一种用于手性分子手性高灵敏探测的装置的制作方法

1.本发明涉及手性探测领域，具体提供了一种用于手性分子手性高灵敏探测的装置。


背景技术：

2.手性是指结构不能与其镜像完全重合的特性，普遍存在于自然界，在生活中也起着至关重要的作用，尤其在药物化学领域。手性分子是指与其镜像不相同不能互相重合的具有一定构型或构象的分子，所有的手性分子都具有光学活性，即存在非对称传输、圆二色性、圆偏振发光等特殊的光学活性，同时所有具有光学活性的化合物的分子，都是手性分子。分子的手性通常是由不对称碳引起，即一个碳上的四个基团互不相同。不同手性的手性分子的功能和特性均不同，因此，手性分子手性的探测十分关键。
3.公告号为“cn112378858b”，名称为“一种手性探测系统”的专利公开了一种手性探测的装置，该装置包含有大量的光学元件，系统搭建时需要严格激光准直，对准直要求较高，使用时需要对光路进行优化，使用不方便，且不方便携带；同时手性探测的准确度、精确度、灵敏度与周围空气环境温度、湿度、光源质量等因素密切相关，导致手性探测的准确度、精确度、灵敏度不稳定且较差。


技术实现要素：

4.为解决以上问题，本发明提供了一种用于手性分子手性高灵敏探测的装置，该装置包括光纤、第一手性结构层、第二手性结构层、图像接收部、光源，光纤一端的端面上固定设置有第一手性结构层和第二手性结构层，光纤的另一端为预留端，光纤上设置有一段去包层区域，去包层区域光纤纤芯裸露，第一手性结构层和第二手性结构层均为手性结构单元周期排布组成的手性结构，第二手性结构层固定设置在光纤端面的纤芯区域中心位置，且其覆盖面积小于对应纤芯的面积，第一手性结构层围绕在第二手性结构层周围，第一手性结构层和第二手性结构层之间无缝隙，第一手性结构和第二手性结构的覆盖面积的总和大于光纤端面上对应纤芯的面积，图像接收部设置在第二手性结构层远离预留端一侧。
5.更进一步地，第一手性结构层相邻手性结构单元之间的距离大于300nm。
6.更进一步地，第二手性结构层相邻手性结构单元之间的距离小于300nm。
7.更进一步地，图像接收部为光屏或ccd或cmos。
8.更进一步地，第一手性结构层和第二手性结构层的几何中心重合。
9.更进一步地，第一手性结构层和第二手性结构层的形状相同。
10.更进一步地，第一手性结构层和第二手性结构层的厚度不同。
11.更进一步地，去包层区域靠近预留端一侧的侧面上固定设置有反射层。
12.更进一步地，去包层区域纤芯的表面设置有贵金属颗粒。
13.更进一步地，第一手性结构层和第二手性结构层的材料均为金或银。
14.本发明的有益效果：本发明提供了一种用于手性分子手性高灵敏探测的装置。本
发明装置使用了光纤，不需要进行光路的准直，使用和携带均比较方便。应用时，第二手性结构层在激光照射下，产生表面等离激元效应，进而产生具有手性的手性电磁场，由于透射激光极少，产生的手性电磁场几乎全部反射回光纤，使得没有与待测手性分子相互作用的激光反射回光纤内继续传播，与手性分子相互作用，从而使得探测结果更准确也更精确，本发明装置的准确度、精确度、灵敏度较高。多次透射的手性电磁场均被图像接收部接收，图像接收部最终得到的投射图像是多次透射手性电磁场叠加的结果，因此本发明装置探测手性的精确度和灵敏度较高。
15.以下将结合附图对本发明做进一步详细说明。
附图说明
16.图1是一种用于手性分子手性高灵敏探测的装置的示意图；
17.图2是一种第一手性结构层和第二手性结构层截面的示意图；
18.图3是又一种第一手性结构层和第二手性结构层截面的示意图；
