CN105866086A - 一种光学芯片、制作方法及荧光成像系统 - Google Patents

一种光学芯片、制作方法及荧光成像系统 Download PDF

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王茹雪
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Abstract

本发明公开了一种光学芯片、制作方法及荧光成像系统，所述光学芯片基于Tamm耦合发射实现定向出射，所述光学芯片包括：透明基底；位于所述透明基底一表面的布拉格反射层；以及，位于所述布拉格反射层背离所述透明基底一侧的金属膜层；其中，所述金属膜层形成有至少一个通孔，且所述通孔内填充有荧光分子。本发明提供的技术方案，利用布拉格反射层和金属膜层之间产生Tamm等离激元，与荧光分子被激发后出射的荧光耦合，以形成Tamm模式的耦合出射，实现荧光的定向出射；并且对于特定波长的荧光，由于波矢分量很小，能够实现接近垂直于表面的方向出射，本发明提供的光学芯片不仅结构简单，而且加工成本低。

Description

一种光学芯片、制作方法及荧光成像系统
技术领域
本发明涉及荧光技术的生物检测领域，更为具体的说，涉及一种光学芯片、制作方法及荧光成像系统。
背景技术
荧光技术在光学、化学、分子生物学、以及医学等方面有重要应用，如何有效的探测荧光信号是人们重点关注的问题。在自由空间荧光分子发出的荧光是各向同性的，实现荧光的定向辐射是提高荧光探测效率的关键问题之一。近年来，很多近场方法被用来调控荧光的方向性。例如银膜上中心小孔周围刻写周期性环形槽结构，对荧光有很好的定向和波长选择作用；金膜上刻写有限尺寸的六边形阵列，这样的结构也能使位于中心位置的荧光分子的辐射光场以一定方向出射。但是，这些结构的光学芯片都存在着一定的局限性。
发明内容
有鉴于此，本发明提供了一种光学芯片、制作方法及荧光成像系统，利用布拉格反射层和金属膜层之间产生Tamm等离激元，与荧光分子被激发后出射的荧光耦合，实现荧光的定向出射，不仅结构简单，而且加工成本低。
为实现上述目的，本发明提供的技术方案如下：
一种光学芯片，所述光学芯片基于Tamm耦合发射实现定向出射，所述光学芯片包括：
透明基底；
位于所述透明基底一表面的布拉格反射层；
以及，位于所述布拉格反射层背离所述透明基底一侧的金属膜层；
其中，所述金属膜层形成有至少一个通孔，且所述通孔内填充有荧光分子。
可选的，所述布拉格反射层包括：
多个沿所述透明基底至金属反射膜层方向交替设置的第一介质层和第二介质层，且所述布拉格反射层靠近所述透明基底和金属膜层的介质层均为第一介质层；
其中，所述第一介质层的折射率大于所述第二介质层的折射率，且所述布拉格反射层靠近所述金属膜层的第一介质层为缺陷层。
可选的，所述第一介质层为氮化硅层；
所述第二介质层为二氧化硅层。
可选的，所述荧光分子通过溶于溶液、掺杂于树脂材料或标记在生物分子上的方式被填充于所述通孔内。
可选的，所述透明基底为玻璃基底或树脂基底。
可选的，所述金属膜层为银膜。
可选的，所述金属膜层的厚度范围不小于100nm。
相应的，本发明还提供了一种光学芯片的制作方法，应用于制作上述的光学芯片，所述制作方法包括：
提供一透明基底；
在所述透明基底一表面形成布拉格反射层；
在所述布拉格反射层背离所述透明基底一侧形成金属膜层，其中，所述金属膜层形成有至少一个通孔，且所述通孔内填充有荧光分子。
可选的，所述通孔通过聚焦离子束刻蚀于所述金属膜层上；
或者，所述通孔通过纳米压印方式制作于所述金属膜层上。
相应的，本发明还提供了一种荧光成像系统，所述荧光成像系统包括上述光学芯片。
相较于现有技术，本发明提供的技术方案至少具有以下优点：
