基于表面增強拉曼散射光纖探針的微量物質檢測裝置制造方法及圖紙

本發明專利技術述及一種基于表面增強拉曼散射光纖探針的微量物質檢測裝置。它包括單色激光光源、光隔離器、聚焦耦合透鏡、光纖耦合平臺、2×2光纖分路耦合器、兩個光纖探針、高靈敏度拉曼光譜儀。所述單色激光光源輸出單色激光的光路上依次設置所述光隔離器、聚焦耦合透鏡和光纖耦合平臺，光纖耦合平臺和高靈敏度拉曼光譜儀分別通過光纖與2×2光纖分路耦合器的兩個輸入端口相連，而該2×2光纖分路耦合器的兩個輸出端口分別連接上兩個光纖探針。兩個光纖探針分別置于兩個待測液體或氣體的樣品池中，實現對微量物質的多點實時在線檢測。本檢測裝置同樣可對微量有毒有害氣體或溶液等物質進行在線檢測。

【技術實現步驟摘要】

：本專利技術涉及一種基于表面增強拉曼散射光纖探針的微量物質檢測裝置，屬光學纖維及傳感器

技術介紹
：近年來，食品安全面臨極大的挑戰，人們的健康受到威脅，因而檢測低濃度的微量物質成為研究的熱點。拉曼光譜相比其他光譜，能夠提供豐富的分子結構和分子振動信息，因而已成為物質分析和物質鑒別強有力的工具。但在實用化的過程中，由于拉曼散射截面為10-30數量級,?僅為瑞利散射的千分之一,?且很容易被熒光背景所淹沒,?因而,?限制了其在各個領域的應用。如果將不同形式粗糙化的金屬作為基底，拉曼散射強度可提高105~106倍。除此之外，這種表面增強拉曼散射能有效地猝滅熒光，對待測物質實現無污染、無損傷、高靈敏度的探測。正是以上的優勢將拉曼光譜的運用推向了醫學、化學、生命科學等多個應用領域。目前，利用表面增強拉曼散射與光纖結合，對濃度為ppb數量級的痕量物質進行分析，以實現微量有毒有害液體或氣體的在線檢測，已備受研究人員的密切關注。它主要是將具有表面增強效應的粗糙化金屬溶膠固化在光纖的端面或其表面，作為增強基底，然后，用特定波長的單色光激發吸附其基底表面的待測微量液體或氣體分子，使之產生等離子體共振，從而可大大提高拉曼散射截面，獲得高質量的拉曼光譜。根據增強基底處理的位置不同，主要可分為兩類：對端面的處理和對光纖內部結構的處理。雖然這些方案在對微量物質檢測方面已獲得突破性的進展，但仍在某些方面還有待進一步地改善。如在對D型光纖進行端面處理方面，雖然結構簡單、工藝無需技巧，但須經預處理，其過程難以把握，重復性差，因此難于實用化；此外，在改變光纖內部結構方面，由于光纖直徑很小，對其內表面進行處理較為困難，且待測液體或氣體進入光纖內部需要特殊的裝置及條件。
技術實現思路
本專利技術的目的在于提供一種基于表面增強拉曼散射光纖探針的微量物質檢測裝置。該檢測裝置具有結構簡單、使用方便、靈敏度高、多點檢測等優點,?尤其對微量有毒有害待測物質可實現無污染、無損傷、高靈敏度的多點在線實時檢測。為達到上述目的，本專利技術的構思是：將單色光源、光隔離器、聚光耦合透鏡、光纖耦合平臺、2×2單模或多模光纖分路耦合器、光纖探針和拉曼光譜儀組合，構成一種可用于對微量有毒有害氣體或溶液等物質進行在線實時檢測的表面增強拉曼散射傳感檢測裝置。所述的光纖探針為一段尖端帶有半圓曲面的錐形光纖，光纖錐區及半圓曲面表面涂覆有金屬納米粒子，以增強拉曼散射強度。當激發光傳輸通過尖端帶有半圓曲面的錐形光纖探針時，其透射出的漸逝波可激發吸附于金屬納米粒子上的待測溶液或氣體分子的拉曼散射光譜；所述光纖探針帶有的半圓曲面尖端同時還具有對拉曼散射光的反射聚集功能，其反射聚集的拉曼散射光譜經所述的2×2單模-->或多模光纖分路耦合器，傳送至高靈敏度拉曼光譜儀，能進一步增強微弱拉曼散射信號的收集，以實現對微量物質分子信息的檢測。裝置中的2×2單模或多模光纖分路耦合器具有激發光傳送和拉曼散射光接收之功能，兩個端口分別連接所述的光纖探針，使該裝置實現對被測物質的兩點在線檢測，此外，該裝置還具有探測光路擴展之功能。