.步骤9：在光学显微镜的透射模式以及50倍镜下，分别通过控制三维位移平台以及光学显微镜载物台，将二级光学微球透镜放置在一级光学微球透镜的正下方。
85.步骤10：向下移动三维位移平台的z轴，将一级光学微球透镜靠近二级光学微球透镜，待二者在显微镜视野中同时清晰后，向上移动z轴，由于胶的粘附力，二级光学微球透镜会黏在一级光学微球透镜的正下方，得到未固化的级联微球透镜结构。
86.步骤11：用激光功率为14μw，波长为365nm的紫外激光从一级光学微球透镜正上方进行照射，由于二氧化硅的透光效应，照射20min后即得到固化后的级联微球透镜增强拉曼探针结构。
87.使用与实施案例1中同样的方法，测量上述所得级联微球透镜增强拉曼探针增强倍数为12倍。
88.显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其他不同形式的变化或变动。这里无法对所有实施方式予以穷举。凡是属于本发明的技术方案所引申出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之列。