[发明专利]基于表面等离激元效应的光纤表面增强拉曼探针及其制作方法

说明书

本发明公开了一种基于表面等离激元效应的光纤表面增强拉曼探针及其制作方法。本发明的结构是研磨的光纤端面上附着一层周期性金属结构。制作步骤包括：基片上旋涂PS微球阵列，部分刻蚀并在PS微球顶部镀金属薄膜，形成半球形金属结构，然后在其表面旋涂聚合物并固化，去除基底；将得到的薄膜与光纤端面用胶水固化，固化后完全去除PS微球，RIE刻蚀调节金属结构的几何尺寸使其谐振波长和激发激光波长一致，光纤顶部只剩下金属半球形阵列。将待测样品吸附在金属半球形阵列表面，光源从光纤一端耦合进入，从光纤内部照射金属结构，激光在金属结构的作用下产生可测量的拉曼信号，经光纤收集后从另一端输出由光谱仪分析。本发明结构简单，适用于加工生产。

技术领域

本发明涉及一种基于表面等离激元效应的光纤表面增强拉曼探针及其制作 方法，属于光化学传感器技术领域。

背景技术

在传统的拉曼光谱光谱分析中，对于液体、薄膜和粉末等样品，可以不需特 殊的样品处理即可得到满意的光谱图，但对一些不均匀的样品或不便于直接取样 的样品，需要光纤拉曼探头。经光纤拉曼探头收集拉曼散射信号，通过光纤将信 号传到检测器得到拉曼光谱。微量检测，可重复检测。局部组织内检测。光纤在 拉曼光谱中的应用，极大地简化了传统光谱方法的光学系统，提高了光谱仪器的 测量范围，特别适用于遥测技术，使得在线分析、实时分析、活体分析、现场监 测、多点测量等成为可能。

SERS(表面增强拉曼散射)信号是空间取向无关的，与常规的拉曼信号是 一致的，因此可以通过改变收集光纤的角度，使激发信号和收集信号的光效率最 大化，便可以减少由于光纤拉曼散射引起的背景干扰。

目前学术界普遍认同的SERS机理主要有物理增强机理和化学增强机理两 类。

物理增强又称为电磁增强，认为SERS效应来源于金属表面局域电场的增强， 分子和金属基底之间只有物理性吸附几乎没有相互作用，这样就决定了增强因子 只与金属基底状态有关，对吸附分子没有选择性。电磁增强模型主要有表面等离 子共振体模型、天线共振子模型和镜像场模型。这些模型不同之处体现在各自对 局域电场增强的具体机制有所不同。

化学增强机理认为分子吸附在粗糙金属纳米颗粒表面时，表面纳米颗粒等离 子体与吸附分子两者之间发生了电荷转移或者较强的化学作用，引起金属纳米颗 粒的极化率发生变化，大大地影响或改变了金属表面纳米颗粒作为等离子体的共 振特性，从而导致拉曼散射信号的增强。化学增强受到吸附分子、分子与等离子 体的组键作用以及激发光的频率等因素的深刻影响，关于化学增强机理的主要理 论模型包括活位模型和电荷转移模型。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术中的不足，提供了一种基于表面等离激元效 应的光纤表面增强拉曼探针及其制作方法，解决了现有技术中背景干扰这一技术 问题，另外这一方案使得检测简便化，针对微小区域不适合显微镜系统的位置可 以直接采用光纤探针采样进行检测，同时兼顾便携性、微量检测和低噪声特性。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种基于表面等离激元效应的光纤表面增强拉曼探针，包括光纤，所述光纤 的一端连接有金属纳米波导阵列，另一端通过耦合器连接光源和光谱检测设备； 所述光纤将光源产生的入射光导向所述金属纳米波导阵列，在所述金属纳米波导 阵列的表面形成表面等离激元效应；所述金属纳米波导阵列置于待测样品中，其 表面吸附待测样品的分子；所述入射光照射所述待测样品的分子后产生的散射光 由所述光纤导向所述耦合器，然后由所述光谱检测设备测出拉曼光谱。

优选的，所述金属纳米波导阵列为表面为半球形的金属阵列，其谐振波长与 所述入射光的波长一致。

优选的，所述金属纳米波导阵列的材质为金、银或铜。

一种制备如上所述拉曼探针的制作方法，包括如下步骤：

a)配置PS材料的纳米级微球和去离子水混合的胶体微球溶液；