光子晶體光纖傳感器制造技術

檢測方法、光子晶體光纖、用于制造光子晶體光纖傳感器的方法，以及表面增強拉曼散射(SERS)檢測設備。檢測方法包括下列步驟：提供包括中空纖芯和多個圍繞中空纖芯的包層孔的光子晶體光纖；提供表面增強拉曼散射(SERS)活性納米顆粒；以及調整SERS活性納米顆粒和/或光纖以進行SERS檢測。

【技術實現步驟摘要】
【國外來華專利技術】
本專利技術廣泛地涉及檢測方法、光子晶體光纖、制造光子晶體光纖傳感器的方法，以及表面增強拉曼散射(SERS)檢測設備。
技術介紹
表面增強拉曼散射(SERS)是多用途的檢測和分析技術，其中分析物吸附在納米粗化貴金屬表面或其膠粒上，主要為金(Au)或銀(Ag)。由于表面等離子效應，分析物分子的場強會有顯著的增加；因此，可檢測的散射信號也會增大數倍。分子的SERS光譜通常包含峰或帶，其惟一地表示在各分析物中存在的一組特定原子團/原子種類。這種顯著的特征可以建立能表示分析物振動頻率的分子拉曼光譜并提供用于“指紋”表征的平臺。SERS現象連同光纖的結合能提供用于生物樣品體內檢測的靈活性。最初，測試過 把不同構型的常規光纖，例如扁平的、有角度的或錐形頭的光纖用作SERS平臺。圖I示出使用常規光纖的SERS檢測平臺的示意圖。從光纖110的一端(測量端102)輸入激發光，同時樣品(分析物)進入另一端(探測端104)處的光纖110。激發光在光纖110中傳播并與吸附在探測端104處制造的納米結構120上的分析物直接相互作用。由樣品散射的SERS信號通過光纖110傳播回測量端102，并通過光纖耦合器140和物鏡150傳向拉曼光譜儀130，如圖I中所示。然而，基于常規光纖的SERS平臺的主要限制是少量的SERS活性納米結構120 (圖I)可并入光纖的探測端。這樣就減少了激光與分析物之間相互作用的活性區域。因此，要有高檢測靈敏度常需要高激光能量和長積分時間。作為另一個選擇，提出了納米顆粒固定在氣孔內表面及分析物通過毛細作用進入光纖的基于光子晶體光纖(PCF)的SERS檢測平臺。常規PCF是利用在高折射率背景材料中低折射率材料的微結構排列的光纖。背景材料一般是未摻雜的二氧化硅，并且低折射率區域由沿光纖全長的氣孔提供。通常，PCF可分為兩類，即高折射率導引光纖和低折射率導引光纖。結構方面，高折射率導引光纖具有含光纖長度的微結構包層的固態纖芯，也被稱為實芯光子晶體光纖(SCPCF)。低折射率導引光纖有一個中空纖芯和微結構包層,且也被稱為空芯光子晶體光纖(HCPCF)。圖2(a)和2 (b)分別示出SCPCF和HCPCF的端橫截面的不同放大倍數的掃描電子顯微鏡圖(SEM)。低折射率導引光纖(或HCPCF)通過光子帶隙(PBG)效應傳導光。由于PBG效應使傳播不可能在微結構的包層內進行，所以光被限制在低折射率纖芯內。周期性微結構產生光子帶隙，其中一定波長區域內的光不能傳播。這在普通光纖中是不可能的，因此，HCPCF的這種低折射率傳導特性使它們適用于多種檢測應用。圖3示出具有無規固定在內壁上的納米顆粒310單一層(本文與單層交替使用)的常規HCPCP的沿軸線的截面圖。在常規HCPCF中，納米顆粒310和分析物都是通過毛細作用進入HCPCF。當將光纖的探測端浸入納米顆粒(例如，在液體/溶液中)并隨后進行干燥時，單層納米顆粒就以不可控方式而固定在纖芯和包層孔的內壁上。因此，在檢測時，SERS信號強度會隨光纖不同而變化，這就可能導致低可靠性，例如當需要基于強度的生物傳感器時。另外，這種基于常規HCPCF的檢測一般適用于干燥的分析物(即液體形式的分析物，其通過毛細作用填充入光纖孔，然后將光纖保持在熱環境中干燥)檢測。當液體分析物同時進入纖芯和包層內時，纖芯和包層間的有效折射率可能降低，這導致纖芯內的低效光傳導。