CN105699330B - 基于表面等离激元激光的折射率传感器及探测系统和方法 - Google Patents

基于表面等离激元激光的折射率传感器及探测系统和方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于表面等离激元激光的折射率传感器及探测系统和方法。本发明的折射率传感器包括金属层和增益介质层，增益介质层形成在金属层上；激发光经过待测液体入射至增益介质层，增益介质在激发光的泵浦下产生受激辐射，经由激光腔反馈放大产生表面等离激元激光，该表面等离激元激光的波长和强度与待测液体的折射率有关；本发明的折射率传感器具有很好的小型化优点；强度探测的品质因子可达84000，比其它已知的表面等离激元探测器的强度探测的品质因子高400倍左右；在各种微量物质的检测方面具有巨大优势；制备工艺简单，所用的制备工艺都已成熟，可进行大规模生产制备；具有准确，快速，实时的特点，可用于探测各种动态体系。

Description

基于表面等离激元激光的折射率传感器及探测系统和方法
技术领域
本发明涉及液体折射率探测，具体涉及一种基于表面等离激元激光的折射率传感器及探测系统和方法。
背景技术
表面等离激元SP(Surface Plasmon)是一种局域在金属/介质界面的局域电磁模式，通过将光频段的电磁波与贵金属中的自由电子的振荡耦合，将电磁场的能量限制在更小的尺度内。该模式的振荡频率由贵金属与其周围环境的折射率共同决定，因此对周围环境的折射率非常敏感。通过探测由周围折射率变化引起的等离激元共振模式的变化形成的表面等离激元共振SPR(Surface Plasmon resonance)折射率探测器是一种非接触式的、实时和不需要荧光标记的新型探测器。近20年以来，其在疾病诊断、生物化学研究与应用和环境监控等领域取得了非常大的成功。该探测器中的表面等离激元激发一般通过棱镜耦合或光栅耦合等方式将入射探测光与表面等离激元的传播常数匹配以激发表面等离激元。因此该方法需要精确地调控激射光的入射角度，难以实现集成和小型化。
另外一种表面等离激元，局域型表面等离激元最近被发展用来作为折射率探测器。局域型表面等离激元LSPR(localized surface plasmonresonance)可以通过将激发光直接照射于金属纳米颗粒、金属表面纳米孔或其它纳米结构直接激发。利用局域表面等离激元共振对于特定光波长的吸收，通过观测不同局域环境折射率下激发光的散射谱的变化来进行检测。但是相比于SPR探测器来说，LSPR探测器的灵敏度要低数个量级。只有当待探测物在纳米量级尺度靠近LSPR探测器的时候，其灵敏度才能和SPR探测器相当。
不管对于SPR探测器还是LSPR探测器，用于产生等离激元共振的金属中自由电子的振荡所带来的欧姆损耗，从基本物理原理上来讲，都是进一步提高探测器灵敏度的障碍。由于极高的金属欧姆损耗，在可见和近红外波段SPR和LSPR的谐振线宽大约为几十到上百纳米。其对应的品质因子只有1-10左右，极大地限制了传感器的灵敏度。
激光即受激辐射的光放大(Light Amplification by Stimulated Emission ofRadiation)，激光的波长在腔的形状和增益介质的能级宽度不变的情况下依赖于激光腔内和外界环境的折射率。在激射状态下增益介质的增益补偿了辐射损耗和其它损耗，使得激光的线宽很窄，可小于一纳米，具有很高的品质因子。
发明内容