本发明提供了一种光学芯片、制作方法及荧光成像系统，所述光学芯片基于Tamm耦合发射实现定向出射，所述光学芯片包括：透明基底；位于所述透明基底一表面的布拉格反射层；以及，位于所述布拉格反射层背离所述透明基底一侧的金属膜层；其中，所述金属膜层形成有至少一个通孔，且所述通孔内填充有荧光分子。本发明提供的技术方案，利用布拉格反射层和金属膜层之间产生Tamm等离激元，与荧光分子被激发后出射的荧光耦合，以形成Tamm模式的耦合出射，实现荧光的定向出射；并且对于特定波长的荧光，由于波矢分量很小，能够实现接近垂直于表面的方向出射，本发明提供的光学芯片不仅结构简单，而且加工成本低。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。
图1为本申请实施例提供的一种光学芯片的结构示意图；
图2为本申请实施例提供的另一种光学芯片的结构示意图；
图3为本申请实施例提供的一种光学芯片的效果示意图；
图4为本申请实施例提供的一种光学芯片的制作方法的流程图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
正如背景技术所述，很多近场方法被用来调控荧光的方向性，例如银膜上中心小孔周围刻写周期性环形槽结构，对荧光有很好的定向和波长选择作用；金膜上刻写有限尺寸的六边形阵列，这样的结构也能使位于中心位置的荧光分子的辐射光场以一定方向出射。但是，这些结构的光学芯片都存在着一定的局限性，其主要存在的问题包括：1、结构复杂，上述的光学芯片都具有复杂的表面结构，需要用过表面复杂结构之间的相互作用来实现荧光的调控。2、要求苛刻，表面的周期性结构或阵列结构的尺寸和相对位置都有很精确的要求，这在很大程度上增加了微纳加工制造的困难。3、不易操作，这些光学天线只能对置于表面结构中心位置的而荧光分子进行调控，这就需要精确控制荧光分子的位置。4、损耗大，金属介电常数的虚部很大，利用表面金属结构实现荧光调控的光学芯片，其损耗就很大，降低了荧光探测效率。
基于此，本申请实施例提供了一种光学芯片、制作方法及荧光成像系统，利用布拉格反射层和金属膜层之间产生Tamm等离激元，与荧光分子被激发后出射的荧光耦合，实现荧光的定向出射，不仅结构简单，而且加工成本低。为实现上述目的，本申请实施例提供的技术方案如下，具体结合图1至图4所示，对本申请实施例提供的技术方案进行详细的描述。
参考图1所示，为本申请实施例提供的一种光学芯片的结构示意图，其中，所述光学芯片基于Tamm耦合发射实现定向出射，所述光学芯片包括：
透明基底100；
位于所述透明基底100一表面的布拉格反射层200；
以及，位于所述布拉格反射层200背离所述透明基底100一侧的金属膜层300；
其中，所述金属膜层300形成有至少一个通孔310，且所述通孔310内填充有荧光分子320。
由于布拉格反射层与包括有通孔的金属膜层之间会产生Tamm等离激元，且由于金属的负的介电常数和光子晶体布拉格反射的自身禁带，其具有很强的局域性，因此，本申请实施例提供的技术方案，利用布拉格反射层和金属膜层之间产生的Tamm等离激元，与荧光分子被激发后出射的荧光耦合，以形成Tamm模式的耦合出射，实现荧光的定向出射；由于不同波长的荧光对应不同出射角度，因此通过设定特定波长的荧光，由于波矢分量很小，能够实现接近垂直于表面的方向出射。
与现有技术相比，由于本申请提供的技术方案只需要在金属膜层上刻蚀通孔即可，而无需在金属膜层表面制作复杂的表面结构来调控荧光辐射光场，并且，本申请对于通孔的形状、位置、尺寸等均无严格要求，因此本申请提供的光学芯片不仅结构简单，而且加工成本低；另外，由于本申请提供的光学芯片的金属膜层上还可以包括多个独立的通孔，且每个通孔里出射的荧光都能够接近垂直出射，因而可以在同一光学芯片上对多个信号进行探测，从而实现高通量检测。
具体的，参考图2所示，为本申请实施例提供的另一种光学芯片的结构示意图，其中，所述光学芯片包括：
透明基底100、布拉格反射层200和金属膜层300；