在一些單一層納米顆粒以不可控方式固定在光纖的纖芯/包層內部的實例中，傳導的光可能會在纖芯-包層界面處遇到光子帶隙，這樣當纖芯孔被液體樣品填充時可能會阻止光的傳導。此外，如圖3所示，中空纖芯內的光仍以衰減波的形式滲入包層內。為了克服上述HCPCF液體檢測的限制，在本領域中實施了包層孔的塌縮。在一個現有的方法中，包層孔可通過將光纖的開裂端暴露在高溫火焰Γ1000。C)中3-5秒而選擇性密封。這造成包層孔的閉合并使中心的中空纖芯保持打開。退火后，處理的探測頭降溫約5分鐘，然后浸入含金屬納米顆粒的溶液中，從而沉積單層納米顆粒。這樣制得的探測頭再浸入分析物溶液中進行檢測。由于毛細作用，溶液填充入中空纖芯，并且光在液體填充的纖芯中傳導。在其它方法中，能由熔接器來實現包層孔的選擇性密封。 然而上述方法的主要挑戰是確保僅選擇性地密封包層孔，同時使中空纖芯保持不受干擾。選擇性封閉包層孔的高溫處理/熔接器方法可能還導致對空芯的破壞。一旦纖芯孔被破壞，光的傳導就不受控制，因此導致上述技術成為更不可靠的液體檢測SERS平臺。因此，需要提供力圖解決至少一些上述問題的光子晶體光纖傳感器。
技術實現思路
根據本專利技術的第一方面，提供了檢測方法，所述方法包括下列步驟提供包含中空纖芯和多個圍繞中空纖芯的包層孔的光子晶體光纖；提供表面增強拉曼散射(SERS)活性納米顆粒；以及調整SERS活性納米顆粒和/或光纖以進行SERS檢測。調整SERS活性納米顆粒和/或光纖以進行SERS檢測可包括將一個或多個SERS活性納米顆粒層固定在中空纖芯和包層孔各自的內表面上。將一層或多層SERS活性納米顆粒層固定在中空纖芯和包層孔各自的內表面上包括電荷化中空纖芯和包層孔各自的內表面；以及將SERS活性納米顆粒沉積在荷電表面上。將一層或多層SERS活性納米顆粒固定在中空纖芯和包層孔各自的內表面上可包含使用二硫醇連接分子連接相鄰的納米顆粒層。所述方法可進一步包括將相鄰SERS活性納米顆粒之間的間隔控制在約10_20nm。SERS活性納米顆粒可固定在光纖的整個長度上。調整SERS活性納米顆粒和/或光纖以進行SERS檢測可包括用激發光的預定波長調諧SERS活性納米顆粒的等離子共振波長。SERS活性納米顆粒可包括金屬納米殼，以及調諧SERS活性納米顆粒的等離子共振波長可包括調整金屬納米殼的核半徑與殼厚度的比率。SERS活性納米顆粒可包括金屬納米棒，以及調諧SERS活性納米顆粒的等離子共振波長可包括調整金屬納米棒的長度比寬度的縱橫比。SERS活性納米顆粒的等離子共振波長在近紅外(NIR)區域內。所述方法可進一步包括將光子晶體光纖的一端放置在液體樣品中，用于將樣品中的蛋白與SERS活性納米顆粒結合；向光子晶體光纖提供激發光，以及收集SERS納米顆粒散射的SERS信號以檢測蛋白。根據本專利技術的第二方面，所提供的光子晶體光纖包括 中空纖芯； 多個圍繞中空纖芯的包層孔；以及置入中空纖芯和包層孔中的表面增強拉曼散射(SERS)活性納米顆粒；其中調整SERS活性納米顆粒和/或光纖以進行SERS檢測。可以調整SERS活性納米顆粒和/或光纖，以便一層或多層SERS活性納米顆粒可固定在中空纖芯和包層孔各自的內表面上。可以電荷化中空纖芯和包層孔各自的內表面，并且SERS納米顆粒可以沉積在荷電表面，以固定一層或多層SERS活性納米顆粒。使用二硫醇連接分子連接鄰近的納米顆粒層，以固定一層或多層SERS活性納米顆粒。相鄰SERS活性納米顆粒之間的間隔可以為約10_20nm。SERS活性納米顆粒可固定在光纖的整個長度上。可以調整SERS活性納米顆粒和/或光纖，以便SERS活性納米顆粒的等離子共振波長可由激發光的預定波長而調諧。SERS活性納米顆粒可包括金屬納米殼，以及可以調整金屬納米殼的核半徑與殼厚度的比率來調諧等離子共振波長。S本文檔來自技高網...