由于表面等离激元对于折射率具有较高的敏感性，而激光又具有很高的品质因子，如果将二者的优势耦合到传感器探测中，将对生物、化学、医学等相关探测领域的目标样品的准确、快速、实时测量具有非常重要的意义。如在生物探测中，在传感器芯片上修饰链霉亲和素，使其可以结合样品中的生物素，因而可以通过探测折射率的变化，实现对生物素浓度的高灵敏探测。通过类似的方法在医学领域可以进行癌细胞、DNA、RNA浓度的准确，快速，实时测量；在健康领域可以对农药残留，环境污染物进行检测，因此具有极佳的推广范围和应用价值。但是，由于目前很难在室温下产生表面等离激元激光，且很难在溶液中保持稳定激射，因此尚未有基于表面等离激元激光的折射率传感器见诸报道。如何将表面等离激元与激光性能优势耦合，构筑更加小型化和高集成化的新型折射率传感器并实现其高灵敏度的探测是一个难题。
本发明提出了一种基于表面等离激元激光的折射率传感器及探测系统和方法，利用高质量增益介质层以及金属层使得该传感器可以在室温下产生表面等离激元激光，且可在溶液中稳定激射，通过测量产生的表面等离激元激光的波长和强度，实现折射率探测的目的。
本发明的一个目的在于提出一种基于表面等离激元激光的折射率传感器。
本发明的基于表面等离激元激光的折射率传感器包括：金属层和增益介质层；其中，增益介质层形成在金属层上；在增益介质层和金属层的界面上形成表面等离激元模式，此模式在其传播方向遇到增益介质层的边界时获得光学反馈限制从而形成表面等离激元激光腔；待测液体覆盖在增益介质层上；激发光经过待测液体入射至增益介质层，增益介质层在激发光的泵浦下产生受激辐射，经由激光腔反馈放大产生表面等离激元激光，该表面等离激元激光的波长和强度与待测液体的折射率有关。
本发明的折射率传感器可以布置在衬底上；衬底的材料为硅、二氧化硅或蓝宝石。
金属层为金、银和铝其中之一；金属层的厚度大于10nm。通过磁控溅射、电子束蒸发或热蒸镀的方法镀在衬底上。
进一步，本发明还包括绝缘介质层，设置在金属层和增益介质层之间。绝缘介质层为二氟化镁、氟化锂、三氧化二铝和二氧化硅其中之一；厚度在0.1～50nm之间。通过电子束蒸发、原子层沉积的方法沉积在金属层上。
增益介质层采由发光半导体或者掺有激光染料分子的介质形成，以提供光学增益的材料；厚度在20～400nm之间；发光半导体采用硫化镉、硒化镉、氧化锌、砷化镓和磷砷化镓铟中的一种；掺有激光染料分子的介质采用罗丹明或荧光素钠；增益介质层的形状为能够形成反馈的激光腔的形状，如线形、带形、三角形、四边形、多边形和圆形，形成F-P(Fabry–Pérot)激光腔或W-G(Whisper-Gallery)激光腔；发光半导体通过气相沉积法CVD、金属-有机化学气相沉积(MOCVD)、分子束外延(MBE)、水热法等方法进行生长。掺有激光染料分子的介质通过直接掺入或者扩散的方法将染料分子掺入介质中。
本发明采用增益介质层作为增益介质，在激发光的照射下发生电子跃迁，实现粒子数反转，当激发光泵浦功率超过激射阈值时，发生受激辐射，经由激光腔反馈放大产生增益介质层和金属层的界面上表面等离激元模式的激光。
本发明在金属层与增益介质层之间设置低折射率的绝缘介质层，由于其较低的折射率，可以将电场更好的限制在绝缘介质层，同时避免增益介质层中由于被激发光激发产生的光生载流子与金属层中的载流子发生非辐射复合。从而有利于形成表面等离激元激光。
