一种石墨烯层间隔的银纳米粒子U型光纤LSPR传感器的制作方法

本实用新型涉及光纤光学技术领域，具体涉及一种石墨烯层间隔的银纳米粒子U型光纤LSPR传感器。

背景技术：

这里的陈述仅提供与本实用新型有关的背景信息，而不必然构成现有技术。

光纤传感器是20世纪70年代迅速发展起来的一种新型传感器，它是一种可以将被测对象的状态转变为可测的光信号的传感器。光纤传感器的工作原理是将光源入射的光束经由光纤送入调制器，在调制器内与外界被测参数的相互作用，使光的光学性质如光的强度、波长、频率、相位、偏振态等发生变化，成为被调制的光信号，再经过光纤送入光电器件、经解调器后获得被测参数。整个过程中，光束经由光纤导入，通过调制器后再射出，其中光纤的作用首先是传输光束，其次是起到光调制器的作用。具有长距离传输损耗低、灵敏度高、响应速度快、易弯曲、体积小、重量轻、成本低、防水、抗电磁干扰等优点，具有广阔应用潜力和应用前景。

近年来，由于在生物、化学、物理领域传感的多种应用，表面等离子体共振(SPR)技术受到了广泛的关注。光纤作为SPR元件的应用获得了杰出的地位，其具有对折射率改变敏感，易于制作，修饰和控制等优点。至今，已经进行了许多研究来提高光纤SPR传感器的性能。局域表面等离子体共振(LSPR：localized Surface Plasmon Resonance)相似于表面等离子体共振(SPR)现象，金属LSPR特性的改变可以归因为介质和金属界面间的环境改变，因为金属表面的电磁场对环境的折射率非常敏感。通常对光纤LSPR传感器来说，需要倏逝场在金属颗粒和周围介质界面产生表面等离子体波。常用的金属是金和银。基于此，许多不同的光纤结构已被研究，例如部分无包层型光纤、侧边抛磨型光纤、锥型光纤、光子晶体光纤、D型光纤、光栅光纤、U型光纤。

LSPR金属膜由传统的金膜发展到现在的金膜和银膜作为最常用的两种金属膜。在同样的条件下，银膜的共振波长的变化明显比金膜灵敏，共振深度大于金膜，共振峰宽明显小于金膜。但银膜的化学稳定性不如金膜，银膜容易被氧化而造成其LSPR结构检测灵敏度的降低。

技术实现要素：

为了解决现有技术的不足，本实用新型的目的是提供一种石墨烯层间隔的银纳米粒子U型光纤LSPR传感器，能够提高LSPR结构检测灵敏度。

为了实现上述目的，本实用新型的技术方案为：

一种石墨烯层间隔的银纳米粒子U型光纤LSPR传感器，包括U型光纤，所述U型光纤为一根形状为U形的光纤，所述U型光纤的中间部分为弯曲形状的弯曲段，其余部分为直线段，直线段包括直线段纤芯和直线段包层，直线段包层包覆直线段纤芯，弯曲段包括弯曲段纤芯，弯曲段的纤芯表面由内向外依次设置至少3层敏感膜，每层敏感膜由内向外依次为银纳米颗粒层和石墨烯层。

首先，由于U型光纤剖面光纤弯曲，传导光在纤芯与包层界面不再满足全反射从而进入包层，产生了许多高阶传播模式，纤芯外露，因此具有大比例的衰逝波传输、结构紧凑及较低的损耗等优点，将U型光纤与某些具有特殊功能的材料结合，可以构成一系列新型的光学器件，因而与无包层型光纤、侧边抛磨型光纤、锥型光纤、光子晶体光纤、D型光纤、光栅光纤相比，U型光纤具有更高的灵敏度。

其次，银纳米层具有良好的敏感特性，而石墨烯层具有非同寻常的强度和极好的透光性，在此种结构中最顶层石墨烯层作为银纳米层的保护层，夹层石墨烯层作为增强层，给本实用新型的传感器带来了极大的性能改善。

