一種快速可控光纖芯端銀納米顆粒的原位合成方法及裝置制造方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種快速可控光纖芯端銀納米顆粒的原位合成方法及裝置。本發(fā)明可通過激發(fā)光源強(qiáng)度與輻照時(shí)間的調(diào)制，實(shí)現(xiàn)對納米顆粒粒子大小與分布的可控。本發(fā)明采用的直接在光纖芯端上合成銀納米顆粒的方法還可被拓展到多芯光纖上來制備銀納米顆粒陣列，并與多種拉曼探針標(biāo)記技術(shù)結(jié)合，實(shí)現(xiàn)對多種待分析物的同時(shí)檢測或某一特定分析物的多通道檢測。本發(fā)明的合成方法操作簡單，制備過程快速、可控、綜合成本低，且合成的光纖銀納米顆粒與光纖拉曼增強(qiáng)光譜可完美結(jié)合，在化學(xué)分析與生物檢測中具有非常好的應(yīng)用價(jià)值。
【專利說明】一種快速可控光纖芯端銀納米顆粒的原位合成方法及裝置
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及銀納米顆粒的合成，具體地說是一種運(yùn)用激光誘導(dǎo)技術(shù)在光纖芯端實(shí)現(xiàn)銀納米顆粒原位可控、低成本快速合成的方法及裝置。
【背景技術(shù)】
[0002]金屬納米顆粒在極化電磁場的作用下，其表面附近或間距比較小納米粒子間局域電磁場會(huì)極大增強(qiáng)，基于此效應(yīng)形成了如分子增強(qiáng)熒光、表面增強(qiáng)拉曼光譜、尖端增強(qiáng)拉曼光譜等技術(shù)，廣泛應(yīng)用于化學(xué)分析與生物檢測等領(lǐng)域，其中光纖增強(qiáng)拉曼光譜是在上述技術(shù)中非常有應(yīng)用前景的一個(gè)方向。從合成成本與過程復(fù)雜性、增強(qiáng)效果等方面來綜合考慮，銀納米顆粒相對于其它金屬納米材料是一種較優(yōu)的選擇；目前已經(jīng)報(bào)道的銀納米合成主要是通過濕化學(xué)技術(shù)來實(shí)現(xiàn)的，其合成時(shí)間較長，合成過程受影響因素(時(shí)間、溫度、攪拌)比較多，尤其需先合成再修飾到光纖上，且其很難可控僅修飾在對檢測有貢獻(xiàn)的纖芯表面區(qū)域。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]本發(fā)明的目的在于提供一種粒度和分布可控、便于操作、低成本、快速原位自組裝的光纖銀納米顆粒合成方法及裝置。
[0004]本發(fā)明的一種快速可控光纖芯端銀納米顆粒的原位合成方法，其是在包裹有光致還原性溶液的光纖芯頭處直接進(jìn)行激光誘導(dǎo)的光還原反應(yīng)；所述激光為波長λ =405nm的藍(lán)紫光，輸出光強(qiáng)不高于IOOmW ;所述光致還原性溶液為硝酸銀、光誘導(dǎo)劑、穩(wěn)定劑聚乙烯吡咯烷酮與溶劑丙酮形成的混合溶液。
[0005]優(yōu)選的，所述光致還原性溶液的制備是先將高純硝酸銀粉末溶于丙酮中形成溶液；再取為溶液體積0.59Tl%的光誘導(dǎo)劑放入上述溶液中，攪拌均勻靜置備用；最后，取溶液體積0.59Tl%的聚乙烯吡咯烷酮加入其中，混合均勻即可。
[0006]將Img硝酸銀粉末溶于10_12ml丙酮中，攪拌l_2h，再加入光誘導(dǎo)劑，攪拌均勻靜
置備用。
[0007]所述光誘導(dǎo)劑優(yōu)選為艷佳固819。
[0008]一種用于實(shí)現(xiàn)本發(fā)明所述的快速可控光纖芯端銀納米顆粒的原位合成方法的裝置，其包括用于發(fā)射波長λ =405nm的藍(lán)紫光且輸出光強(qiáng)不高于IOOmW的可控激光器、光還原反應(yīng)平臺(tái)以及用于檢測光還原反應(yīng)狀況的光電探測器；所述可控激光器與光還原反應(yīng)平臺(tái)通過光纖相連接。
