CN102279170B - 一种集成的表面等离子体折射率传感器及其检测分析方法 - Google Patents

Abstract

一种集成的表面等离子体折射率传感器及其检测分析方法，平面尺寸为微米量级，能对微量样品进行探测，且两干涉臂集成在同一支持表面等离子体的薄膜上，稳定性和可靠性得到提高；本发明的理论分析和实施例中的数据均显示折射率传感灵敏度随着表面等离子体激发结构和狭缝的间距L₀的增加和倾角α的减小而得到提高，具有高灵敏度的特点；其不仅可实现高灵敏度，高优值函数的传感，而且其结构简单紧凑，使用方便应用广泛，成本低且有利于集成和高通量并行传感的特点。

Description

一种集成的表面等离子体折射率传感器及其检测分析方法

技术领域

本发明属于传感器技术领域，具体涉及一种集成的表面等离子体折射率传感器及其检测分析方法。

背景技术

表面等离子体通常是金属表面的自由电子随入射光子同频率集体振荡产生的一种沿着金属表面传播的非辐射空间局域电磁表面波模式，场的强度在垂直于界面的方向上负指数衰减。在一定条件下，自由空间中的光和表面等离子体之间可以实现相互耦合。利用表面等离子体作为信息载体，可以使得在微米乃至纳米尺度的范围内对光进行有效的激发和灵活的操控。基于表面等离子体的各种器件的理论设计、实验研究和实际应用研究成为近年来的热点，在高集成度光子集成回路，超衍射分辨成像，高密度数据存储和高效太阳能电池等领域具有重要的应用前景。

由于表面等离子体的高度场局域性，基于表面等离子体是实现高灵敏度折射率传感的有效途径之一。基于表面等离子体的传感技术具有高灵敏度、无需标定、实时检测、非接触和无损伤的特点。将折射率传感器与适当的生物和化学技术相结合，即可应用于生物分子，化学和气体传感领域，例如在传感器上的薄膜上修饰一层可与特定分子相互作用的生物识别分子，此时当传感器与特定样品相接触，如果样品中含有上述特定分子，则这些分子将与薄膜上的识别分子相作用并结合到薄膜上，于是薄膜外的折射率发生变化，因此，根据信号的改变即可得知生物分子相互作用的过程的动态信息，并可从中解析得到生物分子相互作用的特异性、亲和力以及动力学特征参数。折射率传感器是化学、生物和气体传感器的核心。目前最常用的是基于衰减全反射棱镜的表面等离子体共振效应的折射率传感方案，当金属表面处介质的折射率发生微小的变化时，会改变金属介质表面支持的表面等离子体的电磁场模式，通过测量这种模式改变导致反射光的波长、角度、偏振、相位等信号的改变可以感应表面处介质的折射率的变化。由于光场和表面等离子体之间高的共振耦合特性，这种传感方案对折射率非常敏感，能达到10^-5折射率单元(RIU)量级，通过采用与相位探测等的结合，其灵敏度可以达到更高。伴随着近年来微流体和基因、蛋白质芯片概念和相关技术的发展，包括传感器在内的各种器件都在朝着微型化和集成化方向发展，这更加促进了表面等离子体折射率传感的进一步研究。由于这种传感方案的系统较为复杂，结构尺寸偏大，难以满足当前集成微流体、基因、蛋白质芯片实现高通量、小测试容量、低成本、便携式的传感需求，因此，各种基于金属微纳结构实现折射率传感的方案不断被提出，例如，金属纳米颗粒的局域表面等离子体共振效应、金属纳米孔径阵列的表面等离子体增强透过效应。然而这些传感方案的灵敏度和分辨率相比基于表面等离子体共振效应要低一个量级，因此，提高金属微纳结构的折射率传感方案的灵敏度和分辨率成为当前的一个研究热点。如采用一些新的纳米结构(集成的垂直Mach-Zehnder干涉器件，金属纳米棒超颖材料)，和一些新的物理机制(电磁感应透明、金属纳米颗粒间的衍射耦合，正交偏振探测方案)。

