[发明专利]基于表面增强拉曼散射光纤探针的微量物质检测装置

说明书

技术领域：

本发明涉及一种基于表面增强拉曼散射光纤探针的微量物质检测装置，属光学纤维及传感器技术领域。

背景技术：

近年来，食品安全面临极大的挑战，人们的健康受到威胁，因而检测低浓度的微量物质成为研究的热点。拉曼光谱相比其他光谱，能够提供丰富的分子结构和分子振动信息，因而已成为物质分析和物质鉴别强有力的工具。但在实用化的过程中，由于拉曼散射截面为10^-30数量级, 仅为瑞利散射的千分之一, 且很容易被荧光背景所淹没, 因而, 限制了其在各个领域的应用。如果将不同形式粗糙化的金属作为基底，拉曼散射强度可提高10⁵~10⁶倍。除此之外，这种表面增强拉曼散射能有效地猝灭荧光，对待测物质实现无污染、无损伤、高灵敏度的探测。正是以上的优势将拉曼光谱的运用推向了医学、化学、生命科学等多个应用领域。

目前，利用表面增强拉曼散射与光纤结合，对浓度为ppb数量级的痕量物质进行分析，以实现微量有毒有害液体或气体的在线检测，已备受研究人员的密切关注。它主要是将具有表面增强效应的粗糙化金属溶胶固化在光纤的端面或其表面，作为增强基底，然后，用特定波长的单色光激发吸附其基底表面的待测微量液体或气体分子，使之产生等离子体共振，从而可大大提高拉曼散射截面，获得高质量的拉曼光谱。根据增强基底处理的位置不同，主要可分为两类：对端面的处理和对光纤内部结构的处理。虽然这些方案在对微量物质检测方面已获得突破性的进展，但仍在某些方面还有待进一步地改善。如在对D型光纤进行端面处理方面，虽然结构简单、工艺无需技巧，但须经预处理，其过程难以把握，重复性差，因此难于实用化；此外，在改变光纤内部结构方面，由于光纤直径很小，对其内表面进行处理较为困难，且待测液体或气体进入光纤内部需要特殊的装置及条件。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于表面增强拉曼散射光纤探针的微量物质检测装置。该检测装置具有结构简单、使用方便、灵敏度高、多点检测等优点, 尤其对微量有毒有害待测物质可实现无污染、无损伤、高灵敏度的多点在线实时检测。

为达到上述目的，本发明的构思是：

将单色光源、光隔离器、聚光耦合透镜、光纤耦合平台、2×2单模或多模光纤分路耦合器、光纤探针和拉曼光谱仪组合，构成一种可用于对微量有毒有害气体或溶液等物质进行在线实时检测的表面增强拉曼散射传感检测装置。所述的光纤探针为一段尖端带有半圆曲面的锥形光纤，光纤锥区及半圆曲面表面涂覆有金属纳米粒子，以增强拉曼散射强度。当激发光传输通过尖端带有半圆曲面的锥形光纤探针时，其透射出的渐逝波可激发吸附于金属纳米粒子上的待测溶液或气体分子的拉曼散射光谱；所述光纤探针带有的半圆曲面尖端同时还具有对拉曼散射光的反射聚集功能，其反射聚集的拉曼散射光谱经所述的2×2单模或多模光纤分路耦合器，传送至高灵敏度拉曼光谱仪，能进一步增强微弱拉曼散射信号的收集，以实现对微量物质分子信息的检测。装置中的2×2单模或多模光纤分路耦合器具有激发光传送和拉曼散射光接收之功能，两个端口分别连接所述的光纤探针，使该装置实现对被测物质的两点在线检测，此外，该装置还具有探测光路扩展之功能。该装置的核心部件是尖端高温熔融成半圆曲面的锥形光纤探针，在通常实时在线监测中，首先将单色激发光源通过聚光耦合透镜和光纤耦合平台注入2×2单模或多模光纤分路耦合器中，然后经单模或多模光纤传输进入光纤探针锥区及尖端，激发光以渐逝波的形式透入光纤探针锥区及半圆曲面尖端微米级深度，激发该区域内吸附的待测分子，获得经金属纳米粒子增强的待测分子拉曼散射光，而产生的拉曼散射光中一部分将被反射，再次进入2×2单模或多模光纤分路耦合器回传，同时，另一个光纤探针的锥区和半圆曲面也激发探针区域内吸附的待测分子，获得经金属纳米粒子增强的待测分子拉曼散射光，进入2×2单模或多模光纤分路耦合器回传，最后两个光纤探针激发的拉曼散射光从2×2单模或多模光纤分路耦合器的一个输出端口直接传送至高灵敏的拉曼光谱仪，实现两点在线检测。

根据上述构思，本发明采用下述技术方案：