亚波长多悬挂芯SERS微纳结构光纤探针的优化设计与制备

Surface enhanced Raman scattering(SERS) fiber probe based on microstructured fiber is the nonesuch of fiber probe with more precise and micro/nano structures, which shows great potentiality in surface analysis, catalysis, biomedicine sensing, trace monitor and analysis areas. In traditional microstructured SERS fiber probe, the power factor of evanescent wave in total transmission power is very small and the labels of metal nanoparticle need to be added to enhance the Raman signal. So to settle those problems, an optimized structure of subwavelength multi-suspended-core micro/nano fiber with doube cladding is proposed, and based on that,a SERS micor/nano fiber probe is fabricated. The features of power factor changing with micro/nano structure fiber are researched in theory; efficient assembly of metal nanoparticle to our proposed fiber and excitation and collection of Raman signal are studyed in expriment. Finally with resolving the crucial problems includding the design of fiber model, low loss transmission and assembly of metal nanoparticle with high efficient, a SERS micro/nano fiber probe with low transmission loss, high evanscent wave power and high Raman signal gain will be constructed, which could provide an alternative method to obtain Raman spectra.

微结构光纤表面增强拉曼探针是近年来光纤拉曼探针向微纳结构、精细化纵深发展的典范，在表面分析、催化作用、生物医学传感、痕量检测与分析等领域具有重要应用潜力。本项目针对普通微结构光纤探针中倏逝场功率过低、测量过程需要添加金属纳米颗粒的"标记性"测量问题，我们提出一种优化的双包层亚波长多悬挂芯微纳结构光纤模型，并以此为基础制作表面增强拉曼光纤探针。理论上，研究倏逝场功率因子随亚波长多悬挂芯微纳光纤结构的变化规律；实验上，研究表面增强拉曼光纤探针中金属纳米颗粒的高效组装方法、拉曼信号光的激发与收集。最终解决微纳结构光纤的模型设计、低损耗传输及金属纳米颗粒的高效组装等关键问题，制作出具有低损耗、高倏逝场、高增益的表面增强拉曼微纳光纤探针，为拉曼光谱的有效获取提供一种新手段、新方法。

表面增强拉曼散射是指分子吸附到某些金属纳米结构基底的表面时，分子的拉曼信号显著增强的现象，是激光拉曼光谱应用到表面科学研究的探索中所发现的异常表面光学现象。在本项目中：. a）我们通过数值分析方法，研究了不同形貌和尺寸的金属纳米颗粒的吸收和散射特性。对双悬芯微结构光纤的双折射率、传感损耗及模场分布情况进行了仿真，利用COMSOL有限元方法研究了多悬挂芯微结构光纤的低损耗传输窗口，填充不同折射率时，传输窗口、传输损耗及模场分布情况进行了研究。b）实验上，利用光诱导还原方法在飞秒烧蚀的光纤表面生长出了银纳米颗粒，并通过光诱导还原方法生长出三角板形银纳米颗粒，对双悬芯微结构光纤、亚波长多悬芯微结构光纤SERS探针进行了制备，并对其传感性能进行了研究，实现了低浓度R6G溶液测量。c） 我们利用飞秒烧蚀的方法制作出了PMMA光纤SERS传感器，该传感器具有很好的柔韧性，同时，加工的光栅结构可以提高SERS信号强度4－5倍。d）我们制作了一种灵敏度增强的U型光纤SERS传感器，相对于较多文献报道的单一光纤端面的SERS传感器，本传感器一方面增加的SERS活性区域、提高了信号光的收集效率。e）利用飞秒激光制作了微型D型光纤SERS传感器，该传感器体积小、结构紧凑、使用灵活、较大的基底面积等优点，实现了对若丹明6G染料分子的高灵敏实时原位检测。. 强的SERS增强效果对分析工作者来说也就意味着更低的目标分子检测限和更高的灵敏度，本项目制作的光纤SERS探针，具有体积小、结构紧凑、使用灵活，可以广泛应用于拉曼光谱测量，在物质表面研究、化学药品痕量分析、食品非法添加剂检测及生物医学传感方面研究具有重要的科学意义和实际价值。