CN106940296B - 一种基于纳米图案的等离基元折射率传感器的传感方法 - Google Patents

一种基于纳米图案的等离基元折射率传感器的传感方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于纳米图案的等离基元折射率传感器及其传感方法。该传感器是由一层等离基元纳米天线阵列和支撑该天线阵列的平整透明衬底组成，等离基元纳米天线阵列为周期性的阵列结构，其周期为50～1000纳米，厚度为10～100纳米；构成阵列结构的单个纳米天线的尺寸是按一定规律逐渐变化的，且变化范围为10～10000纳米。这种传感器通过成像设备来探测在单色光或白光源照射下，处在待测介质环境中的传感器上等离基元纳米天线阵列的亮度和色彩变化或是共振纳米天线位置的变化来实现介质折射率传感的。本发明具有探测技术简单，灵敏度高且稳定性好，所需检测设备成本低等优点。

Description

一种基于纳米图案的等离基元折射率传感器的传感方法
技术领域
本发明属于光学传感器领域，具体涉及一种基于纳米图案的等离基元折射率传感器及其传感方法。
背景技术
等离基元折射率传感器作为一种低成本且无需标记物的生化探测技术，近年来受到了学术界和产业界的广泛关注。在等离基元折射率传感器中，最主要的有两种：基于局域表面等离基元共振的LSPR传感器和基于传播模式的表面等离基元共振的SPR传感器。
对于LSPR传感器，介质折射率的变化是通过测量透射或反射光谱中共振峰的位移来实现的。而更早商业应用的SPR传感器则是通过测量发生等离基元共振时的反射光衬底表面的夹角变化来实现探测折射率的微小变化。但是这两种等离基元折射率传感器都需要较为复杂的光谱采集设备和与之相应的特别设计的光路系统，从而使得这两种传感技术在诸如实时环境监测、临床快速诊断等领域的应用受到了很大的限制，因为这些领域要求传感设备具有很好的便携性和一定的灵敏度。因此，设计一种便携式的、使用方便的、高灵敏度的等离基元折射率传感器在这些应用领域就显得很必要了。
发明内容
鉴于以上现有技术的情况，本发明的目的在于提供一种基于纳米图案的等离基元折射率传感器及其传感方法，该传感器通过简便的方法能实现高灵敏度的折射率传感，无需复杂的光谱设备和光路设计。
为实现上述目的，本发明折射率传感器采取的技术方案为：
一种基于纳米图案的等离基元折射率传感器，是由一层等离基元纳米天线阵列和支撑该天线阵列的平整衬底组成，所述等离基元纳米天线阵列为周期性的阵列结构，其周期为50～1000 纳米，厚度为10～100纳米；其中，构成阵列结构的单个纳米天线的尺寸是按一定规律逐渐变化的，且变化范围为10～10000纳米。
进一步地，所述等离基元纳米天线阵列的材料为金属或半导体。所述等离基元纳米天线阵列的面积为50微米～50毫米。所述平整衬底为透明或者不透明的。所述单个纳米天线的形状为多边形、圆形、椭圆形或任意不规则二维图形。
优选地，构成阵列结构的单个纳米天线的尺寸按照等差数列、等比数列、指数函数或者自然对数函数的规律逐渐变化，变化方向是从纳米阵列的一端向另一端渐变或由纳米阵列的中心向边缘渐变。
本发明实现折射率传感的技术原理：本发明的传感器在白光源或一定波长单色光下，传感器上纳米天线阵列随周围环境折射率变化而呈现出亮度和色彩的变化(对于白光源)或是共振纳米天线位置的变化(对于单色光)；利用的简易视频成像设备来采集纳米天线阵列的图像并结合相应的图像处理软件就可以实现介质折射率的高灵敏度的传感而无需传统等离基元折射率传感器使用的复杂的光谱设备。
本发明所述基于纳米图案的等离基元折射率传感器制备方法包括以下步骤：
(1)利用薄膜沉积技术在平整的透明衬底表面沉积一层纳米级厚度用于制备等离基元纳米天线的金属材料。薄膜沉积技术可以是电子束蒸发沉积，旋转涂覆技术，离子溅射薄膜沉积技术，原子层薄膜沉积技术，自组装技术等。
(2)再利用图案化技术在金属层上制备聚合物材料的特殊设计的渐变纳米条阵列图案。纳米图案化技术可以是电子束光刻技术，纳米压印技术，干涉光刻技术，相分离技术，自组装技术等。
(3)再利用刻蚀技术将聚合物材料的渐变纳米条阵列图案转移到下层金属层上，再用丙酮或氧气等离子体去除残余的聚合物层高，得到透明衬底上渐变的等离基元金属纳米天线阵列，这就是最终制备的基于纳米图案的等离基元折射率传感器。刻蚀技术可以是反应离子刻蚀技术，离子束刻蚀技术，等离子刻蚀技术，化学湿法刻蚀技术等。
利用本发明所述基于纳米图案的等离基元折射率传感器实现折射率传感的方法包括以下步骤：
(1)将所述折射率传感器置于需要进行折射率传感的介质中，使所述等离基元纳米天线阵列与介质充分接触；
(2)使用一定波长的单色光或白光源照射在处于不同折射率介质中传感器表面的等离基元纳米天线阵列上；
(3)利用成像设备采集不同折射率介质中等离基元纳米天线阵列的显微数码图像；对于单色光照射，与入射单色光发生共振的纳米天线阵列在显微图像中呈现出高亮度的区域，而这些高亮度位置会随周围介质折射率的变化而发生变化；对于白光源照射，所述等离基元纳米天线阵列则会在不同折射率介质中呈现出不同亮度和色彩；
(4)利用图像处理软件，定量计算纳米天线阵列亮度和色彩的变化或是阵列中共振的天线位置的变化量，从而实现对周围介质折射率的高灵敏度传感。
进一步地，步骤(2)中，所述单色光的波长为300～1000纳米，所述白光源采用普通白炽灯、卤素灯、氙灯或日光灯。步骤(3)中，所述成像设备为显微镜、显微摄像头、数码摄像头或数码相机。
本发明提供了一种基于纳米图案的等离基元折射率传感器，与现有的等离基元折射率传感器相比具有的有益效果是：
