[发明专利]一种纳米金粒子传感器及其制作方法

说明书

技术领域

本发明涉及的是一种光纤传感器，本发明也涉及一种光纤传感器的制备方法。具体地说是一种纳米金粒子传感器及其制作方法。

背景技术

纳米金粒子是指直径在1～100nm的金的微小颗粒，一般分散在水溶胶中。早在中世纪纳米金粒子就因其独特的光学性质而受到人们的重视，纳米金粒子会对特定波长可见光进行选择吸收呈现出丰富多彩的颜色。纳米金材料有着特异的表面效应、量子尺寸效应和宏观量子隧道效应，在电学、磁学、光学和化学性质方面具有常规材料不具备的优越性能。因此，在催化、电子材料、微器件、增强材料和传感器材料方面有着广阔的应用前景。其中纳米粒子的表面增强拉曼性质（Surface enhanced Raman scattering,SERS）、局域表面等离子体共振(Localized surface plasmon resonance,LSPR)方面的研究进展迅速。

局域表面等离子体共振(LSPR)是当入射光入射到纳米粒子表面时所产生的一种物理光学现象。当入射光频率与金属自由电子集体振荡频率发生共振时，LSPR的共振条件对纳米颗粒周围的介电环境十分敏感，宏观表现在特定的波长范围产生强烈的吸收光谱。由于LSPR现象是由纳米粒子的光散射产生，因此LSPR不需要传统SPR（表面等离子体共振）技术那样的复杂的光路系统，可以通过简单、便携、灵敏的光纤光谱仪来实现在生物传感、分析化学、临床医学、生物检测等方面的研究。

纳米金粒子难以单独发挥作用，必须借助一定的介质作为颗粒的载体。使用比较多的是采用玻璃基片作为基底，体积比较大，难以实现微小环境的检测需求。光纤具有良好的传输光的特性，而且抗辐射能力强，受外界因素影响小，采用光纤传输信号可以适应恶劣的外界环境，因而使用光纤作为基底将纳米颗粒采用化学方法组装到光纤表面后采集检测信号具有很强的实际应用价值。

目前，纳米金粒子与光纤结合通常具有以下几种方式：纳米金粒子修饰在多模光纤端面、纳米金粒子修饰在光纤侧面以及纳米金粒子修饰在光子晶体光纤的空气孔中。

KeitaMitsui(Applied Physics Letters,85(18):4231–4233,2004)等人在光纤端面上吸附上一层金纳米颗粒,采用反射式的光纤LSPR传感结构,对分子的亲和力进行实时测量,灵敏度达到常规全反射类型SPR装置的水平。Stokes和Tuan Vo-Dinh(Sensors and Actuators B-Chemical,69(1-2):28-36,2000)将氧化铝纳米颗粒和银纳米颗粒附在光纤一端,实验中实时探测了CFV(cresyl fast violet)分子和BCB(brilliant cresyl blue)分子,其中CFV分子的探测水平可以达到50ppb（1ppb=1×10^-6mg/ml）。随后Viets(Joumal of Ranman Spectroscopy,31(7):625-631,2000)先后提出了斜端面和锥形端面的光纤探针。Lin TSaojen(Journal of Supercritical Fluids,41(2):317-325,2007)等人采用反射式光纤LSPR传感器,在高压环境下对液体中Ni²⁺浓度进行了测试后又对移植在光纤端面上的金属颗粒进行单克隆体修饰。这一类端面修饰的方法，通常需要使用多模光纤，并且由于采用直接照射的方式，一般激发效率都不高。

将纳米金粒子修饰在光纤侧面需要将光纤研磨、腐蚀至纤芯或者进行拉锥处理，然后修饰上一层金属纳米颗粒，作为传感器的敏感单元与外界发生作用。2000年,Ni Weihai（Journal of Physical Chemistry C,112(22):8105-8109,2008）等人将金属纳米棒组装在被腐蚀的光纤侧面,利用倏逝场来激励LSPR，得到散射光谱对环境折射率的灵敏度达200nm/RIU。Tang（Sens.Actuators B,119(1):105-109,2006）等人在2006年把纳米金胶体涂到长周期光纤光栅表面，用来探测周围物质折射率的改变。这种传感器可以探测葡萄糖的浓度，当在纳米金上固定脱氧核糖核蛋白(DNP)时，检测精度可达0.14mg/L。2011年，Rani Dutta(Applied Optics,E138-E144，2011)等人研究了基于腐蚀法制作的U型光纤纳米粒子传感器,由于在光纤表面增加纳米粒子的密度，观察到了其最大吸收区域的红移。这类传感器的问题是当光纤经过抛磨、化学腐蚀等方法处理后，光纤变的很脆弱，很容易断裂。