CN106546566B - 一种提高荧光物质远场发光效率的金属通道结构 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及金属微米结构，特别是涉及一种半圆形的金属的微米结构。一种提高荧光物质远场发光效率的金属通道结构，在横截面为半圆形或者半椭圆形（可以是大半个圆或者大半个椭圆、规整的半圆或者半椭圆、小半个圆或者小半个椭圆）的通道的内表面镀一层可见光波段全反射金属膜，通道内部填充折射率为1.5的溶液，溶液中填充荧光发光物质，荧光发光物质与可见光波段全反射金属膜不接触，荧光发光物质发出的光经过可见光波段全反射金属膜反射后穿过溶液从横截面为半圆形或者半椭圆形的通道的上部开口射出。本发明可以提高更宽波段的荧光物质的荧光效率。
Description
技术领域
本发明涉及金属微米结构，特别是涉及实现结构和荧光物质在结构的远场距离范围内的高效耦合，以提高在结构远场范围内荧光物质的荧光发光强度结构。
背景技术
荧光在显微镜成像、光学器件、医学研究和诊断，以及生物科学领域都有越来越重要的应用。当荧光物质放置在玻璃表面或者塑料表面时，物质的荧光效率较低，这主要的原因是荧光物质在结构表面会发生散射和吸收。同时科研人员发现当宏观物体减小到纳米尺度时，由于出现明显的表面效应、尺寸效应和量子效应等，将显现出与宏观物质在光学、热学、磁学等领域的不同特征。因此不同的课题组提出了不同的微纳米结构去提高物质的发光效率。
最近研究的结构有光子晶体（PC），光子晶体是由不同介质材料周期性排列的人工介质材料，其主要特性是光子禁带和光子局域。即当光子能量处在带隙内，则光子不能进入该结构。通过设计和制备光子晶体及相应的器件，达到控制光子的目的。也就是光子晶体的出现，使人们控制和操纵光子的梦想变为可能。比如Brian T. Cunningham课题组通过光子晶体与一个光学微腔耦合可以实现将荧光物质的探测极限提高约105倍，但是增强区域也局限在结构的近场范围。我们课题组之前设计了光子晶体级联结构，提高了荧光强度，但同样不能使得荧光增强效果达到结构的远场范围。
近年来，表面等离子激元和局域表面等离子的研究日渐成熟。将其应用于荧光领域，也取得了很多进展。研究发现，荧光团和金属颗粒附近电磁场的近场耦合作用，导致辐射衰减速率的增加和较强的荧光发射。也就是金属纳米粒子内部的自由电子在一定频率的外界电磁场作用下规则运动而产生的表面等离子体共振，极大地增强粒子周围的电磁场。这种效应会增加荧光物种的荧光量子产率、减小荧光寿命等，但是这些结构容易使得荧光物质发生猝灭现象同时荧光增强范围也局限在近场范围。如W.E.Moerner课题组提出了设计一种蝶形的纳米天线，可以使得单个荧光分子的荧光效率提高1342倍，但是该结构的加工难度大、且增强区域主要集中在结构的近场范围；Hironobu Hori课题组通过优化光栅的深度以及改变光栅的剖面来提高荧光物质的荧光效率，相比于玻璃，该结构可以提高30倍左右，但是同样也不能实现荧光物质远场范围的荧光增强。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是：如何增强结构远场距离范围内荧光物质的发光效率。
本发明所采用的技术方案是：一种提高荧光物质远场发光效率的金属通道结构，在横截面为半圆形或者半椭圆形（可以是大半个圆或者大半个椭圆、规整的半圆或者半椭圆、小半个圆或者小半个椭圆）的通道的内表面镀一层可见光波段全反射金属膜，通道内部填充折射率为1.5的溶液，溶液中填充荧光发光物质，荧光发光物质与可见光波段全反射金属膜不接触，荧光发光物质发出的光经过可见光波段全反射金属膜反射后穿过溶液从横截面为半圆形或者半椭圆形的通道的上部开口射出。
作为一种优选方式：溶液是生物样本溶液如生物细胞培养液，荧光发光物质装入生物细胞中，生物细胞悬浮在生物样本溶液中。
