（光学专业论文）纳米光纤探针制备及其在基于spr光纤传感系统中的应用研究.pdf

中文摘要 中文摘要 本文的主要目的是制备一种可以应用于进行单细胞内无损荧光检测的纳米光纤 探针，并对制作好的光纤探针进行镀膜处理。另外，组织搭建一个基于表面等离子 体共振( s p r ) 的光纤传感系统测试平台，并尝试应用制作和处理好的光纤探针作 为传感探头进行初步测试，以期建立新的适用于单细胞非荧光方式检测的方法。 通过分析不同的光纤探针制作方法对探针锥形结构及其表面状态的影响，以及 镀膜光纤探针锥形形状对传输特性的影响，找到了适合用于单细胞荧光分析的纳米 光纤探针的结构参数。应用以加热熔融拉伸为主，必要时应用化学腐蚀作以修饰的 方法进行了纳米光纤探针的制作，并对制作探针过程中所出现的问题作了分析研究， 获得了合理有效的探针制作参数和方法。应用真空溅射和化学镀膜两种方法对制作 的光纤探针进行了镀膜处理，并对这两种镀膜方法及其镀膜效果作了比较分析，获 得了有效合理的镀膜参数。 最终，制作完成了适合单细胞内荧光分析的纳米光纤探针。实验得到的光纤探 针尖端直径在4 0 - - 8 0 r i m 之间，符合细胞内无损测量要求，探针锥形角度大约在3 0 0 ， 很好地保证了光的传输效率。该探针已经成功应用于本实验室的单细胞p h 光纤传 感器中，且性能良好。同时，也完成了基于s p r 光纤传感系统的硬件搭建，并用该 纳米光纤探针对其进行了初步应用测试。 关键词：纳米光纤探针，近场光学，单细胞检测，光纤传感器，表面等离子体共振 ( s f r ) 中文文摘 中文文摘 近场光学信息是信息光学研究的重要领域。如何探测近场光学信息是一个很大 也是很热的研究课题。扫描近场光学显微镜的研制成功极大地促进了近场光学信息 探测的发展。同时，也使纳米光纤探针的制作成为了一个新的研究热点。如何制作 符合研究要求的光纤探针已经成为该类研究的技术基础。 现在，纳米光纤探针已经被应用到很多研究领域。纳米光纤探针在生物传感器 方面，特别是在单细胞检测光纤传感器方面的应用，已经成为进行单细胞分析的新 手段。所以制作适合生物研究，特别是适合细胞内无损检测的纳米光纤探针具有十 分重要的意义。这将不仅能为本实验室进一步展开细胞内检测分析研究奠定基础， 同时，也能为进一步制作性能更好的纳米光纤探针提供实验方法的技术指导以及相 关参考。 本文出于光纤探针制作的重要性，结合理论分析及实验基础，利用实验室已有 的仪器和设备，对纳米光纤探针的制作以及镀膜方法作了较为细致的描述、分析和 探讨。 主要内容包括： 在绪论中，首先综述了纳米光纤探针制作、镀膜及相关应用的发展历史和国内 外研究进展状况。其次，阐明了选择纳米光纤探针制备作为研究课题的重要意义， 同时并对本论文所做的工作及研究结果作了简要概括说明。 第一章分析了纳米光纤探针在传感器领域主要的应用及其技术特点。包括在扫 描近场光学显微成像方面、在单细胞拉曼光谱方面、在单细胞荧光检测方面、在基 于s p r 光纤传感方面的研究技术。同时，详述了本实验室在纳米光纤探针应用方面 所搭建的传感系统测试平台的构成及采取的研究方法，并对实验室应用该平台所取 得的研究成果及进展作了简要说明。 第二章首先说明了光纤的一般知识及分类特点，接着介绍了关于光纤的一般性 波导理论基础。并对应用光波导理论对光纤探针的传输特性的一些相关模拟分析作 了简要介绍，说明了化学腐蚀与熔融加热拉伸方法制得的两类光纤探针在结构上的 不同以及它们各自所具有的传输特性，还对它们各自的结构及传输特性的优缺点作 了适当分析，为制作合理的光纤探针锥形提供了分析参考。另外，对镀膜光纤探针 i i i 福建师范大学马廷宝硕士学位论文 的传输特性作了一些理论叙述，指出了可以通过控制镀膜光纤探针尖端直径来达到 对光纤探针内外横纵场传输的控制。理论表明，当探针尖端小到一定程度时，探针 尖端及周围将只有消逝近场，光被截止不再传输，探针成为近场信息交换的终端。 这要求在进行探针制作时，要首先考虑其应用，对于不同用处的探针，对其尖端尺 寸、锥形大小的设计应该不同。相应于适用于单细胞测量的镀膜纳米光纤探针，由于 要求其能够伸入到细胞内，则应该做到探针尖端尺寸要尽量小，锥角也不应该太大。 由于这种探针尖端尺寸的限制，随之也要求其测量区域在近场范围内。 第三章主要阐述了在进行纳米光纤探针制作和镀膜中所做的实验研究以及分析 工作。首先对化学腐蚀方法制作探针锥形作了简要说明。接下来详述了应用熔融拉 伸法制作纳米光纤探针的方法、步骤以及注意的问题，并对制作的探针所了相关分 析，成功制得了符合单细胞荧光检测的纳米光纤探针，用扫描电子显微镜测试结果 显示其尖端孔径在4 0 8 0 n m 之间，锥角在3 0 0 左右。同时，还对光纤探针的镀膜方 法进行了实验研究分析。首先介绍了光纤探针实验室溅射镀膜步骤、方法及特点； 并详细说明了化学镀银的方法、步骤以及注意的问题；通过反复实验，成功对纳米 光纤探针进行了镀膜处理，取得很好的效果，同时还对影响镀膜厚度的因素作了必 要分析讨论，找到了适合纳米光纤探针化学镀膜的相关实验参数。 第四章介绍一种基于表面等离子体共振的光纤探针传感系统，它主要特点是以 光纤探针作为探头代替传统的等离子体共振k r e t s c h m a n n 模型传感探头，采用光纤 作为传光手段。