CN108120697A - 基于纳米线表面等离激元的折射率测量方法及传感器系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于纳米线表面等离激元的折射率测量方法及传感器系统，其方法包括：产生光波；置于待测溶液中的纳米线接收光波，并激发表面等离激元，同时产生散射光；接收散射光，得到散射光的不同散射率峰值对应的波长，并根据峰值的位置来确定待测溶液的折射率。本发明的有益效果：本发明基于纳米线表面等离激元的折射率测量方法及传感器系统利用表面等离激元现象，并通过计算得到散射光的不同散射率峰值对应的波长，并根据峰值的位置来确定待测溶液的折射率。突破了衍射极限，让传感器件的微型化成为可能，使传感器的体积达到纳米级别，结构简单，成本低，便于集成与生物探测，同时具有较高的空间分辨率，具有广阔的市场前景。

Description

基于纳米线表面等离激元的折射率测量方法及传感器系统

技术领域

本发明涉及光学传感器技术领域，特别涉及一种基于纳米线表面等离激元 的折射率测量方法及传感器系统。

背景技术

传感器是20世纪以来最为核心的研究之一，同时也是很多自动化产业发展 的基础，特别是随着计算机技术革命，自动化技术被广泛应用到社会生产实践 中，并且代替人们完成很多费时费力的重复性工作，在这些看似简单的机械运 行中，传感技术就像是一个检查员，随时都在检查机械运行的情况以便于做出 及时的处理。传感器的发展也逐渐被全世界国家的重视，尤其是一些尖端的技 术里面的高灵敏度的传感技术更是被一些发达国家列为核心技术之一。传感器 就如同人们的神经元里面的感受器与传入神经，可以将外界的刺激传入人的大 脑一遍大脑可以做出合适且及时的反应应对外来变化。随着科学技术的不断发 展各种传感器都有孕育而生，如光敏传感器、电流(压)传感器、压力传感器、 陀螺仪都相应的出现了，随着器件的集成化发展越来越快，人们对于传感器的 发展方向逐渐趋向于微小化、智能化、抗干扰等。

光学传感器由于具有响应快、灵敏度高、便于使用等一系列的特点逐渐成 为传感器研究的焦点内容，随之而来关于光纤折射率传感器、光栅镀层传感器 等很多非常灵敏的传感器的研究，其中包含一些列新的原理、仿生技术等新型 传感技术，这些器件大多为阵列排布，相对而言体积较大，且不利于集成化。 传感器器件必须结合着处理器来完成对一些外来事情的处理，这些技术也逐渐 应用于社会生产之中。作为20世纪最伟大的科学技术，生物技术的发展也让人 们备受瞩目。生物物质检测作为生物技术的一个重要步骤，也为人们所关注， 但是生物基质材料的检测需要非常微小的探针才能完成，这使得很多传感器都 无法做到的一点，也是生物检测的一个难点之处。基于中空银纳米管的纳米技 术由于其微小的体积、以及其客观的灵敏度，恰好可以弥补这一方面的不足。 使得传感器的嵌入细胞做到微损甚至是无损检测成为可能。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明目的之一在于提供一种操作简单，测量精度 高的基于纳米线表面等离激元的折射率测量方法。该方法包括：

