基于空芯微結(jié)構(gòu)光纖拉曼探針的實(shí)驗(yàn)研究?

盛子城 王騰 周桂耀 夏長(zhǎng)明 劉建濤 李波瑤 樊海霞陳云 侯峙云

(華南師范大學(xué),廣東省微納光子功能材料與器件重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,廣州 510006)

1 引 言

生物、化學(xué)以及環(huán)境的高靈敏度檢測(cè)一直以來是科學(xué)研究的重點(diǎn),而表面增強(qiáng)拉曼散射(surface enhanced raman scattering,SERS)技術(shù)被認(rèn)為在解決上述問題方面是最具有潛力的方法之一.通過制備金屬納米結(jié)構(gòu)的基底,SERS技術(shù)可實(shí)現(xiàn)超低樣品濃度的拉曼光譜檢測(cè),并準(zhǔn)確地分辨出分子種類,因此,近年來得到了廣泛的研究與應(yīng)用[1?3].將光纖技術(shù)與SERS技術(shù)相結(jié)合,不僅可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)檢測(cè)與分布式部署,同時(shí)可利用光纖結(jié)構(gòu)微小、環(huán)境適應(yīng)力強(qiáng)等特性,進(jìn)入生物體的內(nèi)部或在環(huán)境惡劣的條件下進(jìn)行檢測(cè)[4?6].目前的光纖SERS探針雖然已有多種設(shè)計(jì),如光纖端面?zhèn)鞲衃7,8]、光纖側(cè)表面倏逝場(chǎng)傳感[9,10]、錐形光纖傳感[11,12]等,但這些設(shè)計(jì)仍有一些不足,如基底材料的面積較小(光纖端面、側(cè)表面、錐面),將光纖制備成這些特殊的結(jié)構(gòu)需要將光纖的涂覆層與包層部分去除,使得暴露的光纖纖芯十分脆弱,極易損壞[13].同時(shí)由于激發(fā)光通過全內(nèi)反射機(jī)制在石英纖芯中傳輸,不可避免地會(huì)帶來石英材料的背景信號(hào)干擾,影響目標(biāo)分子的拉曼信號(hào)提取[14].空芯微結(jié)構(gòu)光纖的問世為解決這一問題提供了新的手段[15?17].其通過獨(dú)特的導(dǎo)光機(jī)制可將激發(fā)光與信號(hào)光限制在空氣纖芯中傳播,因此大大降低了石英背景的干擾,并且僅需微量樣品,便可以使待測(cè)物與光場(chǎng)充分作用,對(duì)于微量檢測(cè)具有重要意義.因此,基于空芯微結(jié)構(gòu)光纖制備SERS探針十分必要.

利用空芯光纖制備SERS探針需滿足兩種技術(shù)性指標(biāo):空芯光纖要在產(chǎn)生拉曼信號(hào)的激發(fā)波長(zhǎng)附近具備較寬的導(dǎo)帶且導(dǎo)光性能良好;需要為待測(cè)物與光場(chǎng)充分反應(yīng)提供足夠的空間,以此產(chǎn)生足夠強(qiáng)的拉曼信號(hào)[18].2006年,Gu研究組[19]在空芯微結(jié)構(gòu)光纖內(nèi)表面附著納米Au顆粒,首次制備出空芯微結(jié)構(gòu)光纖SERS探針,成功探測(cè)到了濃度為10?5mol/L的羅丹明B溶液拉曼信號(hào),并認(rèn)為這些工作對(duì)于實(shí)現(xiàn)更高靈敏度的拉曼探針具有重要意義.2007年,該研究組還將納米Ag顆粒與被測(cè)樣品同時(shí)吸入空氣微結(jié)構(gòu)纖芯之中,在液芯的條件下實(shí)現(xiàn)了濃度為10?5mol/L的羅丹明6G(R6G)溶液探測(cè),并認(rèn)為這些工作對(duì)于空芯光纖SERS探針應(yīng)用于生物樣品檢測(cè)具有重要意義[20].2015年,Khetani等[16]將785 nm的激光耦合進(jìn)鍍有納米Ag膜的空芯微結(jié)構(gòu)光纖,利用拉曼光譜儀成功實(shí)現(xiàn)了300 cells/mL的白細(xì)胞檢測(cè).上述研究表明空芯微結(jié)構(gòu)光纖在拉曼探針的探索中具有重要意義.

