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基于在光纤端面上金纳米圆盘阵列的局部表面等离子体共振传感结构的研究
摘要：提出了一种基于多模光纤的简单、稳定、灵敏、变角的局部表面等离子体共振（LSPR）传感结构。我们采用了模板传输方法，将一个纳米圆盘阵列集成到一个带有斜角的光纤端面。实验结果表明，在我们的实验中，斜交角结构探头传感器的性能优于平面光纤端面的LSPR传感器。我们测试了探针倾斜角度的灵敏度和性能系数（FOM）从5-22，折射率从1.333-1.385，发现灵敏度和性性能系数在光纤端面斜截角为7度时是最优的，分别达到487 nm/riu和29。
1.简介
表面等离子体共振（SPR）在周期性的等离子体纳米结构上，如由Ebbesen在1998年首次演示的纳米圆盘阵列，已经引起了大量的研究兴趣。摘要在一个金属薄膜上，由于阵列周期与局部表面等离子体偏振片的波长相匹配，在周期性纳米圆盘阵列的表面激发了强烈的电子振荡。在两个圆盘之间的强电子振荡，通过一个小的圆盘，将大量的透光率传递到影片的另一边。该场增强表现出强烈的光-物质相互作用，产生独特的光谱，具有极其紧凑的维度。
等离子体传感器的传感原理是基于局部表面等离子体共振（LSPR）灵敏度，它表示传感器信号的变化，以响应与金属表面相邻的折射率变化。研究人员已经提出了各种纳米结构，用于无标签的生物传感器、表面增强的光谱、等离子体增强的光伏电池和基于EOT或Kretschmann配置的光谱电化学。最近的研究表明，在纳米圆盘阵列薄膜上的入射角度会影响LSPR现象。例如，发现特殊的入射角度可以在纳米圆盘阵列的存在中共同激发局部和传播的SP模式;纳米圆盘阵列等离子体传感器的灵敏度随不同的入射角度变化。这些观测结果为高灵敏度等离子体传感器的设计提供了坚实的基础，通过控制光的入射角度到纳米圆盘阵列。不过，据我们所知，变角的等离子体传感器都是基于SPR检测系统，这些系统通常需要笨重的光学基础设施，如激光、棱镜、测角仪和显微镜才能操作。一个小型、可移植和可访问的等离子体平台对于实际应用来说是非常可取的。
近年来，光纤传感器一直在稳步增长，涵盖了各种各样的生物、物理和化学领域。这些纤维体积小、重量轻、灵活、结实，不受电磁干扰的影响，适用于远程监控。最近有报道称，一些光纤传感器集成了金属纳米结构SPR，包括一个偏振独立的光学传感器、基于反射的LSPR光纤探头、基于反射的EOT光纤探头、双向光纤探头和光纤表面增强拉曼散射传感器。然而，这些传感器需要复杂的技术，如电子束光刻（EBL）、聚焦离子束（FIB）铣削、纳米压印光刻技术、胶体蚀刻或纳米级纳米结构在环氧上，在纤维的末端制造金属纳米结构。这些技术存在着明显的缺陷。EBL、FIB铣削和纳米压印光刻要么需要专门的（和复杂的）设备来抵抗纤维方面的沉积，要么承受低等离子体传感器的产量。当由decal传输技术或纳米级纳米结构产生的等离子体传感器是用环氧树脂制造的时候，板上的褶皱就会出现。任何一种方法所部署的纳米结构都可以很容易地在恶劣条件下脱离纤维提示，因为缺乏牢固的结合。我们非常希望能够通过低成本和低成本的制造，使大面积的金属纳米结构能够有效地集成到光纤中。
在本研究中，我们建立了一种基于多模光纤的简单、灵敏、易受影响的LSPR传感结构。传感器探头由一个金纳米圆盘阵列膜制成，在多模光纤的斜面上。随着斜截角变化，纳米圆盘阵列膜的入射光角发生了变化，进而改变了传感器探头的灵敏度。我们使用了模板传输方法将纳米圆盘阵列集成到斜边的光纤端面。最后的等离子体结构只依赖于模板的模式。而控制粘接层的黏度可以改变金属结构中不同的表面地形。对模板的重用和这种技术的健壮性确保了高收益。根据我们的知识，这是第一次用光纤调整角度来提高LSPR的灵敏度。与我们实验中平坦光纤端面结构相比，该结构具有较高的灵敏度和优越的性能。
2.变角型LSPR光纤传感器的制造和表征
图1.（a)光纤端面的金纳米圆盘阵列的扫描电镜图像。纳米圆盘直径为200纳米，周期性为700纳米，阵列厚度为50纳米。（b）LSPR光纤传感器的原理图，光纤探头由一个具有1.1亿个核心直径的步进索引多模光纤组成，即斜角（c）光纤斜面上的散射光指示LSPR区域。
在图1（a）中所示的扫描电子显微镜图像中，展示了光纤端面上的Au纳米结构。图1（b）显示了变角的LSPR光纤传感器的示意图。该探测器由一个具有1.1亿核心直径的步进索引多模光纤组成。光纤的端面被打磨成一个斜角的形状;斜角的定义是，金纳米圆盘阵列直径为200纳米，具有700纳米的周期性，厚度为50纳米，与UV固化粘接物（NOA68，NORLAND）相连。我们选择了六边形的圆盘阵列因为它可以减少共振交叉，而不是一个有相同晶格常数的方圆盘阵列。
