CN108647467A - 基于重离子径迹技术的超表面纳米天线阵列的制造方法及应用 - Google Patents

基于重离子径迹技术的超表面纳米天线阵列的制造方法及应用 Download PDF

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Abstract

本发明公开了基于重离子径迹技术的超表面纳米天线阵列的制造方法及应用，步骤S1：采用时域有限差分仿真软件设计纳米天线阵列；步骤S2：优化超聚焦点的聚焦度；步骤S3：制造基于超表面的纳米天线阵列；步骤S4：超表面的纳米天线阵列结构在生物成像中的应用；步骤S5：通过暗场显微镜目镜及CCD相机观察样品形貌；步骤S6：基于超表面的纳米天线阵列结构在生化检测中的应用；解决了以往报道的完美透镜中存在的能量在光学材料中的损失严重、没有工作距离、没有成像放大作用和只是一维成像的问题。

Description

基于重离子径迹技术的超表面纳米天线阵列的制造方法及 应用
技术领域
本发明涉及天线阵列领域，特别是涉及基于重离子径迹技术的超表面纳米天线阵列的制造方法及应用。
背景技术
随着纳米技术的发展，在纳米量级的光学成像能力的进一步提升势在必行，这将对材料科学、化学和生物等学科起到革命性的推动作用。普通光学显微镜的分辨率由于受到衍射极限的限制，所能达到的极限分辨率λ0/2早已不能满足现代科学研究的需求。尽管后来金斯莱克在1983发明了浸没显微镜，并将分辨率进一步下降到了λ0/2n。但是，由于受到介质折射率n的范围限制，分辨率仍然受到一定限制。最近，已经提出了一些突破亚波长衍射极限分辨率的方法。其中一个是Pendry于2000年提出的基于完美透镜的超分辨成像技术。
近十多年来，基于超表面等离激元的研究取得了重大进展,主要研究被限制在光波长量级或小于光波长的电磁场的问题。电子科技大学物理学院付永启教授实验室研究出一种新型的基于超表面的纳米天线阵列。它可为成像提供纳米量级的光源，突破传统的衍射极限。但到目前为止,对于基于超表面纳米天线阵列,国内外还未见报道,相关技术细节也很少。
已报道的完美透镜存在的不足之处是：1.能量在光学材料中的损失严重；2.没有工作距离；3.没有成像放大作用；4.只是一维成像。由于存在这些缺点，透镜的性能受限，只有当光学光谱范围内的超低损耗和负磁导率的超材料被开发出来，才可能用完美透镜观察图像。而本专利提出的一种新型的基于重离子径迹技术的超表面纳米天线阵列，可产生半高全宽为纳米量级的微小“热点”作为照明光源，理论上，可实现低至λ0/10的成像分辨率，突破了传统的光学衍射极限。避免了以往报道的完美透镜所存在的缺点，减少了能量在光学元件中的损失，阵列表面可以激发出表面等离激元(SPPs)，并在阵列尖端处汇聚收集能量，形成的微小的“热点”就像无数的星星在宇宙中闪耀一般，大大提高了能量的利用效率，并以此作为照明光源，提高了空间的分辨率，有望突破现有技术的瓶颈，对材料科学、化学、生物等学科起到了至关重要的作用。此外，可以实现二维图像成像，远远超越了完美透镜的一维成像，使光学成像的发展有了质的飞跃。其次，基于超表面的纳米天线阵列对超材料的要求降低，不再需要开发出超低损耗和负磁导率的超材料，只需要通过改变结构单元的形状和尺寸、调整结构的位置和形态、改变不同的材料就有可能出现新的电磁场特性和功能，这使得结构更易于优化、加工、生产，更易于开发出新的性能，出现令人惊讶的奇特性质。同时，该结构对不同的分子或者物质具有生物传感器的检测性能，特别是在需要生化传感器检测功能和光学成像的情况下，是可行的选择。利用这一新的纳米天线阵列可用于生物检测、光学成像、医学研究、材料科学等领域，尤其是对聚焦型纳米光子器件的研究有重要的意义，为突破传统的光学衍射极限，提高分辨率提供了一种可行和重要的方式。
发明内容
为解决现有技术中存在的问题，本发明提供了基于重离子径迹技术的超表面纳米天线阵列的制造方法及实现，解决了以往透镜中能量在光学材料中的损失严重、没有工作距离、没有成像放大作用和只是一维成像的问题。
本发明采用的技术方案是：基于重离子径迹技术的超表面纳米天线阵列的制造方法及应用,方法包括如下步骤：
步骤S1：采用时域有限差分仿真软件设计纳米天线阵列，并计算出阵列尖端产生的表面等离激元，形成局部增强的“热点效应”；
步骤S2：根据设计的纳米天线参数，优化“热点效应”超聚焦点的聚焦度；
步骤S3：根据优化后的聚焦度，利用重离子径迹技术进行加工，制造基于超表面的纳米天线阵列；
步骤S4：通过近场扫描光学显微镜的近场测试基于超表面的纳米天线阵列，验证得到生物成像所需的纳米量级的照明光源；
步骤S5：将生物分子或者细胞样品放置在纳米天线阵列结构上，通过暗场显微镜目镜及CCD相机观察样品形貌。
步骤S6：将基于超表面的纳米天线阵列转移到海洋光谱仪上，分别测试在不同浓度的乙醇溶液和丙酮溶液下的光谱数据，获取不同情况的光谱数据，得到其针对不同的分子所具有的生化传感检测功能。
优选地，步骤S4在生物成像的具体应用包括如下步骤：
步骤S41：利用重离子径迹技术加工纳米天线阵列，并将加工好的纳米天线阵列结构放到玻璃基底；
步骤S42：打开近场扫描光学显微镜对纳米天线阵列结构进行近场扫描，将纳米天线阵列结构放到扫描台上，采用532nm的激光在反射模式下垂直照射纳米天线阵列结构，打开配套的软件调整好探针的参数，如共振峰、噪声信号、激励等；
