一种三层结构D型光纤SPR传感器的制作方法

本实用新型涉及光学SPR传感器领域，具体涉及一种三层结构D型光纤SPR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。

光纤传感技术始于20世纪70年代，伴随光纤通信技术迅速发展起来，光纤传感技术是衡量一个国家信息化程度的重要标志。光纤传感，包含对外界信号(被测量)的感知和传输两种功能。光纤SPR传感器进行的感知，是外界信号作用于光纤中传输的光波，测量被改变物理特征参量，如强度、波长、频率、相位和偏振态等。通过对光参量变化的测量即可得到外界信号的同步变化信息，这种感知实质上是外界信号对光纤中传播的光波进行的实时调制。

表面等离子共振技术(Surface Plasmon Resonance technology,SPR)是应用SPR原理检测生物传感芯片上配位体与分析物作用的一种物理光学技术。表面等离子体是由导电介质和绝缘体介质分界面处的自由电子的集体震荡产生的，金属可以近似看成等离子体，由于电磁振荡形成等离子波。当光以大于临界角入射在光疏介质和光密介质表面时，由于产生表面等离子体共振时将破坏全反射的条件，导致反射光能量急剧下降，在反射光谱上出现共振峰。SPR对靠近导电介质和绝缘体介质分界面处的环境的变化非常敏感，这样，就可以利用光谱共振位置的移动来检测折射率的微小变化，特异性分析生物分子、化学物质成分等。

当未经任何修饰的单层金属层覆盖在传感器核心区作为敏感元件时，传感器没有选择性，只能用于一些简单体系(如乙醇、葡萄糖、蔗糖的水溶液)的测定；在检测物质时，这种传感器灵敏度和精度较低。

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三层结构D型光纤SPR传感器，提高传感器精度和灵敏度。

为了实现上述目的，本实用新型的技术方案为：

一种三层结构D型光纤SPR传感器，包括D型光纤，所述D型光纤为含有D型段的光纤，所述D型段为一段径向截面为D型的光纤段，D型段的纤芯暴露在D型段的平面上，D型段的平面由下至上依次设有第一金纳米颗粒层、二硫化钨层和第二金纳米颗粒层。

本实用新型设置金纳米颗粒层式传感器具有良好的敏感特性，在D型光纤的D型段的平面由下至上依次设有第一金纳米颗粒层、二硫化钨层和第二金纳米颗粒层，使得二硫化钨层在金纳米颗粒层内形成纳米间隔物，二硫化钨(WS2)作为典型的半导体过渡金属双卤代烷，具有范德华尔层状结构，每一层都是由S-W-S三明治排列而成的。二硫化钨还具有特殊的性质，例如间接-直接带隙跃迁，谷极化，高载流子迁移率，可调谐激子效应等。首先，以WS2层作为纳米空间，形成了垂直的等离子体纳米结构，探针分子通过结合该结构提供的致密三维热点而表现出传感器优异的灵敏度。其次，WS2层还能紧密封装较大的AuNPs，减少杂化等离子体纳米结构对电磁增强的质量损失，同时还可以诱导化学增强，进一步促进SPR行为。第三，以WS2层作为纳米空间，通过平面纳米结构之间的纳米间隙产生的高度增强的局部电磁场也可以增强SPR，提高传感器精度和灵敏度。

本实用新型的有益效果为：

本实用新型在D型光纤剖面依次制备第一金纳米颗粒层、WS2层、第二金纳米颗粒层，形成一种SPR传感结构。当存在金属金中的本征波遇到光倏逝波时就可能发生共振，从而产生SPR现象。金纳米颗粒层具有良好的敏感特性，而WS2在此结构中作为精确的纳米间隔物，可以获得高度增强的电磁场，作为金纳米颗粒层的增敏层。本实用新型提出的SPR传感结构相比于普通的SPR传感器具有更高的传感灵敏度，更好的混合等离子体纳米结构，同时采用在两层金纳米颗粒层之间制备WS2作为增敏结构。通过对介质表面的光学谐振信号检测，这种传感器具有实时监测、灵敏度高，性能稳定，结构紧凑等优点，在物理、化学、生物、医疗、食品工业等领域具有广阔的应用前景。

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的传感器D型段结构示意图；

图3为本实用新型实施例1的传感器D型段径向截面结构示意图；

其中，1、D型光纤，2、纤芯，3、第一金纳米颗粒层，4、二硫化钨层，5、第二金纳米颗粒层。

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，现有技术中存在传感器灵敏度和精度较低不足，为了解决如上的技术问题，本实用新型提出了一种三层结构D型光纤SPR传感器。

本实用新型的一种典型实施方式，提供了一种三层结构D型光纤SPR传感器，包括D型光纤，所述D型光纤为含有D型段的光纤，所述D型段为一段径向截面为D型的光纤段，D型段的纤芯暴露在D型段的平面上，D型段的平面由下至上依次设有第一金纳米颗粒层、二硫化钨层和第二金纳米颗粒层。

