CN103983611B - 一种纳米线阵列干涉传感器及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种纳米线阵列干涉传感器及其制备方法，是在表面长有纳米线阵列的导电玻璃与45°/45°/90°玻璃三棱镜或半圆棱镜耦合，构建基于Kretschmann结构的角度调制型或波长调制型纳米线阵列干涉传感器，本发明制备工艺简单，与表面等离子体共振分析仪相比，大大简化了传感芯片的制作工艺，降低了器件的制作成本，大大提高了对折射率检测的灵敏度。在食品安全、环境监测、医学检验等领域具有广阔的商业化应用前景，有望被广泛推广应用。
Description
技术领域
本发明属于分析传感技术领域，涉及一种纳米线阵列干涉传感器及其制备方法，特别是一种用于探测折射率的纳米线阵列干涉传感器及其制备方法。
背景技术
液体的折射率是一个重要的光学参数和生化反应参数, 是反映液体本质的重要物理参数之一。通过对折射率的测量，可以了解溶液的光学性能和物质的纯度、浓度等许多物理性质，因此折射率的测量在工业生产、环境监测、食品检测、临床检验、药物筛选、冶金及科研等领域有着重要的研究意义与广泛的应用价值，折射率检测方法及器件的研究也越来越多地受到人们的广泛重视。
迄今为止，国内外研究人员设计了很多种不同结构的器件来测量液体的折射率，主要包括阿贝折射仪、表面等离子体共振传感器、长周期光纤光栅传感器、布拉格光纤光栅传感器、法布里-珀罗干涉型传感器、光环共振器、光子晶体光纤、锥形光纤等。如《光电技术应用》2008.23（4）发表了鲁韶华、简水生等合著的《基于长周期光纤光栅的折射率传感器》，《物理学报》2011.60（6）发表了龚元饶、云江等合著的《光纤法布里-珀罗复合结构折射率传感器的灵敏度分析》，《光电子·激光》2011.22（9）发表了唐昌平、朱涛等合著的《基于光子晶体光纤M-Z 干涉仪的折射率传感器研究》。
尽管有关液体折射率测量的研究取得了一定的进展，然而，在测量液体折射率时，这些折射率传感器都存在一些缺点。例如，阿贝折射仪测量方法其测量精度虽然高, 但测量范围受反射棱镜折射率的限制；虽然SPR折射率传感器具有高精度和实时响应的优点,但一般要使用贵金属如银和金，成本较高, 传感芯片需要复杂而特殊的制备过程；长周期光纤光栅传感器对折射率的响应呈现非线性特性,且只对很小的折射率范围敏感，一般在测量折射率1.4 以下的液体时获得的灵敏度不是很理想，此外，长周期光栅一般采用紫外或者飞秒激光制作，成本较高；布拉格光纤光栅传感器中的光场能量大多集中在纤芯，外界环境的变化对纤芯中光场的影响很微弱，其对折射率的灵敏度较低，需要化学腐蚀才能增加其对折射率的灵敏性，但腐蚀会增大光纤表面的粗糙度并大大降低光纤的机械强度，其制造方法相对复杂，不利于实际应用；传统的法布里-珀罗干涉型传感器具有较低的温敏性能，但其可靠性受到液体填充过程中沉积在腔内的污染物的严重影响；新型的法布里-珀罗干涉型传感器采用光纤法珀端面直接测定折射率，避免了腔内容易残留污染物的不利因素，其利用条纹对比度检测液体的折射率，但是条纹对比度的直接读取识别有一定困难，需要复杂的公式对数据处理才能得到对比度；锥形光纤传感器存在本身比较脆弱、机械强度差等特点；光环共振器和光子晶体光纤等器件，也存在结构复杂，造价昂贵，制备工艺复杂，成本过高等不利因素。而且，从这些器件的传感性能来看，折射率灵敏度均不足够高。
发明内容
