基于D型光纤和纳米环形腔的在线分子检测器及制作方法技术

本发明专利技术公开了一种基于D型光纤和纳米环形腔的在线分子检测器及制作方法，该检测器的主要结构是非对称纳米环形腔阵列、侧抛的D型光纤和光纤连接头。在侧抛的D型光纤的侧抛表面加工纳米环形腔阵列，环形腔由半导体增益材料和金属材料交替形成，从而提高表面等离激元信号强度并调制圆柱形表面等离激元波长，同时环形腔内结构形状设计为非对称，从而实现偏振敏感性；腔表面由一层5nm介质隔离保护。D型光纤一端入射激发光，激发金属环形腔内的表面等离激元效应，使环内电场强度显著增强，从而激发金属环表面吸附分子的SERS信号，信号耦合回D型光纤内，通过光纤另一端接收。本发明专利技术形成的分子检测器可以在线监测，适用于微量监测。

【技术实现步骤摘要】
基于D型光纤和纳米环形腔的在线分子检测器及制作方法
本专利技术涉及一种基于D型光纤和纳米环形腔的在线分子检测器及制作方法，属于电子通讯与信息工程领域。
技术介绍
表面增强拉曼散射(Surface-EnhancedRamanScattering,SERS)技术是在普通拉曼上发展起来的新一代检测技术。与普通拉曼散射技术相比,表面增强拉曼散射技术具有选择性好、灵敏度高的特点，并可实现对单个分子的检测,近年已成为环境监测、生物化学传感、疾病诊断等领域常用分析手段。当电磁波入射到金属与介质分界面时，金属表面的自由电子发生集体振荡，电磁波与金属表面自由电子耦合而形成一种沿着金属表面传播的近场电磁波，如果电子的振荡频率与入射光波的频率一致就会产生共振，在共振状态下电磁场的能量被有效地转变为金属表面自由电子的集体振动能，这时就形成的一种特殊的电磁模式：电磁场被局限在金属表面很小的范围内并发生增强，这种现象就被称为表面等离激元现象。表面等离激元具有很强局域电场强度，在化学生物传感、光波导透射增强等方向有诱人的应用前景。随着纳米加工技术的发展，表面等离激元因其能够制造亚波长尺寸光子器件的潜力，重新引起人们的研究兴趣。但是目前的纳米加工技术效率较低，一般适用于实验室研究，难以规模生产。传感器件的小型化一直是人们努力追求的目标，光电传感器件尺寸降低到纳米尺度是目前研究人员正在努力的方向。光纤传输具有很强的优越性，一根细细的光纤可以同时传输数万人甚至上亿路电话，可以传输数千套电视节目，这是其他传输手段无法比拟的。其次，光纤传输的是光信号，它不受外界电磁场的干扰，也不怕潮湿、不怕腐蚀，具有无污染、保密性强等特点。光纤传输信号的损耗也小，只有电缆的十分之一。因此设计的结构非常微小，方便携带和使用。光纤中的导模在纤芯和包层的分界面上产生全反射，大部分能量都集中在纤芯中，但是有一部分能量会渗透到包层和外界环境中去，它是一种强度沿光纤径向呈指数衰减的电磁波，称为光纤的倏逝场。而光纤越接近外界环境，越多的能量就会渗透出去，外界与光纤的相互作用也就越强。由于D型光纤结构具有非圆对称性，它的纤芯比常规单模光纤更接近外界环境，所以外界与光纤的相互作用比普通单模光纤强。这使得D型光纤可以应用于能量耦合，传感器传感，弯曲传感等许多场合。另外，D型光纤具有的泄露模有各种波矢，能够激发环形腔内的表面等离激元，让分子在高电场强度下辐射出拉曼信号光并耦合进光纤传出以待检测。单层微球的制备有很多简便的方法，包括滴涂法、蘸涂法、旋涂法、电泳沉积法、气液界面的自组装法等。用这些方法能够形成不同形式的单层微球阵列，如六角密排单层微球阵列、非密排微球阵列、图案化微球阵列和二元微球阵列。同时，合理结合成熟的微加工技术，可以灵活的对单层微球阵列的大小、形状、朝向、周期和结构的成分或性质进行调控。
技术实现思路
