基于光纤熔锥型耦合器的表面增强拉曼散射传感检测装置制造方法及图纸

本发明专利技术涉及一种基于熔锥型光纤耦合器的表面增强拉曼散射传感检测装置。它包括两个单色光源，一个２×２熔锥型光纤耦合器和两个高灵敏拉曼光谱仪。所述两个单色光源，先后经过两个偏振片、两个聚焦透镜、两个光纤耦合平台和所述２×２熔融型光纤耦合器连接至所述两个高灵敏拉曼光谱仪，所述２×２熔锥型光纤耦合器置于待测溶液或者气体中；在所述的２×２熔锥型光纤耦合器的熔融拉锥区部分，渐逝波激发光纤表面金属纳米粒子层所吸附的待测溶液或者气体分子，使其产生拉曼光谱，并经光纤熔融拉锥区耦合回光纤中，传送至所述的高灵敏拉曼光谱仪，从而探测所述待测溶液或气体分子的拉曼光谱。本发明专利技术结构简单，抗干扰能力强，灵敏度高，适用于在线分析、实时检测、活体样本分析等多种场合。

Surface enhanced Raman scattering sensing device based on optical fiber fused taper coupler

The invention relates to a surface enhanced Raman scattering sensing and detecting device based on fused biconical optical fiber coupler. It consists of two monochromatic light sources, a 2 * 2 fused biconical optical fiber coupler and two highly sensitive Raman spectrometers. The two monochromatic light source, after two polarizers, two focusing lens, two optical fiber coupling platform and the 2 x 2 fused coupler is connected to the two high sensitive Raman spectrometer, the 2 * 2 optical fiber couplers in measured solution or gas; pull cone area in the melting 2 x 2 fused fiber coupler, evanescent test solution or gas molecular wave excitation optical fiber surface layer of metal nanoparticles adsorbed, the Raman spectra, and the optical fiber fused region coupled to the optical fiber, high sensitive Raman spectrometer transmitted to the thus, the Raman spectra detecting the analyte solution or gas molecules. The invention has the advantages of simple structure, strong anti-interference ability and high sensitivity, and is suitable for on-line analysis, real-time detection, living sample analysis and other occasions.

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种基于光纤熔锥型耦合效应的表面增强拉曼散射传感检测装置，属光学纤 维及传感器