19.图4是一种手性结构的示意图；
20.图5是又一种用于手性分子手性高灵敏探测的装置的示意图；
21.图6是再一种用于手性分子手性高灵敏探测的装置的示意图；
22.图7是再一种用于手性分子手性高灵敏探测的装置的示意图；
23.图8是再一种用于手性分子手性高灵敏探测的装置的示意图；
24.图9是再一种用于手性分子手性高灵敏探测的装置的示意图。
25.图中：1、光纤；2、第一手性结构层；3、第二手性结构层；4、图像接收部；5、反射层；6、贵金属颗粒。
具体实施方式
26.为进一步阐述本发明达成预定目的所采取的技术手段及功效，以下结合附图及实施例对本发明的具体实施方式、结构特征及其功效，详细说明如下。
27.实施例1
28.本发明提供了一种用于手性分子手性高灵敏探测的装置，如图1所示，包括，光纤1、第一手性结构层2、第二手性结构层3、图像接收部4。光纤1一端的端面上固定设置有第一手性结构层2和第二手性结构层3，光纤1的另一端为预留端。光纤1上设置有一段去包层区域，去包层区域的光纤包层去掉，露出光纤纤芯，这样使得光纤1内传播的手性电磁场能够与去包层区域外侧的物质产生相互作用，从而达到探测手性的目的。图像接收部4为光屏或ccd或cmos，用于接收本发明装置的透射图像。
29.第一手性结构层2和第二手性结构层3均为贵金属材料，具体地，第一手性结构层2和第二手性结构层3的材料均为金或银，且均为具有手性的结构，这样一来，当激光照射在第一手性结构层2和第二手性结构层3上会产生表面等离激元效应，从而产生手性电磁场。第一手性结构层2和第二手性结构层3上的结构均为手性结构单元周期排布而成，这样周期排布的手性结构单元产生的手性电磁场之间相互增强，从而产生的手性电磁场的手性较强；第一手性结构层2相邻手性结构单元之间的距离为大于300nm，这样相邻手性结构单元的间距大于300nm，第一手性结构层2的相邻手性结构单元之间不产生表面等离激元耦合，
且间距较大，从而能够使得激光在第一手性结构层2处反射和透射，进而即能够使得一部分激光返回光纤1内，也能够在图像接收部4形成透射图像；第二手性结构层3相邻手性结构单元之间的距离小于300nm，这样相邻手性结构单元的间距小于300nm，第二手性结构层3的相邻手性结构单元之间会产生表面等离激元耦合，使得激光局域在相邻手性结构单元之间，且间距较小，透射过第二手性结构层3的激光极少，从而大部分激光在第二手性结构层3处发生反射。
30.第二手性结构层3固定设置在光纤1端面的纤芯区域中心位置处，且其覆盖面积小于纤芯端面的面积，这样，能够将沿光纤1中心轴线传输的激光反射回光纤1内继续传播；第一手性结构层2围绕在第二手性结构层3周围，第一手性结构层2和第二手性结构层3之间无缝隙，由于第一手性结构层2和第二手性结构层3之间没有缝隙，使得激光不会从第一手性结构层2和第二手性结构层3之间泄露，从而透射过手性结构，被图像接收部4接收，影响探测结果；第一手性结构2和第二手性结构3的覆盖面积的总和大于光纤1端面上纤芯区域的面积，这样，能够使得光纤1内传播的激光均与手性结构相互作用，从而，形成手性较强的手性电磁场。
31.应用时，还包括光源，光源与光纤1的预留端连接。图像接收部4固定在固定架或固定桌面或固定墙壁上，图像接收部4与光纤1之间的距离为需要适当，具体地，将图像接收部4与光纤1中心轴线垂直方向放置，同时沿光纤1的中心轴线前后移动，直至光屏或ccd显示器或cmos显示器上的光场分布清晰可见，此时的位置即为图像接收部4的位置。
