[发明专利]一种螺旋锥金属探针及其用于液体梯度折射率测量的方法

说明书

本发明公开了一种螺旋锥金属探针及其用于液体梯度折射率测量的方法。所述螺旋锥金属探针可以使用白光进行激发，在锥尖表面形成表面等离子体倏逝波，进而实现对环境的折射率检测。本发明提供的螺旋锥金属探针制备方法简单，可进行批量生产制造。此外，该探针可实现液体中高空间分辨率(微米量级)的折射率检测，在水与乙醇溶液的对流过程中能有非常灵敏的检测时间响应，使其可以应用于液体中梯度折射率测量，检测液体中的折射率分布，在液体的折射率检测领域具有广阔的应用前景。

技术领域

本发明属于表面等离子体光学领域，具体涉及一种螺旋锥金属探针及其用于液体梯度折射率测量的方法。

背景技术

随着经济发展和社会进步，人们开始越来越重视生命健康，这对有毒有害生化分子以及细菌病毒的检测技术提出了更高的要求。折射率传感作为一种免标记的光学生物传感，能够实时和直接地观测分子相互作用，在生命科学、临床诊断、医药、食品安全检测等领域有着巨大应用前景。在众多的折射率传感器中，基于表面等离子体共振(SPR)的折射率传感器具有灵敏度高响应速度快等特点。SPR是由于入射光与金属结构表面的自由电子气团的振动发生共振时形成的，在光谱上表现为一个强共振吸收或者散射峰。而SPR传感在本质上是由于传感区域周围介质折射率的变化导致SPR共振峰的偏移。1968年，Kretschmann等人提出一种棱镜结构，有效激发了SPR，该结构稳定性好、灵敏度高，为SPR技术应用于传感检测领域奠定了坚实的基础。从1982年Nylander等人首次将Kretschmann棱镜用于气体传感，开启了它在传感领域应用的大门。发展至今，该结构仍然是商用SPR传感器的常用结构。不过，棱镜结构也有着一些缺点：体积庞大、操作不灵活等，这限制了它在远程测量以及点对点检测上的实际应用。将SPR传感与光纤相结合的光纤SPR传感器为解决这一问题提供了一个可行的解决方案。相比棱镜结构，光纤SPR传感器有着体积小巧、结构紧凑、抗电磁干扰、远距离传输光信号等优点，可进入空间狭小的环境进行微量目标检测物的实时检测和远程测量，已经成为研究SPR传感的重要方向。对于光纤SPR传感器，需要在光纤中间或光纤端面上制备特定的结构使纤芯内传输的光照射在金属层的表面激发SPR。目前常用于光纤SPR传感器的结构有无包层光纤、异芯光纤、D型光纤、U形光纤、锥形光纤、光纤光栅等，这些结构都已被实验验证过可以有效激发SPR实现折射率传感并用于微量检测物的检测。然而，这些结构的尺寸都在毫米量级甚至厘米量级，无法对微米量级范围的折射率进行点对点测量，空间分辨本领一般。

2022年6月，Maria S.Soares等人提出一种基于SPR的镀金D型光纤传感器用于检测皮质醇。该结构通过对单模光纤侧面抛光并镀上50nm厚的金膜制备得到，理论计算和实验结果表明该传感器可以在折射率1.33到1.39范围内实现高灵敏度的传感，但是其传感区域的长度为8mm，无法满足对微米量级范围内的折射率进行测量(Maria S.Soares，LuísC.B.Silva，Miguel Vidal，Médéric Loyez，MargaridaChristophe Caucheteur，Marcelo E.V.Segatto，Florinda M.Costa，CátiaSónia O.Pereira，NunoF.Santos，and Carlos A.F.Marques，″Label-free plasmonic immunosensor forcortisol detection in a D-shaped optical fiber，″Biomed.Opt.Express 13，3259-3274(2022))。

发明内容

本发明提出了一种螺旋锥金属探针及其用于液体梯度折射率测量的方法。本发明提供的螺旋锥金属探针使用便捷，制备方法与现有技术兼容，可以通过改变探针结构实现探针工作波长范围的改变。

本发明的目的在于为光纤折射率传感系统提供可以实现液体中折射率传感的螺旋锥金属探针并应用于液体梯度折射率测量。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案。