增益介质层作为激光腔，当长度为L时，由其确定的表面等离激元激光波长λ为其中，neff为表面等离激元激光对应的有效折射率，m为表面等离激元激光对应的模式阶数。可通过对激光腔的形状和大小的选择以及增益介质层的选择，使得在激发光激发下，表面等离激元激光对应的模式阶数不发生改变。对于同一个表面等离激元激光模式，即m固定时，波长的大小取决于有效折射率neff，neff又取决于折射率传感器的形状、折射率和位于折射率传感器上的待测液体的折射率大小。由此可见，折射率传感器的折射率一定时，不同的待测液体，对应的表面等离激元激光的波长随之发生改变，从而通过探测表面等离激元激光的波长，得到待测液体的折射率。
利用波长的变化测量折射率时，折射率传感器在波长检测时可具有灵敏度Sλ＝Δλ/Δn和品质因子其中Δn和Δλ分别为待测液体的折射率变化和表面等离激元激光波长的变化，FWHM(full width at half maximum)为测得的表面等离激元激光峰的半高全宽。由于表面等离激元激光具有很高的品质因子，其半高全宽远小于基于LSPR和SPR的折射率传感器，因此本发明的折射率传感器的波长灵敏度和品质因子高于基于LSPR和SPR的折射率传感器。
与此同时，折射率变化造成的表面等离激元激光的峰位的移动使得对于某一固定波长，其强度发生变化，由于产生的表面等离激元激光对应的品质因子很高，且产生的表面等离激元激光的光谱为高斯线型，对应的表面等离激元激光峰半高全宽很窄，峰位的移动会造成某一固定波长的对应的强度发生剧烈变化，表面等离激元激光的强度的改变反映出折射率的变化。本发明中基于表面等离激元激光的折射率传感器，得到的表面等离激元激光的自发辐射背景为高斯线性，利用高斯线性拟合将自发辐射部分减去，得到几乎为零的背景，进一步提高强度探测的灵敏度。利用强度进行折射率探测时，可具有灵敏度SI＝ΔI(λ)/Δn(λ)和品质因子其中Δn(λ)和ΔI(λ)分别为待测液体的折射率变化和表面等离激元激光峰强度的变化，I(λ)为表面等离激元激光峰的强度，基于以上原因，本发明的折射率传感器的强度灵敏度和品质因子远高于基于LSPR和SPR的折射率传感器的强度灵敏值。
本发明的另一个目的在于提供一种基于表面等离激元激光的折射率探测系统。
本发明的基于表面等离激元激光的折射率探测系统包括：折射率传感器、激发光源、用于激发和收集信号的光路和光学探测器；其中，折射率传感器包括金属层和增益介质层；增益介质层形成在金属层上；在增益介质层和金属层的界面上形成表面等离激元模式，此模式在其传播方向遇到增益介质层的边界时获得光学反馈限制从而形成表面等离激元激光腔；待测液体覆盖在增益介质层上；激发光经过待测液体入射至增益介质层，增益介质层在激发光的泵浦下产生受激辐射，经由激光腔反馈放大产生表面等离激元激光，该表面等离激元激光的波长和强度与待测液体的折射率有关；表面等离激元激光被收集信号的光路引入光学探测器；光学探测器测量表面等离激元激光的波长和强度，通过与标准样品的波长和强度进行比较，计算得到待测液体的折射率。
在实际测量过程中，利用该传感器测量一系列已知折射率的标准样品，测量不同待测液体时得到的表面等离激元激光的波长和强度，得到波长或强度与折射率的一一对应关系。该对应关系取决于折射率传感器的形状，尺寸和材料，对于同一个折射率传感器，该对应关系不变，利用该折射率传感器测量待测液体，得到待测液体对应的表面等离激元激光的波长和强度，通过波长或强度与折射率的对应关系，得到待测液体的折射率大小。
进一步，衬底、金属层和绝缘介质层的水平尺寸相同，远大于增益介质层的水平尺寸，这样，在绝缘介质层上设置多块增益介质层，不同的增益介质层上覆盖不同的待测液体，可以一次性测量多种待测液体。
本发明的又一个目的在于提供一种基于表面等离激元激光的折射率探测方法。
本发明的基于表面等离激元激光的折射率探测方法，包括以下步骤：