产生光波；

置于待测溶液中的纳米线接收所述光波，并激发表面等离激元，同时产生 散射光；

接收所述散射光，得到所述散射光的不同散射率峰值对应的波长，并根据 峰值的位置来确定所述待测溶液的折射率。

作为本发明的进一步改进，所述产生光波之后，还包括：

将所述光波转化成线偏振光。

作为本发明的进一步改进，所述将所述光波转化成线偏振光，具体包括： 利用线偏振片将所述光波转化成线偏振光。

作为本发明的进一步改进，利用光谱分析仪接收所述散射光。

作为本发明的进一步改进，所述得到所述散射光的不同散射率峰值对应的 波长，具体包括：

通过对所述纳米线表面的散射光进行积分得到所述散射光的不同散射率峰 值对应的波长。

作为本发明的进一步改进，所述纳米线为中空纳米金属、液体填充的金属 纳米线或多层膜结构的纳米线。

本发明目的之二在于提供一种结构简单，集成化程度高，操作方便，测量 精度高的基于纳米线表面等离激元的传感器系统，所述系统包括：

光源，用于产生光波；

纳米线，置于待测溶液中，用于接收所述光波，并激发表面等离激元，同 时产生散射光；

光谱分析装置，用于接收所述散射光，得到所述散射光的不同散射率峰值 对应的波长，并根据峰值的位置得到所述待测溶液的折射率。

作为本发明的进一步改进，所述系统还包括：

线偏振片，用于将所述光波转化成线偏振光。

作为本发明的进一步改进，所述系统还包括：

衬底，所述衬底上设有与所述纳米线匹配的凹槽，所述纳米线置于所述凹 槽中。

作为本发明的进一步改进，所述衬底包括Si衬底和SiO2衬底，所述SiO2 衬底置于所述Si衬底上。

本发明的有益效果：本发明基于纳米线表面等离激元的折射率测量方法及 传感器系统利用表面等离激元现象，并通过计算得到散射光的不同散射率峰值 对应的波长，并根据峰值的位置来确定待测溶液的折射率。突破了衍射极限， 让传感器件的微型化成为可能，使传感器的体积达到纳米级别，结构简单，成 本低，便于集成与生物探测，同时具有较高的空间分辨率，具有广阔的市场前 景和应该前景。

上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术 手段，而可依照说明书的内容予以实施，并且为了让本发明的上述和其他目的、 特征和优点能够更明显易懂，以下特举较佳实施例，并配合附图，详细说明如 下。

附图说明

图1是本发明实施例中基于纳米线表面等离激元的折射率测量方法的示意 图；

图2是本发明实施例中基于纳米线表面等离激元的折射率传感器系统的结 构示意图；

图3(a)是本发明实施例中待测溶液的波长与散射率的关系图；图3(b) 是发明实施例中待测溶液折射率与散射率峰值对应波长的关系图。

标记说明：1、水平平台；2、Si衬底；3、SiO2衬底；4、纳米线；5、待 测溶液；6、光源；7、线偏振片；8、光谱分析仪。

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说明，以使本领域的技术人 员可以更好地理解本发明并能予以实施，但所举实施例不作为对本发明的限定。

表面等离激元是一种当电磁波(光波)入射到金属与介质的表面传播时， 电磁波与金属内部自由电子耦合而形成一种沿着金属表面传播的近场电磁波， 当电子的振荡频率与入射光波的频率一致就会产生共振，在共振状态下电磁场 的能量被有效地转变为金属表面自由电子的集体振动能，这时就形成的一种特 殊的电磁模式:电磁场被局限在金属表面很小的范围内并发生增强的现象。表面 等离激元现象使得衍射极限得以突破，同时也让传感器件的微型化成为可能。

如图1所示，为本发明基于纳米线表面等离激元的折射率测量方法，该方 法包括以下步骤：

S10、产生光波；

S20、将所述光波转化成线偏振光；

具体的，利用线偏振片将所述光波转化成线偏振光。由于表面等离激元对 TM波敏感度比较高，光波在经过线偏振片后磁场方向平行于纳米线轴向，电 场方向垂直于纳米线轴向，即得到TM波。

S30、置于待测溶液中的纳米线接收所述光波，并激发表面等离激元，同时 产生散射光；

其中，光照射到纳米线的表面激发表面等离激元，使得纳米线的吸收光的 能力大大增加，在发生光的吸收的同时，也有一部分光会发生散射现象。所述 纳米线可以是金、银、铝等金属，其结构可以为中空纳米金属、液体填充的金 属纳米线、多层膜结构的纳米线或其他结构。

S40、接收所述散射光，得到所述散射光的不同散射率峰值对应的波长，并 根据峰值的位置来确定所述待测溶液的折射率。

其中，利用暗场显微镜对纳米线表面的散射光进行观察，并且通过光谱分 析仪得到散射光的信息，通过对其表面散射光的积分得出其不同波长的散射率 峰值对应的波长，而当周围的待测溶液(折射率)不同时，这些散射率峰值对 应到的波长也不相同，而当周围待测溶液是固定时，这个峰值的位置也是唯一 相对应的，从而可以通过这些峰值的位置来确定的待测溶液的折射率。

如图2所示，为本发明基于纳米线表面等离激元的折射率传感器系统，该 系统包括：水平平台1、Si衬底2、SiO2衬底3、纳米线4、待测溶液5、光源 6、线偏振片7和光谱分析仪8，纳米线3置于待测溶液5中，SiO2衬底3中设 有与纳米线4匹配的凹槽，用于固定纳米线4，纳米线4置于该凹槽中，Si衬 底2置于SiO2衬底3下方。

其中，纳米线4可以是金、银、铝等金属，其结构可以为中空纳米金属、 液体填充的金属纳米线、多层膜结构的纳米线或其他结构。

光源6产生的光波经过偏振片7后变成线偏振光，由于表面等离激元对TM 波敏感度比较高，光波在经过线偏振片后磁场方向平行于纳米线4轴向，电场 方向垂直于纳米线4轴向，即得到TM波；

