[发明专利]一种表面附着金纳米颗粒的U型光纤模型的模拟方法和模型

说明书

本发明公开了一种表面附着金纳米颗粒的U型光纤模型的模拟方法和模型，方法包括以下步骤：参考实际实验数据，利用COMSOL软件的几何光学模块建立裸U型光纤模型，并再利用波动光学模块模拟单个金纳米颗粒的LSPR效应后扩展到裸U型光纤模型的探针表面；根据光在探针部分的折反射次数、几何光学模块等效出来的折反射过程的透射率、波动光学模块等效出来的金纳米颗粒的吸收率，提出输出光强的等效计算公式。本发明解决由于生物医学检测方面的相关探头尺寸肉眼可见、而金纳米颗粒颗粒太小，导致COMSOL Multiphysics软件内部网格无法划分，单个理论模型无法建立的问题。

技术领域

本发明涉及光纤模拟领域，尤其涉及一种表面附着金纳米颗粒的U型光纤模型的模拟方法和模型。

背景技术

由于光纤传感器对生物分子具有良好的亲和力和非侵入性，非常适用于临床传感应用，特别是在无标签分析、小型化平台、远程监测和实时检测细胞等方面。细胞表面的蔗糖分子在细胞识别中起着重要作用，可作为光学检测的物理吸附受体细胞。金属纳米颗粒具有与细胞相当的尺寸，可以有效吸附生物分子。典型的检测方法是基于金属纳米颗粒的局部表面等离子体共振(LSPR)效应，这是一种涉及金属中自由电子波的共振现象，发生在纳米颗粒和纳米级粗糙表面等金属纳米结构中。实验发现，金纳米颗粒的共振吸收峰比其他金属纳米颗粒更明显，对光纤传感器具有决定性影响。利用金纳米颗粒的LSPR效应，可以获得更好的吸光度和折射率(RI)灵敏度。

吸光度作为一个重要的物理参数，是指材料对光的吸收能力。鉴于LSPR效应表示电磁波与金属纳米颗粒之间的共振吸附效应，可将用于癌细胞检测的光纤传感器的折射率灵敏度看作是在固定波长下吸光度变化与外界介质折射率的比值，可作为表征传感器性能的重要参数。现实中光纤传感器的几何形状多种多样，如直型、D型、U型、S型、Ω型等，其适用场合和灵敏度也大不相同。其中，U型光纤传感器由于可以直接插入细胞液中，将输入口和输出口的光强转换为吸光度、共振吸收峰和折射率灵敏度等特征参数，因此在医学细胞检测中应用最为普遍。

到目前为止，对金纳米颗粒覆盖的U型光纤传感器的发明主要局限在实验方面，而理论模拟方面的发明比较少。以往的理论工作主要集中在求解全反射和基于几何光学的菲涅尔公式来获得相关参数。例如，从异次元干涉测量法出发，对不同入射角的相位差进行了计算和公式验证。据悉，LSPR是电磁波与金属纳米颗粒之间的共振效应。少数的光子晶体光纤(PCF)与波光学的模拟多为微米级，比医学上的毫米级U型光纤传感器小一个数量级。从以上几点来看，以往对金纳米颗粒覆盖的毫米级U型医用光纤传感器的发明主要局限于实验方面，而相应的理论发明只是针对基于几何光学的裸光纤或基于波光学的微米级光子晶体光纤。例如，对裸光纤和金纳米颗粒覆盖的U型光纤传感器进行了实验发明，发现在560nm附近出现了LSPR吸收峰，金纳米颗粒覆盖样品的折射率(RI)灵敏度比裸U型光纤提高了820％。一些发明通过射线光学的光路处理提供了有趣而有价值的理论计算，而这种处理方法无法适用于金纳米颗粒覆盖的系统。此外，还有关于金纳米颗粒覆盖U型光纤的LSPR效应和弯曲损耗的影响的重要实验发明，而没有构建相应的理论模型。因此，基于波光学对实际尺寸的光纤进行处理，在软件建模和网格计算方面可能存在很大的困难。例如对于COMSOL软件，由于探头尺寸肉眼可见，而金纳米颗粒太小，由于COMSOLMultiphysics计算资源消耗巨大，难以建立覆盖金纳米颗粒的毫米尺寸的探头的几何模型。因此，克服上述实际尺寸的金纳米颗粒覆盖U型光纤传感器仿真的困难就显得尤为必要。

需要说明的是，在上述背景技术部分公开的信息仅用于加强对本公开的背景的理解，因此可以包括不构成对本领域普通技术人员已知的现有技术的信息。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种表面附着金纳米颗粒的U型光纤模型的模拟方法和模型。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：

本发明的第一方面，提供一种表面附着金纳米颗粒的U型光纤模型的模拟方法，包括以下步骤：