32.探测时，待测手性分子的溶液滴在去包层区域处，使得待测手性分子的溶液与去包层区域充分接触。光源发出激光，激光由预留端进入光纤1，以基模传播，基模沿光纤1的中心轴线传播，且光斑的面积小于光纤1纤芯的截面大小，即基模距离去包层区域纤芯表面距离较远，基模激光也不具有手性，因此，基模激光通过去包层区域时不与去包层区域外侧的手性分子相互作用。不具有手性的基模继续传播到第二手性结构层3，这里是因为第二手性结构层3设置在光纤1端面的最中间位置，所以，以基模传输的激光会照射在第二手性结构层3，而不是第一手性结构层2。第二手性结构层3在激光照射下，产生表面等离激元效应，进而产生具有手性的手性电磁场，由于透射激光极少，产生的手性电磁场几乎全部反射回光纤1，这样使没有与待测手性分子相互作用的激光反射回光纤1内继续传播，与手性分子相互作用，从而使得探测结果更准确也更精确，本发明装置的准确度、精确度、灵敏度均较高。反射回来的手性电磁场为涡旋光场，传播时沿光纤1纤芯的边缘传播，即手性电磁场在去包层区域距离去包层区域外侧的手性分子距离更近，且具有手性，手性电磁场能够与手性分子相互作用。相互作用后的手性电磁场已经携带手性分子的手性信息，即手性电磁场的强度及光斑分布发生变化，在去包层区域靠近光纤1预留端一侧的侧面上发生反射，反射后再次与手性分子相互作用，使得手性分子与手性电磁场的相互作用更强，这样，手性电磁场携带的手性分子的手性信息更多。
33.手性电磁场由于靠近纤芯边缘传播，照射在第一手性结构层2，在第一手性结构层2处发生反射和透射，透射的手性电磁场被图像接收部4接收，其光场分布与手性分子的手性密切相关，反射的手性电磁场再次进入光纤1的去包层区域与手性分子相互作用；相互作用后被去包层区域靠近光纤1预留端一侧的侧面反射，反射后再次与手性分子相互作用，在传播到第一手性结构层2处再次发生反射和透射。反射手性电磁场如此反复在第一手性结
构层2和去包层区域靠近光纤1预留端一侧的侧面之间多次振荡，使得手性电磁场与手性分子充分地相互作用，随着振荡次数的增加，透射手性电磁场携带的手性分子的手性信息越来越多，这样，投射图像的光场分布越能准确地反映手性分子的手性，因此，本发明装置探测手性的准确度较高。多次透射的手性电磁场均被图像接收部4接收，图像接收部4最终得到的投射图像是多次透射手性电磁场叠加的结果，这里的叠加不是简单的累积叠加，而是对手性分子手性变化更加灵敏的干涉叠加，干涉叠加的结果对手性分子手性的依赖性更强，因此，本发明装置探测手性的精确度和灵敏度较高。另外，本发明中，透射图像的光场分布通过傅里叶频谱具体体现，透射图像的光场分布变化，其对应的傅里叶频谱变化，透射图像的光场分布变化越大，傅里叶频谱的变化就越大，通过透射图像的光场分布变化能够的得到手性分子手性的变化，通过对应傅里叶频谱的变化能够得到透射图像的光场分布变化，从而傅里叶频谱的变化能够得到手性分子手性的变化，傅里叶频谱的变化较明显，手性分子的手性变化不容易探测到，本发明将不易探测的手性分子的手性与变化明显的傅里叶频谱联系在一起，因此本发明装置的探测灵敏度较高。
34.实施例2
35.在实施例1的基础上，光纤1可以为单模石英光纤也可以为多模石英光纤，光纤1为单模石英光纤，传播激光的质量较好，但仅适用于固定波长的激光，单模石英光纤能够制备较大的第一手性结构层2，使得更多的手性电磁场在去包层区域振荡，与手性分子多次相互作用，使得手性电磁场与手性分子的相互作用更强；光纤1为多模石英光纤，能够传播多种模式的激光，同时多模石英光纤的纤芯较粗，这样能够制备面积较大的第二手性结构层3，方便制备。去包层区域的长度小于0.3mm，这样能够保证发生小角度弯曲时，仍然能够将激光束缚在光纤1内。
