CN108132232A - 一种表面等离子体共振传感器 - Google Patents

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    • G01N21/552—Attenuated total reflection
    • G01N21/553—Attenuated total reflection and using surface plasmons

Abstract

本发明公开了一种表面等离子体共振传感器，包括耦合棱镜、空气填充层、高折射率介质层、金属薄膜层和单层石墨烯；所述空气填充层位于耦合棱镜之上；所述高折射率介质层附在金属薄膜层的上下两侧，附于金属薄膜层下侧的高折射率介质层与空气填充层相邻；所述单层石墨烯作为生物分子识别层覆盖在位于金属薄膜层上方的高折射率介质层上与待测物接触，在角度调制的模式下检测待测物。与传统的单层金属结构的表面等离子体共振传感器相比，采用了多层介质的结构，在总厚度较小的情况下，有效地提高了传感器的灵敏度，具有较强的使用价值。

Description

一种表面等离子体共振传感器
技术领域
本发明涉及生物传感器领域，具体涉及一种表面等离子体共振传感器。
背景技术
表面等离子体共振(Surface Plasma Resonance，简写为SPR)是一种光学物理现象，当光从介质入射到金属表面，金属表面的电子吸收光会产生振动，产生表面等离子体波。当表面等离子体波频率与光入射波频率一致时，两种波会发生强烈的耦合，此时入射光能量被表面等离体子波吸收，反射光的能量急剧下降，在光谱上表现为一个反射率衰减的尖峰，被称为共振峰；在反射率达到最低时光的入射角度称为共振角。
表面等离子体共振对金属以及金属附近介质的折射率、厚度、等参数变化较为敏感，这些参数的改变同时会引发共振角度的变化，通过共振角的变化可以获得待测物的相关性质。
与普通的分子相互作用检测技术相比，表面等离子体传感器具有检测方便、灵敏度高、能实时检测等优点，SPR对诸如等离子体探测器、生物传感、等离子体增强太阳能电池、光学双稳定性等实际应用具有广阔的前景。但在化学分析与生物分析中，相关表面等离子体传感器的检测灵敏度不能满足对细微变化和微量成份的检测要求。
发明内容
有鉴于此，本发明实施例提供了一种高灵敏度的表面等离子体共振传感器。
为解决上述技术问题，本发明的实施例采用的技术方案是，一种表面等离子体共振传感器，包括耦合棱镜、高折射率的介质层、金属薄膜层和石墨烯层；所述耦合棱镜与所述介质层之间为空气填充层；所述介质层位于所述金属薄膜层的上下两侧，位于所述金属薄膜层下侧的介质层与所述空气填充层相邻；所述石墨烯层位于所述金属薄膜层上侧的介质层的上方。
优选地，所述空气填充层的厚度为10～50nm，所述空气填充层与耦合棱镜之间设有垫圈；所述金属薄膜层与其下方的介质层之间设置垫圈。
优选地，所述金属薄膜层的厚度为5～100nm，所述介质层的层数为1～10层。
优选地，所述耦合棱镜采用BK7玻璃的半球形棱镜，所述耦合棱镜的折射率必须大于等于待测物的折射率。
优选地，所述介质层为二硫化钨(WS2)高折射率的介质层，激发金属薄膜层表面的等离子体波，所述金属薄膜层为铝薄膜层。
与相关技术相比，本发明实施例的有益效果是，采用了高折射率介质层和金属薄膜层的混合结构，在所述金属薄膜层的上下两侧均设置所述高折射率的介质层，不仅有助于在金属表面激发出表面等离子体共振，还能保护金属薄膜不被氧化，采用石墨烯层作为生物分子识别层覆盖在位于金属薄膜层上方的高折射率的介质层上与待测物接触，通过耦合棱镜调节入射角度；在保持传感器总厚度较小的情况下，有效地提高SPR传感器的灵敏度。