目前国内外报道过的表面等离子体折射率传感器的检测分析方法主要有四种：角度扫描，波长扫描，强度扫描和相位扫描。在这四种方法中，角度扫描需要昂贵的精密角度转动装置和控制系统，波长扫描需要多色光和昂贵的光谱分析装置，强度调制由于受到光源强度的波动以及光电接收器和放大电路存在直流漂移而精度不高，相位扫描需要额外的调制部件，这就使得它们的应用受到一定的限制。

发明内容

为了克服上述现有技术存在的不足，本发明的目的在于提供一种集成的表面等离子体折射率传感器及其检测分析方法，其不仅可实现高灵敏度，高优值函数的传感，而且其结构简单紧凑，使用方便应用广泛，成本低且有利于集成和高通量并行传感的特点。

为了达到上述目的，本发明所采用的技术方案是：

一种集成的表面等离子体折射率传感器，包括衬底1，在该衬底1的上表面覆盖着有通过溅射或电子束蒸发方法镀上的支持表面等离子体传播的薄膜2，该支持表面等离子体传播的薄膜2厚度大于100nm且小于1000nm，在支持表面等离子体传播的薄膜2的上表面带有利用聚焦离子束刻蚀或者电子束曝光方式制备的一个倾斜横向的狭缝3和一个以上的横向的表面等离子体激发结构4，狭缝3和表面等离子体激发结构4之间的间距L₀大于15μm，狭缝3的倾斜横向侧面同横向之间的夹角为倾角α，倾角α小于10°，所述的一个以上的横向的表面等离子体激发结构4的个数、面形、宽度和深度能够让单色光源在对应的表面等离子体激发结构4上激发表面等离子体，并沿着支持表面等离子体传播的薄膜2传播，最终在狭缝3散射时将导致对衬底1的透射，这部分光束强度同通过狭缝3上时直接透射到衬底1的光束强度之比小于10且大于0.1。

所述的支持表面等离子体传播的薄膜2的材料为金属材料。

所述的表面等离子体激发结构4的结构为凹槽结构、条状结构或者光栅结构。

所述的集成的表面等离子体折射率传感器的检测分析方法为：在支持表面等离子体传播的薄膜2上搁置待测样品，然后单色光源从支持表面等离子体传播的薄膜2上方入射，该单色光源的光束通过表面等离子体激发结构4上时，激发支持表面等离子体传播的薄膜2上所支持的表面等离子体，并沿着支持表面等离子体传播的薄膜2表面传播，当传播到狭缝3处时，由于狭缝3的散射将导致衬底1处光束的一部分透射；同时另一方面，光束通过狭缝3上时，光束的一部分会直接透射到衬底1，这两部分透射的光束所形成的信号发生干涉，通过两部分参与干涉的光束强度的优化而得到高对比度的干涉信号；加上狭缝3的倾斜横向侧面同横向之间的夹角为倾角α，据此由表面等离子体激发结构4激发并传播至狭缝3的表面等离子体在沿着狭缝3方向上的相位呈线性变化分布，在狭缝3的透射信号能形成一干涉条纹；如果待测样品折射率发生改变，支持表面等离子体传播的薄膜2所支持的表面等离子体模式的等效折射率将随之发生改变，从而造成干涉条纹的漂移，最后根据对该干涉条纹的漂移状态导出待测样品折射率的改变状态。

本发明的集成的表面等离子体折射率传感器具有高集成度的特点，其平面尺寸为微米量级，能对微量样品进行探测，且两干涉臂集成在同一支持表面等离子体传播的薄膜2上，稳定性和可靠性得到提高；本发明的理论分析和实施例中的数据均显示折射率传感灵敏度随着表面等离子体激发结构4和狭缝3的间距L₀的增加和倾角α的减小而得到提高，具有高灵敏度的特点；本发明的理论分析和实施例中的数据所显示的优值函数(FOM＝245.8)比通常所报道的表面等离子体传感器高，且理论分析和实施例中的数据均显示优值函数随着表面等离子体激发结构4和狭缝3的间距L₀的增加而得到提高；本发明的检测分析方法采用上表面光场垂直入射，下表面垂直探测透射干涉信号，光源、样片和探测器在同一个光轴上，光学系统简单，因而可在同一样片上集成多个折射率传感单元，结合现有的微流控技术，可实现高通量的并行传感；本发明的检测分析方法实时地直接探测其干涉条纹的漂移，无需通常所报道的表面等离子体折射率传感器的光谱扫描探测方法所依赖的光谱分析装置，因而具有成本低廉，便携以及动态测量的特点。因而其不仅可实现高灵敏度，高优值函数的传感，而且其结构简单紧凑，使用方便应用广泛，成本低且有利于集成和高通量并行传感的特点。