(1)本发明的折射率传感器无需复杂光谱设备和光路系统，只需要图像采集设备和图像处理软件就可以实现对周围介质折射率的探测。
(2)本发明的折射率传感器可用的光源比较宽泛，可使用较为常见的白光源，也可使用单色光源。
(3)本发明的折射率传感器对折射率变化的探测方式比较简单直观，只需要对传感器上纳米天线阵列进行成像和图像分析就可实现，而不需要传统的LSPR或SPR等离基元传感器那些复杂的数据分析过程。
(4)本发明的折射率传感器还具有制备成本低，制备工艺简单成熟，制备效率高，传感器灵敏度高等优点，可广泛用于光电器件，化学检测，环境监测，生物和医学检测等多个领域。
附图说明
图1是本发明基于纳米图案的等离基元折射率传感器结构示意图，其中1-平整衬底，2- 渐变的等离基元纳米天线阵列。
图2是本发明基于纳米图案的等离基元折射率传感器折射率传感原理示意图，其中3-低折射率介质，4-高折射率介质，5-在低折射率介质中一定单色光下发生共振的纳米天线，6-在高折射率介质中一定单色光下发生共振的纳米天线。
图3是本发明实施例的由中心到边缘尺寸渐变的纳米天线阵列图案设计图。
图4是本发明实施例的从一端到另一端尺寸渐变的纳米天线阵列图案设计图。
图5是本发明实施例的中心到边缘尺寸渐变的纳米天线阵列在波长780纳米单色光下不同介质中的显微照片；从左到右折射率不断变大的介质依次为：①空气；②水；③乙二醇；④甲基异丁基甲酮；⑤苯甲醚；⑥二碘甲烷。
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：
实施例1：
本实施例的基于纳米图案的等离基元折射率传感器是在石英片衬底上覆有由一系列长度不同的长方形金纳米天线构成的等离基元纳米天线阵列，纳米天线的宽度为50纳米，长度从中心向外围呈等差数列逐渐增大，每增加一圈，天线长度增加1纳米，阵列的周期是300纳米，中心处天线长度为80纳米，阵列最边缘一圈天线长度为200纳米，金纳米天线厚度为45纳米 (如图1，图3)。
本实施例的基于纳米图案的等离基元折射率传感器的制备方法：
(1)在洁净的透明石英片上用电子束蒸发镀膜沉积一层45纳米厚度的金，再在金层上用旋转涂覆一层70纳米厚度的负性电子束光刻胶。
(2)利用电子束光刻设备制备出上述的中心到边缘渐变的光刻胶纳米条阵列图案。
(3)利用氩离子束刻蚀设备将光刻胶纳米条阵列图案传递到下层金层上，得到相应的金纳米天线阵列图案。
(4)利用氧气等离子体去除多余的负性电子束光刻胶，即得到本实施例所述的基于纳米图案的等离基元折射率传感器。
本实施例的基于纳米图案的等离基元折射率传感器实现折射率传感的具体方法：
(1)将基于纳米图案的等离基元折射率传感器置于需要进行折射率传感的介质中，使传感器上的渐变的等离基元纳米天线阵列与介质充分接触。
(2)使用一定波长的单色光以垂直入射的方向穿过传感器下层的透明石英衬底，照射在渐变的等离基元纳米天线阵列上。
(3)利用成像设备采集单色光下介质中的渐变的等离基元纳米天线阵列显微数码图像，在图像中发生共振的纳米天线会呈现出更高的亮度，对于这里示例的中心到边缘纳米天线逐渐变长的阵列，这些共振的纳米天线会呈现出一个高亮度的共振环。
(4)对于这里示例的中心到边缘纳米天线逐渐变长的阵列，当介质折射率变化时，比如折射率增大时，阵列中所有纳米天线的共振峰都在红移，而入射光波长不变，所有发生共振的纳米天线就会变短，对应于这里设计纳米天线阵列，共振环会向内收缩(如图2，图5)。
(5)利用软件MATLAB计算出每一行每一列像素中亮度最高的像素点的位置，再将这些像素点连接起来就可以确定封闭的共振环的位置，通过MATLAB软件可以计算共振环内的像素点总数，以此来定量计算共振环的面积。通过计算不同折射率介质中，共振环内像素点总数，可以定量计算共振环包围面积随折射率改变而发生的变化量，从而实现折射率的高灵敏度传感。
实施例2：
本实施例的基于纳米图案的等离基元折射率传感器是在硅衬底上覆有由一系列直径不同的圆形的硅纳米天线构成的等离基元纳米天线阵列，纳米天线的直径从阵列一端向另一端呈等比数列逐渐增大，每增加一个周期，天线直径增加1.05倍，阵列一端最小的圆形天线直径为 50纳米，向另一端渐变100个周期，周期为500纳米，硅纳米天线厚度为60纳米(如图4)。
本实施例的基于纳米图案的等离基元折射率传感器的制备方法：
(1)在洁净硅片上用旋转涂覆一层100纳米厚度的负性光刻胶。
(2)利用干涉光刻设备制备出上述的从一端到另一端直径渐变的纳米圆点阵列光刻胶图案。
(3)利用反应离子刻蚀刻蚀设备，使用四氟化碳，三氟甲烷混合气体的等离子体将光刻胶纳米圆点阵列图案传递到下层硅衬底上，得到相应的硅纳米天线阵列图案。
(4)利用氧气等离子体去除多余的光刻胶，即得到本实施例所述的基于纳米图案的等离基元折射率传感器。
本实施例的基于纳米图案的等离基元折射率传感器实现折射率传感的具体方法：
(1)将基于纳米图案的等离基元折射率传感器置于需要进行折射率传感的介质中，使传感器上的渐变的等离基元纳米天线阵列与介质充分接触。
(2)使用白光源以垂直入射的方向穿过硅片介质层照射在渐变的等离基元纳米天线阵列上。
(3)利用成像设备采集白光源下不同折射率介质中的渐变的等离基元纳米天线阵列显微数码图像。
(4)对于这里示例的直径渐变的圆形硅纳米天线阵列，当介质折射率变化时，在白光源不变的情况下，阵列中某个固定位置的色彩亮度和饱和度会发生明显变化。
(5)利用图像处理软件Photoshop计算出阵列中某个位置色彩亮度或饱和度的数值随介质折射率的变化量，从而实现介质折射率的高灵敏度传感。

