本發(fā)明涉及納米微結(jié)構(gòu)及拉曼檢測技術(shù)的交叉領(lǐng)域，更具體地，涉及一種d型光纖表面增強拉曼探針的制備方法。

背景技術(shù)：

拉曼光譜是一種分析分子結(jié)構(gòu)的有用工具。拉曼光譜特征峰位置、強度和線寬可以提供分子振動、轉(zhuǎn)動方面的信息，反映出不同的化學(xué)鍵或官能團。拉曼光譜作為一種無損、非接觸的快速檢測技術(shù)，已吸引廣大科研人員的關(guān)注，并被應(yīng)用于各行各業(yè)中。

拉曼光譜是物質(zhì)分子的“指紋”光譜，可以用來有效反映待測分子的結(jié)構(gòu)特征信息的分析技術(shù)。利用表面增強拉曼(surface-enhancedramanscattering，以下簡稱sers)散射技術(shù)檢測之時，基于基底金屬表面的粗糙化的結(jié)構(gòu)特征，其分子信號的增強效果非常明顯，而且它在檢測過程中所具有的對待測的物質(zhì)的非破壞性及高效的優(yōu)良性能，使得表面增強拉曼散射效應(yīng)在發(fā)現(xiàn)以來得以應(yīng)用于眾多的科學(xué)領(lǐng)域。高效穩(wěn)定的拉曼增強基底對于分子檢測的過程起著至關(guān)重要的作用，它往往需要具有一定規(guī)律有序的粗糙性結(jié)構(gòu)才更能有利于測試過程中分子信號的增強。

制作周期性規(guī)則陣列表面增強基底最常用的是平面印刷法。主要包括相干紫外光干涉光束光刻法，電子束曝光制備法，化學(xué)腐蝕雕刻等。前兩種方法要求設(shè)備成本高，制作時間較長，無法完成大面積的周期性微結(jié)構(gòu)的基底?；瘜W(xué)蝕刻受材料規(guī)格限制，刻蝕規(guī)則性差，且無法大批量生產(chǎn)。

一般來說，光纖探頭的幾何形狀是獲得較大的sers活性區(qū)的重要因素，這有利于獲得更好的sers效應(yīng)增強。迄今為止，已經(jīng)開發(fā)出的各種配置的光纖sers探針包括端面光纖sers探針，錐形光纖sers探針等。端面結(jié)構(gòu)的探針容易制備，但是感知區(qū)域僅限于光纖端切面，靈敏度相對較低。錐形光纖sers探針雖然能夠滿足高靈敏探測要求，但是因其探頭脆弱限制了在線應(yīng)用。

因此，制作一種包含周期性陣列納米結(jié)構(gòu)的表面增強拉曼基底和更高的靈敏度的光纖表面增強拉曼探針，成為亟待解決的問題。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

為解決現(xiàn)有技術(shù)中，表面增強拉曼光纖探針的表面增強基底受材料規(guī)格限制、刻蝕規(guī)則性差、光纖探頭感知區(qū)域受限、靈敏度較差等問題，提出一種d型光纖表面增強拉曼探針的制備方法。