[0009]所述光還原反應(yīng)平臺(tái)包括支架和固定在支架上的透明薄玻璃片，所述支架上設(shè)有用于固定光纖芯端頭的光纖固定夾，所述光纖芯端頭與所述透明薄玻璃片相貼近。貼近距離能保證后滴加上的光致還原性溶液能夠完全包裹住光纖頭。
[0010]所述光電探測器包括一位于透明薄玻璃片正下方的敏感探頭，所述敏感探頭通過信號傳輸線與光電探測器的信號處理模塊相連。[0011 ] 所述光纖上設(shè)有準(zhǔn)直器。
[0012]本發(fā)明中激光器由可控電源供電，發(fā)出的激光束耦合進(jìn)入光纖，光纖的一端與玻璃片滴加的光致還原性溶液接觸，在玻璃片的另一面放置光電探測設(shè)備。
[0013]本發(fā)明結(jié)構(gòu)簡單、便于操作，制備過程可通過激光強(qiáng)弱及時(shí)間控制；納米銀顆粒生成與原位自組裝一步實(shí)現(xiàn)；光源強(qiáng)度與時(shí)間自動(dòng)可控調(diào)節(jié)；制備能耗低，耦合光纖激光輸出功率為微瓦至幾十微瓦量級，普通LED就能滿足要求；光纖初始耦合光強(qiáng)及納米顆粒原位合成過程可通過光電透射信號實(shí)時(shí)監(jiān)測；普通光纖可重復(fù)使用使其應(yīng)用成本大幅地降低。
[0014]本發(fā)明中采用激光誘導(dǎo)光化學(xué)還原技術(shù)直接在光纖端面纖芯區(qū)域內(nèi)同步制備與組裝銀納米顆粒，整個(gè)過程無需人工干預(yù)，完全原位自組裝，同時(shí)可通過激發(fā)光源強(qiáng)度與輻照時(shí)間的調(diào)制，實(shí)現(xiàn)對納米顆粒粒子大小與分布的可控。整個(gè)生成與組裝過程可在幾秒或幾分鐘內(nèi)內(nèi)完成，后續(xù)清洗過程可在I分鐘內(nèi)完成，清洗過程不會(huì)造成納米粒子脫落。考慮到上述制備過程快速、可控，以及光纖廉價(jià)且經(jīng)清洗或重新切斷后可重復(fù)使用等優(yōu)點(diǎn)，光纖上原位組裝納米銀粒子在增強(qiáng)拉曼光譜分析研究領(lǐng)域具有很好前景。此外，本發(fā)明采用的直接在光纖芯端上合成銀納米顆粒的方法還可被拓展到多芯光纖上來制備銀納米顆粒陣列，并與多種拉曼探針標(biāo)記技術(shù)結(jié)合，實(shí)現(xiàn)對多種待分析物的同時(shí)檢測或某一特定分析物的多通道檢測。本發(fā)明中光纖芯端銀納米顆粒的原位合成方法，操作簡單，過程易于控制、綜合成本低，且合成的光纖銀納米顆粒與光纖拉曼增強(qiáng)光譜可完美結(jié)合，在化學(xué)分析與生物檢測中具有非常好的應(yīng)用價(jià)值。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0015]圖1為光纖芯端銀納米顆粒合成的裝置結(jié)構(gòu)示意圖；
圖2為光誘導(dǎo)反應(yīng)原理圖；
圖3為銀納米顆粒合成過程中光纖透射光強(qiáng)的變化圖；
圖4(a-f)為強(qiáng)度I μ W的激發(fā)光下銀納米顆粒合成過程示意圖；
圖5(a-f)為強(qiáng)度20 μ W的激發(fā)光下銀納米顆粒合成過程示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0016]本發(fā)明的一種快速可控光纖芯端銀納米顆粒的原位合成方法，其是在包裹有光致還原性溶液的光纖芯頭處直接進(jìn)行激光誘導(dǎo)的光還原反應(yīng)；所述激光為波長λ =405nm的藍(lán)光，輸出光強(qiáng)不高于IOOmW ;所述光致還原性溶液為硝酸銀、光誘導(dǎo)劑艷佳固819、穩(wěn)定劑聚乙烯吡咯烷酮與溶劑丙酮形成的混合溶液，其制備是先將Img高純硝酸銀粉末溶于IOml丙酮中，攪拌2h得溶液；再加入溶液體積0.59Tl%的光誘導(dǎo)劑，攪拌均勻后，靜置24h后備用；最后，取溶液體積0.59Tl%的聚乙烯吡咯烷酮加入其中，混合均勻即可。