纳米线4接收该光波，并激发表面等离激元，同时产生散射光，光谱分析 仪8中集成有暗场显微镜，用于观察并接收该散射光，通过对纳米线4表面的 散射光进行积分得到该散射光的不同散射率峰值对应的波长，而当周围的待测 溶液5(折射率)不同时，这些散射率峰值对应到的波长也不相同，而当周围 待测溶液5是固定时，这个峰值的位置也是唯一相对应的，从而可以通过这些 峰值的位置来确定的待测溶液5的折射率。

由于光线不同的波长散射强度不一样，因此在暗场下，当待测溶液改变时 (折射率发上改变)，可以通过暗场显微镜观察可以看到不同颜色的光。在折射 率传感器中，传感器的灵敏度(S)是一个重要的技术指标，在此发明中折射率 传感器灵敏度S可以由下式得出：

其中Δλ是不同的折射率待测溶液的峰值散射率对应的波长的差值，Δn是 这两种待测液体的折射率之差。通过计算后此发明的光学灵敏度可达337 nm/RIU此过程中对纳米线的材料、外径、厚度进行了研究以便使得光学灵敏度 达到最佳，这样就可以有效提高纳米线的灵敏度。

如图3所示，在实验中，我们采用直径为100nm，管壁厚度为10nm的中 空纳米管，通过对不同折射率溶液(n＝1,1.1,1.2,1.3,1.4,1.5)进行测量分析，得到 其波长与散射率的关系，即图(a)，其中横坐标为波长，纵坐标为散射率，n为 折射率，并由图(a)得到图(b)，横坐标为折射率，纵坐标为散射率峰值对应的波 长。图中可以明显看出不同的折射率可以分辨的很清楚，通过光学灵敏度计算 可以得出其光学灵敏度为337nm/RIU，观察其能量场分布，其能量都集中于中 空纳米管的壳层内部，这就是带有明显的表面等离激元的特性。

本发明的有益效果：本发明基于纳米线表面等离激元的折射率测量方法及 传感器系统利用表面等离激元现象，并通过计算得到散射光的不同散射率峰值 对应的波长，并根据峰值的位置来确定待测溶液的折射率。突破了衍射极限， 让传感器件的微型化成为可能，使传感器的体积达到纳米级别，结构简单，成 本低，便于集成与生物探测，同时具有较高的空间分辨率，具有广阔的市场前 景和应该前景。

以上实施例仅是为充分说明本发明而所举的较佳的实施例，本发明的保护 范围不限于此。本技术领域的技术人员在本发明基础上所作的等同替代或变换， 均在本发明的保护范围之内。本发明的保护范围以权利要求书为准。

Claims (10)

1.基于纳米线表面等离激元的折射率测量方法，其特征在于，包括：

产生光波；

置于待测溶液中的纳米线接收所述光波，并激发表面等离激元，同时产生散射光；

接收所述散射光，得到所述散射光的不同散射率峰值对应的波长，并根据峰值的位置来确定所述待测溶液的折射率。

2.如权利要求1所述的基于纳米线表面等离激元的折射率测量方法，其特征在于，所述产生光波之后，还包括：

将所述光波转化成线偏振光。

3.如权利要求2所述的基于纳米线表面等离激元的折射率测量方法，其特征在于，所述将所述光波转化成线偏振光，具体包括：利用线偏振片将所述光波转化成线偏振光。

4.如权利要求1所述的基于纳米线表面等离激元的折射率测量方法，其特征在于，利用光谱分析仪接收所述散射光。

5.如权利要求1所述的基于纳米线表面等离激元的折射率测量方法，其特征在于，所述得到所述散射光的不同散射率峰值对应的波长，具体包括：

通过对所述纳米线表面的散射光进行积分得到所述散射光的不同散射率峰值对应的波长。

6.如权利要求1-5任一所述的基于纳米线表面等离激元的折射率测量方法，其特征在于，所述纳米线为中空纳米金属、液体填充的金属纳米线或多层膜结构的纳米线。

7.基于纳米线表面等离激元的传感器系统，其特征在于，包括：

光源，用于产生光波；

纳米线，置于待测溶液中，用于接收所述光波，并激发表面等离激元，同时产生散射光；

光谱分析装置，用于接收所述散射光，得到所述散射光的不同散射率峰值对应的波长，并根据峰值的位置得到所述待测溶液的折射率。

8.如权利要求7所述的基于纳米线表面等离激元的传感器系统，其特征在于，还包括：

线偏振片，用于将所述光波转化成线偏振光。

9.如权利要求7所述的基于纳米线表面等离激元的传感器系统，其特征在于，还包括：

衬底，所述衬底上设有与所述纳米线匹配的凹槽，所述纳米线置于所述凹槽中。

10.如权利要求9所述的基于纳米线表面等离激元的传感器系统，其特征在于，所述衬底包括Si衬底和SiO2衬底，所述SiO2衬底置于所述Si衬底上。