我们在以本实验室单细胞荧光检测光纤传感系统的基础上，重新组 织搭建了基于表面等离子体共振( s p r ) 的光纤探针传感系统。对其进行了初步的 相关实验测试，对其中实验遇到的问题作了一些分析。虽然还没有得到预期结果， 但还是对将来的实验方案提出一些建议，并分析了该类传感器在细胞测量上的潜在 优势。 在论文的结束部分，主要说明了本文所做的工作及取得的成果，并陈述了结论， 同时，还对今后所要继续的以及有待开展的工作进行了展望。 i v a b s t r a c t a b s t r a c t i nt h i st e x t a l lo p t i c a ln a n o 丘b e l ；p r o b et h a tc a l lb eu s e df o rn o n d e s t r u c t i v e i n t r a c e l l u l a rf l u o r e s c e n tm e a s u r e m e n tw i l lb ep r e p a r e d a n dt h e s en a n o f i b e rp r o b e s p r e p a r e dw i l lb ep e r f o r m e dc o a t i n gp r o c e s s at e s t i n gp l a t f o r mo fn a n o f i b e ro p t i c s e n s i n gs y s t e mb a s e do nt h es u r f a c ep l a s m o nr e s o n a n c e ( s p r ) w l lb eb u i l t ，a n di t st e s t w i l lb ed o n ep r e l i m i n a r i l yw i t ht h ec o a t i n gf i b e ro p t i cp r o b e sa st h es e n s i n gd e t e c t o r , i n o r d e rt os e tu pan e wm e t h o do fs i n g l ei n t r a c e l l u l a rm e a s u r e m e n tw i t h o u ta n yf l u o r e s c e i n b ya n a l y z i n gt h a td i f f e r e n tm e t h o d so fp r e p a r i n gf i b e rp r o b e sh a de f f e c to nt h e c o n e - s h a p e ds t r u c t u r ea n dt h es u r f a c es t a t u s ，a sw e l la st h a tt h et a p e r so ft h ec o a t i n g p r o b e s h a di m p a c to nt h et r a n s m i s s i o nc h a r a c t e r i s t i c s ，t h es t r u c t u r ep a r a m e t e r so f p r o d u c i n gt h eo p t i c a ln a n o - f i b e rp r o b e st h a tw e r es u i t a b l ef o ri n t r a c e l l u l a rf l u o r e s c e n t m e a s u r e m e n tf o rs i n g l ec e l lw e r ef o u n d t h ei d e ao fp u l l i n ga n ds t r e t c h i n gt h em e l t i n g f i b e r - o p t i ct op r e p a r et h ef i b e rp r o b ew a sm a i n l yu s e d ，i fn e c e s s a r y , c h e m i c a lc o r r o s i o n c a nb ea s s i s t e dt om o d i f yt h ed e f o r m i t yo f o p t i c a lf i b e rp r o b e t h ep a r a m e t e r so fp r o b e s p r e p a r e dw e r eo p t i m i z e db ya n a l y z i n gt h ep r o b l e m si nt h ep r e p a r a t i o n so ft h ef i b e rp r o b e t h em e t h o d so fv a c u u m s p u t t e r i n ga n dc h e m i c a lc o a t i n gw e r ea d o p t e d a n