CN106290270A - 一种基于u型金属阵列结构的荧光增强结构及系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于U型金属阵列结构的荧光增强结构及系统。首次提出利用能产生高阶磁谐振的U型金属结构增强荧光的方法，通过在玻璃衬底上镀金属薄膜，制作U型金属阵列结构，并且优化结构所被激发出的高阶磁谐振，使谐振峰与荧光分子辐射波段接近，实现对结构表面荧光分子的辐射增强。对于谐振波长附近的荧光辐射强度，可以增强至衬底表面荧光辐射强度的数倍，极大增强了荧光辐射的效果，对于荧光增强技术的发展具有极大的促进作用。

Description

一种基于U型金属阵列结构的荧光增强结构及系统
技术领域
本发明属于光电子领域，尤其涉及一种基于U型金属阵列结构的荧光增强结构及系统。
背景技术
在光电子领域中，利用金属表面等离子谐振，可以显著增强分布在表面附近的荧光分子的荧光辐射强度。这种荧光增强的方式，在光学传感、生物成像、荧光检测标记等领域应用广泛。目前较常用的表面荧光增强技术，采用较特殊的表面形状、金属颗粒团簇产生较强的表面等离激元谐振，或者多种化学基团修饰表面，改变表面物理或者化学性质，使得荧光辐射强度增强。然而这些方法在一定程度上制备复杂，引入其他物质对于荧光分子本身有所污染，荧光辐射增强效果也有待提高。目前寻求一种荧光增强效果显著而且结构制备简单的方法，一直在不断的探索当中。
发明内容
本发明的目的在于针对现有技术的不足，利用纳米金属材料表面等离激元磁谐振特性，提出了一种基于U型金属阵列结构的荧光增强结构及系统。
本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：一种基于U型金属阵列结构的荧光增强结构，该结构包括玻璃衬底，在玻璃衬底上周期性阵列式排布U型金属结构，形成U型金属阵列结构，在玻璃衬底和U型金属结构的表面旋涂荧光分子层。
进一步地，所述玻璃衬底为结构的基本载体，采用各向同性且低色散的光学玻璃。
进一步地，所述玻璃衬底上蒸镀金属膜，将设计的U型结构图案导入至聚焦离子束刻蚀软件中，在金属膜上用离子源发射出的Ga离子刻蚀出设计的U型金属结构，刻蚀完毕通过抽真空将反应的Ga离子和刻蚀掉的金属离子抽走，无需后续化学试剂清洗。
进一步地，单个U型金属结构的尺寸以及周期为亚波长级，对于入射光起主要的调制作用。
进一步地，所述U型金属结构的底边长为150nm，左右两臂长小于150nm，厚度小于50nm，横向周期为230nm，纵向周期为240nm。
进一步地，所述荧光分子层的荧光分子采用激发波长、辐射波长均与所述U型金属阵列结构的高阶磁谐振波长相匹配的材料，荧光分子溶于聚乙烯醇水溶液，旋涂于所述的U型金属结构上。
进一步地，所述荧光分子采用Rhodamine 800，20mg/mL聚乙烯醇(MW16000-23000)水溶液和2mmol/L Rhodamine 800水溶液按1:1体积比混合，旋涂于所述的U型金属结构上，得到10nm～20nm厚的荧光分子层。
一种基于U型金属阵列结构的荧光增强系统，该系统包括光源、荧光增强结构、显微物镜和滤光片；光源通过光纤头引出光点照射在荧光增强结构的荧光分子层上，荧光分子与U型金属结构产生的高阶磁谐振相耦合，增加荧光分子的量子效率，通过显微物镜收集荧光分子层辐射的荧光和其他散射光，并经过物镜后侧的滤光片过滤光源的干扰光，得到增强后的荧光。
进一步地，所述光源为与荧光分子辐射光波段相近的单色激光。
本发明的有益效果是：
1.采用U型金属的结构特殊性，产生高阶磁谐振模式，相比于传统金属结构表面的等离激元谐振中常用的电谐振模式，更有利于减弱荧光分子的淬灭，维持荧光增强的稳定；因此本发明对于促进荧光增强技术的应用和发展具有极大的促进作用。
2.结构制备过程简单，导入设计的U型结构图案至聚焦离子束刻蚀软件中，即可在金属薄膜上用Ga离子刻蚀出所需结构；
3.不引入任何杂质，刻蚀完毕Ga离子被抽走，无需后续化学试剂清洗等易引入新杂质的反应，有利地保证了荧光分子的无污染，保证其化学性质不受干扰。
附图说明
图1为单个U型金属结构的示意图；
图2为实施例1玻璃衬底上的U型金属阵列结构的扫描电子显微镜图；
图3为实施例1有无U型金属结构荧光辐射强度示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明。
本发明提供的一种基于U型金属阵列结构的荧光增强结构，该结构包括玻璃衬底，在玻璃衬底上周期性阵列式排布U型金属结构，形成U型金属阵列结构，在玻璃衬底和U型金属结构的表面旋涂荧光分子层。
进一步地，所述的玻璃衬底为结构的基本载体，采用各向同性且低色散的光学玻璃，，有利于优化U型金属结构参数，使得谐振波长在多数荧光分子辐射波长所在的可见光或近红外波段。
进一步地，所述玻璃衬底上蒸镀金属膜，将设计的U型结构图案导入至聚焦离子束刻蚀软件中，在金属膜上用离子源发射出的Ga离子刻蚀出设计的U型金属结构，刻蚀完毕通过抽真空将反应的Ga离子和刻蚀掉的金属离子抽走。
进一步地，单个U型金属结构的尺寸以及周期为亚波长级，对于入射光起主要的调制作用。
进一步地，所述U型金属结构的底边长为150nm，左右两臂长小于150nm，厚度小于50nm，横向周期为230nm，纵向周期为240nm。
进一步地，所述荧光分子层的荧光分子采用激发波长、辐射波长均与所述U型金属阵列结构的高阶磁谐振波长相匹配的材料，荧光分子溶于聚乙烯醇水溶液，旋涂于所述的U型金属结构上。
进一步地，所述荧光分子采用Rhodamine 800，20mg/mL聚乙烯醇(MW16000-23000)水溶液和2mmol/L Rhodamine 800水溶液按1:1体积比混合，旋涂于所述的U型金属结构上，得到10nm～20nm厚的荧光分子层。
本发明还提供了一种基于U型金属阵列结构的荧光增强系统，该系统包括光源、荧光增强结构、显微物镜和滤光片；光源通过光纤头引出光点照射在荧光增强结构的荧光分子层上，荧光分子与U型金属结构产生的高阶磁谐振相耦合，增加荧光分子的量子效率，通过显微物镜收集荧光分子层辐射的荧光和其他散射光，并经过物镜后侧的滤光片过滤光源的干扰光，得到增强后的荧光。
进一步地，所述光源为与荧光分子辐射光波段相近的单色激光。
实施例1
本实施例1荧光增强结构的制备过程如下：
1)在玻璃衬底上蒸镀一层30nm厚薄金膜，厚度值为优化所得；
2)在所镀金膜上通过聚焦离子束刻蚀，得到周期性阵列式排布的U型金属结构。如图1所示，单个U型金属结构的优化参数为：底边长为s1＝150nm，左右两臂长s2＝140nm,左右两臂宽w＝45nm，臂深d＝70nm，U型金属结构厚度，即金膜厚h＝40nm，横向周期为230nm，纵向周期为240nm。为方便显微镜观察，所刻U型金属结构阵列范围为16μm×17μm，如图2所示。
3)将20mg/mL聚乙烯醇水溶液和2mmol/L Rhodamine 800水溶液按1:1体积比混合，所得溶液旋涂在玻璃衬底和U型金属结构的表面，调整转速得到10nm～20nm厚的荧光分子层。
本实施例1荧光增强系统的工作方式如下：
采用671nm激光作为光源，通过光纤头引出光点照射在荧光增强结构的荧光分子层上，荧光分子与U型金属结构产生的高阶磁谐振相耦合，增加荧光分子的量子效率，通过显微物镜收集荧光分子层辐射的荧光和其他散射光，并经过物镜后侧的滤光片过滤671nm的光源的干扰光，得到增强后的荧光。
通过光谱仪接收滤光片过滤后的光，可以得到荧光辐射光谱。从图3可以看出，经过滤光片后，光谱仪上接收到的辐射光波段在700nm后，且比较增强最大值所对应的光子数可以看出，U型金属阵列结构上辐射的荧光光子数约为1000，而旋涂同样荧光分子层的玻璃，同样的入射条件，辐射的荧光光子数约为70，也就是说相对于自由态的荧光分子，该U型金属阵列结构在706nm处荧光增强了近14倍。