第三，采用至少三层敏感膜，其中，夹层石墨烯层为两层，使得银纳米层之间产生强耦合，从而提供传感器的灵敏度。

本实用新型的有益效果为：

本实用新型采用至少三层敏感膜，每层敏感膜由内向外依次为银纳米颗粒层和石墨烯层。一部分是银纳米颗粒层内银纳米颗粒之间的耦合，另一部分银纳米颗粒层与银纳米颗粒层之间的银颗粒之间的强耦合。银纳米颗粒层具有良好的敏感特性，而石墨烯具有非同寻常的强度和极好的透光性，在此种结构中最顶层石墨烯作为银纳米层的保护层，夹层石墨烯作为增强层，给本传感器带来了极大的性能改善。本实用新型采用在银纳米颗粒层表面生长的石墨烯层作为增强结构，增强了银膜与石墨烯之间的紧密贴合性，在一定程度上增强了灵敏度。通过对多种浓度物质的信号检测，这种传感器具有实时监测、灵敏度高，性能稳定，结构小巧等优点，有着广阔的应用前景。

附图说明

构成本实用新型的一部分的说明书附图用来提供对本实用新型的进一步理解，本实用新型的示意性实施例及其说明用于解释本实用新型，并不构成对本实用新型的不当限定。

图1为本实用新型实施例1的传感器的结构示意图；

图2为本实用新型实施例1设有敏感膜弯曲段的径向截面示意图；

其中，1、U型光纤，2、弯曲段，3、弯曲段纤芯，4、银纳米颗粒层，5、石墨烯层。

具体实施方式

应该指出，以下详细说明都是示例性的，旨在对本实用新型提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本实用新型所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本实用新型的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

正如背景技术所介绍的，现有技术中存在银膜容易被氧化而造成其LSPR结构检测灵敏度降低的不足，为了解决如上的技术问题，本实用新型提出了一种石墨烯层间隔的银纳米粒子U型光纤LSPR传感器。

本实用新型的一种典型实施方式，提供了一种石墨烯层间隔的银纳米粒子U型光纤LSPR传感器，包括U型光纤，所述U型光纤为一根形状为U形的光纤，所述U型光纤的中间部分为弯曲形状的弯曲段，其余部分为直线段，直线段包括直线段纤芯和直线段包层，直线段包层包覆直线段纤芯，弯曲段包括弯曲段纤芯，弯曲段的纤芯表面由内向外依次设置至少3层敏感膜，每层敏感膜由内向外依次为银纳米颗粒层和石墨烯层。

首先，由于U型光纤剖面光纤弯曲，传导光在纤芯与包层界面不再满足全反射从而进入包层，产生了许多高阶传播模式，纤芯外露，因此具有大比例的衰逝波传输、结构紧凑及较低的损耗等优点，将U型光纤与某些具有特殊功能的材料结合，可以构成一系列新型的光学器件，因而与无包层型光纤、侧边抛磨型光纤、锥型光纤、光子晶体光纤、D型光纤、光栅光纤相比，U型光纤具有更高的灵敏度。

其次，银纳米颗粒层具有良好的敏感特性，而石墨烯层具有非同寻常的强度和极好的透光性，在此种结构中最顶层石墨烯层作为银纳米层的保护层，夹层石墨烯层作为增强层，给本实用新型的传感器带来了极大的性能改善。

第三，采用至少三层敏感膜，其中，夹层石墨烯层为两层，使得银纳米颗粒层之间产生强耦合，从而提供传感器的灵敏度。

银纳米颗粒层可以通过热蒸镀的方法制备。石墨烯层可以通过氧化石墨烯化学还原法制备。

该实施方式的一种或多种实施例中，U型光纤为多模光纤或大芯径光纤，大芯径光纤的纤芯直径为0.3～1.0mm。

该实施方式的一种或多种实施例中，弯曲段的曲率半径为2～4mm。U型光纤的方法为：将多模光纤或大芯径光纤的一段涂覆层去掉，然后将这一部分光纤包皮去除，利用酒精灯外焰距离1cm左右进行加热，使光纤U型光纤弯曲段的曲率半径为2～4mm左右。