db o mo ft h e m w e r ea n a l y z e da n dc o m p a r e d , i no r d e rt oo b t a i nm o r er e a s o n a b l ea n de r i c ；c t i v ec o a t i n g p a r a m e t e r s f i n a l l y , a no p t i c a ln a n o f i b e rp r o b ew h i c hw a sf i tf o rs i n g e - e e l lf l u o r e s c e n c e a n a l y s i sw a so b t a i n e d t h ef i n a lt i pd i a m e t e ro ft h ef i b e rp r o b eo b t a i n e df r o me x p e r i m e n t w a sb e t w e e n4 0 8 0 n m ，w h i c hw a ss a t i s f i e dw i t ht h er e q u i r e m e n t so fn o n d e s t r u c t i v e m e a s u r e m e n t a n dt h ea n g l eo ft a p e rw a sa ta r o u n d3 0 0 。w h i c hm i g h te n s u r et h e e f f i c i e n c yo fl i g h tt r a n s m i s s i o n t i l i sk i n do fp r o b eh a db e e ns u c c e s s f u l l yu s e di nt h e f i b e r - o p t i cn a n o s e n s o rw h i c hc o u l dm e a s u r ei n t r a c e l l u l a rp h ii no u rl a b o r a t o r y a tt h e s a m et i m e ，t ob u i l dt h eh a r d w a r es t r u c t u r e so fo p t i c a lf i b e rs e n s i n gs y s t e mb a s e do ns p r h a db e e na c c o m p l i s h e d ，a n dt h et e s to f p r e l i m i n a r ya p p l i c a t i o no ft h es e n s i n gs y s t e mw a s d o n ew i t h 也ef i b e ro p t i cp r o b e sa st h es e n s i n gd e t e c t o r k e y w o r d s ：o p t i c a ln a n o - f i b e rp r o b e , n e a r - f i e l do p t i c a l , s i n g l e c e l lm e a s u r e m e n t , f i b e r o p t i cs e n s o r ，s u r f a c ep l a s m o nr e s o n a n c e ( s p r ) n 福建师范大学硕士学位论文独创性和使用授权声明 福建师范大学硕士学位论文独创性和使用授权声明 本人( 姓名) 墨延室学号圣q q 鱼q z 星垒专业堂堂所呈交的学位 论文( 论文题目：纳米光纤探针制备及其在基于s p r 光纤传感系统中的 应用研究) 是本人在导师指导下，独立进行的研究工作及取得的研究成 果。尽我所知，除论文中已特别标明引用和致谢的内容外，本论文不包 含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果。对本论文的研究 工作做出贡献的个人或集体，均已在论文中作了明确说明并表示谢意， 由此产生的一切法律结果均由本人承担。 本人完全了解福建师范大学有关保留、使用学位论文的规定，即： 福建师范大学有权保留学位论文( 含纸质版和电子版) ，并允许论文被 查阅和借阅；本人授权福建师范大学可以将本学位论文的全部或部分内 容采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文，并按国家 有关规定，向有关部门或机构( 如国家图书馆、中国科学技术信息研究 所等) 送交学位论文( 含纸质版和电子版) 。 ( 保密的学位论文在解密后亦遵守本声明) 学位论文作者签名：乡彩 签字日期：1 年加、7 日 舯撕躲纠卅 签字日期：矽年砂e i | j 绪论 绪论 近场光学信息是信息光学研究的重要领域。如何探测近场光学信息是一个很大 也是很热的研究课题。长期以来，人类在提高光学显微镜分辨率方面想了很多常规 方法，但都始终无法突破光的衍射极限。