以及，所述布拉格反射层200包括：
多个沿所述透明基底100至金属反射膜层300方向X交替设置的第一介质层210和第二介质层220，且所述布拉格反射层200靠近所述透明基底100和金属膜层300的介质层均为第一介质层210；
其中，所述第一介质层210的折射率大于所述第二介质层220的折射率，且所述布拉格反射层220靠近所述金属膜层300的第一介质层为缺陷层211。
在本申请一实施例中，所述第一介质层为氮化硅层；而所述第二介质层为二氧化硅层。此外，在本申请其他实施例中，第一介质层和第二介质层还可以为其他材质，对此本申请实施例不做具体限制，需要根据实际应用进行具体的选取。
需要说明的是，本申请提供的光学芯片，能够通过改变第一介质层和第二介质层的材质，通过改变第一介质层和第二介质层的厚度，以及，通过改变第一介质层和第二介质层的数量，来调控荧光与Tamm等离激元共振耦合的共振峰的位置，以得到不同的荧光波长角度分布图，实现特定波长的小角度出射。因此，本申请实施例对提供的第一介质层和第二介质层的厚度范围不做具体限制，其需要根据实际应用和介质层的材质等因素进行具体的考虑。
可选的，在本申请一实施例中，在所述第一介质层为氮化硅层，而所述第二介质层为二氧化硅层时，除缺陷层外所有第一介质层的厚度可以为55nm，第二介质层的厚度为105nm，而缺陷层的厚度为50nm，且第一介质层和第二介质层的数量总和为13。或者，在本申请其他实施例中，在所述第一介质层为氮化硅层，而所述第二介质层为二氧化硅层时，第一介质层和第二介质层的厚度还可以为其他数值，且第一介质层和第二介质层的数量总和为其他数值。
在本申请上述任意一实施例中，荧光分子需要被填充至通孔内，其中，本申请实施例提供的所述荧光分子可以通过溶于溶液、掺杂于树脂材料或标记在生物分子上等方式被填充于所述通孔内。较佳的，所述溶液可以包括罗丹明B乙醇溶液，而所述树脂材料可以包括聚甲基丙烯酸甲酯。
以及，本申请实施例提供的所述透明基底可以为玻璃基底或树脂基底，或者，为其他透明材质的基底，对此需要根据实际应用进行具体选取。
以及较佳的，本申请实施例提供的所述金属膜层为银膜；其中，所述金属膜层的厚度范围不小于100nm，对于金属膜层的厚度本申请不做具体限制，其可以为100nm，还可以为200nm、300nm等，其需要根据金属膜层材质等因素进行具体设计。
下面结合图3对本申请一具体的光学芯片进行进一步的描述。其中，光学芯片的布拉格反射层由氮化硅层和二氧化硅层交替组成，且氮化硅层和二氧化硅层的总数量为13；除缺陷层外氮化硅层的厚度设置为55nm，二氧化硅层的厚度为105nm，缺陷层的厚度为50nm。金属膜层为银膜，且其厚度为200nm；其上通孔为圆柱形通孔，且直径为600nm。荧光分子通过溶于罗丹明B乙醇溶液的方式填充至通孔，且其浓度为10-4mol/L，该光学芯片在波长为577nm处的光有很强的透射，罗丹明B的发射峰在580nm附近。
参考图3所示，为本申请实施例提供的一种光学芯片的效果示意图，其中，a、b和c所对应小图分别表示荧光发射波长为560nm、580nm和600nm时的前焦面的图像，可以看出仅有通孔中的荧光分子被点亮；d、e和f分别表示荧光发射波长为560nm、580nm和600nm时的前焦面的图像，在荧光出射波长为580nm时，与Tamm模式耦合出射的荧光几乎垂直出射。
以及，结合图中g所对应的荧光发射波长对应出射角度分布图，以直观了解不同荧光发射波长时的荧光出射角度，位于通孔中的荧光分子被532nm的激光激发后，出射的荧光与布拉格反射层和银膜界面处的Tamm等离激元耦合，对于不同波长的荧光，会以不同角度辐射出去。用后焦面表征荧光的出射角度，后焦面上的不同位置，对应不同的出射角度，当荧光发射波长为560nm时，荧光的出射角约为17.63度；当荧光发射波长为580nm时，荧光几乎以0度出射；当荧光发射波长为600nm时，不能观察到Tamm模式的耦合出射光。