作为一种优选方式：荧光发光物质为上转换粒子或胶体量子点。
作为一种优选方式：可见光波段全反射金属膜为金膜。
本发明的有益效果是：本发明提供了一种提高在结构远场范围荧光物质的发光功率的半圆形金属微米结构，荧光物质的发射光谱和半圆形的结构进行高效的耦合，从而提高其在空间远场范围的发光功率，与其他纳米金属结构相比，增强的区域不再仅限于在金属表面，而是可以达到远场范围，与其他光子晶体结构相比，可以提高更宽波段的荧光物质的荧光效率。
附图说明
图1是本发明的结构示意图；
图2是图1的A-A截面示意图；
图3是梯形结构；
图4是倒梯形结构；
图5是半椭圆形结构；
图6是二维Si光子晶体结构；
图7是Si光子晶体的结构的完全禁带图；
图8是波长λ在0.55~0.65μm 范围内，Si和Au的折射率；
图9是本发明在波长λ=0.617μm时x-z平面的电场分布图；
图10是与本发明对比的玻璃平板结构在波长λ=0.617μm时的电场分布图；
图11是与本发明对比的基底材料选用Si光子晶体并刻蚀出半圆形的结构在波长λ=0.617μm时的电场分布图；
图12是与本发明对比结构，将基底刻蚀成半椭圆形，并镀上一层金属Au膜的结构在波长λ=0.617μm时的电场分布图；
图13是本发明及其它对比结构在结构中心某点处激发场强E2随时间的变化图（激发光为TE偏振光，中心波长为980nm）；
图14是本发明及其它对比结构在结构中心某点处激发场强E2随时间的变化图（激发光为TM偏振光，中心波长为980nm）；
图15是本发明及其它对比结构在结构中心某点处激发场强E2随波长的变化图（激发光为TE偏振光，中心波长为980nm）；
图16是本发明及其它对比结构在结构中心某点处激发场强E2随波长的变化图（激发光为TM偏振光，中心波长为980nm）；
图17是处于金属Au的各个结构中距离结构远场范围的荧光物质的荧光发光功率；
图18是处于不含金属Au、基底材料为光子晶体的各个结构中距离结构远场范围荧光物质的荧光发光功率；
图19是本发明结构中，不同发光粒子位置对应的荧光发光功率；
其中，1、可见光波段全反射金属膜，2、溶液，3、荧光发光物质，4、生物细胞，5、通道。
具体实施方式
如图1和图2所示，一种提高荧光物质远场发光效率的金属通道结构，在一个玻璃制造的5cm*5cm*10cm长方体上开一个横截面为半圆形的通道，半圆形的弧度为π（即为一个规整的半圆），直径为3cm，在横截面为半圆形的通道的内表面镀一层厚度为100nm的金膜，通道内部填充折射率为1.5的生物样本溶液，把荧光发光物质装入生物细胞中，生物细胞悬浮在生物样本溶液中，生物细胞与可见金膜不接触，生物细胞与生物样本溶液最好是采集同一类生物，荧光发光物质发出的光经过可见金膜反射后穿过生物样本溶液从横截面为半圆形或者半椭圆形的通道的上部开口射出。荧光发光物质为CdTeMn胶体量子点或者上转换粒子PbGeO3:PbF2:xF2(x=Mg，Ba) 掺入 Pr3+or Yb3+。采用金属结构，可以使得对更宽波段的光有更好的光反射。本发明的目的是为了检测细胞中特定成份是否存在或特定成份的浓度等，目标成份会与荧光发光物质产生反应，进而影响荧光发光，把荧光发光物质导入需要检测的细胞中，即可通过发光的强弱完成对细胞的检测，由于荧光比较弱，因此提高荧光的发光效率显得尤为关键。
半圆形金结构和处于其中的荧光物质有更复杂的干涉、反射和耦合作用，这将产生更多的共振模式，将会对远场荧光增强有重要作用。图3是梯形结构，图4是倒梯形结构，图5是半椭圆形结构，与本发明的横截面的半圆形结构对比可以发现，本发明半圆形结构比其他对比结构在提高远场荧光方面更有优势。