上世纪8 0 年代，人们从近场探测信息方面 找到了解决方法，成功突破了光的衍射极限，使光学显微镜的分辨率达到了1 0 n m 左右。纳米光纤探针在近场光学信息探测及显微成像方面中发挥了重大的作用。 随着近场光学和纳米制备技术的发展，人们研究中发明了一种新的微型传感器 纳米光纤生物传感器。生物传感器是研究生命科学的重要工具，它能实时监测 生物体内、组织细胞内各种成分和性质。纳米光纤生物传感器是纳米光纤探针技术 和生物传感技术相结合的产物。该类传感器基于光纤传感系统，除具有光纤传感器 的所有优点( 例如损耗小、抗电磁干扰强、可远程控制等) 外，同时还具有探头体 积小、精度高、响应时间短等优点。该类传感器是进行单细胞分析的尖端技术( 1 】。 目前国内外都处于积极研发阶段。 现在，纳米光纤探针已经被应用到了更多的研究领域，正逐渐成为科学研究中 多学科交叉的新热点。 纳米光纤探针制作、镀膜及其应用的国内外研究进展 国外开展纳米探针的研究较早，其应用研究领域也已经很广泛。在扫描近场光 学显微镜( s n o m ) 的研制方面，由于其对探测探针的迫切需求，促使了光纤探针 制作的诞生和发展。 1 9 2 8 年，s y n g c 【2 卅在关于基于近场探测原理的新型显微镜的构想中，首次提出 了亚波长小孔制作的设想，限于当时条件未能解决该种小孔的制作工艺，造成该显 微镜构想未能实现。1 9 8 1 年b i n z i g 等人【5 ，6 】用实心石英棍棒制备出了纳米透光小孔， 并成功应用到了扫描近场光学显微镜，首次突破了衍射极限。1 9 8 6 年h a r o o t a n i a n 等人用空心玻璃微导管探针代替实心石英棍棒来做探头，使探针性能得到很大改进。 后来，b e t z i g 等人【7 】又使用单模石英光纤研制成了一种新的探针，代替了玻璃毛细 管探针，使s n o m 进入了商用化时代，同时也使纳米探针的制作及应用进入了一个 新的研究时期。 纳米光纤探针在生物传感器方面的应用研究得到了快速发展。生物传感器是生 福建师范大学马廷宝硕士学位论文 物活性材料( 包括酶、蛋白质、d n a 、抗体抗原等) 与物理传感器学科交叉的产物。 伴随着纳米光纤探针在近场光学显微镜中的应用，纳米光纤探针在光纤生物传感系 统的应用也出现了。 k o p e l m a n 研究小组4 】首先制成了亚微米级的光纤探针( 他们制得的光纤探针 针尖直径在1 0 0 n m 左右) ，并用其制成的荧光p h 传感器对红细胞进行了测量。实 验中他们发现，该光纤探针制成的传感器对细胞没有任何毒害。最近，他们小组又 研制了一种新型的局部生物性包埋的胶囊样探针p e b b l e ( p r o b e se n c a p s u l a t e db y b i o l o g i c a l l yl o c a l i z e de m b e d d i n g ) 传感器【1 5 】。1 9 9 2 年t a n 等t 1 6 , 1 7 1 提出了一种近场光 学显微镜和纳米光纤荧光生物传感器相结合的探测新技术。他们对拉制成的纳米探 针尖端进行了识别分子荧光修饰，完成了相关成分的在位活体检测。1 9 9 6 年， v o d i r t h 等【1 8 , 1 9 首次研制出了以抗体为基础的纳米光纤免疫生物传感器用来检 测细胞内b p t ( b e n z op y r e n et e t r o l 四醇苯并芘，是一种与暴露于致癌物质苯并芘相 关的d n a 损伤的生物标志物) 的含量。该传感器的最低检出限可以达到1 0 2 m o l 。 后来，他们【2 0 ，2 1 】采用熔融拉伸法与真空蒸发镀膜技术，制出了尖端直径为5 01 1 1 1 光 纤探针，对b p t 的抗体检测技术作了改进。他们还设计完成了用同一根纳米光纤探 针作为激发和接收通道的技术创新实验，开启了细胞内近场测量研究的大门。 纳米光纤探针在其它方面的应用也促使了其相关研制的发展。m v o l k a n 等人吲 用表面增强( s e r s ) 的纳米光纤探针测量了多巴胺的拉曼光谱，将光纤探针的应用 扩展到拉曼光谱测量领域。2 0 0 2 年，g r t m w a l d 等【2 3 】发明了一种基于白光激发表面 等离子体共振( s p r ) 的光纤探针折射率传感器。他们将白光光源耦合进入光纤， 在探针尖端产生了表面等离子体波，测定了探针内反射光波长变化随测试介质折射 率变化的关系，同时对其在生物传感探测方面作了应用实验。相比于传统棱镜模式 的s p r 传感器，该类传感器优点在于传感探头小且灵活，对激发光源无偏振要求。 2 0 0 5 年，y o o n c h a n gk i m 等【2 4 】也进行了这方面的研究分析工作。2 0 0 4 年，k e i t a m i t s u i 等【2 5 】用金颗粒镀层的方法制成了一种基于局域表面等离子体共振( 1 0 c a l i z e d s u r f a c ep l a s m o nr e s o r l a l l c e ，l s p r ) 的微米尺寸的传感器。在2 0 0 8 年，j u n g y a hl e e 等【2 6 j 将该金颗粒镀层的方法用到了纳米光纤探针镀膜上，研制了新的基于l s p r 的 单细胞折射率传感器。 