附图说明
图1是本发明实施例结构示意图；
图2是本发明实施例的反射率随入射角度变化的曲线示意图；
图3是本发明实施例的反射率随折射率变化的曲线示意图；
图4是本发明实施例的传感器灵敏度随介质层层数变化的曲线示意图。
其中：耦合棱镜10、空气填充层20、下介质层30、金属薄膜层40、上介质层50、石墨烯层60、待测物70。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地描述。
实施例一
请参考图1，本发明的实施例提供了一种表面等离子体共振传感器，包括耦合棱镜10、高折射率的下介质层30和上介质层50、金属薄膜层40和石墨烯层 60；所述耦合棱镜10与所述下介质层30之间为空气填充层20；所述下介质层 30和上介质层50分别位于所述金属薄膜层40的上下两侧；所述石墨烯层60位于所述上介质层50的上方，作为生物分子识别层与待测物70接触；入射光经所述耦合棱镜10发生折射，在角度调制的模式下检测所述表面等离子体共振传感器的灵敏度。
进一步地，所述空气填充层20的厚度为10～50nm，所述空气填充层20与耦合棱镜10之间设有垫圈；所述金属薄膜层40与所述下介质层30之间设置垫圈，以保持所述空气填充层20的厚度不变。
进一步地，所述金属薄膜层40的厚度为5～100nm，所述下介质层30和上介质层50的层数均为1～10层。保证在获得高灵敏度的同时传感器的厚度较小。
进一步地，所述耦合棱镜10采用BK7玻璃的半球形棱镜，所述耦合棱镜 10的折射率必须大于等于待测物的折射率。
进一步地，所述下介质层30和上介质层50为二硫化钨(WS2)高折射率的介质层，用于激发金属薄膜层40表面的等离子体波，所述金属薄膜层40为铝薄膜层。
实施例二
参照附图1，本发明的实施例提供了一种表面等离子体共振传感器，包括耦合棱镜10、高折射率的下介质层30和上介质层50、金属薄膜层40和石墨烯层 60；所述耦合棱镜10与所述下介质层30之间为空气填充层20，所述耦合棱镜 10的材料为BK7玻璃，其折射率为1.5151，所述空气填充层20的折射率为1；所述下介质层30和上介质层50分别位于所述金属薄膜层40的上下两侧，采用二硫化钨，折射率为4.8937+0.3124i，所述金属薄膜层40为铝薄膜层，的折射率为0.0778+5.8535i；所述石墨烯层60位于所述上介质层50的上方，作为生物分子识别层与待测物接触，石墨烯层60为单层，折射率为3.0000+1.1487i，厚度为0.34nm，所述待测物的70初始折射率为1.3300，后变成1.3350，前后折射率差△n＝0.0050；在角度调制的模式下检测所述表面等离子体共振传感器的灵敏度。
通过采用本发明实施例的传感器，在不同角度下的反射率通过菲涅尔方程和传递矩阵法(TMM)计算得到；在反射过程中，切向场的第一个边界被假设为Z1＝0，而最后一个边界的切向场ZN-1则通过公式(1)获得：
公式(1)中，U1和UN-1分别代表了电场的第一层和最后一层，而V1和 VN-1表示磁场中相应的分量。M被认为是N层结构的特征转移矩阵(TM)，可以通过对偏振光(P)的下列关系获得：
公式(2)中，εk和dk分别代表了第k层的介电常数和厚度；θ1和n1分别代表了耦合棱镜10的折射率和耦合棱镜10底部的入射角度；λ和rp分别为入射的p-偏振光的波长和总反射系数，其中q1和qN分别对应第1层的耦合棱镜10 和第N层的待测物70。
因此，可以计算矩阵M的M11、M12、M21和M22的4个元素。只要根据菲勒尔方程(3)，对p-极化入射电磁场的复杂反射系数可以描述为:
最后，公式(3)中，Rp代表了入射的偏振光(p)的反射率：
Rp＝|rp|2 (4)
