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基于光子晶体光纤的表面增强拉曼探针的实验研究

作　者: 闫贺
导　师: 杨昌喜
学　校: 清华大学
专　业: 光学工程
关键词: 光纤探针光子晶体光纤金属纳米颗粒表面增强拉曼散射
分类号: TN253
类　型: 博士论文
年　份: 2009年
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内容摘要

基于表面增强拉曼散射(Surface-enhanced Raman Scattering,SERS)的光纤传感器,由于具有光纤的远程遥感能力和SERS带来的高灵敏度,引起了人们的广泛关注。光子晶体光纤的气孔结构给光与样品提供了一个理想的相互作用空间,具有较高激励光利用效率和较大传感区域的优点。本论文结合表面增强拉曼散射和光子晶体光纤这两个研究热点,研究了以下四个方面内容:一、空芯光子晶体光纤SERS探针。提出并实现了基于空芯光子晶体光纤的SERS探针,在光纤芯孔中传输的光能够直接地作用于芯孔内壁上的被测样品和金纳米颗粒,实现了对10-5mol/L罗丹明B分子的探测。进一步,基于一种七芯光子晶体光纤和银纳米颗粒,制作了多芯光子晶体光纤SERS探针,实现了一种多通道探测的方法。二、液芯光子晶体光纤SERS探针。实现了一种简单的制备液芯光纤的方法:用光纤熔接机的放电过程将空芯光子晶体光纤的包层气孔熔融封闭,使得液体样品仅进入光纤芯孔而不会破坏光子带隙。用银纳米颗粒作为SERS基底,液芯光子晶体光纤SERS探针实现了对低浓度(4.7×10-9mol/L)罗丹明6G分子的探测。进一步,用液芯光子晶体光纤SERS探针实现了对生物样品PSA(10-6mol/L)和Alpha-synuclein(10-4mol/L)的探测。三、实芯光子晶体光纤的SERS探针。提出并实现了一种新型结构的实芯光子晶体光纤SERS探针,在实芯光子晶体光纤的实芯和气孔包层中间插入了四个大空气孔,作为光与样品相互作用的空间,激励光在实芯中传输,分布在四个气孔中的倏逝场与其中的样品和SERS基底发生作用。实验上制备了这种实芯光子晶体光纤SERS探针,实现了对10-7mol/L罗丹明B分子的探测。进一步探索了直接在实芯光子晶体光纤气孔中生长金颗粒制备SERS探针的方法。四、基于纳米颗粒二聚体增强的光纤SERS探针。提出一种基于两种电性相反的银纳米颗粒互相吸引形成二聚体结构的方法,在多模光纤的端面形成了纳米颗粒二聚体SERS“热点”分布,纳米颗粒二聚体能够得到更强的拉曼信号,实现了对10-9mol/L罗丹明6G分子的探测。

全文目录

摘要  4-5
Abstract  5-10
第1章绪论  10-23
  1.1 课题背景  10-12
  1.2 光纤光谱传感器研究现状和进展  12-21
    1.2.1 基于折射率阶跃光纤的光谱传感器的研究进展  12-17
    1.2.2 基于光子晶体光纤的光谱传感器的研究进展  17-19
    1.2.3 光子晶体光纤应用于SERS 传感的研究现状  19-21
  1.3 论文研究目标及内容  21-23
第2章空芯光子晶体光纤SERS 探针研究  23-52
  2.1 金属纳米颗粒表面增强效应的物理机制  23-27
    2.1.1 影响SERS 信号强度的关键因素  23-25
    2.1.2 金属纳米颗粒表面电磁增强的物理机制  25-27
  2.2 银纳米颗粒的合成及SERS 光谱探测实验研究  27-34
    2.2.1 银纳米颗粒合成  27-28
    2.2.2 SERS 光谱探测实验研究  28-34
  2.3 光子晶体光纤的基本理论  34-42
    2.3.1 平面波展开方法  35-37
    2.3.2 空芯光子晶体光纤光子带隙及模场分布的数值模拟  37-42
  2.4 空芯光子晶体光纤SERS 探针实验研究  42-49
    2.4.1 内表面组装金属纳米颗粒的空芯光子晶体光纤SERS 探针方案  42-44
    2.4.2 金纳米颗粒在空芯光子晶体光纤中央芯孔中的分布  44-45
    2.4.3 空芯光子晶体光纤SERS 探针探测实验研究  45-49
  2.5 多芯光子晶体光纤SERS 探针研究  49-51
  2.6 小结  51-52
第3章液芯光子晶体光纤SERS 探针研究  52-66
  3.1 液芯光子晶体光纤的导光机制研究  52-57
    3.1.1 HC-633-01 型空芯光子晶体光纤  53-54
    3.1.2 液芯光子晶体光纤模场分布的数值模拟  54-57
  3.2 用光纤熔接机熔融封闭包层气孔实验方法的研究  57-61
    3.2.1 基于古河S175 型光纤熔接机的实验研究  57-58
    3.2.2 基于藤仓FSM-45F-LDF 型光纤熔接机的实验研究  58-61
  3.3 液芯光子晶体光纤SERS 探针实验研究  61-63
  3.4 液芯光子晶体光纤SERS 探针对生物样品的探测  63-65
  3.5 小结  65-66
第4章实芯光子晶体光纤SERS 探针研究  66-78
  4.1 基于倏逝场传感的光纤SERS 探针的研究现状  66-70
  4.2 实芯光子晶体光纤模场分布的数值模拟  70-72
  4.3 实芯光子晶体光纤SERS 探针实验研究  72-77
    4.3.1 金纳米颗粒组装在实芯周围的气孔内壁上  72-74
    4.3.2 金纳米颗粒混合在被测样品溶液中  74-75
    4.3.3 直接在实芯周围的气孔中生长金纳米颗粒  75-77
  4.4 小结  77-78
第5章基于纳米颗粒二聚体增强的光纤SERS 探针研究  78-89
  5.1 基于纳米颗粒二聚体增强的光纤SERS 探针方案  78-79
    5.1.1 SERS 的“热点”效应  78-79
    5.1.2 在光纤端面实现纳米颗粒二聚体方案  79
  5.2 光纤端面纳米颗粒二聚体SERS 增强的模拟分析  79-83
  5.3 基于纳米颗粒二聚体增强的光纤SERS 探针的实验研究  83-88
    5.3.1 光纤SERS 探针的制作  83-85
    5.3.2 光纤SERS 探针探测实验研究  85-88
  5.4 小结  88-89
第6章结论  89-92
参考文献  92-103
致谢  103-104
个人简历、在学期间发表的学术论文与研究成果  104-105

基于光子晶体光纤的表面增强拉曼探针的实验研究

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