本文為實(shí)現(xiàn)性能優(yōu)良的SERS探針,從空芯微結(jié)構(gòu)光纖制備以及表面增強(qiáng)拉曼實(shí)驗(yàn)測(cè)試兩方面進(jìn)行了探究.首先制備了一種空芯微結(jié)構(gòu)光纖,其在可見光及近紅外波段具備多個(gè)導(dǎo)帶,導(dǎo)光性能良好,可充分滿足表面增強(qiáng)拉曼的激發(fā)光與信號(hào)光在同一根光纖中傳輸?shù)男枨?同時(shí),較大的纖芯尺寸便于激發(fā)光的耦合,并為待測(cè)物與光場(chǎng)提供了充足的反應(yīng)空間.之后利用該空芯光纖進(jìn)行表面增強(qiáng)拉曼實(shí)驗(yàn),通過物理濺射法在空芯微結(jié)構(gòu)光纖的內(nèi)表面修飾一層納米Ag膜,制備成SERS探針,并用稀釋法配置了不同濃度的R6G酒精溶液,最后利用空芯光纖探針的近端正面和遠(yuǎn)端反面分別探測(cè)到了濃度為10?9與10?6mol/L的R6G拉曼信號(hào).先前的工作主要是利用空芯微結(jié)構(gòu)光纖的第一帶隙導(dǎo)帶進(jìn)行信號(hào)光與激發(fā)光的同時(shí)傳輸,光場(chǎng)主要限制在中心的空氣纖芯中.本文的工作是利用空芯微結(jié)構(gòu)光纖的高階帶隙以及反諧振機(jī)理同時(shí)作用實(shí)現(xiàn)寬帶光傳輸,并且由于空氣纖芯以及包層石英節(jié)點(diǎn)可同時(shí)傳輸光能量,從而具備了較大的光場(chǎng)作用面積,相對(duì)于前期文獻(xiàn)報(bào)道的工作更有優(yōu)勢(shì).所設(shè)計(jì)的空芯光纖探針結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單且便于制備與測(cè)試,與傳統(tǒng)光纖探針相比具備待測(cè)物與光場(chǎng)的有效作用面積大、受石英背景信號(hào)干擾小等優(yōu)點(diǎn),在生化檢測(cè)等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用前景.

2 光纖制備與性能測(cè)試及導(dǎo)光機(jī)理分析

通過堆積法制備出的空芯微結(jié)構(gòu)光纖,光纖端面掃描電子顯微鏡圖見圖1.光纖的具體結(jié)構(gòu)參數(shù)為:包層空氣孔直徑為10.4μm,孔間距為11.6μm,纖芯直徑為32μm,纖芯周圍的石英壁厚約為0.5μm,包層孔層數(shù)為6層,光纖外徑為240μm.

圖1 空芯微結(jié)構(gòu)光纖掃描電鏡圖Fig.1.Scanning electron micrograph of the hollowcore microstructure fiber.

使用波段為0.4—2.4μm的超連續(xù)光源及光譜儀對(duì)空芯微結(jié)構(gòu)光纖的透射譜及纖芯導(dǎo)光情況進(jìn)行探測(cè),實(shí)驗(yàn)測(cè)試裝置如圖2所示.通過透鏡組將寬帶光源發(fā)出的光耦合到單模光纖中,再將單模光纖的另一端與空芯微結(jié)構(gòu)光纖相對(duì)接,通過精密光學(xué)調(diào)整架調(diào)整他們的相對(duì)位置(微米量級(jí)),從而控制單模光纖的出射光照射到空芯光纖端面上的位置及光斑大小,然后通過電荷耦合器件查看空芯光纖的出射光情況.當(dāng)單模光纖入射光恰好全部耦合進(jìn)入空芯光纖時(shí),再利用光譜儀進(jìn)行探測(cè),這樣做可以盡量避免包層石英部分傳導(dǎo)的光能量進(jìn)入光譜儀,減少光源譜型對(duì)空芯微結(jié)構(gòu)光纖纖芯透射譜的影響.

圖2 光纖測(cè)試裝置圖Fig.2.Fiber measurement setup.

圖3(a)為35 cm長(zhǎng)的空芯微結(jié)構(gòu)光纖的傳輸光近場(chǎng)圖.當(dāng)單模光纖的入射光恰好只對(duì)準(zhǔn)空芯光纖纖芯時(shí),可觀測(cè)到大部分光能量都局限在空氣纖芯中.利用光譜儀測(cè)量得到該光纖在0.3—2.3μm之間纖芯導(dǎo)光的透射譜,如圖3(b)所示.從透射譜可以看到光纖位于可見光及近紅外波段具有三個(gè)導(dǎo)帶,覆蓋了絕大部分可見光波段,恰好包含了拉曼光譜儀的常用激發(fā)波長(zhǎng)(0.633,0.785μm),并且在1.55μm附近的近紅外波段同樣具備較寬的導(dǎo)帶.

