一种双功能杂化型等离激元传感器及其应用制造技术

本发明专利技术公开了一种双功能杂化型等离激元传感器，包括基底、金属薄膜、介质光栅和金属纳米壳阵列；所述金属薄膜蒸镀在所述基底上；所述介质光栅位于所述金属薄膜与所述金属纳米壳阵列之间；所述金属纳米壳阵列以所述介质光栅为模板，倾斜蒸镀在所述介质光栅的表面；所述金属薄膜与所述金属纳米壳阵列在入射光波的作用下耦合形成等离激元模式。该双功能杂化型等离激元传感器是基于超构光栅，RA与LSPR间充分耦合，通过控制入射光的角度充分发挥耦合信号的强度。从而使其既可以用以检测外界环境折射率的微小变化，又可以探测由吸附在结构表面的病毒抗体与抗原的结合所产生的局域折射率的微小变化。率的微小变化。率的微小变化。

【技术实现步骤摘要】
一种双功能杂化型等离激元传感器及其应用


[0001]本专利技术涉及微纳光学传感器
，特别是涉及一种双功能杂化型等离激元传感器及其应用。

技术介绍

[0002]局域表面等离激元(LSPR)是指金属纳米结构内部自由电子随入射光波的集体振荡。得益于该物理过程极强的局域电磁场增强能力及其对局域环境折射率变化的高响应灵敏度，LSPR被广泛的应用于各种生物/化学传感方面。近几年，面对新型冠状病毒对公众健康的威胁，研究者利用不同的等离激元纳米结构对该病毒进行了快速、无损的检测，这为当下流行型病毒的检测提供了一种快速、有效的检测方法。研究表明：基于等离激元的传感器具有测试方法简单、无损/无需标记以及体积小，便于集成等优势，因此，深受研究者的青睐。
[0003]然而，LSPR通常具有较宽的共振宽带，这在一定程度上就降低了该种类型传感器的分辨能力，进而阻碍了其在传感器中的广泛应用。
[0004]为解决上述LSPR传感器的问题，研究者将宽带的LSPR与其他具有高品质因子的模式(如波导模式、微腔共振模式、高阶等离激元模式或瑞利反常衍射模式)耦合，利用新产生的Fano共振杂化模式作为LSPR传感器的探测信号在一定程度上可以提高传感器的性能。
[0005]在上述Fano共振杂化模式LSPR传感器中，基于等离激元与瑞利反常衍射模式(RA)间耦合的传感器得到了研究者广泛的关注。这是因为瑞利反常衍射模式不仅具有窄带、非对称的共振线形，同时它还对外界环境折射率的变化很敏感。
[0006]然而，在现有的研究中，由于缺乏合适的结构模型，等离激元与RA之间没有充分的耦合与优化，使得只是借用到了该混合体系中RA模式对外界环境折射率的高响应灵敏度，还没有充分挖掘该杂化型传感器在局域环境折射率变化方面的检测优势。而这一技术缺陷最终会影响该杂化型LSPR传感器在生物样本检测方面的应用前景。