【技術保護點】

【技術特征摘要】
【國外來華專利技術】2010.06.09 SG 201004048-31.用于檢測的方法，所述方法包括下列步驟 提供包括中空纖芯和多個圍繞所述中空纖芯的包層孔的光子晶體光纖； 提供表面增強拉曼散射(SERS)活性納米顆粒；以及 調整所述SERS活性納米顆粒和/或所述光纖以進行SERS檢測。2.如權利要求I所述的方法，其中調整所述SERS活性納米顆粒和/或光纖以進行SERS檢測包括將一個或多個所述SERS活性納米顆粒層固定在所述中空纖芯和包層孔各自的內表面上。3.如權利要求2所述的方法，其中將一個或多個所述SERS活性納米顆粒層固定在所述中空纖芯和包層孔各自的內表面上包括 電荷化所述中空纖芯和包層孔各自的內表面；以及 將所述SERS活性納米顆粒沉積在荷電表面上。4.如權利要求2所述的方法，其中將一個或多個所述SERS活性納米顆粒層固定在所述中空纖芯和包層孔各自的內表面上包括使用二硫醇連接分子連接相鄰的所述納米顆粒層。5.如權利要求2至4中任一權利要求所述的方法，還包括將相鄰的SERS活性納米顆粒之間的間距控制為約10-20nm。6.如權利要求2至5中任一權利要求所述的方法，其中所述SERS活性納米顆粒被固定在所述光纖的整個長度上。7.如權利要求I所述的方法，其中調整所述SERS活性納米顆粒和/或所述光纖以進行SERS檢測包括使用激發光的預定波長調諧所述SERS活性納米顆粒的等離子共振波長。8.如權利要求7所述的方法，其中所述SERS活性納米顆粒包括金屬納米殼，以及其中調諧所述SERS活性納米顆粒的等離子共振波長包括調整所述金屬納米殼的核半徑與殼厚度的比率。9.如權利要求7所述的方法，其中所述SERS活性納米顆粒包括金屬納米棒，以及其中調諧所述SERS活性納米顆粒的等離子共振波長包括調整所述金屬納米棒的長度比寬度的縱橫比。10.如權利要求7至9中任一權利要求所述的方法，其中所述SERS活性納米顆粒的等離子共振波長在近紅外(NIR)范圍內。11.如上述權利要求中任一權利要求所述的方法，還包括 將所述光子晶體光纖的一端置入液體樣品中以使所述樣品中的蛋白質與所述SERS活性納米顆粒結合； 向所述光子晶體光纖提供激發光；以及 收集由所述S...

【專利技術屬性】
技術研發人員：戴尼斯·尤尼邁德哈瓦庫拉普蘇達米尼阿瑪，符致耀，馬里尼·奧利沃，蘇杰勝，
申請(專利權)人：新加坡科技研究局，
類型：
國別省市：