附图说明

附图是本发明的工作原理立体结构示意图，其中箭头方向为光束方向。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作更详细的说明。

实施例1

如附图所示，集成的表面等离子体折射率传感器，包括衬底1，该衬底1为熔融石英衬底，在该衬底1的上表面覆盖着通过溅射或电子束蒸发方法镀上的支持表面等离子体传播的薄膜2，该支持表面等离子体传播的薄膜2厚度为250nm，在支持等离子体传播薄膜2的上表面带有利用聚焦离子束刻蚀制备的一个倾斜横向的狭缝3和二十个横向的表面等离子体激发结构4，狭缝3和表面等离子体激发结构4之间的间距L₀为67.7μm，狭缝3的倾斜横向侧面同横向之间的夹角为倾角α，倾角α为2°，所述的一个以上的横向的表面等离子体激发结构4的个数、面形、宽度和深度能够让单色光源在对应的表面等离子体激发结构4上激发表面等离子体，并沿着支持表面等离子体的传播薄膜2传播，最终在狭缝3散射时将导致对衬底1的透射，这部分光束强度同通过狭缝3上时直接透射到衬底1的光束强度之比小于10且大于0.1。所述的支持表面等离子体传播的薄膜2的材料为金。所述的表面等离子体激发结构4的结构为凹槽结构。

所述的集成的表面等离子体折射率传感器的检测分析方法为：在支持表面等离子体传播的薄膜2上搁置待测样品，然后由半导体泵浦的1064nm固体激光器的单色光源从支持表面等离子体传播的薄膜2上方入射，该单色光源的光束通过表面等离子体激发结构4上时，激发支持表面等离子体传播的薄膜2上所支持的表面等离子体，并沿着支持表面等离子体传播的薄膜2表面传播，当传播到狭缝3处时，由于狭缝3的散射将导致衬底1将光束的一部分透射；同时另一方面，光束通过狭缝3上时，光束的一部分会直接透射到衬底1，这两部分透射的光束所形成的信号发生干涉，通过两部分干涉信号强度的一致性而得到高对比度的干涉；加上狭缝3的倾斜横向侧面同横向之间的夹角为倾角α，据此由表面等离子体激发结构4激发并传播至狭缝3的表面等离子体在沿着狭缝3方向上的相位呈线性变化分布，在狭缝3的透射信号能形成一干涉条纹；如果待测样品折射率发生改变，支持表面等离子体传播的薄膜2所支持的表面等离子体模式的等效折射率将随之发生改变，从而造成干涉条纹的漂移，最后根据对该干涉条纹的漂移状态导出待测样品折射率的改变状态。

在本实施例中，若待测样品折射率为n时，干涉条纹的周期d为式(1)：

$d={(\sqrt{\frac{{\mathrm{\ϵ}}_m^{\′}{n}^2}{{\mathrm{\ϵ}}_m^{\′}+n^2}}+\sin \mathrm{\γ})}^{-1}\frac{\mathrm{\λ}}{\sin \mathrm{\α}}---\left(1\right)$

其中ε′_m为薄膜的介电常数的实部，λ为自由空间中的波长，γ为入射光角度。当待测样品折射率改变到(n+Δn)时，Δn为改变值，忽略表面等离子体激发结构4激发表面等离子体相位的变化和入射角度的影响，经推导，其灵敏度S为式(2)：

$S=-\frac{\mathrm{\ΔX}}{\mathrm{\Δn}}=\frac{{\mathrm{\ϵ}}_m^{\′}}{{\mathrm{\ϵ}}_m^{\′}n+n^3}(\frac{L_0}{\sin \mathrm{\α}}+X)---\left(2\right)$

其中X为沿着狭缝3的坐标轴。由于干涉条纹为一余弦曲线，因此，其半高宽为周期的一半，其优值函数FOM为式(3)：

$\mathrm{FOM}=\frac{S}{d/2}=2{\left(\frac{{\mathrm{\ϵ}}_m^{\′}}{{\mathrm{\ϵ}}_m^{\′}+n^2}\right)}^{\frac{3}{2}}\frac{L_0+X\sin \mathrm{\α}}{\mathrm{\λ}}---\left(3\right)$