[0017]用于實(shí)現(xiàn)上述快速可控光纖芯端銀納米顆粒的原位合成方法的裝置，其包括用于發(fā)射波長λ =405nm的藍(lán)紫光且輸出光強(qiáng)不高于IOOmW的可控激光器1、光還原反應(yīng)平臺(tái)以及用于檢測光還原反應(yīng)狀況的光電探測器；可控激光器與光還原反應(yīng)平臺(tái)通過光纖相連接，光纖上設(shè)有準(zhǔn)直器3 ;光還原反應(yīng)平臺(tái)包括支架6和固定在支架6上的透明薄玻璃片5，支架6上設(shè)有用于固定光纖芯端頭的光纖固定夾4，光纖芯端頭與所述透明薄玻璃片5相貼近。貼近距離能保證后滴加上的光致還原性溶液能夠完全包裹住光纖頭；所述光電探測器包括一位于透明薄玻璃片正下方的敏感探頭7a，所述敏感探頭通過信號傳輸線與光電探測器的信號處理模塊7b相連。
[0018]如圖1所示，本發(fā)明的一種快速可控光纖芯端銀納米顆粒原位合成的裝置，包括可控激光器1，經(jīng)光纖2a輸出由準(zhǔn)直器3與將用于合成銀納米顆粒的光纖2b相連，在光纖2b另一端端末用兩片光纖固定夾4夾住，使其能夠與透明薄玻璃片5垂直，在薄玻璃片5下放置光電探測器的敏感探頭7a，再通過信號傳輸線2c與光電探測器的信號處理模塊7b相連，以此來監(jiān)測銀納米顆粒的生成狀況。其中光纖固定夾4、薄玻璃片5、敏感探頭7a將由支架6固定。用于銀納米顆粒合成的特異感光還原性溶液被滴加在薄玻璃片5與光纖固定夾4夾持的光纖2b端的相貼近處，使光纖芯頭處包裹在光致還原性溶液中。如圖1搭建裝置，然后在光纖2b與薄玻璃片5相接處滴加制備完成的光致還原性溶液，通過觀測玻璃片下端的光電探測器中透射光強(qiáng)信號變化，監(jiān)控銀納米顆粒的合成情況。圖3給出了透射光/激發(fā)光強(qiáng)度之比與納米顆粒合成時(shí)間的關(guān)系圖，由圖可知在納米顆粒的合成過程中，光電探測器所接收到的透射光強(qiáng)強(qiáng)度一直在減弱，當(dāng)透射光強(qiáng)降至激發(fā)光光強(qiáng)1/100左右并不再有顯著變化時(shí)，即可認(rèn)為銀納米顆粒的制備完成。光纖組裝上的銀納米顆粒不易脫落，且可反復(fù)使用。對比圖4(a-f)(激發(fā)光強(qiáng)為IyW)與圖5(a-f)(激發(fā)光強(qiáng)為20 μ W)可知，激發(fā)光的光強(qiáng)越大，光纖頭上的銀納米顆?？赏瑫r(shí)自發(fā)形核，生長速度越快即輻照時(shí)間短，粒度較為均勻，但分布較稀疏；同時(shí)當(dāng)激發(fā)光的光強(qiáng)變?nèi)?，納米顆粒經(jīng)過一個(gè)典型形核及晶核長大的過程，需要較長生長時(shí)間即輻照時(shí)間較長，顆粒粒度從中間大到周邊小明顯分布。具體的光強(qiáng)的選取可按需求的銀納米顆粒規(guī)格設(shè)定。此外，若光纖2b為多芯光纖，便可同時(shí)在各纖芯上生成銀納米顆粒，在后期應(yīng)用中，可對每個(gè)芯面內(nèi)納米粒子進(jìn)行不同拉曼探針標(biāo)記，使其能同時(shí)檢測多種分析物或進(jìn)行多通道檢測。