本专利技术所要解决的技术问题是提供一种基于D型光纤和纳米环形腔的在线分子检测器及制作方法，针对光纤在线分子检测和高强度电场下辐射的拉曼信号以增加分析准确性。本专利技术为解决上述技术问题采用以下技术方案：一方面，本专利技术提供一种基于D型光纤和纳米环形腔的在线分子检测器，包括光纤及其两端的光线连接头。所述光纤中包括一段侧抛的D型光纤，在侧抛的D型光纤的侧抛表面上覆盖一层微球薄膜，所述微球薄膜由阵列排布的单层聚苯乙烯胶体微球及其间隙内填充的凝胶构成，所述凝胶未覆盖聚苯乙烯胶体微球的顶部，由每个所述聚苯乙烯胶体微球的顶部向内刻蚀形成一个环形凹槽；在每个刻蚀后的聚苯乙烯胶体微球的顶部向外设置依次由金属膜-半导体膜-金属膜-半导体膜-金属膜-半导体膜交替构成的纳米环形腔，形成纳米环形腔阵列，其中，所述纳米环形腔在竖直轴圆对称方向为非对称结构，以实现偏振敏感性。作为本专利技术的进一步优化方案，采用液面自组装的单层纳米球做掩膜来制作纳米环形腔。作为本专利技术的进一步优化方案，侧抛的D型光纤的长度为10mm。作为本专利技术的进一步优化方案，纳米环形腔阵列设置在光纤中部。作为本专利技术的进一步优化方案，采用轮式侧抛技术对光纤进行抛磨来制作侧抛的D型光纤。作为本专利技术的进一步优化方案，光纤通过两端的光纤连接头分别与光源以及光谱分析仪连接。作为本专利技术的进一步优化方案，所述纳米环形腔阵列的表面还镀有一层SiO2膜。另一方面，本专利技术还提供如上所述任一基于D型光纤和纳米环形腔的在线分子检测器的制作方法，包括以下步骤：步骤1，取一根光纤，并对光纤中的一段进行抛磨形成一段侧抛的D型光纤；步骤2，取一方形水槽，清洗后吹干放置；步骤3，配置聚苯乙烯胶体微球溶液，采用乳液聚合的方式合成胶体微球，胶体微球的直径为580nm，微球直径偏差率为0.2％，聚苯乙烯胶体微球溶液的体积百分比浓度为0.1％，聚苯乙烯胶体微球溶液溶剂为去离子水；步骤4，配置乙醇溶液，其体积百分比浓度为0.1％、溶剂为去离子水；步骤5，将步骤1制作的光纤固定于水槽中，加入纳米离子水溶液并使光纤位于纳米离子水溶液液面的下方；步骤6，将步骤3配置的聚苯乙烯胶体微球溶液滴加于纳米离子水溶液液面的上方，同时滴加步骤4中的乙醇溶液，形成单层薄膜，并放置待有机溶剂挥发完全；步骤7，滴加十二烷基硫酸钠溶液于单层薄膜上方，使单层薄膜聚集有序；步骤8，在水槽中添加正硅酸乙酯溶液，静置24小时，同时对水槽进行紫外照射，在单层薄膜中的聚苯乙烯胶体微球的间隙形成凝胶，完成微球薄膜的制备，其中，凝胶未完全覆盖聚苯乙烯胶体微球；步骤9，降低水槽中液体的液面，使得微球薄膜覆盖在侧抛的D型光纤的侧抛表面，静置干燥；步骤10，采用反应离子刻蚀的方法对微球薄膜中的聚苯乙烯胶体微球未被凝胶覆盖的部分由顶部向内进行刻蚀形成一个环形凹槽，并在刻蚀后的聚苯乙烯胶体微球表面进行交替镀膜，形成纳米环形腔阵列，具体为：10.1，将光纤水平放置且D型光纤的侧抛表面朝上作为基底；10.2，将基底沿其表面法向量倾斜45度后，在刻蚀后的聚苯乙烯胶体微球表面镀金属膜；放平基底并将基底水平旋转90度后再沿其表面法向量倾斜45度后，在刻蚀后的聚苯乙烯胶体微球表面再次镀金属膜；10.3，基底恢复至步骤10.2的起始状态，将基底沿其表面法向量倾斜45度后，在刻蚀后的聚苯乙烯胶体微球表面再次镀半导体膜；放平基底并将基底水平旋转90度后再沿其表面法向量倾斜45度后，在刻蚀后的聚苯乙烯胶体微球表面再次镀半导体膜；10.4，采用步骤10.2和10.3的方法，在刻蚀后的聚苯乙烯胶体微球表面依次交替镀金属膜和半导体膜，形成由内向外由金属膜-半导体膜-金属膜-半导体膜-金属膜-半导体膜交替构成的纳米环形腔；步骤11，选择性湿法腐蚀纳米环形腔底部的金属/半导体材料，从而在D型光纤的侧抛表面形成纳米环形腔阵列；步骤12，在纳米环形腔阵列的表面镀一层SiO2膜作为介质，以隔离保护。