CN105758821A - 具有超窄线宽光谱响应的高灵敏度超材料纳米传感系统 - Google Patents

具有超窄线宽光谱响应的高灵敏度超材料纳米传感系统 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种超材料纳米传感系统，具体涉及一种具有超窄线宽光谱响应的高灵敏度超材料纳米传感系统，包括沿光路方向依次设置的输入光路、超材料纳米传感单元和输出光路，超材料纳米传感单元包括布拉格光栅和设置在布拉格光栅上方的金属周期阵列。本发明所提供的纳米传感系统具有超窄线宽的光谱响应，有效提高了纳米传感器的灵敏度，在便携式生物传感、药物开发与检测以及环境监测等领域有广泛的应用前景。

Description

具有超窄线宽光谱响应的高灵敏度超材料纳米传感系统
技术领域
本发明涉及一种超材料纳米传感系统，具体涉及一种具有超窄线宽光谱响应的高灵敏度超材料纳米传感系统。
背景技术
纳米传感系统具有无需荧光或放射性同位素标记、实时性强、自动化程度高以及结构紧凑、便于和其他技术联用等特点，在生物传感、药物开发与检测以及环境监测等领域都有重要而广泛的应用前景。
目前，最常用实现纳米传感器的手段是局域表面等离激元共振，基于该效应的传感器已经商用化。实现局域表面等离子体激元共振主要有两种技术途径：金属纳米颗粒结构和周期性金属纳米结构。但是前者的光学响应较弱，杂乱无序的纳米结构群会给光学响应带来干扰，可重复性差。更糟糕的是，其谱宽往往高达几百纳米，灵敏度不高，不利于高精度传感应用。后者的光学信号虽然有明显增强作用并且易于重复实现，但是其谱宽仍然不尽人意，相应的传感器灵敏度偏低，严重制约了纳米传感器的实际应用。
因此，为了进一步提高纳米传感器的灵敏度，亟需采用新手段进一步降低其光谱响应的线宽，使纳米传感器能够用于低浓度小分子等更苛刻条件下的传感检测。
发明内容
为了解决传统纳米传感器光谱带宽大、灵敏度低的技术问题，本发明提供一种结构紧凑、实施方便、具有超窄线宽光谱响应的高灵敏度超材料纳米传感系统。
本发明的技术解决方案是：所提供的具有超窄线宽光谱响应的高灵敏度超材料纳米传感系统包括沿光路方向依次设置的输入光路、超材料纳米传感单元和输出光路，其特殊之处在于：所述超材料纳米传感单元包括布拉格光栅和设置在布拉格光栅上方的金属周期阵列。通过合理调节金属周期阵列及布拉格光栅的结构参数，能够实现超材料纳米传感单元特征阻抗与真空阻抗的完美匹配。
上述布拉格光栅由两种不同材料的电介质层依次交替构成。当满足阻抗完美匹配条件的波长恰好位于布拉格光栅禁带内时，就会在禁带内产生完美吸收现象，即对应位置的反射率和透过率均为零，而吸收率为1。
上述金属周期阵列为亚波长金属周期阵列。金属周期阵列的结构尺寸与工作波长相当或者更小。
上述金属周期阵列为光栅结构、圆柱阵列结构或者立方体阵列结构。采用这三种金属周期阵列结构类型的超材料纳米传感单元都具有较大的传感动态范围，因而当样品折射率变化较大时依然能够保持高灵敏度并正常使用。
上述金属周期阵列中的金属是能够激发表面等离激元和塔姆激元的金属材料，如金或者银等。通过光源入射，能够在金属表面以及金属与布拉格光栅的界面处分别激发表面等离激元和塔姆激元，二者发生耦合从而产生超窄线宽光谱响应。
上述金属周期阵列为一个或者多个。当金属周期阵列为多个时，可以将不同的待测样品注入不同的微流通道并与对应的超材料纳米传感单元中的金属阵列表面接触，同时测试多个不同的样品折射率。
本发明的有益效果在于：
(1)该纳米传感系统具有超窄线宽的光谱响应，有效提高了纳米传感器的灵敏度，在便携式生物传感、药物开发与检测以及环境监测等领域有广泛的应用前景。
(2)该纳米传感系统具有较大的传感动态范围，因而能够用于传感检测折射率变化较大的环境。
(3)该纳米传感系统具有结构紧凑、稳定性好、易于集成以及便于与其他技术联用的优点。
(4)该纳米传感系统的可利用电子束曝光、激光双光束干涉、聚焦离子束刻蚀、纳米压印等成熟的微纳加工技术进行制备，因此成本低廉，易于制作。
附图说明
图1为本发明超材料纳米传感系统较佳实施例的结构示意图；
图2为具有一个金属周期阵列的超材料纳米传感单元的结构示意图；
图3为本发明一个超材料纳米传感单元的透反射光谱；
图4A为具有光栅结构的亚波长金属周期阵列的结构示意图；
图4B为具有圆柱阵列结构的亚波长金属周期阵列的结构示意图；
图4C为具有立方体阵列结构的亚波长金属周期阵列的结构示意图；
图5A为带有光栅结构的超材料纳米传感系统对应不同样品折射率的光谱响应；
图5B为带有光栅结构的超材料纳米传感系统满足阻抗匹配条件的波长与样品折射率关系；
图6A为带有圆柱阵列结构的超材料纳米传感系统对应不同样品折射率的光谱响应；
图6B为带有圆柱阵列结构的超材料纳米传感系统满足阻抗匹配条件的波长与样品折射率关系；
图7A为带有立方体阵列结构的超材料纳米传感系统对应不同样品折射率的光谱响应；
图7B为带有立方体阵列结构的超材料纳米传感系统满足阻抗匹配条件的波长与样品折射率关系；
图8为具有多个金属周期阵列的超材料纳米传感单元的结构示意图。
其中附图标记为：1-光源；2-入射光；3-准直设备；4-光电探测设备；5-出射光；6-显示设备；7-样品；8-金属周期阵列；9-布拉格光栅；10-衬底；11-超材料纳米传感单元；12-输入光路；13-输出光路；14-光栅；15-圆柱阵列；16-立方体阵列。