本实施例的待测样品使用不同浓度的NaCl水溶液来作为不同折射率的介质，由于NaCl水溶液的折射率随浓度线性增加，这里的浓度是指NaCl相对于溶液的质量百分比，当NaCl水溶液浓度分别为0％、1％、2％、3％、4％和5％时，由此提取的6条干涉条纹曲线随着溶液浓度的均匀增加，曲线均匀地向左侧移动，最后其灵敏度S可达1438μm/RIU，优值函数FOM可达129.7。

实施例2

如附图所示，集成的表面等离子体折射率传感器，包括衬底1，该衬底1为熔融石英衬底，在该衬底1的上表面覆盖着通过溅射或电子束蒸发方法镀上的支持表面等离子体传播的薄膜2，该支持表面等离子体传播的薄膜2厚度为250nm，在支持等离子体传播薄膜2的上表面带有利用聚焦离子束刻蚀制备的一个倾斜横向的狭缝3和二十个横向的表面等离子体激发结构4，狭缝3和表面等离子体激发结构4之间的间距L₀为107.7μm，狭缝3的倾斜横向侧面同横向之间的夹角为倾角α，倾角α为1°，所述的一个以上的横向的表面等离子体激发结构4的个数、面形、宽度和深度能够让单色光源在对应的表面等离子体激发结构4上激发表面等离子体，并沿着支持表面等离子体的传播薄膜2传播，最终在狭缝3散射时将导致对衬底1的透射，这部分光束强度同通过狭缝3上时直接透射到衬底1的光束强度之比小于10且大于0.1。所述的支持表面等离子体传播的薄膜2的材料为金。所述的表面等离子体激发结构4的结构为凹槽结构。

所述的集成的表面等离子体折射率传感器的检测分析方法为：在支持表面等离子体传播的薄膜2上搁置待测样品，然后由半导体泵浦的1064nm固体激光器的单色光源从支持表面等离子体传播的薄膜2上方入射，该单色光源的光束通过表面等离子体激发结构4上时，激发支持表面等离子体传播的薄膜2上所支持的表面等离子体，并沿着支持表面等离子体传播的薄膜2表面传播，当传播到狭缝3处时，由于狭缝3的散射将导致衬底1将光束的一部分透射；同时另一方面，光束通过狭缝3上时，光束的一部分会直接透射到衬底1，这两部分透射的光束所形成的信号发生干涉，通过两部分干涉信号强度的一致性而得到高对比度的干涉；加上狭缝3的倾斜横向侧面同横向之间的夹角为倾角α，据此由表面等离子体激发结构4激发并传播至狭缝3的表面等离子体在沿着狭缝3方向上的相位呈线性变化分布，在狭缝3的透射信号能形成一干涉条纹；如果待测样品折射率发生改变，支持表面等离子体传播的薄膜2所支持的表面等离子体模式的等效折射率将随之发生改变，从而造成干涉条纹的漂移，最后根据对该干涉条纹的漂移状态导出待测样品折射率的改变状态。

在本实施例中，若待测样品折射率为n时，干涉条纹的周期d为式(4)：

$d={(\sqrt{\frac{{\mathrm{\ϵ}}_m^{\′}{n}^2}{{\mathrm{\ϵ}}_m^{\′}+n^2}}+\sin \mathrm{\γ})}^{-1}\frac{\mathrm{\λ}}{\sin \mathrm{\α}}---\left(4\right)$

其中ε′_m为薄膜的介电常数的实部，λ为自由空间中的波长，γ为入射光角度。当待测样品折射率改变到(n+Δn)时，Δn为改变值，忽略表面等离子体激发结构4激发表面等离子体相位的变化和入射角度的影响，经推导，其灵敏度S为式(5)：

$S=-\frac{\mathrm{\ΔX}}{\mathrm{\Δn}}=\frac{{\mathrm{\ϵ}}_m^{\′}}{{\mathrm{\ϵ}}_m^{\′}n+n^3}(\frac{L_0}{\sin \mathrm{\α}}+X)---\left(5\right)$