36.第一手性结构层2和第二手性结构层3的几何中心重合，且均与光纤2纤芯端面的几何中心重合，这样，容易制备出相对于光纤1中心轴线对称分布的第一手性结构层2和第二手性结构层3，从而形成的手性电磁场沿各个方向的强度相同，进而，使得透射图像上的光场分布相对对称，这样能够使得傅里叶频谱的谱线简单，不出现杂乱的谱线，从而本发明装置探测手性的准确度较高。
37.第一手性结构层2和第二手性结构层3的形状可以相同也可以不同；优选地，第一手性结构层2和第二手性结构层3的形状相同，这样方便第一手性结构层2和第二手性结构层3的制备，也方便第一手性结构层2和第二手性结构层3连接处的制备；更优选地，第一手性结构层2和第二手性结构层3的形状可以为如图2所示的圆形，也可以为如图3所示的矩形；第一手性结构层2和第二手性结构层3的形状为圆形，圆形与光纤1的纤芯端面形状相似，光场分布对称，第一手性结构层2和第二手性结构层3的形状为圆形，使得产生的手性电磁场、反射的手性电磁场、透射的手性电磁场均对称分布，这样最终得到的透射图像上的光场分布相对对称，这样能够使得傅里叶频谱的谱线简单，不出现杂乱的谱线，从而本发明装置探测手性的准确度较高；第一手性结构层2和第二手性结构层3的形状为矩形，方便制备周期排布的手性结构单元，仅需设置为矩形阵列即可，制备方便。
38.第一手性结构层2和第二手性结构层3的手性结构单元可以相同也可以不同，为了得到更强手性的透射手性电磁场，第一手性结构层2和第二手性结构层3的手性结构单元相同。具体地，手性结构单元可以为任意具有手性的结构，例如，如图4所示的非对称“l”结构
或阿基米德螺旋线结构或非对称的“a”或非对称的“t”等，手性结构单元的限度为50nm-800nm，这样能够保证第一手性结构层2和第二手性结构层3上均有较多的手性结构单元，由于产生的手性电磁场的手性为每个手性结构单元产生的手性电磁场的叠加，从而较多手性结构单元产生的手性电磁场的手性更强，进而手性电磁场与手性分子的相互作用更强，透射图像上的光场分布的变化更大，透射图像对应傅里叶频谱的变化更大，因此，本发明装置探测手性的精确度和灵敏度较高。
39.实施例3
40.在实施例2的基础上，如图5所示，第一手性结构层2的厚度小于第二手性结构层3的厚度。具体地，第一手性结构层2的厚度小于200nm，第二手性结构层3的厚度大于200nm，这样，一方面，第二手性结构层3的反射特性更强，第一手性结构层2的透射特性更强，第二手性结构层3比第一手性结构层2反射更多的激光，第二手性结构层3将更多产生的手性电磁场局域在光纤1内，与手性分子充分地相互作用，相互作用后通过第二手性结构层3透射的手性电磁场更强，从而透射图像上的光场分布更清晰，更明确，透射图像对应的傅里叶频谱线较少，不出现杂乱的谱线，从而本发明装置探测手性的准确度较高；另一方面，第一手性结构层2和第二手性结构层3的边界处存在高度差，第一手性结构层2和第二手性结构层3不在同一个平面，在第一手性结构层2和第二手性结构层3的边界处不同高度的手性结构单元之间会产生，强烈的电磁耦合，从而能够产生自由度更多和手性更强的三维手性电磁场，三维手性电磁场与手性分子的相互作用的自由度更多、强度更大，从而透射图像上的光场分布的变化较大，从而透射图像对应的傅里叶频谱的变化更大，因此本发明装置探测手性的精确度和灵敏度更高。