在一个三步骤的过程中，纳米圆盘阵列薄膜被连接到纤维斜角上，如图2所示。首先，纳米圆盘是用活性离子蚀刻法预先在一个Si模板上进行的，该方法是由LightSmyth制造的。Au是通过电子束蒸发垂直沉积在Si模板上的。在金沉积过程中，相应的金属纳米结构自然形成，即金膜也有200纳米直径的纳米圆盘。其次，在去除纤维涂层和用绝对的乙醇溶液清洗纤维末端后，我们使用自制的抛光机在纤维尖上用斜角来制造光滑的毛。斜边的长度是由斜角决定的。我们使用的自制的抛光机已经被证明有足够的抛光精度23 24。最后，我们用研磨机调整了光纤端面的斜角，相对于Si模板。使纤维平行于表面的Si模板，它固定在平面上。光纤斜面用UV固化粘合剂粘在Si模板上;涂覆紫外线灯照射后，涂覆于UV固化粘合剂上。通过提高光纤的表面，通过分离Si模板，在光纤的表面上留下了非Au的光纤。如图1（c）所示，覆盖在光纤斜面上的金属图案被发现是完整的，与模板上的纳米圆盘大小和形状相同。UV固化粘合剂的厚度为100万。当把白光耦合到纤维中时，由于金属图案，光线明显地分散在斜面上，就像箭头所示的斑点一样。
图2.制造LSPR光纤传感器。通过电子束蒸发，Au垂直沉积在预先图案的纳米圆盘Si模板上。UV固化粘合剂涂在纤维斜面上，粘在涂覆的Si模板上。然后用紫外线灯照射UV固化粘合剂后，将其附着在UV固化粘合剂上。在拉伸光纤的时候，在分离出Si模板后，有图案的Au膜仍在光纤的表面上。
图3（a）显示了在传感器探测中光传播的光路的例子。多模光纤的折射率为n1=1。47，UV固化粘合剂是n2=1.54，而紫外线固化粘合剂中的光路径则根据菲涅尔公式进行改变：
n1 sin a = n2 sin q, -（1）
我们从5-22测试不同的斜角，以探索它们对金属图案的LSPR现象的影响。反射的光学信号被收集，如图3（b）所示。反射信号将分散在光纤的端面，我们使用了一种多模光纤，其芯径为1.1米，在光纤探头的前面，平行于斜边的面，信号强度是最高的。
传感实验配置如图3（c）所示。一盏白色的卤素灯（HL-2000，海洋光学公司），从360-2400 nm的光谱被连接到多模光纤上，传感器探头在它的尖端。传感器探头和反射信号接收光纤被固定在一个流体流动单元中，这是由在图3（b）中所示的实验配置中铸造的聚二甲基硅氧烷制造的。与不同的折射率（分别为1.333,1.345、1.355、1.375和1.385）的水和不同浓度的甘油，分别注入了流动细胞的微流体通道，并配有可编程的微注入泵（LSP01-1A，longer泵）。甘油水溶液指数用Abbe折射计（GDA-2S，黄金）校准。光纤接收到的反射信号与光学频谱分析仪（AQ6370C，横川）相连。
图3.（a）变角的LSPR光纤传感器实验装置。（b）传感器探针尖的示意图。（c）传感器探头和反射信号接收光纤的示意图。
3.结果与讨论
在实验和模拟（Comsol多物理）之间的水的标准化光谱分析结果中，图4显示了7度斜角的传感器探头。测量的光谱与模拟的峰值位置和变化趋势相吻合。大约473 nm的谷是金层的特征，它不依赖于周围介质的折射率，也不依赖于黄金层的光入射角度。大约649纳米的峰值是由于溶液/au和UV固化粘接/au接口之间的耦合振荡造成的。在688,721、769,820、892和958 nm的峰值可以归因于局部表面等离子体激发。由于入射光的散度，实验中共振的谱线宽度比模拟要大一些。
图4.在水中用7度斜角的斜角规格化传感器探头
为了更好地解释与等离子体纳米结构的光谱特性相关的物理学，建立了近场剖面。在x-z平面和x-y平面上，模拟了473 nm的谷和峰值波长649,688、721769、820,892和958 nm的波长。473 nm波长的低强度（图5（a））是黄金层的特征。在649 nm的波长（图5（b）），场分布，由于溶液/au和UV固化粘接/au界面之间的耦合振荡，在UV固化粘接/au界面上的图案更强。在688纳米（图5（c））、721纳米（图5（d））、769纳米（图5（e））、820 nm（图5（f））、892纳米（图5（g））和958纳米（图5（h））波长的光中，有很强的强度。
等离子体传感器的传感性能不仅是灵敏度（d/dn）的函数，而且是LSPR波长可测量的精度，与LSPR信号峰值的光谱相位密切相关。LSPR信号峰值的FOM是精确的LSPR信号峰值的最重要指示器;它被定义为（d/dn）/FWHM）。FWHM的值是从所有光谱的平均值中得到的。高FOM值是良好的LSPR传感器性能的指示。
