[发明专利]光子晶体光纤传感器

说明书

发明领域

本发明广泛地涉及检测方法、光子晶体光纤、制造光子晶体光纤传感器的方法，以及表面增强拉曼散射(SERS)检测设备。

技术背景

表面增强拉曼散射(SERS)是多用途的检测和分析技术，其中分析物吸附在纳米粗化贵金属表面或其胶粒上，主要为金(Au)或银(Ag)。由于表面等离子效应，分析物分子的场强会有显著的增加；因此，可检测的散射信号也会增大数倍。分子的SERS光谱通常包含峰或带，其惟一地表示在各分析物中存在的一组特定原子团/原子种类。这种显著的特征可以建立能表示分析物振动频率的分子拉曼光谱并提供用于“指纹”表征的平台。

SERS现象连同光纤的结合能提供用于生物样品体内检测的灵活性。最初，测试过把不同构型的常规光纤，例如扁平的、有角度的或锥形头的光纤用作SERS平台。图1示出使用常规光纤的SERS检测平台的示意图。从光纤110的一端(测量端102)输入激发光，同时样品(分析物)进入另一端(探测端104)处的光纤110。激发光在光纤110中传播并与吸附在探测端104处制造的纳米结构120上的分析物直接相互作用。由样品散射的SERS信号通过光纤110传播回测量端102，并通过光纤耦合器140和物镜150传向拉曼光谱仪130，如图1中所示。

然而，基于常规光纤的SERS平台的主要限制是少量的SERS活性纳米结构120(图1)可并入光纤的探测端。这样就减少了激光与分析物之间相互作用的活性区域。因此，要有高检测灵敏度常需要高激光能量和长积分时间。

作为另一个选择，提出了纳米颗粒固定在气孔内表面及分析物通过毛细作用进入光纤的基于光子晶体光纤(PCF)的SERS检测平台。常规PCF是利用在高折射率背景材料中低折射率材料的微结构排列的光纤。背景材料一般是未掺杂的二氧化硅，并且低折射率区域由沿光纤全长的气孔提供。通常，PCF可分为两类，即高折射率导引光纤和低折射率导引光纤。结构方面，高折射率导引光纤具有含光纤长度的微结构包层的固态纤芯，也被称为实芯光子晶体光纤(SCPCF)。低折射率导引光纤有一个中空纤芯和微结构包层，且也被称为空芯光子晶体光纤(HCPCF)。图2(a)和2(b)分别示出SCPCF和HCPCF的端横截面的不同放大倍数的扫描电子显微镜图(SEM)。

低折射率导引光纤(或HCPCF)通过光子带隙(PBG)效应传导光。由于PBG效应使传播不可能在微结构的包层内进行，所以光被限制在低折射率纤芯内。周期性微结构产生光子带隙，其中一定波长区域内的光不能传播。这在普通光纤中是不可能的，因此，HCPCF的这种低折射率传导特性使它们适用于多种检测应用。

图3示出具有无规固定在内壁上的纳米颗粒310单一层(本文与单层交替使用)的常规HCPCP的沿轴线的截面图。在常规HCPCF中，纳米颗粒310和分析物都是通过毛细作用进入HCPCF。当将光纤的探测端浸入纳米颗粒(例如，在液体/溶液中)并随后进行干燥时，单层纳米颗粒就以不可控方式而固定在纤芯和包层孔的内壁上。因此，在检测时，SERS信号强度会随光纤不同而变化，这就可能导致低可靠性，例如当需要基于强度的生物传感器时。

另外，这种基于常规HCPCF的检测一般适用于干燥的分析物(即液体形式的分析物，其通过毛细作用填充入光纤孔，然后将光纤保持在热环境中干燥)检测。当液体分析物同时进入纤芯和包层内时，纤芯和包层间的有效折射率可能降低，这导致纤芯内的低效光传导。在一些单一层纳米颗粒以不可控方式固定在光纤的纤芯/包层内部的实例中，传导的光可能会在纤芯-包层界面处遇到光子带隙，这样当纤芯孔被液体样品填充时可能会阻止光的传导。此外，如图3所示，中空纤芯内的光仍以衰减波的形式渗入包层内。

为了克服上述HCPCF液体检测的限制，在本领域中实施了包层孔的塌缩。在一个现有的方法中，包层孔可通过将光纤的开裂端暴露在高温火焰(~1000°C)中3-5秒而选择性密封。这造成包层孔的闭合并使中心的中空纤芯保持打开。退火后，处理的探测头降温约5分钟，然后浸入含金属纳米颗粒的溶液中，从而沉积单层纳米颗粒。这样制得的探测头再浸入分析物溶液中进行检测。由于毛细作用，溶液填充入中空纤芯，并且光在液体填充的纤芯中传导。在其它方法中，能由熔接器来实现包层孔的选择性密封。

然而上述方法的主要挑战是确保仅选择性地密封包层孔，同时使中空纤芯保持不受干扰。选择性封闭包层孔的高温处理/熔接器方法可能还导致对空芯的破坏。一旦纤芯孔被破坏，光的传导就不受控制，因此导致上述技术成为更不可靠的液体检测SERS平台。