41.优选地，第一手性结构层2和第二手性结构层3上，距离截面几何中心不同距离处的手性结构单元的厚度不同，更优选地，靠近几何中心处的手性结构单元的厚度更厚，远离几何中心处的手性结构单元的厚度更薄，即中间厚两边薄，这样，距离截面几何中心不同距离处的手性结构单元之间均存在强烈的电磁耦合，产生的三维手性电磁场的强度和手性均更强，从而，三维手性电磁场与手性分子之间的相互作用更强，透射图像上光场分布的改变更大，透射图像对应的傅里叶频谱的改变更大，因此，本发明装置探测手性的精确度和灵敏度更高。
42.实施例4
43.在实施例3的基础上，如图6所示，光纤1的去包层区域均匀地去掉一部分纤芯，从而去包层区域的纤芯更细，保留的纤芯的直径为光纤1纤芯直径的三分之一，这样既不影响基模的传播，还能够增强手性电磁场与手性分子之间的相互作用强度。具体地，一方面，一部分手性电磁场泄露在手性分子的溶液中，与手性分子直接产生相互作用，手性电磁场与手性分子相互作用更强，透射图像上光场分布的改变更大，透射图像对应的傅里叶频谱的改变更大，因此，本发明装置手性探测的精确度和灵敏度较高；另一方面，手性电磁场与手性分子之间的距离更近，从而更远处的手性分子能够与手性电磁场相互作用，因此手性电磁场与手性分子相互作用距离更长，探测时，需要的手性分子的量更少。
44.实施例5
45.在实施例4的基础上，如图7所示，去包层区域靠近预留端一侧的侧面上固定设置有反射层5，反射层5为圆环状的金属薄膜，圆环状的形状和面积与去包层区域去掉的包层
和一部分纤芯的截面之和完全相同，金属薄膜的厚度大于150nm，这是因为金属薄膜的厚度大于150nm是才能确保没有透射激光，即金属薄膜的厚度大于150nm，才能够实现有效的反射效果。反射层5增强了去包层区域靠近预留端一侧的侧面的反射特性，这样，手性电磁场在该侧面和第一手性结构层2之间能够振荡更多次，手性电磁场与手性分子的相互作用更强，从而透射图像上的光场分布改变更多，透射图像对应的傅里叶频谱的改变更多，因此，本发明装置探测的精确度和灵敏度更高。
46.实施例6
47.在实施例5的基础上，如图8所示，去包层区域的纤芯的表面固定设置有的贵金属颗粒6，贵金属颗粒6规则排布在纤芯表面。贵金属颗粒6的材料为金或银，贵金属颗粒6的粒径为150nm-800nm。在手性电磁场作用下，由于局域表面等离激元效应，贵金属颗粒6表面产生具有手性的局域表面等离激元，一方面，具有手性的局域表面等离激元与手性分子相互作用更强，即具有手性的局域表面等离激元增强了手性电磁场与手性分子的相互作用强度，使得手性电磁场与手性分子的相互作用更强，从而透射图像的光场分布的改变更大，透射图像对应的傅里叶频谱的代表更大，因此，本发明装置手性探测的精确度和灵敏度较高；另一方面，具有手性的局域表面等离激元与手性分子相互作用的距离较远，且在空间上，贵金属颗粒6与手性分子的距离也较近，即具有手性的局域表面等离激元增强了手性电磁场与手性分子的相互作用距离较远，所以，本发明中手性电磁场与手性分子之间相互作用的距离较远。
48.实施例7
49.与实施例6不同的是，如图9所示，贵金属颗粒6呈螺旋状排布，螺旋状排布使得贵金属颗粒6具有手性。这样一来，手性电磁场多次振荡与手性分子相互作用时，手性电磁场的手性随着振荡次数的增加而增强，从而手性电磁场与手性分子的相互作用更强，透射图像的光场分布的变化更大，透射图像对应的傅里叶频谱的变化更大，因此，本发明装置的精确度和灵敏度更高。
50.以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。