所述方法包括：

步驟1，對具有抗反射涂層特性的生物角質(zhì)層進行切片，制作生物角質(zhì)層納米印跡模具；

步驟2，對單根多模光纖進行d型成型處理；

步驟3，將所述生物角質(zhì)層納米印跡模具壓印在所述單根多模光纖的d型側(cè)拋面；對所述單根多模光纖的d型側(cè)拋面組裝表面增強拉曼基底。

其中，所述具有抗反射涂層特性的生物角質(zhì)層，切片厚度為4～8μm，乳凸點陣列高度為300～350nm，間距為150～180nm。

其中，步驟1中所述制作生物角質(zhì)層納米印跡模具進一步包括：

在室溫下將流體聚硅氧烷低聚物滴涂在生物角質(zhì)層切片上形成一層薄膜彈性體；

靜置后將彈性體以背靠背的方式安裝在透明玻璃基底上；

對所述玻璃基底背面進行熱固化處理，移除生物角質(zhì)層切片；

其中，所述熱固化條件為溫度50～70℃，時間30～40分鐘。

其中，步驟2中所述對單根多模光纖進行d型成型處理進一步包括：

選用105/125μm，數(shù)值孔徑na＝0.22的多模光纖，使用刀片除去多模光纖頂端的一段光纖覆層；

采用光刻法在其光纖側(cè)面制作出d型溝槽結(jié)構(gòu)。

優(yōu)選的，所述d型溝槽具體尺寸為沿著光纖纖芯徑向深度l＝8000～12000μm，截面深度d＝60～68μm。

其中，步驟3中所述將所述生物角質(zhì)層納米印跡模具壓印在所述單根多模光纖的d型側(cè)拋面進一步包括：

使用光刻膠均勻滴涂在d型溝槽光纖結(jié)構(gòu)上，借助光纖精密位移臺將其壓印在位于玻璃基底上的生物角質(zhì)層納米印跡模具上；

對壓合處進行熱風(fēng)固化并在玻璃基板背面進行紫外固化；

固化結(jié)束后分離所述多模光纖和所述玻璃基板。

其中，步驟3中所述對所述單根多模光纖的d型側(cè)拋面組裝表面增強拉曼基底具體為：

在所述d型光纖側(cè)拋面通原位光化學(xué)沉積生長納米銀的方法制作表面增強拉曼基底。

其中，所述光化學(xué)沉積過程中，光還原條件為光源785nm，光功率設(shè)定15～25mw，照射時間5～10分鐘。

其中，還包括對所述生物角質(zhì)層切片結(jié)構(gòu)進行數(shù)學(xué)模擬，通過有限元分析法解析有效介電常數(shù)模型，測定所述生物角質(zhì)層切片的抗反射性。

本發(fā)明提供的一種d型光纖表面增強拉曼探針的制備方法，通過采用具有抗反射涂層特性的生物角質(zhì)層作為納米印跡樣板，使得sers基底制作成本低廉，工藝簡單易于批量生產(chǎn)，同時d型光纖拉曼探針的配置有效擴大了sers“熱點”區(qū)域，提高了在線檢測的靈敏度。

附圖說明

圖1為本發(fā)明實施例一提供的一種d型光纖表面增強拉曼探針的制備方法流程圖；

圖2為本發(fā)明實施例二提供的一種d型光纖表面增強拉曼探針的制備方法中生物角質(zhì)層納米印跡傳遞過程示意圖；

圖3為本發(fā)明實施例二提供的一種d型光纖表面增強拉曼探針的制備方法中蟬翅切片結(jié)構(gòu)建模及光學(xué)特性曲線圖；

圖4為本發(fā)明實施例二提供的一種d型光纖表面增強拉曼探針的制備方法中蟬翅納米印跡模具的制作及“d”型光纖側(cè)拋面納米印跡的復(fù)制流程圖；

具體實施方式

下面結(jié)合附圖和實施例，對本發(fā)明的具體實施方式作進一步詳細描述。以下實施例用于說明本發(fā)明，但不用來限制本發(fā)明的范圍。

實施例一：

參考圖1，圖1為本發(fā)明實施例一提供的一種d型光纖表面增強拉曼探針的制備方法流程圖，如圖1所示，所述方法包括：

步驟1，對具有抗反射涂層特性的生物角質(zhì)層進行切片，制作生物角質(zhì)層納米印跡模具。

其中，所述具有光學(xué)抗反射涂層特性的生物角質(zhì)層，切片厚度為4～8μm，乳凸點陣列高度為300～350nm，間距為150～180nm。

具體的，對生物角質(zhì)層的選取需要角質(zhì)層具有光學(xué)抗反射特性，切片厚度在4到8微米，乳凸點高度為300到350納米，間距為150到180納米。此類特征的納米薄膜結(jié)構(gòu)具有光學(xué)抗反射特性。

之后，在室溫下將流體聚硅氧烷低聚物滴涂在生物角質(zhì)層切片上形成一層薄膜彈性體，靜置后將彈性體以背靠背的方式安裝在透明玻璃基底上，對所述玻璃基底背面進行熱固化處理，最后移除生物角質(zhì)層切片。

在具體實施中，首先在步驟1中獲取的生物角質(zhì)層切片上滴涂流體聚硅氧烷低聚物(h-pdms)，在切片上形成一層薄膜彈性體，隨后靜置3分組然后將彈性體以背靠背的方式安裝在透明玻璃基底上，在玻璃基底背面進行熱固化處理，熱固化溫度為50℃，熱固化時間40分鐘，在熱固化完成以后，移除生物角質(zhì)層切片，此時在玻璃基底上得到所述生物角質(zhì)層切片的逆向納米印跡模具。

步驟3，將所述生物角質(zhì)層納米印跡模具壓印在所述單根多模光纖的d型側(cè)拋面；對所述單根多模光纖的d型側(cè)拋面組裝表面增強拉曼基底；

具體的，選用105/125μm，數(shù)值孔徑na＝0.22的多模光纖，使用刀片除去多模光纖頂端的一段光纖覆層，采用光刻法在其光纖側(cè)面制作出“d”型溝槽結(jié)構(gòu)；其中，所述d型溝槽具體尺寸為沿著光纖纖芯徑向深度l＝10000μm，截面深度d＝66.5μm。