步骤S43：切光纤，并装好光纤，并检查探针是否能够接收激光信号；
步骤S44：通过显微镜目镜，调整好探针跟激光的位置，使两者重合；
步骤S45：选择软件下探针，采用探针扫描整个纳米天线阵列结构；
步骤S46：保存扫描结果，通过WSM软件查看扫描照明光源的结果；
步骤S47：将生物分子或者细胞样品放置在纳米天线阵列结构上，通过暗场显微镜目镜及CCD相机观察样品形貌。
优选地，步骤S5在生化检测方面的具体应用包括如下步骤：
步骤S51：用重离子径迹技术加工纳米天线阵列，并将加工好的纳米天线阵列结构制备到玻璃基底上面；
步骤S52：打开海洋光谱仪对纳米天线阵列结构进行光谱测试，选择乙醇(浓度为96％)跟丙酮(浓度为99.5％)作为测试目标，其中，乙醇的折射率为1.27，丙酮的折射率为1.35，分别配置不同浓度的乙醇溶液跟丙酮溶液；
步骤S53：将纳米天线阵列结构放到光学显微镜的载物台上，选择放大倍率为50倍的物镜，将光源聚焦到纳米天线阵列结构表面；
步骤S54：分别将不同浓度的溶液滴到纳米天线阵列结构表面，通过电脑中配套的软件，收集光谱数据；
步骤S55：保存光谱数据，利用Origin软件处理实验数据。
本发明基于重离子径迹技术的超表面纳米天线阵列的制造方法及应用的有益效果如下：
本发明与已现有的纳米结构相比不仅可实现生物传感器的检测性能，而且，能够提供纳米量级的光源照明，提高分辨率，突破衍射极限。
附图说明
图1为本发明基于重离子径迹技术的超表面纳米天线阵列制造方法及应用的流程图。
图2为本发明基于重离子径迹技术的超表面纳米天线阵列制造方法及应用的生物成像和生化传感器方面的应用效果图。
图3为本发明基于重离子径迹技术的超表面纳米天线阵列的制造方法及应用的在近场扫描显微镜下的近场测试结果图。
图4为本发明基于重离子径迹技术的超表面纳米天线阵列的制造方法及应用生化传感检测图。
附图标记：1-玻璃基底、2-超表面的纳米天线阵列、3-检测细胞、4-光学显微镜、5-海洋光谱仪、6-电脑。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的实施例进行详细说明。
下面对本发明的具体实施方式进行描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。
如图1至图4所示，基于重离子径迹技术的超表面纳米天线阵列的制造方法及应用,方法包括如下步骤：
步骤S1：采用时域有限差分仿真软件设计纳米天线阵列，并计算出阵列尖端产生的表面等离激元，形成局部增强的“热点效应”；
步骤S2：根据设计的纳米天线参数，优化“热点效应”超聚焦点的聚焦度；
步骤S3：根据优化后的聚焦度，利用重离子径迹技术进行加工，制造基于超表面的纳米天线阵列；
步骤S4：通过近场扫描光学显微镜的近场测试基于超表面的纳米天线阵列，验证得到生物成像所需的纳米量级的照明光源；
步骤S5：将生物分子或者细胞样品放置在纳米天线阵列结构上，通过暗场显微镜目镜及CCD相机观察样品形貌。
步骤S6：将基于超表面的纳米天线阵列转移到海洋光谱仪上，分别测试在不同浓度的乙醇溶液和丙酮溶液下的光谱数据，获取不同情况的光谱数据，得到其针对不同的分子所具有的生化传感检测功能。
本实施方案在实施时，如图2所示，实验的表面放着检测细胞3，基于重离子径迹技术的超表面纳米天线阵列2放在玻璃基底1上面，通过光学显微镜4的目镜可以看到细胞高分辨率的成像效果。同时，经过海洋光谱仪5将光谱信息传输到电脑6中，得到光谱图，实现生化传感器的检测功能。
从扫描图3中可看到结构尖端分布着无数纳米量级的微小的“热点”，可作为生物成像应用的照明光源。
本方案的步骤S4在生物成像的具体应用包括如下步骤：
步骤S41：利用重离子径迹技术加工纳米天线阵列，并将加工好的纳米天线阵列结构放到玻璃基底；
步骤S42：打开近场扫描光学显微镜对结构进行近场扫描，将纳米天线阵列结构放到扫描台上，采用532nm的激光在反射模式下垂直照射纳米天线阵列结构，打开配套的软件调整好探针的参数，如共振峰、噪声信号、激励等；
步骤S43：切光纤，并装好光纤，并检查探针是否能够接收激光信号；
步骤S44：通过显微镜目镜，调整好探针跟激光的位置，使两者重合；
步骤S45：选择软件下探针，采用探针扫描整个结构；
步骤S46：保存扫描结果，通过WSM软件查看扫描纳米量级的照明光源结果；
步骤S47：将生物分子或者细胞样品放置在纳米天线阵列结构上，通过暗场显微镜目镜及CCD相机观察样品形貌。
如图4所示，本方案的步骤S5在生化传感器的具体应用包括如下步骤：
步骤S51：用重离子径迹技术加工纳米天线阵列，并将加工好的纳米天线阵列结构制备到玻璃基底上面；
步骤S52：打开海洋光谱仪对结构进行光谱测试，选择乙醇(浓度为96％)跟丙酮(浓度为99.5％)作为测试目标，其中，乙醇的折射率为1.27，丙酮的折射率为1.35，分别配置不同浓度的乙醇溶液跟丙酮溶液；
步骤S53：将结构放到光学显微镜的载物台上，选择放大倍率为50倍的物镜，将光源聚焦到结构表面；
步骤S54：分别将不同浓度的溶液滴到结构表面，通过电脑中配套的软件，收集光谱数据；
步骤S55：保存光谱数据，利用Origin软件处理实验数据。