本专利技术采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：通过环形腔内形成谐振时电场强度的增强，提高检测灵敏度；通过增加半导体增益介质，提高谐振波长的可调特性及电场的增强程度，进一步提高检测灵敏度；通过采用侧抛光纤，减少耦合误差，由于采用阵列，增加了相互作用长度，可以提高检测准确性；采用非对称环形腔，实现偏振敏感检测，通过检测光的不同偏振态来减少环境影响。检测仪器精度较本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.基于D型光纤和纳米环形腔的在线分子检测器，包括光纤及其两端的光线连接头，其特征在于，所述光纤中包括一段侧抛的D型光纤，在侧抛的D型光纤的侧抛表面上覆盖一层微球薄膜，所述微球薄膜由阵列排布的单层聚苯乙烯胶体微球及其间隙内填充的凝胶构成，所述凝胶未覆盖聚苯乙烯胶体微球的顶部，由每个所述聚苯乙烯胶体微球的顶部向内刻蚀形成一个环形凹槽；在每个刻蚀后的聚苯乙烯胶体微球的顶部向外设置依次由金属膜‑半导体膜‑金属膜‑半导体膜‑金属膜‑半导体膜交替构成的纳米环形腔，形成纳米环形腔阵列，其中，所述纳米环形腔在竖直轴圆对称方向为非对称结构，以实现偏振敏感性。

【技术特征摘要】
1.基于D型光纤和纳米环形腔的在线分子检测器，包括光纤及其两端的光线连接头，其特征在于，所述光纤中包括一段侧抛的D型光纤，在侧抛的D型光纤的侧抛表面上覆盖一层微球薄膜，所述微球薄膜由阵列排布的单层聚苯乙烯胶体微球及其间隙内填充的凝胶构成，所述凝胶未覆盖聚苯乙烯胶体微球的顶部，由每个所述聚苯乙烯胶体微球的顶部向内刻蚀形成一个环形凹槽；在每个刻蚀后的聚苯乙烯胶体微球的顶部向外设置依次由金属膜-半导体膜-金属膜-半导体膜-金属膜-半导体膜交替构成的纳米环形腔，形成纳米环形腔阵列，其中，所述纳米环形腔在竖直轴圆对称方向为非对称结构，以实现偏振敏感性。2.根据权利要求1所述的基于D型光纤和纳米环形腔的在线分子检测器，其特征在于，采用液面自组装的单层纳米球做掩膜来制作纳米环形腔。3.根据权利要求1所述的基于D型光纤和纳米环形腔的在线分子检测器，其特征在于，侧抛的D型光纤的长度为10mm。4.根据权利要求1所述的基于D型光纤和纳米环形腔的在线分子检测器，其特征在于，纳米环形腔阵列设置在光纤中部。5.根据权利要求1所述的基于D型光纤和纳米环形腔的在线分子检测器，其特征在于，采用轮式侧抛技术对光纤进行抛磨来制作侧抛的D型光纤。6.根据权利要求1所述的基于D型光纤和纳米环形腔的在线分子检测器，其特征在于，光纤通过两端的光纤连接头分别与光源以及光谱分析仪连接。7.根据权利要求1所述的基于D型光纤和纳米环形腔的在线分子检测器，其特征在于，所述纳米环形腔阵列的表面还镀有一层SiO2膜。8.如权利要求1至7中任一所述的基于D型光纤和纳米环形腔的在线分子检测器的制作方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1，取一根光纤，并对光纤中的一段进行抛磨形成一段侧抛的D型光纤；步骤2，取一方形水槽，清洗后吹干放置；步骤3，配置聚苯乙烯胶体微球溶液，采用乳液聚合的方式合成胶体微球，胶体微球的直径为580nm，微球直径偏差率为0.2％，聚苯乙烯胶体微球溶液的体积百分比浓度为0.1％，聚苯乙烯胶体微球溶...

【专利技术属性】
技术研发人员：倪海彬，阮成尧，章镕波，郭晓董，钟田鸣宇，
申请(专利权)人：南京信息工程大学，
类型：发明
国别省市：江苏,32