其中，光刻設(shè)置要求：使用飛秒激光器，設(shè)置中心波長為795nm，脈沖寬度100fs，重復(fù)頻率1khz，最大輸出功率3.4w，施加到光纖上的激光光子數(shù)目受電動快門控制，一個50×的顯微物鏡(na＝0.5)用來光束聚焦，“d”型溝槽的雕刻過程通過一個計算機控制的3d位移平臺傳遞動作，精度0.2μm。具體的制備包括兩步：第一步，設(shè)置飛秒激光器輸出功率使得出射物鏡激光功率基本維持在140mw，3d位移平臺掃描步長2μm，掃描深度設(shè)置為100μm，飛秒激光器的激光聚焦點距離纖芯的高度可變，重復(fù)上述操作直到“d”型溝槽區(qū)域的材料被全部移除；然后，調(diào)整飛秒激光器的輸出功率到40mw，掃描步長1μm，退火處理“d”型溝槽區(qū)域。最后將制備的“d”型光纖在超聲波乙醇浴中清洗去除殘屑。

通過此方法，使用d型的光纖側(cè)拋面耦合出高通量的倏逝波，有效增大了表面增強拉曼散射的“熱點”區(qū)域面積。

緊接著，選用su-8-2002型光刻膠均勻滴涂在“d”型溝槽光纖結(jié)構(gòu)上，借助光纖精密位移臺將其壓印在步驟1制造的位于玻璃基底上的生物角質(zhì)層納米印跡模具上；對壓合處進行熱風(fēng)固化并在玻璃基板背面進行紫外固化；固化結(jié)束后分離所述多模光纖和所述玻璃基板。

此時具有生物角質(zhì)層切片紋理特征的納米結(jié)構(gòu)在d型光纖上復(fù)制成功，聚合物薄膜厚度在9μm左右。

通過此方法，選擇具有抗反射功能的周期性凸點陣列生物印跡薄層作為納米銀組裝底層，提高了“三明治”增強型散射結(jié)構(gòu)的生產(chǎn)效率。

其后，對所述單根多模光纖的d型側(cè)拋面組裝表面增強拉曼基底。

具體的，所述d型光纖側(cè)拋面通過原位光化學(xué)沉積生長納米銀的方法制作表面增強拉曼基底。將制作好的“d”型光纖測量端浸入到100μl，濃度為20mm的檸檬酸鈉和100μl，濃度為10mm的硝酸銀混合水溶液中，采用25×物鏡(na＝0.4)耦合中心波長785nm的激光進入“d”型光纖另一端，激光器的輸出功率設(shè)定為15mw，照射時長5分鐘。組裝到聚合物薄膜上納米銀顆粒厚度在60nm左右。

在上述實施例的基礎(chǔ)上，在光化學(xué)沉積生長制備納米銀過程中，還包括使用微波進行輔助加熱。

具體的，為了使“d”型溝槽均勻組裝納米銀顆粒和防止納米銀在光還原的同時聚合沉降，磁力攪拌混合溶液并且輔助微波加熱反應(yīng)區(qū)域。

通過此方法，對反應(yīng)區(qū)域進行微波加熱，可抑制金屬粒子團聚沉降同時可以加速成核。

實施例二：

參考圖2和圖4，圖2為本發(fā)明實施例二提供的一種d型光纖表面增強拉曼探針的制備方法中生物角質(zhì)納米印跡傳遞過程示意圖；圖4為本發(fā)明實施例二提供的一種d型光纖表面增強拉曼探針的制備方法中蟬翅納米印跡模具的制作及“d”型光纖側(cè)拋面納米印跡的復(fù)制流程圖。

本實施例使用熊蟬膜翅作為選定的生物角質(zhì)層，來進行d型光纖表面增強拉曼探針制備。首先對熊蟬膜翅的切片結(jié)構(gòu)進行了數(shù)學(xué)模擬，參考圖3，圖3為本發(fā)明實施例二提供的一種d型光纖表面增強拉曼探針的制備方法中蟬翅切片建模及光學(xué)特性曲線圖，根據(jù)已知參數(shù)：電鏡下膜翅厚度為4～8μm，膜翅上表面和下表面基本紋理對稱，均呈現(xiàn)準(zhǔn)周期的六邊形乳凸點陣列納米結(jié)構(gòu)，如圖2中110所示。乳凸點陣列高度為300～350nm，間距為150～180nm。

如圖3中300所示假設(shè)軸對稱乳頭凸點陣列截面呈余弦函數(shù)，且各乳凸點分別位于正六邊形的各個頂點和中心點位上，令膜翅切片平均厚度w＝6μm，乳凸點陣平均高度a＝325nm,乳凸點間距165nm，乳凸點平均寬度83nm。據(jù)有效介電常數(shù)理論，其點z處的有效介電常數(shù)等于式中aair代表距離表面z處單位晶胞面積填充空氣介質(zhì)的分數(shù)，awing代表距離表面z處單位晶胞面積填充角質(zhì)素的分數(shù)。通過有限元分析法(fea)求解有效介電常數(shù)模型。