空芯微結(jié)構(gòu)光纖的纖芯其周圍石英壁厚約為0.5μm,反諧振高損波長(zhǎng)的計(jì)算公式為其中λm為高損波長(zhǎng),m為反諧振高損階數(shù),t為石英壁厚,ng為石英折射率[21],通過計(jì)算可以得出反諧振高損波長(zhǎng)分別為0.355,0.522,1.028μm,而高損波長(zhǎng)之間的波段即為光纖導(dǎo)帶.通過構(gòu)建單層石英環(huán)的反諧振基礎(chǔ)模型,利用有限元法計(jì)算出它的限制損耗曲線,如圖3(b)所示,可發(fā)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)測(cè)得的光纖透射譜與利用反諧振基礎(chǔ)模型模擬的低損導(dǎo)帶明顯為一一對(duì)應(yīng)的關(guān)系,兩者均符合數(shù)值理論計(jì)算.

圖3 (a)傳輸光近場(chǎng)圖;(b)利用標(biāo)準(zhǔn)反諧振模型計(jì)算得到的限制損耗和測(cè)試獲得的空芯光纖的透射譜Fig.3.(a)Near- field intensity pattern;(b)the confinement loss obtained by antiresonance model and the transmission spectrum of hollow-core fiber.

3 表面增強(qiáng)拉曼實(shí)驗(yàn)研究

3.1 空芯光纖探針的制作

首先,使用光纖切割機(jī)將空芯微結(jié)構(gòu)光纖切成3 cm長(zhǎng)的小段,兩端切平.之后使用光纖材料金屬涂層成膜系統(tǒng)對(duì)準(zhǔn)備好的空芯光纖進(jìn)行濺射法鍍膜,Ag膜濺射厚度設(shè)置為100 nm.在對(duì)光纖內(nèi)壁進(jìn)行Ag膜的濺射時(shí)應(yīng)盡可能將光纖待濺射的端面對(duì)準(zhǔn)濺射靶材,以確保纖芯及包層孔的內(nèi)壁濺射納米Ag膜的均勻性.由于R6G的拉曼光譜被研究得相對(duì)透徹,可用來標(biāo)定SERS傳感器件的靈敏度,因此本文采用R6G的濃度檢測(cè)作為探針靈敏度的衡量標(biāo)準(zhǔn)[22].由于光纖探針僅有一端修飾有納米Ag膜,另外一端無納米Ag膜,將激發(fā)光直接作用于修飾有納米Ag膜、吸附R6G樣品分子的檢測(cè)方式稱為近端正面探測(cè)模式;將激發(fā)光耦合至無納米Ag膜的一端,經(jīng)過光纖傳輸后與SERS基底及樣品分子作用的檢測(cè)方式稱為遠(yuǎn)端反面探測(cè)模式.將待測(cè)R6G樣品為溶液狀態(tài)的測(cè)量方式稱為濕態(tài)測(cè)量,將待測(cè)樣品R6G溶液的溶劑完全揮發(fā)干燥后的測(cè)量稱為干態(tài)測(cè)量.

圖4為制備完成的空芯光纖探針端面局部圖,可明顯地觀測(cè)到有納米Ag顆粒附著到光纖內(nèi)壁上,其顆粒尺寸約為80 nm,顆粒之間存有大量間隙,可形成SERS增強(qiáng)的熱點(diǎn)[23].

圖4 空芯光纖拉曼探針局部圖Fig.4.Local diagram of the hollow fiber Raman probe.

3.2 實(shí)驗(yàn)材料及檢測(cè)系統(tǒng)

R6G是一種熒光染料,其分子量為479.01,熒光激發(fā)峰在525 nm左右.當(dāng)R6G分子吸附在金屬微納結(jié)構(gòu)表面時(shí),它的熒光信號(hào)被完全淬滅,而R6G的拉曼光譜被極大地增強(qiáng),其特征譜線與分子結(jié)構(gòu)信息成對(duì)應(yīng)關(guān)系,如614 cm?1處特征譜線與C—C—C鍵的振動(dòng)相對(duì)應(yīng),774 cm?1處特征譜線與C—H鍵臨對(duì)位的振動(dòng)相對(duì)應(yīng),1363,1509,1572,1650 cm?1處特征譜線均與芳香環(huán)C—C鍵的伸縮振動(dòng)相對(duì)應(yīng)[24].實(shí)驗(yàn)使用稀釋法配置了濃度分別為10?4,10?5,10?6,10?7和10?9mol/L的R6G酒精溶液,通過探測(cè)R6G溶液不同濃度下的拉曼信號(hào),以此來檢測(cè)空芯光纖探針的靈敏度.

