基于飞秒激光微加工的光纤SERS传感器研究

发布时间：2018-03-31 03:21

本文选题：表面增强拉曼散射　切入点：光纤传感器　出处：《深圳大学》2017年博士论文

【摘要】：光纤表面增强拉曼散射(SERS)传感器结合光纤传感技术与拉曼光谱分析技术的一切优势,同时克服了普通拉曼光谱信号弱,背景干扰强,不能实现痕量检测的缺点,可获得低浓度被测样品丰富的光谱信息,并可以进行远程、实时、原位、在体、在线的SERS光谱检测。光纤表面增强拉曼散射(SERS)光谱技术在生命科学、食品安全、环境监测等领域中生物化学样品分析具有重要的优势,吸引了人们广泛的关注。本文利用飞秒激光微加工技术和激光诱导沉积技术,开展了高性能光纤SERS传感器的研究,主要研究了以下四个方面内容:1.开展了基于飞秒激光微加工技术刻蚀光纤制备端面型石英光纤SERS传感器的研究。搭建了飞秒激光微加工光纤系统,利用飞秒激光微加工技术对石英光纤尖端粗糙化处理,实验探索了飞秒激光功率对烧蚀光纤表面形貌的影响,及飞秒激光加工光纤采用的刻线宽度对所制备的光纤SERS传感器形貌及SERS增强效果的影响。开展了利用785 nm波长激发光诱导方法对光纤端面修饰SERS活性基底的可行性研究,理论分析激光诱导沉积机理,并优化了诱导沉积过程中激发光的功率与沉积时间,操作简单、快速、成本低。经飞秒激光刻蚀而粗糙化后的光纤表面更有利于银纳米颗粒的沉积,在相同沉积时间内,银纳米颗粒更快生长在经飞秒激光烧蚀而粗糙化的光纤表面。优化飞秒激光加工的激光功率及选取一个合适的飞秒激光刻蚀宽度,可制备对若丹明6G溶液高灵敏度的光纤SERS传感器。2.开展了基于飞秒激光微加工技术制备端面型聚合物光纤SERS传感器的研究。研究了飞秒激光对聚合物光纤的加工特点,由于PMMA材料比石英光纤更软,用相同的脉冲能量和扫描速度,激光烧蚀狭缝明显深于石英光纤,低脉冲能量就能实现良好的加工效果。利用激光诱导沉积方法进行SERS活性基底的修饰,以若丹明6G为目标分子验证PMMA聚合物光纤SERS传感器的性能。SERS信号强度随着飞秒激光加工所用脉冲功率和飞秒激光刻蚀宽度变化而变化。对于某一选定的激光脉冲能量,存在一个合适飞秒激光刻蚀宽度。通过对R6G溶液的检测表明本研究提出的PMMA聚合物光纤SERS传感器具有良好的性能,若在进行SERS光谱探测时适当地延长积分时间,同时提高入射激光聚集的光纤端面的平整度,该传感器的探测性能将进一步提高,可达到端面型石英光纤的性能。3.开展了基于飞秒激光微加工技术制备的新型U型结构石英光纤SERS传感器的研究。制备了系列不同宽度的U型结构石英光纤,经飞秒激光加工光纤,制作的U型结构相对规则,保持了良好的形貌。理论分析了U型结构远端面接收的激发光功率随U型结构宽度的变化关系,进行了利用光化学沉积方法对U型光纤探针修饰一层银纳米颗粒探究,以此U型结构的光纤SERS传感器对10-8 M的R6G溶液进行检测。随着U型结构宽度的增加,测得R6G溶液在1509.7 cm-1处相对拉曼强度非线性减少,说明随着U型结构宽度的增加,光纤探针的拉曼增强效果变弱。当U型结构宽度为12μm时,在1509.7 cm-1处相对拉曼强度最大,是单一粗糙端面的光纤SERS探针测量结果的4倍。相对于单一粗糙端面制备的光纤SERS传感器,U型结构的存在一方面增加了SERS活性区域面积,产生更多有SERS增强效果的“热点”;另一方面,由于U型结构远端面的存在,提高了R6G分子信号光的收集效率。U型结构光纤SERS传感器具有纤芯模场激发的优点,实现对低浓度若丹明6G染料分子的高灵敏实时原位检测。4.开展了基于飞秒激光微加工技术和光化学方法沉积银纳米颗粒制备D型石英光纤SERS传感器的研究。不同于之前所研究的几种属于纤芯模激发类型光纤SERS探针,本研究提出的D型石英光纤SERS传感器属于消逝场激发类型,可以灵活增加SERS活性区面积来提高SERS信号探测强度。利用飞秒激光刻蚀光纤制备了不同活性区域长度的D型结构石英光纤,随后用光化学沉积方法修饰了一层银纳米颗粒作为SERS活性基底,通过SEM图像对传感器表面形貌进行了详细的研究。通过对10-7 M若丹明6G(R6G)溶液的探测结果表明,探究了D型传感区长度对增强效果的影响,在传感器长度在100μm至500μm区间,随D型区长度的增加,检测的拉曼强度是线性增加的,而且线性度达0.998,实现了对若丹明6G染料分子的高灵敏实时原位检测。
[Abstract]:......
【学位授予单位】：深圳大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：TN249;TP212

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