具体实施方式
如图1所示，本发明提供的具有超窄线宽光谱响应的高灵敏度超材料纳米传感系统的较佳实施例的结构包括输入光路12、输出光路13和超材料纳米传感单元11，其中超材料纳米传感单元11包括自下而上依次设置的衬底10、布拉格光栅9和金属周期阵列8。布拉格光栅9由两种不同材料的电介质层交叠构成。金属周期阵列8是由金、银或其他能够激发表面等离激元和塔姆激元的材料构成的亚波长金属周期阵列。金属周期阵列8的结构尺寸与工作波长相当或者更小。输入光路12包括光源1和准直设备3，准直设备3位于光源1和超材料纳米传感单元11之间；输出光路13包括光电探测设备4和显示设备6，光电探测设备4位于超材料纳米传感单元11和显示设备6之间。入射光源为连续激光光源、扫频光源、白光光源或其他能够激发表面等离激元和塔姆激元的光源。入射光2能够在金属周期阵列8表面以及金属周期阵列8与布拉格光栅9的界面处分别激发表面等离激元和塔姆激元。光电探测设备4应为光谱仪或者具有类似光谱分析功能的设备。显示设备6能够接收光电探测设备提供的信号并分析样品反射光谱与校准前反射光谱的相对变化，对数据计算处理得到样品折射率并将结果由显示屏显示出来。
布拉格光栅9及其上的金属周期阵列8由电子束蒸发镀膜仪、磁控溅射或其他镀膜设备在衬底10上依次制备而成，而后利用电子束曝光、激光双光束干涉、聚焦离子束刻蚀、纳米压印技术或其他微纳加工技术在金属薄膜上制作周期结构，待测样品7通过微流室置于金属周期阵列8的表面。通常在使用前应先对该超材料纳米传感单元进行校准，该校准过程首先在金属周期阵列8表面放置折射率已知的样品，然后调整入射角度θ使得反射光谱的线宽最窄，同时测试该样品的反射光谱并将结果进行记录，通过对比待测样品反射光谱与校准光谱之间的差别获得待测样品的折射率信息。
本发明的工作原理以及具体器件参数如下所述：
对于图2所示的超材料纳米传感单元的结构，可以利用等效传输线模型来描述，根据这一模型，可以将金属周期阵列8、布拉格光栅9中的两种介质层视为等效阻抗，其特征阻抗值分别用Zm、Za和Zb表示，该超材料纳米传感单元的特征阻抗可表示为上述三个等效阻抗的函数：Zsen＝f(Zm,Za,Zb)。通过合理调节金属周期阵列8及布拉格光栅9的结构参数，能够实现超材料纳米传感单元特征阻抗Zsen与真空阻抗Z0的完美匹配，即Zsen＝Z0，如果满足该阻抗完美匹配条件的波长恰好位于布拉格光栅禁带内时，就会在禁带内产生完美吸收现象，即对应位置的反射率和透过率均为零，而吸收率为1。同时入射光能够在金属表面激发表面等离激元，在金属与布拉格光栅的界面处激发塔姆激元，二者会发生耦合从而导致超窄线宽光谱响应的产生，图3所示为超材料纳米传感单元的透反射光谱，其反射光谱半高宽度仅为0.8nm。
如图4A-4C所示，亚波长金属周期阵列可以由光栅14、圆柱阵列15或者立方体阵列16三种结构类型构成。这三种类型的金属周期阵列可以利用电子束曝光、激光双光束干涉、聚焦离子束刻蚀、纳米压印等成熟的微纳加工技术进行制备。
分别对图4A-4C中的金属周期阵列设置结构参数为(d1＝90nm,d2＝100nm,d3＝85nm,p＝278nm,w＝139nm)、(d1＝150nm,d2＝140nm,d3＝80nm,p＝380nm,r＝100nm)、(d1＝150nm,d2＝140nm,d3＝80nm,p＝380nm,w＝200nm)，光源入射角度为30度时，如果放置于金属周期阵列表面的待测样品折射率发生变化，则会改变局域在金属周期阵列表面光场的有效折射率，导致满足阻抗完美匹配的波长(即反射光谱中对应反射率最小波长处)发生漂移，通过测量反射光谱中反射率最小波长的漂移量即可获得金属周期阵列表面样品折射率的变化。三种不同结构的超材料纳米传感单元对应的反射谱线与折射率变化规律的结果如图5-图7所示，其中构成布拉格光栅的两种介质材料分别以SiO2和TiO2为例，衬底是折射率为1.5的电介质材料。由于该超材料纳米传感单元的反射光谱具有超窄的线宽，其品质因数(FigureofMerit,FOM)高达125，具有较高的灵敏度，解决了传统纳米传感器光谱带宽大、灵敏度低的问题。同时三种结构类型的超材料纳米传感单元都具有较大的传感动态范围，因而当样品折射率变化较大时依然能够保持高灵敏度并正常使用。
为了降低传感测试中噪声(如光源噪声、样品温度噪声以及探测器噪声)对结果的影响，可以改变光源的入射角度，调节纳米传感器的工作波长，测试不同入射角度下样品折射率的变化并对结果进行统计平均。
为了能够同时对多个样品的折射率进行测试，可以在一个超材料纳米传感单元中对多个金属周期阵列进行组合使用，如图8所示。利用目前成熟的微流控制技术，将不同的待测样品71-7n注入不同的微流通道并与对应的超材料纳米传感单元中的金属阵列表面接触，入射光可以由一个或多个光源产生，同时入射到各超材料纳米传感单元上表面并被反射，通过光电探测设备接收与分析各反射光束的光谱，并将结果传至显示设备处，由显示设备计算并得出各样品的折射率数值。
本发明所提供的超材料纳米传感系统具有超窄线宽的光谱响应，解决了传统纳米传感器光谱过宽、灵敏度偏低的问题。利用该纳米传感器获得了超窄线宽的光谱响应及较高的灵敏度；通过多个金属周期阵列的组合使用，能够实现同时测试多样品折射率的功能，因此在便携式生物传感、药物检测及环境监测等领域有重要的应用价值。