Claims (7)

1.一种基于纳米图案的等离基元折射率传感器的传感方法，其特征在于，所述折射率传感器是由一层等离基元纳米天线阵列和支撑该天线阵列的平整衬底组成，所述等离基元纳米天线阵列为周期性的阵列结构，其周期为50～1000纳米，厚度为10～100纳米；其中，构成阵列结构的单个纳米天线的尺寸是按照等差数列、等比数列、指数函数或者自然对数函数的规律逐渐变化，变化方向是从纳米阵列的一端向另一端渐变或由纳米阵列的中心向边缘渐变，且变化范围为10～10000纳米；所述传感方法包括如下步骤：
(1)将所述折射率传感器置于需要进行折射率传感的介质中，使所述等离基元纳米天线阵列与介质充分接触；
(2)使用一定波长的单色光或白光源照射在处于不同折射率介质中传感器表面的等离基元纳米天线阵列上；
(3)利用成像设备采集不同折射率介质中等离基元纳米天线阵列的显微数码图像；对于单色光照射，与入射单色光发生共振的纳米天线阵列在显微图像中呈现出高亮度的区域，而这些高亮度位置会随周围介质折射率的变化而发生变化；对于白光源照射，所述等离基元纳米天线阵列则会在不同折射率介质中呈现出不同亮度和色彩；
(4)利用图像处理软件，定量计算纳米天线阵列亮度和色彩的变化或是阵列中共振的天线位置的变化量，从而实现对周围介质折射率的高灵敏度传感。
2.根据权利要求1所述的一种基于纳米图案的等离基元折射率传感器的传感方法，其特征在于，所述等离基元纳米天线阵列的材料为金属或半导体。
3.根据权利要求1所述的一种基于纳米图案的等离基元折射率传感器的传感方法，其特征在于，所述等离基元纳米天线阵列的面积为50微米～50毫米。
4.根据权利要求1所述的一种基于纳米图案的等离基元折射率传感器的传感方法，其特征在于，所述平整衬底为透明或者不透明的。
5.根据权利要求1所述的一种基于纳米图案的等离基元折射率传感器的传感方法，其特征在于，所述单个纳米天线的形状为多边形、圆形或者椭圆形。
6.根据权利要求1所述的一种基于纳米图案的等离基元折射率传感器的传感方法，其特征在于，步骤(2)中，所述单色光的波长为300～1000纳米，所述白光源采用普通白炽灯、卤素灯、氙灯或日光灯。
7.根据权利要求1所述的一种基于纳米图案的等离基元折射率传感器的传感方法，其特征在于，步骤(3)中，所述成像设备为显微镜、显微摄像头、数码摄像头或数码相机。
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