該裝置的核心部件是尖端高溫熔融成半圓曲面的錐形光纖探針，在通常實時在線監測中，首先將單色激發光源通過聚光耦合透鏡和光纖耦合平臺注入2×2單模或多模光纖分路耦合器中，然后經單模或多模光纖傳輸進入光纖探針錐區及尖端，激發光以漸逝波的形式透入光纖探針錐區及半圓曲面尖端微米級深度，激發該區域內吸附的待測分子，獲得經金屬納米粒子增強的待測分子拉曼散射光，而產生的拉曼散射光中一部分將被反射，再次進入2×2單模或多模光纖分路耦合器回傳，同時，另一個光纖探針的錐區和半圓曲面也激發探針區域內吸附的待測分子，獲得經金屬納米粒子增強的待測分子拉曼散射光，進入2×2單模或多模光纖分路耦合器回傳，最后兩個光纖探針激發的拉曼散射光從2×2單模或多模光纖分路耦合器的一個輸出端口直接傳送至高靈敏的拉曼光譜儀，實現兩點在線檢測。根據上述構思，本專利技術采用下述技術方案：一種基于表面增強拉曼散射光纖探針的微量物質檢測裝置，包括一個單色激光光源、一個光隔離器、一個聚焦耦合透鏡、一個光纖耦合平臺、一個2×2單模或多模光纖分路耦合器、兩個光纖探針和一個高靈敏度拉曼光譜儀，其特征在于所述單色激光光源輸出單色激光的光路上依次設置所述光隔離器、聚焦耦合透鏡和光纖耦合平臺，所述光纖耦合平臺和高靈敏度拉曼光譜儀分別通過光纖與所述2×2單模或多模光纖分路耦合器的兩個輸入端口相連，而該2×2單模或多模光纖分路耦合器的兩個輸出端口分別連接上所述兩個光纖探針，所述兩個光纖探針分別置于兩個待測液體或氣體的樣品池中，實現對微量痕量物質的多點實時在線檢測。所述的光纖探針為一段尖端帶有半圓曲面的錐形光纖，其錐形光纖及其半圓曲面表面涂覆有金屬納米粒子，以增強拉曼散射強度。當激發光傳輸通過光纖錐區和尖端帶有半圓曲面的錐形光纖時，其透射出的漸逝波可激發吸附于金屬納米粒子上的待測溶液或氣體分子的拉曼散射光譜；所述光纖探針帶有的半圓曲面尖端同時還具有對拉曼散射光的反射聚集功能，其反射聚集的拉曼散射經所述的2×2單模或多模光纖分路耦合器傳送至高靈敏度拉曼光譜儀，能進一步增強微弱拉曼散射信號的收集，以實現對微量物質分子信息的檢測。上述的基于表面增強拉曼散射的光纖探針，包括一根用于激發光傳輸及拉曼散射光接收的光纖、一段錐形光纖和一個半圓曲面，其特征在于：在所述的光纖的一端，通過化學或物理方法形成一段錐形光纖，再在其尖端高溫熔融一個半圓曲面；同時，在光纖錐區和半圓曲面表面涂覆一層金屬納米粒子，當激發光傳輸經過光纖錐區和半圓曲面時，其透射出的漸逝波將激發吸附在其金屬納米粒子表面的待測溶液或氣體分子的表面增強拉曼散射光；此外，光纖錐區和半圓曲面同時還具有聚集和反射拉曼散射光的收集功能。上述的光纖錐區，是由一段單模或多模光纖通過浸入氫氟酸腐蝕或高溫熔融拉伸而成的錐形結構，錐區長度為1～20mm；且具有表面增強拉曼散射的激發、反射和收集等功能。上述的尖端半圓曲面，是經高溫熔融而成的半圓曲面，其直徑為10～125μm，起-->到表面增強拉曼散射的激發、反射和聚焦收集等作用，同時可增強反向拉曼散射強度。上述的錐形光纖和半圓曲面的表面涂敷有金屬納米顆粒層。并，傳送至所述的高靈敏拉曼光譜儀，探測所述待測溶液分子的拉曼光譜。上述的2×2單模或多模光纖分路耦合器可同時作為激發光的輸入傳輸通道和反向拉曼散射光輸出傳輸通道，可以連接兩個光纖探頭，同時，還能擴展多個測試光路。上述的單色光源，可以采用波長532nm的單色綠光激光光源，也可以采用其它波長單色激光光源，由于大多待測液體或氣體分子的吸收峰在532nm波長附近，從而容易獲得較強的拉曼散射光譜。本專利技術與現有技術相比較，具有如下顯而易見的實質性特點和顯著優點：1．光纖探針作為本檢測裝置的核心部件，是采用高溫熔融拉錐或化學腐蝕兩種方法制作而成，方法簡便易行；其錐形結構經優化后，可極大地增強光纖探針傳感區域漸逝波的透射深度和強度。2．將熔融拉錐或化學腐蝕而成的錐形光纖一端高溫熔融成半圓曲面，可將部分拉曼散射光反射至光纖中，且通過2×2單模或多模光纖分路耦合器回傳，同時還可以增強拉曼散射光的聚集，以提高拉曼散射光的收集強度。3．在活性基本文檔來自技高網...