在国内研究方面，光纤探针制作方法的研究非常多，但是在大多集中在基于 s n o m 应用的光纤探针制备的研究上。清华大学的刘秀梅等【2 7 】用自行设计的加热熔 绪论 融拉伸装置制作出了纳米光纤探针，而孙家林等【2 8 】贝0 用动态化学腐蚀法制备出了大 锥角的纳米光纤探针。另外，还有很多采用熔融拉伸法和化学腐蚀法相结合的方式 制备出了适合s n o m 的使用的纳米光纤探针口9 ，3 0 1 。而在光纤探针波导传输理论方 面，张国平3 1 3 2 1 研究小组对光纤探针的传输特性作了模拟分析，杨修文【3 3 】研究小组 则对光纤探针的传输特性进行了实验研究。 尽管国内对纳米光纤探针制备方法的研究比较多，但是其在生物传感器应用方 面的研究报道则相对较少。段菁华等【3 4 】利用光纤探针研制成了p h 传感器，并进行 了相关测量。在拉曼光谱及表面等离子体共振方面的应用也的一些研究报道 3 5 - 3 7 1 。 徐蔚青【3 0 1 研究小组把表面增强拉曼散射与光纤探针传感技术相结合，制作了一些 具有高s e r s 活性的光纤传感探针，为s e r s 的实际应用开辟了道路。另外，该小 组还对基于l s p r 传感器作了相关研究【4 1 1 。 纳米光纤探针制作及其重要意义 光纤探针在很多领域得到了广泛应用研究，比如其在扫描近场光学显微镜方面 的应用研究、在细胞内拉曼光谱及细胞内免疫抗体荧光检测方面的应用研究、在表 面等离子体共振传感方面的应用研究等等，都已得到全面开展甚至已经成为热点。 这使探针的制作工艺就变得特别重要，其研究意义也变的重大。如何制得适合实验 研究的光纤探针已经成为近场探测( 如近场光学成像研究) 和研究新型生物传感器 的基础。 尽管光纤探针最先应用在近场探测，但是其作为传光和集光的工具在进行细胞 内免疫抗体荧光检测的研究却得到了很快的发展。 细胞是生命活动的基础单元，要根本理解掌握生命活动行为的现象和规律，最 好的方式就是研究细胞内物质变化规律及与环境交换情况。只有通过进行这样的研 究分析，人们才能更好地理解细胞的某些特殊功能，从而为疾病的早期诊断、治疗 以及进行药物筛选等提供有益参考。但是，由于长期以来检测方法的灵敏度不够， 众多实验都是以研究细胞群体行为来展开的，通过分析群体细胞的统计平均结果， 而获得生命活动信息。这样不仅掩盖细胞之间的差异性，还很难做到活细胞原态测 量。而以纳米光纤探针为基础的生物传感器，以其纳米尺寸以及可自由操纵的优势， 相对于传统的测量方法，不仅能够实现单个细胞操作测量，而且其分辨率、响应时 间、精度和准确性都得到很大的提高，甚至可以实现实时无损测量。 纳米光纤探针的制备及镀膜已经成为开展此类研究的基础，其越来越受到人们 福建师范大学马廷宝硕士学位论文 的关注。因此，如何制得符合条件的纳米光纤探针，以及如何在光纤探针头部镀上 厚度均匀且适中的金属薄膜，具有十分重要的研究意义。同时，积极开展纳米光纤 探针在光纤传感器领域的检测应用实验，也是研究的关键一环，为纳米光纤探针将 来在医学诊断和病理分析等领域的广泛应用而奠定实验基础。 纳米光纤探针作为宏观世界和微观世界的一个桥梁、近场信息和远场信息交换 的一条纽带，在人类更好的认识自身方面，必然会指引人们走向更高点。 本课题的研究意义及论文完成的工作 符合细胞内测量的纳米光纤探针制作的成功具有非常重要的意义，它首先为实 验室能进一步展开细胞内研究测量奠定了基础。同时，它也为进一步制作更好的纳 米光纤探针提供了实验指导及相关参考。 本论文依托福建省闽江学者专项基金( 2 0 0 5 - - 2 0 0 8 ) ，结合实验室已有实验平 台条件，采用加热熔融拉伸法制得了适合用于细胞内测量的纳米光纤探针，针尖尖 端直径可以达到4 0 - - - 8 0 r i m ，锥角在3 0 0 左右，且有较好的可重复性。同时，实验室 采用化学镀膜的方法，对制得的光纤探针进行了镀银膜处理，取得了很好的效果。 另外，还完成了基于表面等离子体共振的光纤传感系统的硬件搭建，并结合自己制 作的纳米光纤探针，初步对该光纤传感系统进行了一些试探性相关测试。 本论文主要包括如下几个方面内容： 绪论中概述了纳米光纤探针制作及相关应用的研究进展。 第一章分析了纳米光纤探针在传感器领域的广泛应用及其特点。详述了本实验 室在纳米光纤探针应用方面所搭建的传感系统构成及相关实验原理。 第二章介绍了光纤探针的光波导理论及传输特性的相关模拟，分析论证得出了 适合光传输的探针锥形参数，另外还对镀膜光纤探针的传输特性作了一些分析说明， 找到了适合单细胞内部测量的纳米光纤探针锥形结构参数。 第三章对光纤探针制备的方法作了深入细致的实验研究分析工作，同时也对光 纤探针化学镀膜方法进行了实验研究分析，制得了适合细胞研究的纳米光纤探针锥 形。 第四章介绍一种基于表面等离子体共振的光纤探针传感系统。以光纤探针作为 探头代替传统的等离子体共振k r c t s c h m a n n 模型传感探头，搭建了基于表面等离子 体共振( s p r ) 的纳米光纤探针传感系统。进行了初步的相关实验测试，对其中实 验遇到的问题作了分析。虽然还有得到预期结果，但是对将来的实验方案提出一些 绪论 建议，并分析了该类传感器在细胞测量的潜在优势。 