1)采用已知折射率的标准样品，覆盖在增益介质层上，测量得到所激发的表面等离激元激光的波长和/或强度；
2)将待测液体覆盖在增益介质层上，将激发光入射至增益介质层；
3)在增益介质层和金属层的界面上形成表面等离激元模式，此模式在其传播方向遇到增益介质层的边界时获得光学反馈限制从而形成表面等离激元激光腔；待测液体覆盖在增益介质层上；激发光经过待测液体入射至增益介质层，增益介质层在激发光的泵浦下产生受激辐射，经由激光腔反馈放大产生表面等离激元激光，分析表面等离激元激光的波长和/或强度，与测量参考折射率样品得到的波长和/或强度进行比较，得到待测液体的折射率。
本发明的再一目的在于提供一种基于表面等离激元激光的折射率传感器在微量物质检测以及待测物质动态变化过程检测的应用。
本发明的折射率传感器，不仅仅只适用于液体折射率的探测，也适用于各种微量物质的检测。在增益介质层上通过修饰不同的成分，可以待测液体中的待测微量物质进行特异性结合，待测物质的浓度越高，结合得越多，对于折射率的影响越大，继而可以通过折射率测量的方式对微量物质进行检测。如生物化学领域对于生物素，DNA，RNA，蛋白质等的检测；医学领域对于癌细胞，抗原，抗体等的检测；环境健康领域对于农药残留，环境污染物等的检测。
本发明的折射率传感器具有快速，实时，准确检测折射率的特点，因此可用于折射率动态变化过程的检测，即可用于引起折射率变化的过程的实时检测，如生物体系中蛋白质与蛋白质的结合和分解，抗原与抗体的结合和分解，受体与配体的结合和分解等；化学体系中待测物质作为反应物或生成物动态变化的过程等。
本发明的优点：
(1)本发明的折射率传感器的尺寸为微米量级，其中增益介质层的周长可小至几个微米乃至纳米量级，即此折射率传感器具有很好的小型化优点。
(2)本发明的折射率传感器的底层为衬底，衬底之下无其它结构，也不需要任何光学装置，因此具有很好的可集成性。
(3)本发明的折射率探测系统的强度探测的品质因子可达84000，比其它已知的表面等离激元探测器的强度探测的品质因子高400倍左右，因此本发明的探测系统及其探测方法的前景广阔，尤其在各种微量物质的检测方面具有巨大优势。
(4)本发明的折射率传感器的制备工艺简单，所用的制备工艺都已成熟，可进行大规模生产制备。
(5)本发明的折射率传感器可以很好的与生物、化学、医学、健康等方面的探测相结合；如在生物探测中，在增益介质层的上表面修饰链霉亲和素，使其可以结合样品中的生物素，当生物素浓度发生变化时，结合在增益介质层上的生物素的量发生变化，从而导致折射率发生变化，即折射率的变化反应出生物素浓度的变化，因此可以实现对于生物素浓度准确、快速、实时的测量；在医学探测中，在增益介质层表面修饰抗体，通过与癌细胞表面的抗原发生特异性结合，通过探测其引起的折射率变化探测癌细胞的浓度；通过同样的方法可以进行农药残留、DNA、RNA、环境污染物等相关检测，具有极佳的推广范围和应用价值。
(6)本发明的折射率传感器具有准确，快速，实时的特点，可以用于测量折射率动态的变化，或待测液体中待检测物质的动态变化过程，可用于探测各种动态体系，如生物体系中蛋白质与蛋白质的结合和分解，抗原与抗体的结合和分解，受体与配体的结合和分解等；化学体系中待测物质作为反应物或生成物动态变化的过程等。
附图说明
图1为本发明的基于表面等离激元激光的折射率探测系统的一个实施例的示意图；
图2为本发明的基于表面等离激元激光的折射率传感器的一个实施例的扫描电子显微镜SEM图；
图3为本发明的基于表面等离激元激光的折射率传感器的一个实施例的测量原理图；
