XVI Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2024

1 Введение

В последние годы растет потребность в быстрых, надежных и высокочувствительных системах тестирования в области мониторинга окружающей среды, безопасности пищевых продуктов, разработки лекарств, биомедицинских исследований и клинической диагностики. Волоконно-оптические датчики являются многообещающими кандидатами для удовлетворения этих требований благодаря своим преимуществам: небольшой занимаемой площади, компактному размеру, быстрому реагированию, низкой стоимости и невосприимчивости к электромагнитным помехам [1]. Чтобы придать волокну особые чувствительные способности, а также улучшить характеристики восприятия, на поверхность волокна обычно наносят различные функциональные материалы. К таким функциональным материалам относятся наночастицы [3,4], нанопроволоки [6], нанопленки [7] и двумерные материалы [9,10]. Например, путем нанесения плазмонных наночастиц на поверхность конического оптического волокна можно получить компактные (локализованный поверхностный плазмонный резонанс) биосенсоры LSPR [3] и химические сенсоры SERS (поверхностно-усиленное комбинационное рассеяние) [11]. Оптические волокна, украшенные наночастицами Pd [2] или нанопленками Pd [8], могут служить надежными сенсорами газа H2. Покрытие из наночастиц кремнезема может сделать волоконный датчик пригодным для измерения влажности [5]. Оптоволоконные датчики с графеновым покрытием способны обнаруживать газообразный аммиак [10]. Хотя волоконно-оптические датчики с различными покрытиями из наноматериалов широко изучались для различных применений, сами оптические волокна, как основная часть датчика, редко изучаются и оптимизируются. В этой статье мы используем наночастицы золота в качестве модели для изучения того, как диаметр оптического микро/нановолокна (OMNF) влияет на производительность датчика. Наш анализ показывает, что за счет оптимизации диаметра OMNF чувствительность показателя преломления (RI) и характеристики биосенсорства могут быть значительно улучшены. Плазмонные сенсоры на основе ЛСПР наноструктур благородных металлов в последние годы привлекли интерес многих исследователей. Принцип зондирования основан на высокой чувствительности плазмонной резонансной зоны наноструктур благородных металлов к окружающим диэлектрикам, которая возникает, когда частота падающих фотонов резонансна с коллективными колебаниями электронов проводимости в металлических структурах [12,13]. Плоские массивы наночастиц благородных металлов на подложке являются одной из наиболее универсальных платформ для наноплазмонных сенсоров [14]. Однако чувствительность этих датчиков довольно ограничена из-за небольшого сечения затухания одиночной наночастицы и относительно большой площади светового луча в свободном пространстве. Интеграция плазмонных наночастиц с оптическими волокнами для улучшения взаимодействия света и материи является разумной стратегией повышения способности плазмонного восприятия. Эта схема датчика позволяет осуществлять дистанционное зондирование в узких пространствах с очень небольшими объемами проб и даже зондирование in vivo. Несколько предыдущих исследований продемонстрировали возможность использования этого датчика LSPR на основе оптического волокна для зондирования RI и биосенсорства [15,16]. Чувствительность RI составляет порядка нескольких единиц ΔA/RIU [15], а пределы обнаружения (LOD) обычно составляют несколько десятков пМ [16]. В нескольких исследованиях была предпринята попытка оптимизировать геометрию оптического волокна, чтобы передать больше оптической мощности в затухающее поле, чтобы повысить эффективность преобразования фотонов в плазмоны с целью повышения чувствительности. К таким датчикам относятся оптические волокна U-образной формы [17] и конические оптические волокна. Например, Лин и др. попытались использовать коническое оптическое волокно диаметром 45 мкм в качестве подложки для усиления биосенсорства. Однако используемые оптические волокна довольно толстые, что делает долю оптической мощности в затухающем поле довольно малой и, таким образом, ограничивает чувствительность. О датчиках LSPR на основе OMNF с диаметром, близким к длине волны или даже меньшим, редко сообщается. Одним из наиболее важных преимуществ OMNF является то, что он предлагает большую долю затухающих полей и высокую интенсивность поверхностного поля, что делает его очень чувствительным к возмущениям в окружающей среде [18,19]. OMNF — идеальная платформа для взаимодействия легкой материи. Таким образом, в этом исследовании мы объединяем OMNF и наночастицы золота, чтобы сформировать сверхчувствительный наноплазмонный сенсор. Сначала мы создаем теоретическую модель датчика LSPR на основе OMNF и оптимизируем диаметр волокна. Затем мы экспериментально демонстрируем наши теоретические результаты посредством зондирования RI. Мы также показываем, что наш датчик можно легко интегрировать в массив кремниевых чипов, что перспективно для приложений с высокой пропускной способностью. Далее мы применяем датчик для биосенсорства и добиваемся низкого уровня детализации 1 пг/мл.

Принцип действия датчика LSPR на основе OMNF.

Принципиальная схема датчика LSPR на основе OMNF показана на рисунке 1, где OMNF работает как преобразователь, а наночастицы золота на поверхности волокна — как чувствительные элементы. Коллективные колебания проводящих электронов в наночастицах золота могут быть возбуждены затухающей волной OMNF. Он может обнаруживать тонкие изменения индекса преломления рядом с наночастицами золота, отслеживая спектры пропускания. Кроме того, он может работать как биосенсор, украшая наночастицы специфическими рецепторами.

Рисунок 1. Принципиальная схема, показывающая принцип действия датчика локализованного поверхностного плазмонного резонанса (LSPR) на основе оптического микро/нановолокна (OMNF).

Сначала мы построили аналитическую модель датчика. Для адиабатических OMNF оптическая мощность в основном передается в основной моде LP01. Здесь мы рассматриваем ситуацию, когда наночастицы на OMNF изолированы друг от друга и межчастичное взаимодействие незначительно. Это предположение разумно, поскольку только небольшое количество частиц может вызвать большие оптические потери OMNF из-за их сильного исчезающего поля. Предположим, что количество наночастиц на поверхности волокна равно m, входная оптическая мощность и пропускание голого микроволокна равны P0 и Tfiber. Присвойте выходную мощность и поглощение волокна после иммобилизации наночастиц золота равными P и A соответственно. Как упоминалось выше, в нашем анализе мы в основном фокусируемся на оптимизации OMNF. Следовательно, мы принимаем золотую наносферу размером 20 нм в качестве модели, и поглощение одной наночастицы