Claims (9)

1.一种具有超窄线宽光谱响应的高灵敏度超材料纳米传感系统，包括沿光路方向依次设置的输入光路、超材料纳米传感单元和输出光路，其特征在于：所述超材料纳米传感单元包括布拉格光栅和设置在布拉格光栅上方的金属周期阵列。
2.根据权利要求1所述的具有超窄线宽光谱响应的高灵敏度超材料纳米传感系统，其特征在于：所述布拉格光栅由两种不同材料的电介质层依次交替构成。
3.根据权利要求2所述的具有超窄线宽光谱响应的高灵敏度超材料纳米传感系统，其特征在于：所述金属周期阵列为亚波长金属周期阵列。
4.根据权利要求3所述的具有超窄线宽光谱响应的高灵敏度超材料纳米传感系统，其特征在于：所述金属周期阵列为光栅结构、圆柱阵列结构或者立方体阵列结构。
5.根据权利要求4所述的具有超窄线宽光谱响应的高灵敏度超材料纳米传感系统，其特征在于：所述金属周期阵列中的金属是能够激发表面等离激元和塔姆激元的金属材料。
6.根据权利要求1-5中任一所述的具有超窄线宽光谱响应的高灵敏度超材料纳米传感系统，其特征在于：所述金属周期阵列为一个或者多个。
7.根据权利要求6所述的具有超窄线宽光谱响应的高灵敏度超材料纳米传感系统，其特征在于：所述输入光路包括光源和准直设备，所述准直设备位于光源和超材料纳米传感单元之间；所述输出光路包括光电探测设备和显示设备，所述光电探测设备位于超材料纳米传感单元和显示设备之间。
8.根据权利要求7所述的具有超窄线宽光谱响应的高灵敏度超材料纳米传感系统，其特征在于：所述光源为连续激光光源、扫频光源、白光光源或其他能够激发表面等离激元和塔姆激元的光源；所述光电探测设备为光谱仪或其他具有光谱分析功能的设备。
9.根据权利要求8所述的具有超窄线宽光谱响应的高灵敏度超材料纳米传感系统，其特征在于：所述布拉格光栅的下方设置有衬底。
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