飞秒激光微加工光纤SPR传感器及其在中药检测中的应用研究

光纤表面等离子体共振(SPR)传感器综合了SPR高灵敏性和光纤小型化、设计简单灵活等特殊优点，通过测量光纤SPR共振波长的漂移来探测环境介质折射率的微小变化，广泛应用于物理、化学和生物医学等领域。本项目拟研究利用飞秒激光微加工技术制备新型高灵敏度用于中药检测的光纤SPR传感器。理论上根据光纤模式耦合特性设计光纤传感器的结构，优化纳米金属颗粒薄膜的参数。实验上利用飞秒激光微加工技术在微米尺度光纤上写制长周期光栅等结构，将化学方法制备的纳米金属颗粒涂覆在其表面，以实现适用于中药检测的高灵敏度光纤局域SPR传感器。最后用研制的传感器对中药丹参、地黄的有效成分提取溶液进行探测，通过光纤SPR传感器谐振波长漂移与溶液折射率变化关系曲线及折射率与浓度线性拟合公式推算药材有效成分的含量，进而分析稳定性、道地性。该项目初步探索光纤SPR传感器在中药检测中的效果，开辟一个方便快捷灵敏度高的检测渠道。

本项目围绕着申请书的研究内容主要开展了外界媒质条件对纳米颗粒的局域表面等离子体共振特性影响的理论和实验研究、利用飞秒激光微加工系统在光子晶体光纤上写制长周期光栅的传感特性研究和局域表面等离子体共振在中药白芷有效成分蛇床子素的应用三个方面的研究。首先我们采用FDTD软件模拟金属银纳米颗粒的LSPR特性，就颗粒的尺寸、形状、外界折射率等几个方面分析了影响银纳米颗粒局域表面等离子体共振特性变化的因素。随后模拟了不同外界折射率条件下，半径为12 nm的球形银纳米颗粒共振峰的变化，结果表面金属纳米颗粒LSPR共振特性对外界媒质折射率非常敏感，可以应用于外部折射率探测。之后在实验上实现了银纳米颗粒对中药白芷的发光特性的影响。最后我们研究纳米金属颗粒在光纤上的涂覆技术，制备基于纳米金颗粒的SPR传感器。采用局域耦合模理论，利用有限元分析软件FEM推导出强耦合长周期光纤光栅传输谱及传感特性。研究表明引入的光子晶体光纤包层局域结构改变能够对长周期光纤光栅的传感特性产生影响，因此通过改变波导几何结构即可改变谐振波长的漂移，从而增加或抑制其传感灵敏度。这样就可以设计一种光纤传感器对被测参数具有高的灵敏度而抑制其他参数的交叉敏感。在实验上我们研究了通过聚焦飞秒激光使得光子晶体光纤包层空气孔塌陷填充的方式制备长周期光纤光栅，并且研究其对温度、应变、外部折射率和弯曲的响应灵敏度。结构型长周期光纤光栅是永久型的光栅，该光栅可以在高温环境下（从20 到1100 oC是10.5 pm/oC的灵敏度）应用。此外，由于温度敏感度比较低，所以可以解决温度与其他被测变量交叉敏感问题。对外部折射率传感灵敏度约是-725nm/RIU，因无液体可以浸入光子晶体光纤的空气孔，而且每次测量后可以灵活地更换外部液体，对于外部折射率传感更方便。另一个优势是该光栅长度小于5mm，接近于锥形光纤探针。因此该长周期光纤光栅可用于在线监测材料化学溶液浓度或者用于不易深入区域的工业材料生产质量监控。该长周期光纤光栅以小体积探测、实时响应、不受温度影响监测或高温环境下传感的优势在生物物理学、生物化学和生物医学等领域起关键作用。我们在实验上研究了不同尺寸的球形银纳米颗粒对中药有机成分蛇床子素荧光分子发光的影响，为蛇床子素分子作为中药探针在生物医学中的应用提供了很好的平台。