图4为本发明的基于表面等离激元激光的折射率探测方法得到的表面等离激元激光的光谱图；
图5为本发明的基于表面等离激元激光的折射率探测方法得到的强度灵敏度随波长的变化。
具体实施方式
下面结合附图，通过具体实施例，进一步阐述本发明。
如图1所示，本实施例的基于表面等离激元激光的折射率探测系统包括：折射率传感器1、激发光源2、聚焦器件4、分光镜3和光谱仪5；其中，折射率传感器1包括衬底11、金属层12、绝缘介质层13、增益介质层14；激发光源2发出的激发光，经分光镜3透射后沿光轴通过聚焦器件4聚焦，入射至待测液体(未图示)覆盖于其上的增益介质层14；增益介质层14中的载流子在激发光的照射下被激发，受激载流子复合产生受激辐射而产生表面等离激元激光；表面等离激元激光被聚焦器件4收集，沿光轴返回，变成平行光，经分光镜3反射后进入光谱仪5。
图2为本实施例折射率传感器的扫描电子显微镜SEM图。如图2所示，衬底11采用二氧化硅；用电子束蒸发的方法在衬底11上蒸镀300nm的金薄膜形成金属层12；用电子束蒸发的方法在金薄膜上蒸镀5nm的二氟化镁作为绝缘介质层13。利用CVD方法生长的硒化镉的单晶纳米块作为增益介质层放置于绝缘介质层13上，此实施例中增益介质层的边长分别为4μm和6μm。
激发光源2发出的激发光经过分光镜3透射后不改变传播方向，沿光轴经过聚焦器件4后入射到增益介质层上，增益介质层作为增益介质，在激发光作用下产生表面等离激元激光，经聚焦器件4收集转变为平行光，再经过分光镜3反射后，传播方向发生偏转，入射到光谱仪5中，测量得到产生的表面等离激元激光的波长和强度。
光谱仪得到表面等离激元激光的波长和强度信息，激光的自发辐射背景对应的波长和强度呈现高斯关系，因此通过高斯线型拟合获得自发辐射背景，将总的表面等离激元激光的信号扣除自发辐射背景，即得到减去自发辐射背景后的光谱图。
图3为测量原理图，其中Δλ为表面等离激元激光的波长变化，ΔI为表面等离激元激光的峰的强度变化。
图4为本实施例得到的表面等离激元激光的光谱图，其中，横坐标为波长，纵坐标为强度(扣除自发辐射)，实心点和空心点分别对应乙醇和丙醇的实际光谱测量数据，实线和虚线分别对应着通过高斯线型拟合得到的激射峰。如图所示，激射峰表现出良好的高斯线型，且对应着不同的折射率的样品，表面等离激元激光的峰位发生了移动，对同一波长，不同折射率样品的光谱强度发生了改变。
利用波长的变化测量折射率时，其品质因子FOM为在本实施例中达到70。
图5为本实施例得到的强度灵敏度随波长的变化，在本实施例中，其强度灵敏度的最大值达到84000。
最后需要注意的是，公布实施例的目的在于帮助进一步理解本发明，但是本领域的技术人员可以理解：在不脱离本发明及所附的权利要求的精神和范围内，各种替换和修改都是可能的。因此，本发明不应局限于实施例所公开的内容，本发明要求保护的范围以权利要求书界定的范围为准。

Claims (16)

1.一种基于表面等离激元激光的折射率传感器，其特征在于，所述折射率传感器包括：金属层和增益介质层；其中，所述增益介质层形成在金属层上；在增益介质层和金属层的界面上形成表面等离激元模式，此模式在其传播方向遇到增益介质层的边界时获得光学反馈限制从而形成表面等离激元激光腔；待测液体覆盖在增益介质层上；激发光经过待测液体入射至增益介质层，增益介质层在激发光的泵浦下产生受激辐射，经由激光腔反馈放大产生表面等离激元激光，该表面等离激元激光的波长和强度与待测液体的折射率有关。