技术实现思路

[0007]本专利技术的目的是针对现有技术中杂化型LSPR传感器中，由于RA与LSPR间没有充分的耦合与优化，从而限制了其在生物样本检测方面的应用这一技术缺陷，而提供一种双功能杂化型等离激元传感器。该双功能杂化型等离激元传感器是基于超构光栅，RA与LSPR间充分耦合，通过控制入射光的角度充分发挥耦合信号的强度。
[0008]本专利技术的另一个目的，是提供上述双功能杂化型等离激元传感器的应用。上述双功能杂化型等离激元传感器不仅能应用于对外界环境折射率微小变化的检测，同时能够应用于对局域环境折射率微小变化的监测。
[0009]本专利技术的另一个目的，是提供上述双功能杂化型等离激元传感器组成的双功能杂化型等离激元传感检测系统。
[0010]为实现本专利技术的目的所采用的技术方案是：
[0011]一种双功能杂化型等离激元传感器，包括基底、金属薄膜、介质光栅和金属纳米壳阵列；
[0012]所述金属薄膜蒸镀在所述基底上。一方面用于消除透射光，另一方面作为超构光栅结构的一部分，在入射光波的作用下可以与金属纳米壳阵列耦合，形成特定的等离激元模式。
[0013]所述介质光栅位于所述金属薄膜与所述金属纳米壳阵列之间。一方面用于制作金属纳米壳阵列的模板，另一方面用于隔离所述金属薄膜与所述金属纳米壳阵列。所述介质光栅的结构参数，依据传感器的工作波长，进行参数扫描来优化确定。
[0014]所述金属纳米壳阵列以所述介质光栅为模板，利用真空蒸镀技术以一定倾斜角蒸镀在所述介质光栅的表面，倾斜角度依据所述介质光栅的调制深度调节。
[0015]所述金属薄膜与所述金属纳米壳阵列在入射光波的作用下耦合形成等离激元模式。
[0016]在上述技术方案中，所述基底材料为二氧化硅。
[0017]在上述技术方案中，所述金属薄膜的材质包括但不仅限于金、银、铝、钠以及铂等金属材料；所述金属薄膜的厚度为50
‑
150nm。
[0018]在上述技术方案中，所述介质光栅的材质为S1805光刻胶(PR)；通过干涉光刻的方法制备；所述介质光栅的结构参数，如周期P、调制深度h、光栅的占空比D以及光栅未显影到底的厚度d2等，依据传感器的工作波长，通过FDTD Solution软件进行参数扫描来优化确定。
[0019]在上述技术方案中，所述金属纳米壳阵列的材质包括但不仅限于银、铝和钠等这种吸收较小的金属材料；所述金属纳米壳阵列的厚度为50
‑
70nm。
[0020]本专利技术的另一方面，上述双功能杂化型等离激元传感器在环境介质浓度检测中的应用。
[0021]本专利技术的另一方面，上述双功能杂化型等离激元传感器在生物样本检测中的应用。
[0022]本专利技术的另一方面，一种双功能杂化型等离激元传感检测系统，包括所述的双功能杂化型等离激元传感器、传感器腔室、入射光源、半透半反镜和光纤光谱仪；所述双功能杂化型等离激元传感器固定于透明的所述传感器腔室中；所述入射光源采用宽带的平面波，经通过半透半反镜后照射到所述双功能杂化型等离激元传感器表面，激发等离激元模式与瑞利反常模式；随后，携带有共振信号的光波被所述双功能杂化型等离激元传感器和半透半反镜反射到光纤光谱仪中进行检测。
[0023]在上述技术方案中，所述传感器腔室被固定于一个可以绕y轴转动的旋转平台上，以调整入射光源相对于双功能杂化型等离激元传感器结构法线的角度。
[0024]与现有技术相比，本专利技术的有益效果是：
[0025]1.本专利技术提供的双功能杂化型等离激元传感器，基于超构光栅，RA与LSPR间充分耦合，可以通过控制入射光的角度充分发挥耦合信号的强度，从而使其既可以用以检测外界环境折射率的微小变化，又可以探测由吸附在结构表面的病毒抗体与抗原的结合所产生的局域折射率的微小变化。
[0026]2.本专利技术提供的双功能杂化型等离激元传感器，结构简单，易加工，成本低。可实
现大面积制备，为实现可批量生产的等离激元传感器奠定了基础。
附图说明
[0027]图1所示为双功能杂化型等离激元传感器的结构示意图；
[0028]图2a所示为双功能杂化型等离激元传感器的测试装置示意图；
[0029]图2b所示为双功能杂化型等离激元传感器角度调谐方法示意图；
[0030]图3所示为在入射角为18
°
，所处环境折射率为1时等离激元传感器的反射光谱响应结果；
[0031]图4所示为环境折射率在范围1～1.02内时模拟得到的传感器在不同入射角度下的响应特性；
[0032]图5所示为传感器表面附着一层厚度在0～8nm内的介质薄膜时模拟得到的传感器在不同角度下的响应结果。
[0033]图中：1
‑
基底，2
‑
金属薄膜，3
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介质光栅，4
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金属纳米壳阵列，5
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双功能杂化型等离激元传感器，6
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传感器腔室，6
‑1‑
传感器腔室入口，6<本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种双功能杂化型等离激元传感器，其特征在于：包括基底、金属薄膜、介质光栅和金属纳米壳阵列；所述金属薄膜蒸镀在所述基底上；所述介质光栅位于所述金属薄膜与所述金属纳米壳阵列之间；所述介质光栅的结构参数依据传感器的工作波长，进行参数扫描来优化确定；所述金属纳米壳阵列以所述介质光栅为模板，倾斜蒸镀在所述介质光栅的表面，倾斜角度依据所述介质光栅的调制深度调节；所述金属薄膜与所述金属纳米壳阵列在入射光波的作用下耦合形成等离激元模式。2.如权利要求1所述的双功能杂化型等离激元传感器，其特征在于：所述基底材料为二氧化硅。3.如权利要求1所述的双功能杂化型等离激元传感器，其特征在于：所述金属薄膜的材质为金、银、铝、钠和铂中的一种；所述金属薄膜的厚度为50
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150nm。4.如权利要求1所述的双功能杂化型等离激元传感器，其特征在于：所述介质光栅的材质为光刻胶。5.如权利要求4所述的双功能杂化型等离激元传感器，其特征在于：所述介质光栅通过干涉光刻的方法制备；所述介质光栅的结构参数依据传感器的工作波长，通过FDTD Solution软件进行参数扫描来优化确定。6.如权利要求1所述的双功能杂化型等离激元传...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘飞飞，贾浩宇，陈钰雪，罗晓爱，黄美东，
申请(专利权)人：天津师范大学，
类型：发明
国别省市：