采用金属结构，可以使得对更宽波段的光有更好的光反射。不同的光子晶体有不同的禁带，并且对处于禁带中的光有完全反射的效果，但是完全禁带的范围较窄，对比结构（图2-图5）将基底材料换成二维Si光子晶体，并且不使用金属Au，附图6是采用的二维Si光子晶体结构，所选结构的占空比大概为60%左右，采用平面波法计算出了二维Si光子晶体的禁带范围，同时实现占空比60%以上的光子晶体存在一定的难度，不适用做微流通道，从附图7可以看出，当占空比达到60%左右时，Si光子晶体的TE和TM的完全禁带还是比较小，很难实现宽波段的反射。
本发明及其对比结构中的材料，金属Au以及非金属Si的固有损耗也考虑在内，Au和Si的复折射率如附图8所示，Au以及Si的折射率随波长的变化来源于Palik参数，使用金属Au能够在本发明中实现可见光波段全反射。
附图9、附图10、附图11和附图12分别为荧光物质处于本发明结构、玻璃平板、半圆形光子晶体结构以及半椭圆形金属结构中，波长为617nm时的电场分布图。图中的y轴为通道或玻璃平板的长度方向，x轴和z轴分别为通道或玻璃平板的宽度和高度方向（x和z轴与横截面平行，x轴对应图2中的宽度，z轴对应图2中的高度），通过电场分布图的对比，可以看出，本发明的结构可以更好的与处于其中的荧光物质发光耦合，并增强垂直方向的发光功率，将荧光传播到结构外部的远场空间。
附图13、附图14为平面激发光，中心波长为980nm，分别为TE、TM偏振时，本发明结构及其对比结构在空间某点处的电场强度E2随着时间的变化，通过对时间的监控，可以看到光在各个结构中的传播情况，所有结构都比玻璃平板结构的电场强度强，并且衰减慢，有利于激发荧光。
附图15、附图16为平面激发光，分别为TE、TM偏振时，本发明结构及其对比结构在空间某点处的电场强度E2随着波长的变化。可以看出，在波长980nm左右的光强较大，该波长处场强大，意味着可以更多用于生物检测中激发荧光物质，以上转换粒子为例。
附图17、附图18分别为采用金属Au和光子晶体为基底时，将荧光物质放置于结构中距离结构远场范围内，测量其远场荧光发光功率。可以明显的看出，本发明结构比其他对比结构更能增强荧光物质在空间远场的荧光发光功率。
附图19为本发明结构中，不同发光粒子位置对应的荧光发光功率。可以看出，不论发光粒子在近场或远场距离，发光功率都强于玻璃基底。
以上实施例充分证明了本发明的提高荧光物质远场发光效率的金属通道结构，与对比结构相比，能更好的达到高效的远场荧光增强。
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步地说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之上，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (4)
1.一种提高荧光物质远场发光效率的金属通道结构，其特征在于：在横截面为半圆形或者半椭圆形的通道的内表面镀一层可见光波段全反射的金属膜，通道内部填充折射率为1.5的溶液，溶液中填充荧光发光物质，荧光发光物质与可见光波段全反射金属膜不接触，荧光发光物质发出的光经过可见光波段全反射金属膜反射后穿过溶液从横截面为半圆形或者半椭圆形的通道的上部开口射出。
2.根据权利要求1所述的一种提高荧光物质远场发光效率的金属通道结构，其特征在于：溶液是生物样本溶液，荧光发光物质导入生物细胞中，生物细胞悬浮在生物样本溶液中。
3.根据权利要求1所述的一种提高荧光物质远场发光效率的金属通道结构，其特征在于：荧光发光物质为胶体量子点或者上转换粒子。
4.根据权利要求1所述的一种提高荧光物质远场发光效率的金属通道结构，其特征在于：可见光波段全反射金属膜为金膜。
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