Claims (9)

1.一种基于U型金属阵列结构的荧光增强结构，该结构包括玻璃衬底，其特征在于，在玻璃衬底上周期性阵列式排布U型金属结构，在玻璃衬底和U型金属结构的表面旋涂荧光分子层。
2.根据权利要求1所述的一种基于U型金属阵列结构的荧光增强结构，其特征在于，所述的玻璃衬底为结构的基本载体，采用各向同性且低色散的光学玻璃。
3.根据权利要求1所述的一种基于U型金属阵列结构的荧光增强结构，其特征在于，所述玻璃衬底上蒸镀金属膜，将设计的U型结构图案导入至聚焦离子束刻蚀软件中，在金属膜上用离子源发射出的Ga离子刻蚀出设计的U型金属结构，刻蚀完毕通过抽真空将反应的Ga离子和刻蚀掉的金属离子抽走。
4.根据权利要求1所述的一种基于U型金属阵列结构的荧光增强结构，其特征在于，单个U型金属结构的尺寸以及周期为亚波长级，对于入射光起主要的调制作用。
5.根据权利要求1-4所述的一种基于U型金属阵列结构的荧光增强结构，其特征在于，所述U型金属结构的底边长为150nm，左右两臂长小于150nm，厚度小于50nm，横向周期为230nm，纵向周期为240nm。
6.根据权利要求1所述的一种基于U型金属阵列结构的荧光增强结构，其特征在于，所述荧光分子层的荧光分子采用激发波长、辐射波长均与所述U型金属阵列结构的高阶磁谐振波长相匹配的材料，荧光分子溶于聚乙烯醇水溶液，旋涂于所述的U型金属结构上。
7.根据权利要求6所述的一种基于U型金属阵列结构的荧光增强结构，其特征在于，所述荧光分子采用Rhodamine 800，20mg/mL聚乙烯醇(MW 16000-23000)水溶液和2mmol/LRhodamine 800水溶液按1:1体积比混合，旋涂于所述的U型金属结构上，得到10nm～20nm厚的荧光分子层。
8.一种基于U型金属阵列结构的荧光增强系统，其特征在于，该系统包括光源、权利要求1所述的荧光增强结构、显微物镜和滤光片；光源通过光纤头引出光点照射在荧光增强结构的荧光分子层上，荧光分子与U型金属结构产生的高阶磁谐振相耦合，增加荧光分子的量子效率，通过显微物镜收集荧光分子层辐射的荧光和其他散射光，并经过物镜后侧的滤光片过滤光源的干扰光，得到增强后的荧光。
9.根据权利要求1所述的一种基于U型金属阵列结构的荧光增强系统，其特征在于，所述光源为与荧光分子辐射光波段相近的单色激光。
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