本论文的新颖之处在于： 通过对镀膜光纤锥形探针传输理论的分析，指出了光纤探针尖端直径的大小将 直接影响光的传输特性，当直径小到一定程度，其传输光会被完全截止，变成消逝 场布满在探针尖端周围，探针变成一个进行信息交换的终端。因此对于纳米光纤探 针而言，其应用时应尽量做到近场探测。还说明了不同应用要求的光纤探针，其结 构参数也应该有不同。 成功制作了适合单细胞内部无损分析的纳米光纤探针，属近场探测应用探针； 利用化学镀膜的方法进行了纳米光纤探针镀膜处理，找到了合适厚度的镀膜参数。 第一章纳米光纤探针传感技术的应用领域 第一章纳米光纤探针传感技术的应用领域 相对于宏观传感器，当前纳米光纤探针传感技术的应用大多都看重其在纳米尺 寸上的优势。纳米光纤探针可以作为微观传感探头应用于现代各种高技术传感系统 中。其在近场光学成像、拉曼光谱测量、荧光探针单细胞检测以及基于表面等离子 体共振( s p r ) 的传感系统等方面得到了很好的应用研究。 第一节纳米光纤探针在近场光学成像中的应用 光纤探针在近场光学显微成像【4 2 】方面有一个很大的应用，而且很精彩。普通光 学显微镜应用非常广泛，但是其有一个很大的缺点就是受衍射极限的限制分辨率很 低，最大也只有入射光波长的一半。为此人们发明了近场光学显微镜( s n o m ) 。 该显微镜用纳米光纤探针代替传统光学显微镜头，在靠近样品表面( 距离大约一个 波长范围内) 进行传感探测，实现了光学成像，分辨率达到十纳米量级【4 3 】，突破了 衍射极限。 1 1 近场光学成像基本原理 物体表面可分为近场和远场两种区域。我们将距离被测物体表面小于一个波长 ( 用于观测的辐射波长) 的区域称作近场，而将远场视为从近场外到无穷远处的区 域，通常的传统光学镜头都工作于该区域。对于近场区域，其结构构成比较复杂， 它除了包括向远场区域传播的辐射波场外，还包含了局限于物体表面约一个波长以 内的非传播场一消逝场即】。消逝场( e v a n e s c e n tf i e l d ) 是一种非辐射场，它不能自 由传播，强烈局域于物体附近。该场包含了物体表面精细结构及起伏信息( 该信息 高度依赖于物体表面) ，并且其强度随着离开物体表面距离的增加而呈指数形式迅 速衰减。 消逝场包含了物体表面的信息，但是由于其指数衰减的非辐射特点，要利用消 逝场信息就必须进行近场探测。采用的方法就是光学隧道效应。我们利用纳米光纤 探针，将消逝场转换成可以传播的远场，从而将光场信号引出，经过光电探测器( 如 光电倍增管) 收集、计算机软件处理，就可以实现物体表面显微成像。如图1 1 所 示，近场光学探测示意图。 从上面的叙述，可以看出：( 1 ) 近场探测就是把含有物体表面超分辨信息的消 福建师范大学马廷宝硕士学位论文 逝场变换成携带该信息的可进行能量传输的传播场，使放在远场区域的探测器或成 像器件可以接收到包含在消逝场中的超分辨信息。( 2 ) 消逝场光波由光纤探针经光 子隧道效应传出，探针起到了导波作用，可以想象探针的通光孔径直接决定了成像 的分辨率。( 3 ) 光纤探针在信息探测中起到了重要作用，它相当于传统显微镜的光 学镜头，是近场光学显微镜的核心部件，不可缺少。 f 。 l 光纤针尖 l ( 空气层- 二三三 消逝场 被探测物体表面 二 入射光波辐射场 ( 三： = 。( 2 9 ， 可以求得(乏cr)，而其它分二至c力，则可以根据横向分量和纵向分量关系求出。 第二章光纤探针的光波导传输理论 聊2 古+ 爿睁+ 釉= 【古船+ 古船略器+ 参塑k m ( w ) j 1 ( 2 - 1 0 ) ju2 = ( 七2 f 1 2 一七；) 口2 其中： 矿z = ( 七；一k2 n ；) 口： ( 2 11 ) u2 + w2 = v 2 于是我们利用式( 2 一l o ) 、( 2 1 1 ) 就可以求出该种阶跃波导模型下的色散关系及其中传 输的模式场。 以金属铝膜为例，其介电常数为82 - - - - 3 4 + 8 5 j ，由于金属膜介电常数为复数，所 以传播常数k ：也复数，可以记为： k z = a + jj bq 1 2 、) 式中表示传播常数，a 代表纵向传输损耗。联立式( 2 1 0 ) 、( 2 11 ) 、( 2 1 2 ) ，进行数值 求解，可以模拟得到色散曲线f 6 6 】图2 6 。 图2 - 6 传播常数随芯径变化关系嘲。传播光波长天= 4 8 8 n m ，芯层介电常数为 l - - 2 1 6 ，介电常数为2 = - 3 4 + 8 。5 j 。 f i g 2 - 6r e l a t i o n s h i pb e t w e e np r o p a g a t i o nc o n s t a n t1 3a n dc o r er a d i u sr 入 = 4 8 8 n m ，1 _ 2 1 6 ，2 - - - - - 3 4 + 8 5 j 福建师范大学马廷宝硕士学位论文 对于镀膜光纤的锥形探针，由于其直径不断减小以及其实际折射率渐变的特点， 我们仍然沿用前面做法将光纤视为一层介质，而镀膜层视为另一层介质，构成二层 阶跃光波导。应用局域模式理论，我们仍可以对其在局域范围内求解模式场以及相 应的色散关系。 光在光纤探针针尖内传输，由于波导的非正规性必定会出现低阶模向高阶模耦 合现象。