基于空芯微結構光纖拉曼探針的實驗研究?

盛子城 王騰 周桂耀 夏長明 劉建濤 李波瑤 樊海霞陳云 侯峙云

(華南師范大學,廣東省微納光子功能材料與器件重點實驗室,廣州 510006)

1 引 言

生物、化學以及環境的高靈敏度檢測一直以來是科學研究的重點,而表面增強拉曼散射(surface enhanced raman scattering,SERS)技術被認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構的基底,SERS技術可實現超低樣品濃度的拉曼光譜檢測,并準確地分辨出分子種類,因此,近年來得到了廣泛的研究與應用[1?3].將光纖技術與SERS技術相結合,不僅可實現遠程實時檢測與分布式部署,同時可利用光纖結構微小、環境適應力強等特性,進入生物體的內部或在環境惡劣的條件下進行檢測[4?6].目前的光纖SERS探針雖然已有多種設計,如光纖端面傳感[7,8]、光纖側表面倏逝場傳感[9,10]、錐形光纖傳感[11,12]等,但這些設計仍有一些不足,如基底材料的面積較小(光纖端面、側表面、錐面),將光纖制備成這些特殊的結構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].同時由于激發光通過全內反射機制在石英纖芯中傳輸,不可避免地會帶來石英材料的背景信號干擾,影響目標分子的拉曼信號提取[14].空芯微結構光纖的問世為解決這一問題提供了新的手段[15?17].其通過獨特的導光機制可將激發光與信號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,便可以使待測物與光場充分作用,對于微量檢測具有重要意義.因此,基于空芯微結構光纖制備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性指標:空芯光纖要在產生拉曼信號的激發波長附近具備較寬的導帶且導光性能良好;需要為待測物與光場充分反應提供足夠的空間,以此產生足夠強的拉曼信號[18].2006年,Gu研究組[19]在空芯微結構光纖內表面附著納米Au顆粒,首次制備出空芯微結構光纖SERS探針,成功探測到了濃度為10?5mol/L的羅丹明B溶液拉曼信號,并認為這些工作對于實現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顆粒與被測樣品同時吸入空氣微結構纖芯之中,在液芯的條件下實現了濃度為10?5mol/L的羅丹明6G(R6G)溶液探測,并認為這些工作對于空芯光纖SERS探針應用于生物樣品檢測具有重要意義[20].2015年,Khetani等[16]將785 nm的激光耦合進鍍有納米Ag膜的空芯微結構光纖,利用拉曼光譜儀成功實現了300 cells/mL的白細胞檢測.上述研究表明空芯微結構光纖在拉曼探針的探索中具有重要意義.

本文為實現性能優良的SERS探針,從空芯微結構光纖制備以及表面增強拉曼實驗測試兩方面進行了探究.首先制備了一種空芯微結構光纖,其在可見光及近紅外波段具備多個導帶,導光性能良好,可充分滿足表面增強拉曼的激發光與信號光在同一根光纖中傳輸的需求.同時,較大的纖芯尺寸便于激發光的耦合,并為待測物與光場提供了充足的反應空間.之后利用該空芯光纖進行表面增強拉曼實驗,通過物理濺射法在空芯微結構光纖的內表面修飾一層納米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端反面分別探測到了濃度為10?9與10?6mol/L的R6G拉曼信號.先前的工作主要是利用空芯微結構光纖的第一帶隙導帶進行信號光與激發光的同時傳輸,光場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構光纖的高階帶隙以及反諧振機理同時作用實現寬帶光傳輸,并且由于空氣纖芯以及包層石英節點可同時傳輸光能量,從而具備了較大的光場作用面積,相對于前期文獻報道的工作更有優勢.所設計的空芯光纖探針結構簡單且便于制備與測試,與傳統光纖探針相比具備待測物與光場的有效作用面積大、受石英背景信號干擾小等優點,在生化檢測等領域有著廣泛的應用前景.

2 光纖制備與性能測試及導光機理分析

通過堆積法制備出的空芯微結構光纖,光纖端面掃描電子顯微鏡圖見圖1.光纖的具體結構參數為: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,包層孔層數為6層,光纖外徑為240μm.

圖1 空芯微結構光纖掃描電鏡圖Fig.1.Scanning electron micrograph of the hollowcore microstructure fiber.

使用波段為0.4—2.4μm的超連續光源及光譜儀對空芯微結構光纖的透射譜及纖芯導光情況進行探測,實驗測試裝置如圖2所示.通過透鏡組將寬帶光源發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構光纖相對接,通過精密光學調整架調整他們的相對位置(微米量級),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.當單模光纖入射光恰好全部耦合進入空芯光纖時,再利用光譜儀進行探測,這樣做可以盡量避免包層石英部分傳導的光能量進入光譜儀,減少光源譜型對空芯微結構光纖纖芯透射譜的影響.

圖2 光纖測試裝置圖Fig.2.Fiber measurement setup.

圖3(a)為35 cm長的空芯微結構光纖的傳輸光近場圖.當單模光纖的入射光恰好只對準空芯光纖纖芯時,可觀測到大部分光能量都局限在空氣纖芯中.利用光譜儀測量得到該光纖在0.3—2.3μm之間纖芯導光的透射譜,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導帶,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波長(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帶.