其中X为沿着狭缝3的坐标轴。由于干涉条纹为一余弦曲线，因此，其半高宽为周期的一半，其优值函数FOM为式(6)：

$\mathrm{FOM}=\frac{S}{d/2}=2{\left(\frac{{\mathrm{\ϵ}}_m^{\′}}{{\mathrm{\ϵ}}_m^{\′}+n^2}\right)}^{\frac{3}{2}}\frac{L_0+X\sin \mathrm{\α}}{\mathrm{\λ}}---\left(6\right)$

本实施例的待测样品使用不同浓度的NaCl水溶液来作为不同折射率的介质，由于NaCl水溶液的折射率随浓度线性增加，这里的浓度是指NaCl相对于溶液的质量百分比，当NaCl水溶液浓度分别为0％、1％、2％、3％、4％和5％时，由此提取的6条干涉条纹曲线随着溶液浓度的均匀增加，曲线均匀地向左侧移动，最后其灵敏度S可达4490μm/RIU，优值函数FOM可达205.1。

实施例3

如附图所示，集成的表面等离子体折射率传感器，包括衬底1，该衬底1为熔融石英衬底，在该衬底1的上表面覆盖着通过溅射或电子束蒸发方法镀上的支持表面等离子体传播的薄膜2，该支持表面等离子体传播的薄膜2厚度为250nm，在支持等离子体传播薄膜2的上表面带有利用聚焦离子束刻蚀制备的一个倾斜横向的狭缝3和二十个横向的表面等离子体激发结构4，狭缝3和表面等离子体激发结构4之间的间距L₀为127.7μm，狭缝3的倾斜横向侧面同横向之间的夹角为倾角α，倾角α为1°，所述的一个以上的横向的表面等离子体激发结构4的个数、面形、宽度和深度能够让单色光源在对应的表面等离子体激发结构4上激发表面等离子体，并沿着支持表面等离子体的传播薄膜2传播，最终在狭缝3散射时将导致对衬底1的透射，这部分光束强度同通过狭缝3上时直接透射到衬底1的光束强度之比小于10且大于0.1。所述的支持表面等离子体传播的薄膜2的材料为金。所述的表面等离子体激发结构4的结构为凹槽结构。

所述的集成的表面等离子体折射率传感器的检测分析方法为：在支持表面等离子体传播的薄膜2上搁置待测样品，然后由半导体泵浦的1064nm固体激光器的单色光源从支持表面等离子体传播的薄膜2上方入射，该单色光源的光束通过表面等离子体激发结构4上时，激发支持表面等离子体传播的薄膜2上所支持的表面等离子体，并沿着支持表面等离子体传播的薄膜2表面传播，当传播到狭缝3处时，由于狭缝3的散射将导致衬底1将光束的一部分透射；同时另一方面，光束通过狭缝3上时，光束的一部分会直接透射到衬底1，这两部分透射的光束所形成的信号发生干涉，通过两部分干涉信号强度的一致性而得到高对比度的干涉；加上狭缝3的倾斜横向侧面同横向之间的夹角为倾角α，据此由表面等离子体激发结构4激发并传播至狭缝3的表面等离子体在沿着狭缝3方向上的相位呈线性变化分布，在狭缝3的透射信号能形成一干涉条纹；如果待测样品折射率发生改变，支持表面等离子体传播的薄膜2所支持的表面等离子体模式的等效折射率将随之发生改变，从而造成干涉条纹的漂移，最后根据对该干涉条纹的漂移状态导出待测样品折射率的改变状态。

在本实施例中，若待测样品折射率为n时，干涉条纹的周期d为式(7)：

$d={(\sqrt{\frac{{\mathrm{\ϵ}}_m^{\′}{n}^2}{{\mathrm{\ϵ}}_m^{\′}+n^2}}+\sin \mathrm{\γ})}^{-1}\frac{\mathrm{\λ}}{\sin \mathrm{\α}}---\left(7\right)$

其中ε′_m为薄膜的介电常数的实部，λ为自由空间中的波长，γ为入射光角度。当待测样品折射率改变到(n+Δn)时，Δn为改变值，忽略表面等离子体激发结构4激发表面等离子体相位的变化和入射角度的影响，经推导，其灵敏度S为式(8)：