利用微扰法我们可以知道，每忽略一个模式时就会引起一个新的误差量： i l k 肚( pf 一七) | ( 2 - 1 3 ) 琢是微扰模k 与主模，( 一般为基模) 之间的耦合系数。耦合模理论显示，当尼锻 时，模式将从主模( 基模、低阶模) 向微扰模( 高阶模) 发生全转换。 2 4 2 镀模纳米光纤探针传输特性分析 从图2 6 中我们可以看出：对于镀铝膜光纤探针，随着光纤芯径的减小，当半径 减t j , 至i u l 0 0 r i m 左右时，纤芯中就仅剩下基模h e l l 可以传输，其它模式已经被截止； 当纤芯半径在6 0 r i m 左右时，基模与高阶模的传播常数都变得很小，但其大小很接近， 从微扰法以及耦合模式理论我们可以知道，基模向高阶模耦合转化几率将大大增加， 传播的基模能量将会耦合到高阶模而变成消逝场能，基模在光纤内传输被截止，此 时整个针尖尖端及其周围会布满消逝场，探针成为一个能进行信息和能量交换的终 端。当纤芯半径在d , 蛩j a o n m 以下时，传播常数开始变大，且又出现了多模传输模式， 但是此时传输损耗因子却也变的很大，光被热损耗，仍然不能被传输。这说明镀金 属膜光纤探针直径小到一定程度后，将不能作为传输工具将光继续传播到远场，但 是在近场范围内( 通常是一个波长以内) 仍可进行信息交换，作为信息探测工具来 使用。由此可以得出：我们可以通过控制探针尖端直径的尺寸，来达到控制探针内 光的传输特性的目的。从图2 6 上可以很明显看到，镀铝光纤探针，其尖端直径小于 1 0 0 n m 或者更小时，探针内光不再传输，而完全成为非传播消逝场，所以用纳米光 纤探针进行生物检测时应该要尽量做到近场测量的要求。同样我们也可以得到启示， 在制作探针时，其尖端直径的大小要求，应视其应用而决定，而不是越细越好。太 细会不利于光的传输。 2 5 光纤探针锥形结构参数要求 从上面的分析可以看出，不同应用要求的光纤探针，其探针尖端直径及锥形角 度的设计也应该要有不同。从一般意义上说，为了保证光的有效传输效率，要使探 第二章光纤探针的光波导传输理论 针尖端直径大一些，锥角也要尽量大一些。 对于扫描近场光学显微镜中的应用，由于其分辨精度的要求，其针尖尖端直径 要在纳米量级甚至更小，很明显该尺寸下，光的传输被截止，探针作为信息交换终 端，必然要求其工作于近场区域。另外，为保证光的泄漏尽量少，其锥角可尽量大， 锥体应尽量短。很明显，化学腐蚀方法容易做出该类要求的光纤探针。 对于单细胞分析检测的应用，如果单纯是用来导光、集光( 如细胞外照明激发) ， 而不进行细胞内测量，则其尖端直径无需太小，以利于光的传输，比如在单细胞拉 曼光谱测量中的应用；而如果要求探针伸入到细胞内部且无损检测，则必须做到尖 端直径小至纳米量级，并且其锥形角也不应太大，锥角太大会造成探针直径从小到 大变化太快，锥体较短，致使能够伸入到细胞内部的部分很小，对测量不利。同时 还必须指出，由于尖端直径小至光传输截止范围，所以用于细胞内检测分析的纳米 光纤探针其激发及探测工作区域应该在近场才行。从制作特点上还可以预知，加热 熔融拉伸法容易做出该类要求的光纤探针。 鉴于这些方面的考虑，用于单细胞内检测的纳米光纤探针其结构参数要求大体 应该是：尖端直径要尽量小，以保证其能够伸入细胞内部，实际尺寸应该小于l o o m m 而锥形角度在保证光有一定的传输效率的同时，可尽量让其小些，以保证锥体有适 当的长度，便于伸入细胞内部，具体可以选用3 0 0 左右。另外，必须说明该探针使用 时探测要在近场区域，属近场应用探针。 第三节本章小结 本章首先说明了光纤的一般知识及分类特点，并介绍了关于光纤的波导理论基 础。根据光波导理论对两类光纤探针不同的传输特性作了比较和探讨，并分析了他 们各自的结构的优缺点。这为制作合理的光纤探针锥形提供了理论依据和参考。同 时，还对镀膜光纤探针的传输特性作了一些叙述，指出了不同应用要求的光纤探针， 其结构设计也应该不同，不要统一而论：得出了用于单细胞内部分析的纳米光纤探 针锥形结构参数，并说明了该类纳米光纤探针的近场测量要求的必要性。 第三章纳米光纤探针的制作及镀膜 第三章纳米光纤探针的制作及镀膜 本文要求制作一种能够伸入到细胞内部进行细胞内荧光测量分析的光纤探针， 要求尺寸在纳米量级，能够保证一定的传输效率，并有适当的机械强度。 纳米光纤探针锥形制作，一般采用单模或者多模光纤通过化学腐蚀法或加热熔 融拉伸法来完成，锥形最前端孔径尺寸可以做到小于5 0 r i m 。而要完全制作一根完整 的适合用于生物传感的纳米光纤探针大体要分为五步：( 1 ) 普通光纤去涂层，进行 锥形制作；( 2 ) 锥形探针进行镀膜处理；( 3 ) 探针清洗洁净，进行硅烷化处理， 使其具有生物活性：( 4 ) 锥形针尖上生物敏感物质固定；( 5 ) 恒温洁净保存。几 个步骤依次承接的，缺一不可。很明显，可以看出光纤锥形的制作是光纤探针制作 的基础。而即使对于最一般近场光学应用，前两步工作也是必须的，所以光纤锥的 制作是非常重要。的。 化学腐蚀与加热熔融拉伸制作探针锥形的两种基本的方法。两种方法都有各自 的优缺点，且制作的探针结构也不完全相同，故可以根据研究需要适当选择。另外， 一定条件下，两种方法结合使用可以制作出更加优化的探针锥形。 