空芯微結構光纖的纖芯其周圍石英壁厚約為0.5μm,反諧振高損波長的計算公式為其中λm為高損波長,m為反諧振高損階數,t為石英壁厚,ng為石英折射率[21],通過計算可以得出反諧振高損波長分別為0.355,0.522,1.028μm,而高損波長之間的波段即為光纖導帶.通過構建單層石英環的反諧振基礎模型,利用有限元法計算出它的限制損耗曲線,如圖3(b)所示,可發現實驗測得的光纖透射譜與利用反諧振基礎模型模擬的低損導帶明顯為一一對應的關系,兩者均符合數值理論計算.

圖3 (a)傳輸光近場圖;(b)利用標準反諧振模型計算得到的限制損耗和測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 表面增強拉曼實驗研究

3.1 空芯光纖探針的制作

首先,使用光纖切割機將空芯微結構光纖切成3 cm長的小段,兩端切平.之后使用光纖材料金屬涂層成膜系統對準備好的空芯光纖進行濺射法鍍膜,Ag膜濺射厚度設置為100 nm.在對光纖內壁進行Ag膜的濺射時應盡可能將光纖待濺射的端面對準濺射靶材,以確保纖芯及包層孔的內壁濺射納米Ag膜的均勻性.由于R6G的拉曼光譜被研究得相對透徹,可用來標定SERS傳感器件的靈敏度,因此本文采用R6G的濃度檢測作為探針靈敏度的衡量標準[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,將激發光直接作用于修飾有納米Ag膜、吸附R6G樣品分子的檢測方式稱為近端正面探測模式;將激發光耦合至無納米Ag膜的一端,經過光纖傳輸后與SERS基底及樣品分子作用的檢測方式稱為遠端反面探測模式.將待測R6G樣品為溶液狀態的測量方式稱為濕態測量,將待測樣品R6G溶液的溶劑完全揮發干燥后的測量稱為干態測量.

圖4為制備完成的空芯光纖探針端面局部圖,可明顯地觀測到有納米Ag顆粒附著到光纖內壁上,其顆粒尺寸約為80 nm,顆粒之間存有大量間隙,可形成SERS增強的熱點[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 實驗材料及檢測系統

R6G是一種熒光染料,其分子量為479.01,熒光激發峰在525 nm左右.當R6G分子吸附在金屬微納結構表面時,它的熒光信號被完全淬滅,而R6G的拉曼光譜被極大地增強,其特征譜線與分子結構信息成對應關系,如614 cm?1處特征譜線與C—C—C鍵的振動相對應,774 cm?1處特征譜線與C—H鍵臨對位的振動相對應,1363,1509,1572,1650 cm?1處特征譜線均與芳香環C—C鍵的伸縮振動相對應[24].實驗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R6G溶液不同濃度下的拉曼信號,以此來檢測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光纖SERS探針樣品測試,拉曼測試原理示意圖見圖5,激發光通過50×的物鏡聚焦耦合進入光纖探針,產生的拉曼信號將在探針內不斷積累,通過原光路返回由探測器收集并在電腦上顯示.實驗參數設置為:激發光波長為633 nm,10 s累計一次.由于濃度較高時信號過于強烈,將超出儀器量程,因此測量10?4,10?5mol/L濃度的R6G溶液時采用0.85 mW的激光功率,而測量10?6,10?7,10?9mol/L濃度的R6G溶液時采用17 mW激光功率.

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

3.3 不同濃度R6G溶液的SERS檢測

檢測方式采用干態檢測.將蒸鍍有Ag納米薄膜的空芯微結構光纖的端面浸入10?4mol/L的R6G酒精溶液中,浸入時間為2 min,R6G的酒精溶液通過毛細管效應被吸入空芯微結構光纖探針的空氣孔內;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,干燥3 h,使空氣孔中的酒精溶劑完全揮發,在檢測環境為空氣的條件下進行測試.在光纖探針的近端正面探測模式下,測試得到的不同濃度R6G溶液的拉曼光譜如圖6所示,可以看出,當R6G濃度降到10?9mol/L時,還可以清楚地觀察到614 cm?1處C—C—C鍵的伸縮振動.

在完成近端正面的測試后,采用遠端反面測試進行研究.遠端反面測試模式更符合在實際應用中的使用場景,即激發光在光纖載體中經過一段距離的傳輸,然后作用于SERS基底與樣品分子,產生的拉曼光在經過光纖的傳輸后被拉曼光譜儀接收.實驗儀器參數設置與近端正面探測相同,測試得到的不同濃度R6G酒精溶液的拉曼光譜如圖7所示.在檢測過程中R6G會分布于整個空芯光纖的內部,但由于R6G分子的本征拉曼信號非常微弱,只有與金屬Ag相作用后會產生SERS信號,而該信號可達到單純R6G分子的本征拉曼信號的1014倍.因此,基本上可排除其他信號的干擾.

圖6 利用光纖探針的近端正面探測模式,測得的不同濃度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 利用光纖探針遠端反面探測模式,測得的不同濃度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 論

基于空芯微結構光纖對SERS探針的制備及性能進行了實驗研究.通過物理濺射法在空芯微結構光纖的內表面修飾一層納米Ag膜,制備成SERS探針,對不同濃度的R6G酒精溶液分別進行了近端正面及遠端反面的實驗研究.最終在空芯微結構光纖探針的近端正面成功探測到了濃度為10?9mol/L的R6G溶液的拉曼信號,在遠端反面成功探測到了濃度為10?6mol/L的R6G溶液的拉曼信號,通過鍍膜技術的改進可進一步提升該空芯光纖探針的檢測靈敏度.該空芯光纖探針制備簡單且性能良好,為后續SERS探針的制備提供了參考.