【技術保護點】
１．一種基于表面增強拉曼散射光纖探針的微量物質檢測裝置，包括一個單色激光光源（１）、一個光隔離器（２）、一個聚焦耦合透鏡（３）、一個光纖耦合平臺（４）、一個２×２單模或多模光纖分路耦合器（５）、兩個光纖探針（６）和一個高靈敏度拉曼光譜儀（７），其特征在于所述單色激光光源（１）輸出單色激光的光路上依次設置所述光隔離器（２）、聚焦耦合透鏡（３）和光纖耦合平臺（４），所述光纖耦合平臺（４）和高靈敏度拉曼光譜儀（７）分別通過光纖與所述２×２單模或多模光纖分路耦合器（５）的兩個輸入端口相連，而該２×２單模或多模光纖分路耦合器（５）的兩個輸出端口分別連接上所述兩個光纖探針（６），所述兩個光纖探針（６）分別置于兩個待測液體或氣體的樣品池中，實現對微量痕量物質的多點實時在線檢測。

【技術特征摘要】
1.一種基于表面增強拉曼散射光纖探針的微量物質檢測裝置，包括一個單色激光光源（1）、一個光隔離器（2）、一個聚焦耦合透鏡（3）、一個光纖耦合平臺（4）、一個2×2單模或多模光纖分路耦合器（5）、兩個光纖探針（6）和一個高靈敏度拉曼光譜儀（7），其特征在于所述單色激光光源（1）輸出單色激光的光路上依次設置所述光隔離器（2）、聚焦耦合透鏡（3）和光纖耦合平臺（4），所述光纖耦合平臺（4）和高靈敏度拉曼光譜儀（7）分別通過光纖與所述2×2單模或多模光纖分路耦合器（5）的兩個輸入端口相連，而該2×2單模或多模光纖分路耦合器（5）的兩個輸出端口分別連接上所述兩個光纖探針（6），所述兩個光纖探針（6）分別置于兩個待測液體或氣體的樣品池中，實現對微量痕量物質的多點實時在線檢測。2.根據權利要求...

【專利技術屬性】
技術研發人員：陳振宜，張琨，柏華，胡玲，張偉，陳娜，王廷云，龐拂飛，
申請(專利權)人：上海大學，
類型：發明
國別省市：31