本发明的目的就是针对上述存在的缺陷而提供一种纳米线阵列干涉传感器及其制备方法。本发明所述的纳米线阵列制备是在导电玻璃表面，制备工艺简单，与表面等离子体共振分析仪相比，大大简化了传感芯片的制作工艺，降低了器件的制作成本，大大提高了对折射率检测的灵敏度。在食品安全、环境监测、医学检验等领域具有广阔的商业化应用前景，有望被广泛推广应用。
本发明的一种纳米线阵列干涉传感器及其制备方法技术方案为，该纳米线阵列干涉传感器，为表面长有纳米线阵列的导电玻璃与45°/45°/90°玻璃三棱镜或半圆棱镜耦合，构建基于Kretschmann结构的角度调制型或波长调制型纳米线阵列干涉传感器，所述的导电玻璃为覆盖有导电薄膜成的玻璃基底，该纳米线阵列干涉传感器由下到上依次包括45°/45°/90°玻璃三棱镜或半圆棱镜、玻璃基底、位于玻璃基底上的导电薄膜和在导电薄膜表面的作为干涉传感层的纳米线阵列，所述的纳米线阵列由生长方向垂直于导电薄膜纳米线平行排列构成。
所述的玻璃基底是石英玻璃基底。
所述的导电薄膜为ZnO导电薄膜、ITO导电薄膜或FTO导电薄膜。
所述的纳米线阵列为TiO2纳米线阵列或ZnO纳米线阵列。
所述的纳米线阵列中纳米线的形状为三角形、圆柱形、四方形、五方形、六方形中的一种。
所述的纳米线阵列中纳米线长度在2nm-10cm之间，纳米线的横截面直径为5-200nm，玻璃基底厚度为1mm-10cm；导电薄膜的厚度为10nm-1μm；纳米线阵列的厚度为2nm-10cm。
所述的一种纳米线阵列干涉传感器的制备方法，包括以下步骤：
①对玻璃基底进行清洁处理；
②在清洁处理后的玻璃基底上制备导电薄膜，获得导电玻璃基底；
③对导电玻璃基底清洁预处理；
④在导电薄膜上制备ZnO纳米线阵列或TiO2纳米线阵列；
⑤将表面长有纳米线阵列的导电玻璃与45°/45°/90°玻璃三棱镜或半圆棱镜耦合，构建基于Kretschmann结构的角度调制型或波长调制型薄膜干涉传感器。
所述的TiO2纳米线阵列或ZnO纳米线阵列制备方法为溶胶-凝胶法、模板法、气相沉积法、磁控溅射法、化学合成法中的一种。
所述的纳米线阵列干涉传感器，其进一步包括在纳米线表面修饰功能材料及其对生化分子的检测。
本发明的有益效果为：本发明所述的纳米线阵列制备是在导电玻璃表面，制备工艺简单，与表面等离子体共振分析仪相比，大大简化了传感芯片的制作工艺。
本发明所述的纳米线阵列干涉传感器与长周期光纤光栅传感器相比，敏感范围较宽，有较好的线性响应关系，对折射率1.4以下的液体灵敏度较为理想。
本发明所述的纳米线阵列干涉传感器与布拉格光纤光栅传感器相比，无需腐蚀，能保持较好的机械强度。
本发明所述的纳米线阵列干涉传感器与法布里-珀罗干涉型传感器相比，无需复杂的公式处理，读取的数据可直接用于判断折射率。
本发明所述的纳米线阵列干涉传感器与表面等离子体共振分析仪相比，避免了金膜的使用，降低了器件的制作成本，即使与其它折射率传感器件相比，其制作成本也较为低廉。
本发明所述的纳米线阵列干涉传感器与表面等离子体共振分析仪相比，大大提高了对折射率检测的灵敏度。
本发明所述的纳米线阵列干涉传感器在食品安全、环境监测、医学检验等领域具有广阔的商业化应用前景，有望被广泛推广应用。
附图说明
图1所示为纳米线阵列基干涉传感器剖面示意图；
图2 所示为纳米线阵列结构剖面示意图。
图中：1、45°/45°/90°玻璃三棱镜，2、玻璃基底，3、导电薄膜，4、纳米线阵列，5、纳米线，6、覆导电薄膜的玻璃基底层。
具体实施方式：
为了更好地理解本发明，下面用具体实例来详细说明本发明的技术方案，但是本发明并不局限于此。
