一种基于多层金纳米棒的光纤SPR传感器的制作方法

本实用新型涉及生物传感器技术领域，尤其涉及一种光纤生物SPR传感器。

背景技术：

表面等离激元包括表面等离极化激元(Surface plasmon polariton,SPP)和局域表面等离激元(Localized surface plasmon,LSP)。表面等离激元被广泛的应用于光学传感、生化检测及近场光学等领域，表面等离激元耦合效应能增强局域电磁场强度，在表面增强拉曼散射、光热治疗、集成光学、及生物探测等方面具有重要的作用。当外部介质的折射率发生改变时，这样就会引起共振波长或强度发生变化，实现相应的检测。

当金属纳米粒子放置于金属膜表面附近时，由于金属膜的存在，使得整个体系的对称性被破坏，当同时满足LSP与SPP的激发条件时，在外电场的作用下，两种等离激元相互作用而产生耦合效应，金属纳米粒子的存在会使得在金膜内部也会感生出一个同样的感应电荷，称为镜像偶极子，这对偶极子相互作用，这样在金膜和金纳米粒子相接近的表面会聚集大量电荷，从而增大其表面电荷密度，并且两者所带电荷的极性相反，电势差增加，在间隙处产生电磁场增强区域，复合体系中的等离激元可以看做是SPP和LSP相互作用后的整体效果。表面等离子共振(SPR)传感器由于其较高的检测灵敏度，在检测物理量、化学量及各种生物量的相互作用等方面具有重要的应用。SPR这种优良的传感特性使得其广泛应用在传感领域。但是在检测更低浓度或是小分子质量的待测物时，其灵敏度还不够高，因为它们引起的折射率的变化很小。

如果在金膜上面固定多层金属纳米粒子时，这时就会存在两种等离激元耦合效应，一种是在外界电磁场的激发下，上下两个金属纳米粒子之间的电荷发生重新分布，产生电势差进而形成等离激元耦合效应。同样地，在金膜和金纳米之间也会产生等离激元耦合效应，相比于单层金属纳米粒子，这种纵向排列的多层纳米粒子之间的耦合效应增大了局域电磁场的强度和向外界传播的深度，从理论上来说，这种等离激元耦合效应传感器的检测性能具有一定的增强效果。

单层纳米粒子相比，这种多层金属纳米粒子可以提高局域电场强度，而且在同等条件下，多层金属纳米粒子的电场强度要高于单层，主要是因为随着外部金属纳米层数的增加，在电磁场的激发下，产生局域表面等离激元的金属纳米的数量增加，各个纳米粒子表面的自由电子产生振荡，并且和相邻的金属纳米粒子之间相互作用，产生局域表面等离激元耦合效应，在耦合间隙处产生局域电磁场增强区域。

技术实现要素：

根据现有技术存在的问题，本实用新型公开了一种基于多层金纳米棒的光纤SPR传感器，具体包括：双模光纤、金膜、氧化石墨烯和金纳米棒；所述金膜外包在双模光纤的外侧，所述氧化石墨烯镀在金膜的外侧，所述金纳米棒镀在氧化石墨烯的外侧。

进一步的，所述双模光纤的纤芯的形状应为椭圆形。

进一步的，工作状态下将双模光纤的两端连接在多模光纤上，将多模光纤连接在光源和光谱仪上，所述多模光纤的纤芯和包层直径分别为62.5-64μm和120-125μm。

进一步的，所述结构金膜外镀有2-4层金纳米棒。

进一步的，所述金膜的表面通过形成氨基的方式与氧化石墨烯的环氧基相结合。

进一步的，所述金膜的厚度为45-55nm。

进一步的，所述金纳米棒的长为35-40nm、高为15-20nm、长径比为2.5-10。

由于采用了上述技术方案，本实用新型提供的一种基于多层金纳米棒的光纤SPR传感器，该SPR传感器主要是利用金属纳米粒子产生的局域表面等离激元(LSP)来提高局域电磁场强度。在传感器的外表面依次镀上金膜和金纳米棒；当外界折射率改变时，会引起共振波长向右漂移，根据共振波长移动量来实现对溶液浓度的高灵敏度测量。并可通过对传感器外部进行生物处理来对生物量进行特异性测量。本实用新型解决了现有技术中单层金纳米棒SPR传感器灵敏度较低的问题，且结构简单易于操作，可重复利用，可以在SPR传感器中进行广泛推广。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本实用新型中光纤SPR传感器的结构示意图；

图2为本实用新型中金纳米棒修饰的传感器对应的共振光谱示意图；

图3为本实用新型中单层金纳米棒灵敏度线性拟合曲线示意图；

图4为本实用新型中多层金纳米棒灵敏度线性拟合曲线示意图；

图5为本实用新型中实验过程中的装置示意图。

具体实施方式

为使本实用新型的技术方案和优点更加清楚，下面结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚完整的描述：

如图1所示的一种基于多层金纳米棒的光纤SPR传感器，该传感器基于多层金纳米棒的光纤及其SPR效应，至少包括完整双模光纤、金膜、氧化石墨烯和金纳米棒。所述金膜外包在双模光纤外侧，所述氧化石墨烯薄膜镀在金膜外侧，所述金纳米棒镀在氧化石墨烯薄膜的外侧。工作状态下：所述金纳米棒外侧镀上待检测生物量抗体膜，并且该传感器可重复利用。