[0019]所述可控激光器I為功率連續(xù)可調(diào)藍(lán)紫光激光器(λ=405ηπι)，輸出光強(qiáng)的調(diào)制范圍0-100mW。光電探測器中的敏感探頭7a、信號處理模塊7b、傳輸線2c為透射信號原位監(jiān)測儀器的主要構(gòu)成部分，光纖2a、2b為普通光纖，容易購買。銀納米顆粒合成是基于激光誘導(dǎo)的光還原反應(yīng)生成的，具體生成原理如圖2，光致誘發(fā)劑(艷佳固819)在405nm藍(lán)紫光激發(fā)的作用下，變?yōu)榧ぐl(fā)單重態(tài)及更加不穩(wěn)定的激發(fā)三重態(tài)，并在瞬間發(fā)生劈裂產(chǎn)生自由基，自由基可以將溶液中由硝酸銀電離形成的Ag+離子還原成Ag單質(zhì)，通過激光強(qiáng)弱及輻照時(shí)間控制反應(yīng)動(dòng)力學(xué)過程，可實(shí)現(xiàn)銀納米顆粒在光纖端面纖芯區(qū)域內(nèi)原位可控生成與組裝。
[0020]本發(fā)明利用激光誘導(dǎo)技術(shù)實(shí)現(xiàn)了光纖芯端銀納米顆粒的原位自組裝合成，合成過程簡單、易操作；同時(shí)用光電探測器監(jiān)測透射光的光強(qiáng)，并結(jié)合可控激光器的使用，使得銀納米顆粒的合成精確可控；光纖的使用方便操作，降低成本，又可進(jìn)行多納米顆粒陣列的合成，且合成的光纖銀納米顆粒與光纖拉曼增強(qiáng)光譜可完美結(jié)合，在化學(xué)分析與生物檢測中具有非常好的應(yīng)用價(jià)值。
【權(quán)利要求】
1.一種快速可控光纖芯端銀納米顆粒的原位合成方法，其特征在于，在包裹有光致還原性溶液的光纖芯頭處直接進(jìn)行激光誘導(dǎo)的光還原反應(yīng)；所述激光為波長λ =405nm的藍(lán)紫光，輸出光強(qiáng)不高于1OOmW ;所述光致還原性溶液為硝酸銀、光誘導(dǎo)劑、穩(wěn)定劑聚乙烯吡咯烷酮與溶劑丙酮形成的混合溶液。
2.如權(quán)利要求1所述的快速可控光纖芯端銀納米顆粒的原位合成方法，其特征在于，所述光致還原性溶液的制備是先將硝酸銀粉末溶于丙酮中配成溶液，再加入溶液體積0.59Tl%的光誘導(dǎo)劑，攪拌均勻靜置備用，最后，取溶液體積0.59Tl%的聚乙烯吡咯烷酮加入其中，混合均勻即可。
3.如權(quán)利要求2所述的快速可控光纖芯端銀納米顆粒的原位合成方法，其特征在于，將Img硝酸銀粉末溶于10-12ml丙酮中，攪拌l_2h，再加入光誘導(dǎo)劑，攪拌均勻靜置備用。
4.如權(quán)利要求3所述的快速可控光纖芯端銀納米顆粒的原位合成方法，其特征在于，所述光誘導(dǎo)劑為艷佳固819。
5.用于實(shí)現(xiàn)權(quán)利要求1-4任一項(xiàng)所述的快速可控光纖芯端銀納米顆粒的原位合成方法的裝置，其特征在于，包括用于發(fā)射波長λ=405ηm的藍(lán)紫光且輸出光強(qiáng)不高于1OOmW的可控激光器、光還原反應(yīng)平臺(tái)以及用于檢測光還原反應(yīng)狀況的光電探測器；所述可控激光器與光還原反應(yīng)平臺(tái)通過光纖相連接。
6.如權(quán)利要求5所述的裝置，其特征在于，所述光還原反應(yīng)平臺(tái)包括支架和固定在支架上的透明薄玻璃片，所述支架上設(shè)有用于固定光纖芯端頭的光纖固定夾，所述光纖芯端頭與所述透明薄玻璃片相貼近。
7.如權(quán)利要求5所述的裝置，其特征在于，所述光電探測器包括一位于透明薄玻璃片正下方的敏感探頭，所述敏感探頭通過信號傳輸線與光電探測器的信號處理模塊相連。
8.如權(quán)利要求5所述的裝置，其特征在于，所述光纖上設(shè)有準(zhǔn)直器。
【文檔編號】B82Y30/00GK103894622SQ201410099763
【公開日】2014年7月2日 申請日期:2014年3月18日 優(yōu)先權(quán)日:2014年3月18日
【發(fā)明者】李淼, 翁士狀, 曾新華, 李華龍, 張建, 鄭守國, 盛文溢, 鄭曉菊, 董瀚琳, 王紹琪, 羅偉, 朱澤德, 吳娜, 卞程飛, 陳晟, 董俊, 高會(huì)議, 萬莉, 胡澤林 申請人:中國科學(xué)院合肥物質(zhì)科學(xué)研究院