相应的，本申请实施例还提供了一种光学芯片的制作方法，应用于制作上述任意一实施例提供的光学芯片，参考图4所示，为本申请实施例提供的一种光学芯片的制作方法的流程图，其中，所述制作方法包括：
S1、提供一透明基底；
S2、在所述透明基底一表面形成布拉格反射层；
S3、在所述布拉格反射层背离所述透明基底一侧形成金属膜层，其中，所述金属膜层形成有至少一个通孔，且所述通孔内填充有荧光分子。
在本申请中，对于通孔的制作工艺不做具体限制，其中，在本申请一实施例中，所述通孔可以通过聚焦离子束刻蚀于所述金属膜层上；
或者，在本申请另一实施例中，所述通孔可以通过纳米压印方式制作于所述金属膜层上。
此外，本申请实施例的金属膜层，可以采用磁控溅射真空设备镀膜的方式形成。其中，当金属膜层为银膜时，通过磁控溅射真空设备镀膜的方式能够保证银膜的厚度足够大，以阻止通孔以外的荧光透过，保证探测荧光分子的准确度高。
相应的，本申请实施例还提供了一种荧光成像系统，所述荧光成像系统包括上述任意一实施例提供的光学芯片。
本申请实施例提供了一种光学芯片、制作方法及荧光成像系统，所述光学芯片基于Tamm耦合发射实现定向出射，所述光学芯片包括：透明基底；位于所述透明基底一表面的布拉格反射层；以及，位于所述布拉格反射层背离所述透明基底一侧的金属膜层；其中，所述金属膜层形成有至少一个通孔，且所述通孔内填充有荧光分子。本申请实施例提供的技术方案，利用布拉格反射层和金属膜层之间产生Tamm等离激元，与荧光分子被激发后出射的荧光耦合，以形成Tamm模式的耦合出射，实现荧光的定向出射；并且对于特定波长，由于波矢分量很小，能够实现接近垂直于表面的方向出射，本申请实施例提供的光学芯片不仅结构简单，而且加工成本低。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (10)

1.一种光学芯片，所述光学芯片基于Tamm耦合发射实现定向出射，其特征在于，所述光学芯片包括：
透明基底；
位于所述透明基底一表面的布拉格反射层；
以及，位于所述布拉格反射层背离所述透明基底一侧的金属膜层；
其中，所述金属膜层形成有至少一个通孔，且所述通孔内填充有荧光分子。
2.根据权利要求1所述的光学芯片，其特征在于，所述布拉格反射层包括：
多个沿所述透明基底至金属反射膜层方向交替设置的第一介质层和第二介质层，且所述布拉格反射层靠近所述透明基底和金属膜层的介质层均为第一介质层；
其中，所述第一介质层的折射率大于所述第二介质层的折射率，且所述布拉格反射层靠近所述金属膜层的第一介质层为缺陷层。
3.根据权利要求2所述的光学芯片，其特征在于，所述第一介质层为氮化硅层；
所述第二介质层为二氧化硅层。
4.根据权利要求1所述的光学芯片，其特征在于，所述荧光分子通过溶于溶液、掺杂于树脂材料或标记在生物分子上的方式被填充于所述通孔内。
5.根据权利要求1所述的光学芯片，其特征在于，所述透明基底为玻璃基底或树脂基底。
6.根据权利要求1所述的光学芯片，其特征在于，所述金属膜层为银膜。
7.根据权利要求1所述的光学芯片，其特征在于，所述金属膜层的厚度范围不小于100nm。
8.一种光学芯片的制作方法，其特征在于，应用于制作权利要求1～7任意一项所述的光学芯片，所述制作方法包括：
提供一透明基底；
在所述透明基底一表面形成布拉格反射层；
在所述布拉格反射层背离所述透明基底一侧形成金属膜层，其中，所述金属膜层形成有至少一个通孔，且所述通孔内填充有荧光分子。
9.根据权利要求8所述的制作方法，其特征在于，所述通孔通过聚焦离子束刻蚀于所述金属膜层上；
或者，所述通孔通过纳米压印方式制作于所述金属膜层上。
10.一种荧光成像系统，其特征在于，所述荧光成像系统包括权利要求1～7任意一项所述光学芯片。
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