为了找到折射率探头的最佳斜角，我们测试了从5度到22度的光纤端面的灵敏度和FOM，甘油溶液的折射率为1.333、1.345、1.355、1.365、1.375和1.385，通过一个流体通道。如图6所示，传感器探头的灵敏度和FOM在不同的角度有所不同。该探测器在7点最为敏感，灵敏度为487纳米/RIU和FOM，在我们的实验中明显高于光纤端面结构，如图6所示，它的灵敏度为294 nm/RIU和FOM 15，如图6所示。
图5.在谷中大约473 nm的电场剖面，峰值波长649,688，721769，820,892，和958 nm在x-y和x-z平面上。
图6.（a）探头的灵敏度作为斜角的函数。（b）探头的FOM作为斜角的函数
图7中显示了不同浓度的甘油溶液的光谱，其折射率为1.333、1.345、1.355、1.365,1.375或1.385，用于带有7个光纤端面的传感器探头。仿真结果表明，当溶液折射率从1.333变到1.385时，信号峰值从769转移到799纳米，这与实验结果吻合较好（从767到792纳米）。如图8所示，共振波长偏移和折射率之间的变化趋势可以线性拟合系数R2=99.12%。在波兰的工艺过程中可能产生了一些错误，导致传感表面的凹凸不平，或者UV固化粘合剂的厚度不对称。这可能导致了LSPR信号峰值位移和谱线宽度的扩展，也降低了实验中频谱的灵敏度和FOM。
4.结论
在本研究中，我们建立并演示了一种基于多模光纤的简单、灵敏、变角的LSPR传感结构。传感器探头是由一种多模光纤组成的，它的光纤端面固定在一个Au涂层的纳米圆盘阵列薄膜上。我们使用模板传输方法将阵列集成到光纤端面上。我们使用的Au纳米圆盘阵列的模板是六角形，直径为200纳米，周期性为700纳米，而金层厚度为50纳米。该探针显示了不同光纤的灵敏度和FOM的差异，从5-22;两者在7点都是最优的。当溶液折射率从1.333变到1。385时，信号峰值从767-792 nm转移，此时灵敏度达到487毫米/日，FOM为29。这一结果表明，该探测器的性能比平面光纤端面结构要好得多。
基于反射式局部表面等离子体共振光纤探针的生化传感研究
摘要：介绍了一种基于局部表面等离子体共振（LSPR）和光谱反射的光纤生化传感探头的制备和表征。使用电子束光刻（EBL）在光纤端面上制造了大量的黄金纳米点阵列。我们在实验中首次证明了LSPR散射光谱的蓝移，并对LSPR的消光谱进行了研究，这在理论上是可以预测的。该传感器用于检测大折射率变化的传感器，具有较高的灵敏度。无标签亲和生物分子的传感能力也已被用生物素和链霉素作为受体和分析物加以证明。
1.简介
近年来，人们对化学和生物化学传感器的发展产生了广泛的兴趣，这些传感器是基于金属纳米结构的等离子体共振。摘要对薄金属膜表面等离子体共振（SPR）进行了广泛的研究，为无标签和高灵敏度的生物传感装置提供了一种方法。流行的SPR传感器设置是基于Kretschmann配置，它由一个光源，一个棱镜和一个薄膜的一面组成，在棱镜的一边。Kretschmann几何学中的SPR生物传感现在已经从几家公司获得了商业应用。
在纳米大小的金属结构的局部表面等离子体共振（LSPR）中，金属纳米结构中导电电子的共振振荡导致了光的散射和吸收。LSPR感应需要比SPR更简单的仪器。纳米点是在LSPR研究中使用的受欢迎的纳米结构。它们的光谱位置取决于纳米点的大小和形状、纳米点的构成、纳米点的相互作用以及纳米点周围的介电环境。控制一组金纳米点的大小和周期性，可以设计出在理想波长窗口中操作的结构。金属纳米结构的光谱位置依赖于介质环境，被广泛应用于无标签的化学和生物传感应用的工作原理。这些调查都是在平面的基础上进行的，比如玻璃或蓝宝石底物。
除了在上面讨论的平面基板上的金属纳米结构的优点外，使用光纤作为平台已经研究了10-16个，以获得更大的优势，包括紧凑和高可移植性和对电磁干扰的免疫力。据报道，基于聚焦离子束（FIB）的镀金光纤顶端的纳米孔阵列的传感器阵列。在我们之前的出版物中，我们报道了高灵敏度的LSPR生化传感技术，它是基于电子束光刻（EBL）在光纤尖端制造的金属纳米点的传输光谱。
以前的LSPR光纤传感器的反射装置尝试利用了一种多模光纤表面的退火薄金膜产生的随机金纳米粒子，这种纳米粒子的一致性和再现性较差。在这项工
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