参照附图2，基于上述满足实施例所述的传感器反射率条件，在共振角度附近出现了一个尖锐的共振峰，该共振峰对被测样品的折射率变化较为敏感，因此可用于传感。当被测样品的折射率改变△n，表面等离子体传感器的共振峰会发生偏移。
参照附图3，实线和虚线分别代表被测样品折射率发生变化△n＝0.005前后各角度下的反射率，灵敏度定义为共振峰的变化率与被测样品折射率变化率的比值。
参照附图4，本发明实施例所提供的表面等离子体共振传感器敏感度随金属薄膜层40的厚度、下介质层30和上介质层50层数的变化，设定所述空气填充层20的厚度d20＝35nm；在不同层数高折射率的下介质层30、上介质层50的变化与不同厚度的金属薄膜层40条件在确定入射角θ时灵敏度的变化，灵敏度最高时，所述下介质层30、上介质层50的层数分别为7层，每一层的厚度为0.80nm；金属薄膜层的厚度d40＝36nm；此时表面等离子体共振传感器的角灵敏度可达到 314.24°/RIU，而对传统的基于金属薄膜的表面等离子体共振传感器的最大角灵敏度为96.37°/RIU；与传统的表面等离子共振传感器比较，本发明实施例的传感器角灵敏度强度提高了3.26倍，且厚度相对减小，可适用于对检测灵敏度要求高的生物化学分析中。
在本文中，所涉及的前、后、上、下等方位词是以附图中零部件位于图中以及零部件相互之间的位置来定义的，只是为了表达技术方案的清楚及方便。应当理解，所述方位词的使用不应限制本申请请求保护的范围。
在不冲突的情况下，本文中上述实施例及实施例中的特征可以相互结合。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种表面等离子体共振传感器，其特征是，包括耦合棱镜、高折射率的介质层、金属薄膜层和石墨烯层；所述耦合棱镜与所述介质层之间为空气填充层；所述介质层位于所述金属薄膜层的上下两侧，位于所述金属薄膜层下侧的介质层与所述空气填充层相邻；所述石墨烯层位于所述金属薄膜层上侧的介质层的上方。
2.根据权利要求1所述的一种表面等离子体共振传感器，其特征是，所述空气填充层的厚度为10～50nm，所述空气填充层与耦合棱镜之间设有垫圈；所述金属薄膜层与其下方的介质层之间设置垫圈。
3.根据权利要求2所述的一种表面等离子体共振传感器，其特征是，所述空气填充层的厚度为35nm。
4.根据权利要求1所述的一种表面等离子体共振传感器，其特征是，所述金属薄膜层的厚度为5～100nm，所述介质层的层数为1～10层。
5.根据权利要求4所述的一种表面等离子体共振传感器，其特征是，所述金属薄膜层的厚度为36nm；所述介质层的层数为7层，其每层厚度为0.80nm。
6.根据权利要求1所述的一种表面等离子体共振传感器，其特征是，所述耦合棱镜采用BK7玻璃的半球形棱镜，所述耦合棱镜的折射率必须大于等于待测物的折射率。
7.根据权利要求1所述的一种表面等离子体共振传感器，其特征是，所述介质层为二硫化钨(WS2)高折射率的介质层，激发金属薄膜层表面的等离子体波，所述金属薄膜层为铝薄膜层。
8.根据权利要求1所述的一种表面等离子体共振传感器，其特征是，传感器不同角度下的反射率通过公式(1)～(6)计算得到；
Rp＝|rp|2 (6)
其中，M为N层结构的特征转移矩阵；M11、M12、M21和M22为矩阵M的4个元素；εk和dk分别为第k层的介电常数和厚度；θ1和n1分别代表了耦合棱镜的折射率和耦合棱镜底部的入射角度；λ和rp分别为入射的p-偏振光的波长和总反射系数；q1和qN分别对应第1层的耦合棱镜和第N层的待测物；Rp为入射的偏振光的反射率。
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