使用inVia Re flex顯微共聚焦拉曼光譜儀對(duì)光纖SERS探針樣品測(cè)試,拉曼測(cè)試原理示意圖見圖5,激發(fā)光通過50×的物鏡聚焦耦合進(jìn)入光纖探針,產(chǎn)生的拉曼信號(hào)將在探針內(nèi)不斷積累,通過原光路返回由探測(cè)器收集并在電腦上顯示.實(shí)驗(yàn)參數(shù)設(shè)置為:激發(fā)光波長(zhǎng)為633 nm,10 s累計(jì)一次.由于濃度較高時(shí)信號(hào)過于強(qiáng)烈,將超出儀器量程,因此測(cè)量10?4,10?5mol/L濃度的R6G溶液時(shí)采用0.85 mW的激光功率,而測(cè)量10?6,10?7,10?9mol/L濃度的R6G溶液時(shí)采用17 mW激光功率.

圖5 拉曼測(cè)試原理示意圖Fig.5.Schematic of the Raman probe with a hollowcore fiber.

3.3 不同濃度R6G溶液的SERS檢測(cè)

檢測(cè)方式采用干態(tài)檢測(cè).將蒸鍍有Ag納米薄膜的空芯微結(jié)構(gòu)光纖的端面浸入10?4mol/L的R6G酒精溶液中,浸入時(shí)間為2 min,R6G的酒精溶液通過毛細(xì)管效應(yīng)被吸入空芯微結(jié)構(gòu)光纖探針的空氣孔內(nèi);利用同樣的方法分別吸附其他濃度的R6G酒精溶液.將吸附有R6G酒精溶液的光纖探針置于40?C的干燥箱內(nèi),干燥3 h,使空氣孔中的酒精溶劑完全揮發(fā),在檢測(cè)環(huán)境為空氣的條件下進(jìn)行測(cè)試.在光纖探針的近端正面探測(cè)模式下,測(cè)試得到的不同濃度R6G溶液的拉曼光譜如圖6所示,可以看出,當(dāng)R6G濃度降到10?9mol/L時(shí),還可以清楚地觀察到614 cm?1處C—C—C鍵的伸縮振動(dòng).

在完成近端正面的測(cè)試后,采用遠(yuǎn)端反面測(cè)試進(jìn)行研究.遠(yuǎn)端反面測(cè)試模式更符合在實(shí)際應(yīng)用中的使用場(chǎng)景,即激發(fā)光在光纖載體中經(jīng)過一段距離的傳輸,然后作用于SERS基底與樣品分子,產(chǎn)生的拉曼光在經(jīng)過光纖的傳輸后被拉曼光譜儀接收.實(shí)驗(yàn)儀器參數(shù)設(shè)置與近端正面探測(cè)相同,測(cè)試得到的不同濃度R6G酒精溶液的拉曼光譜如圖7所示.在檢測(cè)過程中R6G會(huì)分布于整個(gè)空芯光纖的內(nèi)部,但由于R6G分子的本征拉曼信號(hào)非常微弱,只有與金屬Ag相作用后會(huì)產(chǎn)生SERS信號(hào),而該信號(hào)可達(dá)到單純R6G分子的本征拉曼信號(hào)的1014倍.因此,基本上可排除其他信號(hào)的干擾.

圖6 利用光纖探針的近端正面探測(cè)模式,測(cè)得的不同濃度R6G溶液的拉曼光譜Fig.6.Raman spectra of R6G with different concentrations R6G solution using the proximal face of the if ber probe.

圖7 利用光纖探針遠(yuǎn)端反面探測(cè)模式,測(cè)得的不同濃度R6G溶液的拉曼光譜Fig.7.Raman spectra of R6G with different concentrations R6G solution using the distal end of the fiber probe.

4 結(jié) 論

基于空芯微結(jié)構(gòu)光纖對(duì)SERS探針的制備及性能進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究.通過物理濺射法在空芯微結(jié)構(gòu)光纖的內(nèi)表面修飾一層納米Ag膜,制備成SERS探針,對(duì)不同濃度的R6G酒精溶液分別進(jìn)行了近端正面及遠(yuǎn)端反面的實(shí)驗(yàn)研究.最終在空芯微結(jié)構(gòu)光纖探針的近端正面成功探測(cè)到了濃度為10?9mol/L的R6G溶液的拉曼信號(hào),在遠(yuǎn)端反面成功探測(cè)到了濃度為10?6mol/L的R6G溶液的拉曼信號(hào),通過鍍膜技術(shù)的改進(jìn)可進(jìn)一步提升該空芯光纖探針的檢測(cè)靈敏度.該空芯光纖探針制備簡(jiǎn)單且性能良好,為后續(xù)SERS探針的制備提供了參考.