一种基于纳米线阵列干涉传感器，包括45°/45°/90°玻璃三棱镜1或半圆棱镜、玻璃基底2、导电薄膜3、纳米线阵列4。所述的45°/45°/90°玻璃三棱镜1或半圆棱镜是石英玻璃，所述的玻璃基底2是石英玻璃，所述的导电薄膜3位于玻璃基底上，所述的导电薄膜上有作为干涉传感层的纳米线阵列4。所述的导电薄膜3为ZnO导电薄膜、ITO导电薄膜或FTO导电薄膜。所述的纳米线阵列4为ZnO纳米线阵列、TiO2纳米线阵列中的一种。所述的ZnO纳米线阵列或TiO2纳米线阵列由生长方向垂直于导电薄膜的ZnO纳米线或TiO2纳米线平行排列构成。所述的纳米线阵列4中纳米线的表面形状为三角形、圆柱形、四方形、五方形、六方形中的一种。所述的纳米线阵列4中纳米线5长度在2nm-10cm之间，TiO2纳米线或ZnO纳米线的横截面直径为5-200nm。所述的纳米线阵列干涉传感器在TM模式下或TE模式下出现干涉光谱信号或在这两种模式下均出现干涉光谱信号。所述的纳米线阵列干涉传感器，其进一步包括在纳米线表面修饰功能材料及对其生化分子的检测。
一种基于纳米线阵列干涉传感器的制备方法，包括以下步骤：
（1）对玻璃基底2进行洁净处理；
（2）在清洁处理后的玻璃基底2上制备导电薄膜3，得到导电玻璃基底；
（3）对导电玻璃基底进行洁净预处理；
（4）在导电玻璃表面制备纳米线阵列4；
（5）将制备好纳米线阵列4的导电玻璃基底3与三棱镜或半圆棱镜耦合。
所述的玻璃基底2厚度为0.1-10cm；导电薄膜3的厚度为10nm-1μm；纳米线阵列4的厚度为2nm-10cm。
所述的ZnO纳米线阵列、TiO2纳米线阵列的制备方法包括溶胶-凝胶法、模板法、气相沉积法、化学合成法、磁控溅射法。
所述的纳米线阵列干涉传感器是角度调制型或波长调制型纳米线阵列干涉传感器。
实施例１
（1）用丙酮、乙醇、水依次对5cm×5cm×5cm的玻璃基底2冲洗，进行清洁处理；
（2）用磁控溅射ZnO在清洁处理后的玻璃基底2上溅射10nm的ZnO导电薄膜3，得到ZnO导电玻璃基底；
（3）用丙酮、乙醇、水依次对ZnO导电玻璃基底冲洗，进行清洁预处理；
（4）将处理好的ZnO导电玻璃基底放入50ml氯化锌与10ml六胺的混合液，在120℃反应20小时,在ZnO导电玻璃表面制备500nm 的ZnO纳米线阵列4；
（5）将制备好纳米线阵列4的导电玻璃基底3与三棱镜1耦合。
通过进行折射率的探测，从反射光强度的角度看，该纳米线阵列干涉传感器的灵敏度（272,722.04 a.u./RIU），与表面等离子体共振分析仪的灵敏度（28,542.91 a.u./RIU）相比，灵敏度提高了9.55倍。
该纳米线阵列制备是在导电玻璃表面，制备工艺简单，与表面等离子体共振分析仪相比，大大简化了传感芯片的制作工艺。
该纳米线阵列干涉传感器与长周期光纤光栅传感器相比，敏感范围较宽，有较好的线性响应关系，对折射率1.4以下的液体灵敏度较为理想。
该纳米线阵列干涉传感器与布拉格光纤光栅传感器相比，无需腐蚀，能保持较好的机械强度。
该纳米线阵列干涉传感器与法布里-珀罗干涉型传感器相比，无需复杂的公式处理，读取的数据可直接用于判断折射率。
该纳米线阵列干涉传感器与表面等离子体共振分析仪相比，避免了金膜的使用，降低了器件的制作成本，即使与其它折射率传感器件相比，其制作成本也较为低廉。
所述的纳米线阵列干涉传感器在食品安全、环境监测、医学检验等领域具有广阔的商业化应用前景，有望被大规模推广应用。
实施例2
（1）用丙酮、乙醇、水依次对5cm×7cm×8cm的玻璃基底2冲洗，进行清洁处理；