技术介绍
同已有的检测技术相比，拉曼光谱技术的主要优势在于；无需对待测物质进行任何方式 取样预处理，就能得到丰富的有关分子振动以及分子结构的信息。但在通常情况下，由于分 子或原子的拉曼光散射强度较小，仅为入射光的1(T、同时与本质上更强的荧光信号重叠， 从而限制了其潜在的应用。直到1974年，Fleischmarm等人首次发现了表面增强拉曼散射 (Surface-enhanced Raman scattering, SERS)效应。1977年Jeanmaire禾口 Van Duyne对 该现象的本质进行了研究，指出这是一种与粗糙表面相关的表面增强效应。表面增强拉曼散 射效应的发现使得人们可以从金属表面，尤其是诸如金、银、铜等金属表面，获得巨大的拉 曼散射增强信号，从而可轻而易举地获取高质量的表面分子拉曼信号，在生物、医药、工业、 纳米材料、国防科技等领域大大拓宽了其应用范围，并扮演着越来越重要的角色。近年来，随着激光器、光纤和频谱扫描技术的发展，为了实现实时，在线，抗电磁干扰、 远距离多点网络化、低浓度、高精度等的监测需求，将表面增强拉曼光谱技术、纳米合成技 术以及光纤传输技术相结合的光纤表面增强拉曼光谱技术孕育而生。目前已有的光纤SERS探 针主要有纳米结构峰巢方案、空心波导方案、D型光纤方案、以及活性液芯方案等，它们都 通过光纤实芯内的全反射传输光，纳米金属颗粒附着在光纤端面或者纤芯表面，利用传输光 能量获取光纤端面或者纤芯表面的拉曼散射信号。
技术实现思路
本专利技术的目的在于针对已有技术存在的缺陷，提供一种基于光纤熔锥型耦合效应的光纤 表面增强拉曼散射传感检测装置。该装置具有结构简单，制造方便，成本低，无需预处理等 优点，适用于需要实时、远距离、高精度、低浓度物质多端检测等场合。为达到上述目的，本专利技术的构思是为了充分体现拉曼光谱对于物质组成及结构表征和光纤技术远距离、在线检测技术的优 势，本专利技术将表面增强拉曼散射与熔锥型光纤耦合器相结合，构成用于液体或者气体分子检 测的光纤拉曼传感器。拉曼光谱由于本身的低强度，需要一种增强技术以改善检测的难度。 表面增强拉曼散射技术主要是依靠表面粗糙化的金、银或者铜等金属溶胶的纳米特性，以极 大地增强吸附在金属纳米粒子表面的待测分子的拉曼散射截面，从而极大地增强该待测分子3的拉曼散射光强度。光纤熔融拉锥耦合是一种技术上比较成熟的传感技术，它基于光纤渐逝 波及其耦合理论。采用熔锥型光纤耦合器作为传感头，得到具有耦合效应的渐逝波能量。当 将熔锥型光纤耦合器置于待测液体或者气体中时，部分待测液体或者气体分子将吸附在熔锥 型光纤耦合器表面的金属纳米粒子层上。该金属纳米粒子层通过化学合成方法获得，合成方 法简单经济。通过离心、化学清洗和筛选，获得符合要求的金属纳米粒子，用APTMS等粘结 剂，将金属纳米粒子均匀地固化在光纤熔融耦合锥区表面，从而获得具有纳米粗糙尺度的表 面增强拉曼散射熔锥型耦合光纤传感头。在正常使用时，首先将激发光源耦合进熔锥型光纤 耦合器中，当光通过光纤熔融耦合锥区时，部分能量以渐逝波的形式透射入耦合锥区微米量 级的表面深度，激发该区域内的待测分子，得到经金属纳米粒子增强的拉曼散射信号，并随 渐逝波耦合至光纤耦合器中传输，然后直接传送至拉曼光谱仪。 根据上述构思，本专利技术采用下述技术方案一种基于光纤熔锥型耦合器的光纤表面增强拉曼散射传感检测装置，包括两个单色光源，一个2X2熔锥型光纤耦合器和两个高灵敏拉曼光谱仪，其特征在于所述两个单色光源，先 后各经过两个偏振片、两个聚焦透镜、两个光纤耦合平台和所述2X2熔锥型光纤耦合器连接 至所述两个高灵敏拉曼光谱仪，所述2X2熔锥型光纤耦合器置于待测溶液或者气体中；在所 述的2X2熔锥型光纤耦合器的熔融拉锥区部分，渐逝波激发光纤表面金属纳米粒子层所吸附 的待测溶液或者气体分子，使其产生增强的拉曼光谱，并经光纤熔融拉锥区耦合回光纤中， 传送至所述的高灵敏拉曼光谱仪，从而探测所述待测溶液或者气体分子的增强拉曼光谱。