本实用新型设置金纳米颗粒层式传感器具有良好的敏感特性，在D型光纤的D型段的平面由下至上依次设有第一金纳米颗粒层、二硫化钨层和第二金纳米颗粒层，使得二硫化钨层在金纳米颗粒层内形成纳米间隔物，二硫化钨(WS2)作为典型的半导体过渡金属双卤代烷，具有范德华尔层状结构，每一层都是由S-W-S三明治排列而成的。二硫化钨还具有特殊的性质，例如间接-直接带隙跃迁，谷极化，高载流子迁移率，可调谐激子效应等。首先，以WS2层作为纳米空间，形成了垂直的等离子体纳米结构，探针分子通过结合该结构提供的致密三维热点而表现出传感器优异的灵敏度。其次，WS2层还能紧密封装较大的AuNPs，减少杂化等离子体纳米结构对电磁增强的质量损失，同时还可以诱导化学增强，进一步促进SPR行为。第三，以WS2层作为纳米空间，通过平面纳米结构之间的纳米间隙产生的高度增强的局部电磁场也可以增强SPR，提高传感器精度和灵敏度。

该实施方式的一种或多种实施例中，D型光纤采用多模光纤。

所述D型光纤是制备方法为：将多模或大芯径光纤侧面的一段涂覆层去掉，然后在一部分包层中开设一个槽，使剩余光纤的径向截面为D型，槽深度最后将这个槽抛光并确定表面光滑。开设一个槽的方法为常规研磨光纤的方法，例如侧边抛磨法等。

该实施方式的一种或多种实施例中，D型段的长度为1～3cm。

该实施方式的一种或多种实施例中，D型段位于D型光纤的中部。

该实施方式的一种或多种实施例中，D型段的径向截面高度与D型光纤的半径相等。径向截面高度是指D型段平面中心与D型段弧形面的垂直距离。

该实施方式的一种或多种实施例中，D型段纤芯的径向截面为D型，D型段纤芯的平面与D型段的平面位于同一平面。

该实施方式的一种或多种实施例中，D型段的平面光滑度为0.9～1.1A。

该实施方式的一种或多种实施例中，第一金纳米颗粒层的厚度为40～60nm。制备第一金纳米颗粒层的方法为：通过磁控溅射系统以5～15秒的溅射时间在D型光纤的平面上溅射Au膜，通过引入50sccm的Ar在水平石英管中进行第一退火工艺，石英管以10℃/min的速率加热至800℃并保持60分钟时，Au膜转变成第一金纳米颗粒层。第一金纳米颗粒层的下表面与D型光纤的平面接触。

该实施方式的一种或多种实施例中，二硫化钨层的厚度为1～2nm。制备二硫化钨层的步骤为：将乙二醇溶液加入到高纯度(NH4)2WS4粉末中以形成1.25wt％的(NH4)2WS4溶液。超声处理30分钟后，将(NH4)2WS4溶液涂在第一金纳米颗粒层的上表面，得到薄而均匀的(NH4)2WS4薄膜。通过热分解过程在第一金纳米颗粒层的上表面制备出二硫化钨层，其中气体在800℃下流动(Ar/H2＝80sccm/20sccm)60分钟反应。

该实施方式的一种或多种实施例中，第二金纳米颗粒层的厚度为40～60nm。制备第二金纳米颗粒层的步骤为：通过磁控溅射系统以5～15秒的溅射时间在二硫化钨层的上表面溅射Au膜，通过引入50sccm的Ar在水平石英管中进行第一退火工艺，石英管以10℃/min的速率加热至500℃并保持30分钟时，Au膜转变成第二金纳米颗粒层。

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

一种三层结构D型光纤SPR传感器，如图1～3所示，包括D型光纤1，D型光纤为含有D型段的光纤，D型段为一段径向截面为D型的光纤段，D型段的纤芯2暴露在D型段的平面上，D型段的平面由下至上依次设有第一金纳米颗粒层3、二硫化钨层4和第二金纳米颗粒层5。

D型段的长度为2cm。D型段位于D型光纤1的中部。D型段的径向截面高度与D型光纤1的半径相等。D型段的纤芯2的平面与D型段的平面位于同一平面。第一金纳米颗粒层3、二硫化钨层4和第二金纳米颗粒层5的厚度分别为50nm、2nm、50nm。

传感器的制备方法为：将普通多模光纤中段从侧面开始研磨，研磨长度为2厘米，D型槽深度与光纤的半径长度相等，使研磨槽底部平整光滑，光滑度保持在1A。通过磁控溅射系统以10秒的溅射时间在D型光纤的平面上溅射Au膜，通过引入50sccm的Ar在水平石英管中进行第一退火工艺，石英管以10℃/min的速率加热至800℃并保持60分钟时，Au膜转变成第一金纳米颗粒层。通过磁控溅射系统以5～15秒的溅射时间在D型光纤的平面上溅射Au膜，通过引入50sccm的Ar在水平石英管中进行第一退火工艺，石英管以10℃/min的速率加热至800℃并保持60分钟时，Au膜转变成第一金纳米颗粒层。第一金纳米颗粒层的下表面与D型光纤的平面接触。通过磁控溅射系统以10秒的溅射时间在二硫化钨层的上表面溅射Au膜，通过引入50sccm的Ar在水平石英管中进行第一退火工艺，石英管以10℃/min的速率加热至500℃并保持30分钟时，Au膜转变成第二金纳米颗粒层。

制备而成的D型光纤SPR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，输出端采用光谱仪PG 2000对通光率进行分析。

在实际传感过程中，宽谱光注入传感区的传感器中，根据外界生化物质的不同，在第一金纳米颗粒层/WS2层/第二金纳米颗粒层表面产生不同的SPR效果，在宽谱光中体现为不同的频率谐振峰，而这种效应能被直接实时观测到，从而实现了光信号对DNA等生化物质的传感，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。