Claims (3)

1.基于重离子径迹技术的超表面纳米天线阵列的制造方法及应用,其特征在于，所述方法包括如下步骤：
步骤S1：采用时域有限差分仿真软件设计纳米天线阵列，并计算出阵列尖端产生的表面等离激元，形成局部增强的“热点效应”；
步骤S2：根据设计的纳米天线参数，优化“热点效应”超聚焦点的聚焦度；
步骤S3：根据优化后的聚焦度，利用重离子径迹技术进行加工，制造基于超表面的纳米天线阵列；
步骤S4：通过近场扫描光学显微镜的近场测试基于超表面的纳米天线阵列，验证生物成像所需的纳米量级的照明光源；
步骤S5：将生物分子或者细胞样品放置在纳米天线阵列结构上，通过暗场显微镜目镜及CCD相机观察样品形貌。
步骤S6：将基于超表面的纳米天线阵列转移到海洋光谱仪上，分别测试在不同浓度的乙醇溶液和丙酮溶液下的光谱数据，获取不同情况的光谱数据，得到其针对不同的分子所具有的生化传感检测功能。
2.根据权利要求1所述的基于重离子径迹技术的超表面纳米天线阵列的制造方法及应用,其特征在于，所述步骤S4在生物成像的具体应用包括如下步骤：
步骤S41：利用重离子径迹技术加工纳米天线阵列，并将加工好的纳米天线阵列结构放到玻璃基底上；
步骤S42：打开近场扫描光学显微镜对纳米天线阵列结构进行近场扫描，将纳米天线阵列结构放到扫描台上，采用532nm的激光在反射模式下垂直照射纳米天线阵列结构，并设置探针参数；
步骤S43：切光纤，并装好光纤，并检查探针是否能够接收激光信号；
步骤S44：通过显微镜目镜，调整探针跟激光的位置，使两者重合；
步骤S45：选择软件下探针，采用探针扫描整个纳米天线阵列结构；
步骤S46：保存扫描结果，并通过WSM软件查看扫描“纳米量级的照明光源”的结果；
步骤S47：将生物分子或者细胞样品放置在纳米天线阵列结构上，通过暗场显微镜目镜及CCD相机观察样品形貌。
3.根据权利要求1所述的基于重离子径迹技术的超表面纳米天线阵列的制造方法及应用,其特征在于，所述步骤S5在海洋光谱仪的具体应用包括如下步骤：
步骤S51：用重离子径迹技术加工纳米天线阵列，并将加工好的纳米天线阵列结构制备到玻璃基底上；
步骤S52：打开海洋光谱仪对纳米天线阵列结构进行光谱测试，选择乙醇溶液跟丙酮溶液作为测试目标；
步骤S53：将纳米天线阵列结构放到光学显微镜的载物台上，选择放大倍率为50倍的物镜，将光源聚焦到纳米天线阵列结构表面；
步骤S54：分别将不同浓度的乙醇溶液和丙酮溶液滴到纳米天线阵列结构表面，并收集光谱数据；
步骤S55：保存光谱数据，利用Origin软件处理实验数据。
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