（2）用磁控溅射TiO2在清洁处理后的玻璃基底2上溅射20nm的TiO2导电薄膜3，得到TiO2导电玻璃基底；
（3）用丙酮、乙醇、水依次对TiO2导电玻璃基底冲洗，进行清洁预处理；
（4）将TiO2导电玻璃基底放入50 mL正己烷、10ml盐酸、10ml钛酸丁酯的混合液中，在150℃反应15小时，在TiO2导电玻璃表面制备300nm 的TiO2纳米线阵列4；
（5）将制备好纳米线阵列4的导电玻璃基底3与三棱镜1耦合。
通过进行折射率的探测，该纳米线阵列干涉传感器的灵敏度（3,717.72 nm/RIU）是表面等离子体共振分析仪的灵敏度（2,651.97 nm/RIU）的1.4倍。
该纳米线阵列制备是在导电玻璃表面，制备工艺简单，与表面等离子体共振分析仪相比，大大简化了传感芯片的制作工艺。
该纳米线阵列干涉传感器与长周期光纤光栅传感器相比，敏感范围较宽，有较好的线性响应关系，对折射率1.4以下的液体灵敏度较为理想。
该纳米线阵列干涉传感器与布拉格光纤光栅传感器相比，无需腐蚀，能保持较好的机械强度。
该纳米线阵列干涉传感器与法布里-珀罗干涉型传感器相比，无需复杂的公式处理，读取的数据可直接用于判断折射率。
该纳米线阵列干涉传感器与表面等离子体共振分析仪相比，避免了金膜的使用，降低了器件的制作成本，即使与其它折射率传感器件相比，其制作成本也较为低廉。
所述的纳米线阵列干涉传感器在食品安全、环境监测、医学检验等领域具有广阔的商业化应用前景，有望被广泛推广应用。
Claims (4)
1.一种纳米线阵列干涉传感器，其特征在于，表面长有纳米线阵列的导电玻璃与45°/45°/90°玻璃三棱镜或半圆棱镜耦合，构建基于Kretschmann结构的角度调制型或波长调制型纳米线阵列干涉传感器，所述的导电玻璃为覆盖有导电薄膜成的玻璃基底，该纳米线阵列干涉传感器由下到上依次包括45°/45°/90°玻璃三棱镜或半圆棱镜、玻璃基底、位于玻璃基底上的导电薄膜和在导电薄膜表面的作为干涉传感层的纳米线阵列，所述的纳米线阵列由生长方向垂直于导电薄膜纳米线平行排列构成；
所述的玻璃基底是石英玻璃基底；
所述的导电薄膜为ZnO导电薄膜、ITO导电薄膜或FTO导电薄膜；
所述的纳米线阵列为TiO2纳米线阵列或ZnO纳米线阵列；
所述的纳米线阵列中纳米线长度在2nm-10cm之间，纳米线的横截面直径为5-200nm，玻璃基底厚度为1mm-10cm；导电薄膜的厚度为10nm-1μm；纳米线阵列的厚度为2nm-10cm。
2.根据权利要求1所述的一种纳米线阵列干涉传感器，其特征在于，所述的纳米线阵列中纳米线的形状为三角形、圆柱形、四方形、五方形、六方形中的一种。
3.如权利要求1所述的一种纳米线阵列干涉传感器的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
①对玻璃基底进行清洁处理；
②在清洁处理后的玻璃基底上制备导电薄膜，获得导电玻璃基底；
③对导电玻璃基底清洁预处理；
④在导电薄膜上制备ZnO纳米线阵列或TiO2纳米线阵列；
⑤将表面长有纳米线阵列的导电玻璃与45°/45°/90°玻璃三棱镜或半圆棱镜耦合，构建基于Kretschmann结构的角度调制型或波长调制型薄膜干涉传感器。
4.根据权利要求3所述的一种纳米线阵列干涉传感器的制备方法，其特征在于，所述的TiO2纳米线阵列或ZnO纳米线阵列制备方法为溶胶-凝胶法、模板法、气相沉积法、磁控溅射法、化学合成法中的一种。
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