2.如权利要求1所述的折射率传感器，其特征在于，所述折射率传感器布置在衬底上。
3.如权利要求2所述的折射率传感器，其特征在于，所述衬底为硅、二氧化硅或蓝宝石。
4.如权利要求1所述的折射率传感器，其特征在于，所述金属层为金、银和铝其中之一。
5.如权利要求1所述的折射率传感器，其特征在于，所述金属层的厚度大于10nm。
6.如权利要求1所述的折射率传感器，其特征在于，所述增益介质的厚度为20nm～400nm。
7.如权利要求1所述的折射率传感器，其特征在于，所述折射率传感器还包括设置在所述金属层和增益介质层之间的绝缘介质层。
8.如权利要求7所述的折射率传感器，其特征在于，所述绝缘介质层为二氟化镁、氟化锂、三氧化二铝和二氧化硅其中之一。
9.如权利要求7所述的折射率传感器，其特征在于，所述绝缘介质层的厚度为0.1nm至50nm。
10.如权利要求1所述的折射率传感器，其特征在于，所述增益介质层由发光半导体或者掺有激光染料分子的介质形成。
11.如权利要求1所述的折射率传感器，其特征在于，所述增益介质层为线形、带形、多边形和圆形其中之一，以形成激光腔。
12.如权利要求1所述的折射率传感器，其特征在于，所述折射率传感器在波长检测时具有灵敏度Sλ＝Δλ/Δn和品质因子其中Δλ为所述表面等离激元激光的波长变化，Δn为所述待测液体的折射率变化，以及FWHM为所述表面等离激元激光的峰的半高全宽。
13.如权利要求1所述的折射率传感器，其特征在于，所述折射率传感器在强度检测时具有灵敏度SI＝ΔI(λ)/Δn(λ)和品质因子其中ΔI(λ)为所述表面等离激元激光的峰的强度变化，Δn(λ)为所述待测液体的折射率变化，以及I(λ)为所述表面等离激元激光的峰的强度。
14.一种基于表面等离激元激光的折射率探测系统，其特征在于，所述折射率探测系统包括：折射率传感器、激发光源、用于激发和收集信号的光路和光学探测器；其中，折射率传感器包括金属层和增益介质层；增益介质层形成在金属层上；在增益介质层和金属层的界面上形成表面等离激元模式，此模式在其传播方向遇到增益介质层的边界时获得光学反馈限制从而形成表面等离激元激光腔；待测液体覆盖在增益介质层上；激发光源经过待测液体入射至增益介质层，增益介质层在激发光的泵浦下产生受激辐射，经由激光腔反馈放大产生表面等离激元激光，该表面等离激元激光的波长和强度与待测液体的折射率有关；表面等离激元激光被收集信号的光路引入光学探测器；光学探测器测量表面等离激元激光的波长和强度，通过与标准样品的波长和强度进行比较，计算得到待测液体的折射率。
15.一种基于表面等离激元激光的折射率探测方法，其特征在于，所述折射率探测方法，包括以下步骤：
1)采用已知折射率的标准样品，覆盖在增益介质层上，测量得到所激发的表面等离激元激光的波长和/或强度；
2)将待测液体覆盖在增益介质层上，将激发光入射至增益介质层；
3)在增益介质层和金属层的界面上形成表面等离激元模式，此模式在其传播方向遇到增益介质层的边界时获得光学反馈限制从而形成表面等离激元激光腔；待测液体覆盖在增益介质层上；激发光经过待测液体入射至增益介质层，增益介质层在激发光的泵浦下产生受激辐射，经由激光腔反馈放大产生表面等离激元激光，分析表面等离激元激光的波长和/或强度，与测量已知折射率的标准样品得到的波长和/或强度进行比较，得到待测液体的折射率。
16.一种如权利要求1至13任一所述的折射率传感器在微量物质检测以及待测物质动态变化过程检测的应用。
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