光在光纤探针锥形内传输时，会因为芯层和包层直径逐渐减小而发生光的泄漏 现象。探针尖端直径越小，泄漏越厉害。光纤探针镀金属薄膜则能够有效防止光的 外泄，最大程度地保证光向着尖端传输。光纤探针镀膜方法主要有真空溅射镀膜和 化学镀膜两种。两类镀膜方法各有其自身的优缺点，本文通过实验研究分析比较了 两类镀膜方法，并完成了自制光纤探针的金属镀膜。 第一节化学腐蚀法制作光纤探针锥形 化学腐蚀法就是利用光纤材料( 石英玻璃，s i 0 2 ) 易受弱酸氢氟酸腐蚀的特性， 通过对腐蚀溶液( 一般为氢氟酸i - i f ，另外可以附加一些n i - 1 4 f 作为辅助) 浓度、反应 时间及温度的适当控制，来制作符合要求的探针锥形的方法。它的工作原理主要应 用了腐蚀溶液的表面张力作用。光纤插入腐蚀溶液中，由于溶液受到吸附力和表面 张力的作用，会出现毛细浸润，这样腐蚀溶液在光纤表面处便形成弯月面，使光纤 表面受到腐蚀。随着腐蚀进行，与腐蚀溶液接触的光纤半径会不断减少，导致表面 张力减少，毛细浸润变弱，弯月面高度也会不断下降，直到腐蚀溶液的弯月面消失 变成连为一体的平面，就形成了纳米光纤探针的针。如图3 1 所示。为了防止腐蚀溶 福建师范大学马廷宝硕士学位论文 液对已成型的光纤针尖过度腐蚀，通常还要在溶液表面上覆盖一层有机溶剂( 可以 是苯类或者液体烷烃) 作为保护层。另外，该保护层还起着使腐蚀溶液呈弯月面下 降的作用，以利于针尖锥形的形成。由于不同有机溶剂有不同的物理特性( 如表面 张力、毛细吸附作用等) ，所以不同有机溶剂保护层下得到的针尖锥角会不同。正 因为此，有机溶剂的适当选取也成为腐蚀法针尖锥形制作中需要考虑的重要因素。 层 图3 - 1 化学腐蚀法制作探针锥形原理图 f i g 3 - 1s c h e m a t i cd i a g r a mo f p r e p a r a t i o n so f f i b e rp r o b e su s e db yu s i n gc h e m i c a le t c h i n g 化学腐蚀方法制作针尖锥形关键是在腐蚀溶液浓度、时间、温度以及覆层溶剂 材质的选择和控制上。一般来说温度常采用室温( 即温度固定) ，而主要控制浓度 及腐蚀时间。另外，不同的光纤材质其在相同的腐蚀参数下也会有不同结果。所以 具体参数要根据自己要求的探针锥形来通过反复实验确定。一般的典型值是温度 2 0 2 5 c 、腐蚀溶液浓度4 0 、腐蚀时间3 0 6 0 m i n 之间。实验发现：温度恒定时，溶 液浓度越高，探针锥形形成越快，针尖的形状也越好；温度动态变化时腐蚀得到探 针锥形效果较温度不变时要好；相同控制参数( 浓度、时间) 下，温度小幅度变化， 对探针最终形状影响较小。化学腐蚀方法探针制作优点是造价便宜，仪器简单，制 作快捷，锥形角度易控，探针传输效率较熔融拉伸法好。但是其对条件控制上要求 较高，需反复实验才能获得理想效果；另外，该方法制作的探针锥体表面粗糙不光 滑，有许多微小的腐蚀坑。图3 2 所示是腐蚀单模光纤得到的一个比较好的光纤探针 针尖扫描电子显微镜( s e m ) 测试图片；从图中可以看出该探针锥体较短，锥角约 在3 0 0 ，尖端直径l o o n m 以下：还可以看到腐蚀时留下的明显地螺旋痕迹。限于实验 条件及探针应用的要求，本人只根据一些前人的已有经验参数，进行了一些初步的 验证性的实验测试，同时还用其进行了一些修正探针实验尝试，但是并未对制作探 针的控制参数展开深入研究分析。 第三章纳米光纤探针的制作聂镀膜 图3 - 2 一个腐蚀的比较好的探针针尖，单模光纤腐蚀制成，锥体较短，锥角约在3 0 。， 尖端直径1 0 0 n m 以下 f i g3 - 2 p h o t oo f a b e n l p e r b y u s i n g c h e m i c a le t c h l n g ；m a d e i ns l r , s l c m o d e f i b c l i t h a d as h o r t e ra n da b o u t3 0 。a n g l e m e a n d t h e d i a m m r o f f m a l d p m 5u n d e r l 0 0 n m 第二节加热熔融拉伸法制作光纤探针锥形 熔融拉伸法( 熔拉法) 主要是依靠热源加热使去涂层光纤熔融，再把熔融状态 的光纤拉伸到自然断开由于张力作用会形成锥形针尖。熔融拉伸法应用普遍，其 优点是锥形表面光滑，制作简单快捷，对于环境条件要求低，操作简单可控性强， 重复性好得1 4 的探针干净无需清洗等。而且易制作锥体较长的探针，适合细胞内 部捌量。但是，该方法制作的探针需要有专门的熔拉仪器( 一般都比较昂贵) ：另 外，由于其光纤探针结构特点，传输效率较腐蚀型探针要低一些。 l a jl b j 图3 - 3 光纤熔拉仪器实物图( a ) p - 2 0 0 0 徽管章拉机f d c w - 2 0 0 0 ( s ) - c h 2 - h f i g3 - 3p h o n so f f i b e r - p u l l i n g d e v i c e ( 时p _ 2 0 0 0 l a s e r - b a s e