$S=-\frac{\mathrm{\ΔX}}{\mathrm{\Δn}}=\frac{{\mathrm{\ϵ}}_m^{\′}}{{\mathrm{\ϵ}}_m^{\′}n+n^3}(\frac{L_0}{\sin \mathrm{\α}}+X)---\left(8\right)$

其中X为沿着狭缝3的坐标轴。由于干涉条纹为一余弦曲线，因此，其半高宽为周期的一半，其优值函数FOM为式(9)：

$\mathrm{FOM}=\frac{S}{d/2}=2{\left(\frac{{\mathrm{\ϵ}}_m^{\′}}{{\mathrm{\ϵ}}_m^{\′}+n^2}\right)}^{\frac{3}{2}}\frac{L_0+X\sin \mathrm{\α}}{\mathrm{\λ}}---\left(9\right)$

本实施例的待测样品使用不同浓度的NaCl水溶液来作为不同折射率的介质，由于NaCl水溶液的折射率随浓度线性增加，这里的浓度是指NaCl相对于溶液的质量百分比，当NaCl水溶液浓度分别为0％、1％、2％、3％、4％和5％时，由此提取的6条干涉条纹曲线随着溶液浓度的均匀增加，曲线均匀地向左侧移动，最后其灵敏度S可达5674μm/RIU，优值函数FOM可达245.8。

Claims (4)

1.一种集成的表面等离子体折射率传感器，其特征在于：包括衬底（1），在该衬底（1）的上表面覆盖着通过溅射或电子束蒸发方法镀上的支持表面等离子体传播的薄膜（2），该支持表面等离子体传播的薄膜（2）厚度大于100nm且小于1000nm，在支持表面等离子体传播的薄膜（2）的上表面带有利用聚焦离子束刻蚀或者电子束曝光方式制备的一个倾斜横向的狭缝（3）和一个以上的横向的表面等离子体激发结构（4），狭缝（3）和表面等离子体激发结构（4）之间的间距L₀大于15μm，狭缝（3）的倾斜横向侧面同横向之间的夹角为倾角α，倾角α小于10°，所述的一个以上的横向的表面等离子体激发结构（4）的个数、面形、宽度和深度能够让单色光源在对应的表面等离子体激发结构（4）上激发表面等离子体，并沿着支持表面等离子体传播的薄膜（2）传播，最终在狭缝（3）散射时将导致对衬底（1）的透射，这部分光束强度同通过狭缝（3）上时直接透射到衬底（1）的光束强度之比小于10且大于0.1。

2.根据权利要求1所述的集成的表面等离子体折射率传感器，其特征在于：所述的支持表面等离子体传播的薄膜（2）的材料为金属材料。

3.根据权利要求1或权利要求2所述的集成的表面等离子体折射率传感器，其特征在于：所述的表面等离子体激发结构（4）的结构为凹槽结构、条状结构或者光栅结构。

4.根据权利要求1所述的集成的表面等离子体折射率传感器的检测分析方法，其特征为在支持表面等离子体传播的薄膜（2）上搁置待测样品，然后单色光源从支持表面等离子体传播的薄膜（2）上方入射，该单色光源的光束通过表面等离子体激发结构（4）上时，激发支持表面等离子体传播的薄膜（2）上所支持的表面等离子体，并沿着支持表面等离子体传播的薄膜（2）表面传播，当传播到狭缝（3）处时，由于狭缝（3）的散射将导致衬底（1）处光束的一部分透射；同时另一方面，光束通过狭缝（3）上时，光束的一部分会直接透射到衬底（1），这两部分透射的光束所形成的信号发生干涉，通过两部分参与干涉的光束强度的优化而得到高对比度的干涉信号；加上狭缝（3）的倾斜横向侧面同横向之间的夹角为倾角α，据此由表面等离子体激发结构（4）激发并传播至狭缝（3）的表面等离子体在沿着狭缝（3）方向上的相位呈线性变化分布，在狭缝（3）的透射信号能形成一干涉条纹；如果待测样品折射率发生改变，支持表面等离子体传播的薄膜（2）所支持的表面等离子体模式的等效折射率将随之发生改变，从而造成干涉条纹的漂移，最后根据对该干涉条纹的漂移状态导出待测样品折射率的改变状态。

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