实施例：如图2所示在光纤外镀上金膜，金膜外镀层为氧化石墨烯薄膜和2-4层金纳米棒，其中金膜厚度为50nm。氧化石墨烯厚度为20nm。单层金纳米棒长35-45nm，高15-20nm，长径比为2.0-10。金纳米棒一共两层。在这里我们可以将该镀膜部分直接接触待测溶液，通过观察光谱共振波长的偏移及可测得折射率。待测溶液在金纳米棒表面会更容易产生等离激元共振，可以极大提高传感器的灵敏度。

一种多层金纳米棒SPR光纤传感器的制备方法，首先利用熔接机制作了多模光纤-双模光纤-多模光纤传感结构，然后通过真空离子束溅射仪对双模光纤表面溅射金膜，把镀金膜的双模光纤传感器浸泡在2-2.5mmol/L的对氨基苯硫酚的乙醇溶液中22-24小时，用于在金膜外表面修饰氨基，然后用蒸馏水冲洗，晾干，对氨基硫酚分子可以通过Au-S共价键与金膜连接，然后在金膜表面形成氨基与氧化石墨烯的环氧基结合。然后，将光纤浸泡在0.4-0.7mg/mL的氧化石墨烯分散液中，放置在35-40℃的恒温箱中，大约25-35分钟后，氧化石墨烯水溶液蒸发，因此可以将氧化石墨烯薄膜固定在传感器的金膜表面上。

将金纳米粒子分散液浸泡传感器10-12小时，金纳米粒子带负电，可以通过正负电荷间的作用力把金纳米粒子固定在氧化石墨烯表面。为了将金纳米棒固定在氧化石墨烯表面上，首先将镀有氧化石墨烯金膜的双模光纤传感器浸泡在5-6mg/mL的聚苯乙烯磺酸钠溶液中25-30分钟，使得传感器表面带负电荷，然后将近纳米棒分散液浸泡光纤传感器10-14小时，这样就实现了金纳米棒在传感器表面的固定。我们重复几次可以镀上多层金纳米棒。

为了防止金纳米棒脱落，也可以在它们外表面再固定一层氧化石墨烯薄膜。将已固定的金纳米棒的传感器浸入浓度为2-4mmol/L的4-氨基苯硫酚酒精溶液中浸泡10-12小时后，冲洗干净，将0.5-0.7mg/L的氧化石墨烯分散液浸泡传感器1-1.5小时后取出，将该传感器放入恒温箱中，在40℃下放置35-40分钟左右，这样就实现了氧化石墨烯薄膜在传感器外表面的固定。

多层金纳米棒可以使电磁场能量产生转移，因此多层金纳米棒会比单层金纳米棒产生更强的表面等离基元共振。在这里我们首次使用多层金纳米棒来进一步提高SPR传感器的灵敏度。

为了检测生物量我们也应该对光纤做出如下处理

(1)将光纤传感器浸泡在20-25mmol/L的1-(3-二甲氨基丙基)-3-乙基碳二亚胺盐酸盐和35-45mmol/L的NHS混合溶液中，用于活化氧化石墨烯表面的羧基基团，然后用蒸馏水冲洗，晾干，之后把传感区放入一个有进出口的玻璃管中，即完成了生物功能化处理。

(2)用PBS配置浓度为200-220μg/mL的待检测生物量抗体溶液浸泡光纤2-3个小时，实现了在传感器的表面固定抗体。可直接检测生物量。

为实现其重复利用性，将实验测试后的传感器浸泡在10-15mmol/L的氢氧化钠溶液中20-15分钟，对抗原抗体进行解离，之后用酒精浸泡、冲洗、晾干，以便下次的重复使用。

如图5所示，对上述新型多层金纳米棒SPR光纤传感器进行测试实验。

光源采用波长范围在215nm-1100nm的卤钨灯和光谱仪记录共振光谱。实验前配置了折射率变化在1.3320-1.3361范围的氯化钠盐溶液，其折射率值用阿贝折射仪进行测定。在测定中，我们使用有限元分析法来进行分析。

在这里我们对固定有多层金纳米棒的传感器的折射率传感特性进行了探究，如图2所示，在折射率变化范围1.3320-1.3366内，共振波长向右漂移，从共振光谱可以看出存在两个共振谷，这是由于金纳米棒存在横向和纵向两种等离激元共振模式，横向等离激元共振模式较弱，共振波长处于500nm附近，纵向等离激元共振模式较强，共振波长在700nm附近。同时我们使用多层金纳米棒和单层金纳米棒灵敏度的比较，如图3所示，单层金纳米棒SPR传感器在折射率变化范围1.3320-1.3366内，随着折射率的增加，通过折射率拟合曲线可知，单层金纳米棒的折射率灵敏度为23205nm/RIU。而多层金纳米棒的测试结果，如图4所示，在折射率变化范围1.3320-1.3366内，随着折射率的增加，灵敏度为25642nm/RIU，相比于单层金纳米粒子的折射率灵敏度，该传感器的折射率灵敏度增加了大约2155nm/RIU，说明了多层金纳米粒子对耦合效应对提升传感器的检测灵敏度具有一定的作用。

由此可以看出，本实用新型比一般的SPR单层金纳米棒传感器的灵敏度和分辨率更高。

以上所述，仅为本实用新型较佳的具体实施方式，但本实用新型的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本实用新型揭露的技术范围内，根据本实用新型的技术方案及其实用新型构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本实用新型的保护范围之内。