如圖3中310所示，獲得介電常數(shù)分布曲線，根據(jù)模型建立的光譜傳輸曲線存在兩個高斯線，分別位于紫外225nm處和紅外3025nm處，結(jié)果顯示熊蟬膜翅在450nm～2500nm光譜段的透射率高于93％，具有較強的抗反射特性。

如圖4所示，401為對熊蟬成蟲的膜翅進行切片，切片步驟應(yīng)避開膜翅表面的靜脈紋路，切片尺寸為10mm×3mm。在室溫下將流體聚硅氧烷低聚物(h-pdms)滴涂在膜翅切片上形成一層薄膜彈性體402，靜置3分鐘，然后將彈性體以背靠背的方式安裝在透明玻璃基底上403，對玻璃背面404進行熱固化處理，處理溫度為70℃，處理時長30分鐘，最后移除膜翅切片405，此時逆向納米印跡模具成型。圖2中120即為逆向h-pdms模具圖。

使用刀片除去105/125μm多模光纖(na＝0.22)頂端的一段光纖覆層，采用光刻法在其裸露區(qū)域(光纖側(cè)面)制作出“d”型溝槽結(jié)構(gòu)，溝槽具體尺寸為沿著光纖纖芯徑向深度l＝10000μm，截面深度d＝66.5μm。光刻設(shè)置要求：飛秒激光器，中心波長795nm，脈沖寬度100fs，重復(fù)頻率1khz，最大輸出功率3.4w，施加到光纖上的激光光子數(shù)目受電動快門控制，一個50×的顯微物鏡(na＝0.5)用來光束聚焦，“d”型溝槽的雕刻過程通過一個計算機控制的3d位移平臺傳遞動作，精度0.2μm。具體的制備包括兩步：第一步，設(shè)置飛秒激光器輸出功率使得出射物鏡激光功率基本維持在140mw，3d位移平臺掃描步長2μm，掃描深度設(shè)置為100μm，飛秒激光器的激光聚焦點距離纖芯的高度可變，重復(fù)上述操作直到“d”型溝槽區(qū)域的材料被全部移除；第二步，調(diào)整飛秒激光器的輸出功率到40mw，掃描步長1μm，退火處理“d”型溝槽區(qū)域。最后將制備的“d”型光纖在超聲波乙醇浴中清洗去除殘屑。

如圖4中406所示，選用su-8-2002型光刻膠均勻滴涂在“d”型溝槽光纖結(jié)構(gòu)上，借助光纖精密位移臺將其壓印在玻璃基板的納米印跡樣板上407，緊接著在圖4中408和409所示，在在壓合處進行熱風(fēng)固化和在玻璃基板背面進行紫外固化，固化結(jié)束后分離光纖和玻璃基板，此時具有熊蟬的膜翅紋理特征的納米結(jié)構(gòu)在“d”型光纖上復(fù)制成功411，聚合物薄膜厚度約為9μm。圖2中130即為光纖側(cè)拋面聚合物復(fù)制品的表面結(jié)構(gòu)。

將制作好的“d”型光纖測量端浸入到100μl濃度20mm的檸檬酸鈉和100μl濃度為10mm的硝酸銀混合水溶液中，采用25×物鏡(na＝0.4)耦合中心波長785nm的激光進入“d”型光纖另一端，激光器的輸出功率設(shè)定為17mw，照射時長5分鐘。進一步，為了使“d”型溝槽均勻組裝納米銀顆粒和防止納米銀在光還原的同時聚合沉降，磁力攪拌混合溶液并且輔助微波加熱反應(yīng)區(qū)域。組裝到聚合物薄膜上納米銀顆粒厚度達60nm，圖2中140即為復(fù)制品表面組裝的納米銀顆粒。圖2中200即為所制備的印跡“d”型光纖sers探針。

本實施例提供的方法，“d”型溝槽sers基底形成1cm×62.3μm(623000μm²)“熱點”區(qū)域，是傳統(tǒng)端面光纖sers“熱點”區(qū)域3.14×52.5μm×52.5μm(8654μm²)的72倍；此外，具有抗反射功能的周期性凸點陣列生物印跡薄層作為納米銀組裝底層，又能提高“三明治”增強型散射結(jié)構(gòu)的生產(chǎn)效率。最終此實施例提供的表面增強拉曼探針較常規(guī)檢測方法靈敏度至少提高兩個數(shù)量級。

最后，本申請的方法僅為較佳的實施方案，并非用于限定本發(fā)明的保護范圍。凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所作的任何修改、等同替換、改進等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。