上述2X2熔锥型光纤耦合器的结构是由两根单模或多模光纤熔融拉锥成对称锥形耦合 区段，其对称锥形耦合区段的总长度为14mm 40mm，熔融拉锥后的2X2光纤耦合器，其四 端各有其纤芯和包层，分别作为激发光的输入端口和增强拉曼散射光谱输出端口；在对称锥 形耦合区段外层涂敷有经化学合成、清洗及筛选的金、银或者铜等金属纳米粒子层；当所述 2X2熔锥型光纤耦合器置入待测溶液或者气体中时，其对称锥区域表面的金属纳米粒子层上 就会吸附有部分待测液体或者气体的分子，当渐逝波透射到光纤表面时，就能激发这部分待 测分子，产生增强的拉曼散射。本专利技术与现有技术相比较，具有如下显而易见的突出实质性特点和显著优点本专利技术中 采用熔锥型传感用2X2光纤耦合器件作为传感头，由于其耦合锥区部分封装入经过几何结构 优化的对称锥形耦合光纤，使其传感区域极大地增强了渐逝波的透射深度、强度和光能耦合 效率。在耦合锥区表面，首先通过氢氟酸、去离子水、甲醇等溶液清洗，以避免金属纳米粒 子附着不均匀和对最终采集待测分子拉曼光谱的干扰。然后附着上一层用化学方法合成的金4系数足够的大，涂覆的金属纳米粒子均需经化学清 洗、提纯、筛选，从而能最大程度地吸附足够多的待测分子，以尽可能地增强微弱的拉曼散 射信号。通过一系列的优化手段，以保证最终传送到输出端口的拉曼光谱信号足够的强，以 便于后续拉曼光谱仪数据采集部分的数据分析。同时，由于经过光纤对激发光和拉曼散射光 谱信号的传输，可实现远距离检测，避免检测人员直接接触危险物品且减少对人体的危害。 本专利技术具有结构简单、制造容易，成本低廉等特点。本专利技术适合于要求对环境组成精确测量 和控制的场合，例如水产养殖、工业制造、环境监测、生物科学及科学研究等诸多领域，并 可实时、高灵敏度地检测物质。 附图说明图1为本专利技术一个实施例的结构框图2为用于表面增强拉曼散射传感的2X2熔锥型光纤耦合器结构示意图； 图3为本专利技术具体实施例所获得的实验结果。 具体实施例方式本专利技术的一个优选实施例结合附图说明如下参见图1,本基于光纤熔锥型耦合效应的 表面增强拉曼散射传感检测装置包括两个单色光源1, 2， 一个2X2熔锥型光纤耦合器9和 两个高灵敏拉曼光谱仪11， 12，所述两个单色光源1， 2，先后各经过两个偏振片3, 4、两 个聚焦透镜5， 6、两个光纤耦合平台7， 8和所述2X2熔锥型光纤耦合器9连接至所述两个 高灵敏拉曼光谱仪ll， 12，所述2X2熔锥型光纤耦合器9置于待测溶液或者气体10中；在 所述的2X2熔锥型光纤耦合器9的熔融拉锥区部分，渐逝波激发光纤表面金属纳米粒子层所 吸附的待测溶液或者气体分子，使其产生增强拉曼光谱，并经光纤熔融拉锥区耦合回光纤中， 传送至所述的高灵敏拉曼光谱仪11, 12,从而探测所述待测溶液或者气体分子10的增强拉 曼光谱。上述2X2熔锥型光纤耦合器9的结构是由两根单模或多模光纤90、 95熔融拉锥成对 称锥形耦合区段，其对称锥形耦合区段的总长度为14mm 40mm，熔融拉锥后的2X2光纤耦 合器9，其本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于光纤熔锥型耦合器的表面增强拉曼散射传感检测装置，包括两个单色光源（１，２），一个２×２熔锥型光纤耦合器（９）和两个高灵敏拉曼光谱仪（１１，１２），其特征在于：所述两个单色光源（１，２），先后各经过两个偏振片（３，４）、两个聚焦透镜（５，６）、两个光纤耦合平台（７，８）和所述２×２熔锥型光纤耦合器（９）连接至所述两个高灵敏拉曼光谱仪（１１，１２），所述２×２熔锥型光纤耦合器（９）置于待测溶液或者气体（１０）中；在所述的２×２熔锥型光纤耦合器（９）的熔融拉锥区部分，渐逝波激发光纤表面金属纳米粒子层所吸附的待测溶液或者气体分子，使其产生增强的拉曼光谱，并经光纤熔融拉锥区耦合回光纤中，传送至所述的高灵敏拉曼光谱仪（１１，１２），从而探测所述待测溶液或者气体分子（１０）的拉曼光谱。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：王廷云，陈振宜，庞拂飞，陈娜，刘琳，付兴虎，
申请(专利权)人：上海大学，
类型：发明
国别省市：31[中国|上海]