该实施方式的一种或多种实施例中，弯曲段的纤芯表面由内向外依次设置敏感膜的层数为3～8层。

该系列实施例中，弯曲段的纤芯表面由内向外依次设置敏感膜的层数为4层。

该实施方式的一种或多种实施例中，银纳米颗粒层的厚度为5～30nm。

该系列实施例中，银纳米颗粒层的厚度为10nm。

该实施方式的一种或多种实施例中，石墨烯层的厚度为1～5nm。其步骤为：将蒸镀银纳米颗粒层的U型光纤置于0.5～1g/L的PAH(聚(丙烯胺盐酸盐))溶液中0.5～3小时，再置于0.1～0.3g/L的氧化石墨烯溶液中3～7小时，再置于98％水合肼中0.3～1小时，石墨烯层制备完毕。

该系列实施例中，石墨烯层的厚度为3nm。

为了使得本领域技术人员能够更加清楚地了解本实用新型的技术方案，以下将结合具体的实施例详细说明本实用新型的技术方案。

实施例1

一种石墨烯层间隔的银纳米粒子U型光纤LSPR传感器，如图1～2所示，包括U型光纤1，U型光纤1为一根形状为U形的光纤，U型光纤的中间部分为弯曲形状的弯曲段2，其余部分为直线段，直线段包括直线段纤芯和直线段包层，直线段包层包覆直线段纤芯，弯曲段2包括弯曲段纤芯3，弯曲段纤芯3表面由内向外依次设置至少3层敏感膜，每层敏感膜由内向外依次为银纳米颗粒层4和石墨烯层5。

弯曲段纤芯3表面由内向外依次设置敏感膜的层数为4层。银纳米颗粒层4的厚度为10nm。石墨烯层5的厚度为3nm。

制备方法为：

一、制备U型光纤：将多模或大芯径光纤的一段涂覆层去掉，然后将这一部分光纤包皮去除，利用酒精灯外焰距离1cm左右进行加热，使光纤U型光纤弯曲段的曲率半径3mm。当然也可根据现有的其他技术手段制备。

二、在U型光纤上制备10nm的银纳米颗粒层。所述制备银纳米颗粒层的方法为：在蒸镀仪中加入5mg银丝，抽真空至9×10^-3Pa，打开电流调节进行蒸镀操作，直至银丝完全消失为止。

三、在银纳米层上通过氧化石墨烯还原法制备3nm的石墨烯层。将蒸镀银纳米颗粒层的U型光纤置于1g/L的PAH(聚(丙烯胺盐酸盐))溶液中1小时，再置于0.2g/L的氧化石墨烯溶液中5小时，再置于98％水合肼中45分钟，石墨烯层制备完毕。

重复步骤二、三多次，制备出4层石墨烯/Ag NPs的U型光纤LSPR传感器。

制备而成的U型光纤LSPR传感器可以直接接入以多模光纤为光路的传感系统，并放置在待传感的生物化学环境中，输入端使用光谱为可见光波段的宽带光源，输出端采用可检测可见光波段的光谱仪PG2000，并将PG2000与电脑终端相连接，实时显示测试数据。

在实际传感检测过程中，宽谱光注入传感区的传感器中，根据外界生化物质的不同，在石墨烯与多层金属银表面产生不同的LSPR效果，在宽谱光中体现为不同的波长的谐振峰，而这种效应在PG2000中能被直接实时观测到，从而实现了光信号对DNA等生化物质的实时检测，这种传感的灵敏度是分子级的。

以上所述仅为本实用新型的优选实施例而已，并不用于限制本实用新型，对于本领域的技术人员来说，本实用新型可以有各种更改和变化。凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。