CN109030423A

CN109030423A - 金属纳米槽二维光栅传感器芯片及其在生化测试中的应用

Info

Publication number: CN109030423A
Application number: CN201810825565.1A
Authority: CN
Inventors: 郭宏; 郭军鹏
Original assignee: Kunshan Fustrontium Nano Optical Technology Co Ltd
Current assignee: Kunshan Fustrontium Nano Optical Technology Co Ltd
Priority date: 2018-07-25
Filing date: 2018-07-25
Publication date: 2018-12-18

Abstract

本发明公开了一种基于金属纳米槽二维光栅的等离子生物光学传感器芯片，和一个新的等离子生物光学测试方法。等离子纳米生物芯片由硅片或玻璃片做衬底，金薄膜衬底，金薄膜表面上的纳米槽结构组成。金薄膜采用离子溅射工艺成膜，纳米槽结构采用电子束刻，紫外光刻，或纳米压印工艺及反应离子束蚀刻制造。与现有技术相比，本发明有如下特点：第一，此芯片的局域等离子共振可以通过斜入射来激发。第二，此芯片结构的表面等离子共振频率可通过调整入射光角度以及入射光源的偏正态而变化。第三，此芯片的检测敏感度比其它纳米生物芯片较高，此结构在TM偏正态激发下，通过调节入射光角度，可以提高测量的敏感度。

Description

金属纳米槽二维光栅传感器芯片及其在生化测试中的应用

技术领域

本发明属于生物化学测试领域，具体是一种金属纳米槽二维光栅传感器芯片及其在生物化學测试中的应用。

背景技术

高精度检测生物分子之间的相互作用，包括蛋白质-蛋白质，药物-蛋白质，蛋白质-核酸，核酸-核酸之间的相互作用，一直以来是生物生化学的前沿科学。在众多研究以及检测分子相互作用的技术中，其中表面等离子共振（Surface plasmon resonance, SPR）技术以其极高的灵敏度，准确性，待测样品无需标定和实时监测性等特征尤其引人关注。表面等离子共振是一种光学效应，金属表面的电子在入射光的特定激发条件下产生共振，这种共振称为表面等离子共振。此共振的频率对金属表面临近的介质折射率变化的影响极为敏感，因此利用这一特性，可以用来检测金属表面的生物分子，利用蛋白质结合时引起的表面折射率变化从而进行相关的免疫学分析。现有的表面等离子共振分析是基于贵金属薄膜的光学全反射模式，通过调整单色激光光源的入射角度来激发金属表面的表面等离子共振，同时使用一个光电探测器在另一侧收集金属表面反射回来的光线。通过高精度的调整入射光角度后，在反射光出能测试到一个最小反射光强，此角度说明入射光完全激发了表面等离子的共振。当此类芯片用于生物传感时，待测生物分子通过微流控制器与金属膜的表面形成结合。金属表面附近的材料折射率由于生物分子之间的结合同时发生了变化，从而表面等离子共振频率也随之发生了变化。此时需要再次精确调整入射光的角度，来寻找新的反射强度最低点对应的角度位置。此方法涉及到需要精密的棱镜，激光和角度调整设备，整体设备体积大，造价高，实验环境受环境变化的影响大。与此同时，表面等离子共振技术也被广泛应用于太阳能光能量吸收增强，生化样品分析，以及光学表面增强拉曼检测等领域。

除了金属薄膜表面等离子共振外，另一种等离子共振来源于金属纳米结构中的等离子共振，也称为局域表面等离子共振。在贵金属薄膜的表面通过电子束刻，紫外光刻或者纳米压印制备后形成的纳米结构，在入射光的激发下，形成了表面电子被束缚在纳米结构中的共振，此共振称为局域表面等离子共振（Localized surface plasmon resonance）。局域表面等离子共振的频率与纳米结构的大小，几何形状，材料，以及这些纳米结构之间的周期性有很大的关系。局域表面等离子共振的波长可在可见光，近红外光和远红外光范围内调节。与金属薄膜产生的表面等离子共振（Surface plasmon resonance）效应相比，此方法不依赖于特定的激发光源波长，入射角度和光源的偏振态。局域表面等离子共振可以使用宽带光源从正入射激发，也可以从斜入射激发。可以通过收集从芯片中心的反射光，透射光，以及散射光来分析共振频率。用于局域表面等离子共振的测试平台降低了测试系统所需要的复杂光学元件和精密调整角度所用的机械元件，也方便了基于局域等离子共振技术的芯片的设计。

现代生物医学的发展促进了高灵敏度的生物传感器的研究和发展。近些年中，一些基于纳米阵列结构的设计得到了广泛的研究，包括纳米孔阵列，纳米圆盘阵列，纳米块阵列，有非常多的研究结果，其中区域表面等离子共振频率受正入射偏正光影响的一维纳米槽光栅在近年来也受到了广泛的研究。而一维纳米槽光栅在正入射偏正光下，等离子共振频率和光学敏感度不可调整，固定的共振频率和光学敏感度不足以适应目前生物监测对高灵敏度的需求。

发明内容

为解决上述问题，本发明的目的在于提供一种工作在可见光和近红外区域内，可以利用斜入射和正入射来激发局域表面等离子共振现象并实现生物化学传感的新型纳米结构芯片。与现有技术相比，第一，此芯片的局域等离子共振可以通过斜入射来激发。第二，此芯片结构的表面等离子共振频率可通过调整入射光角度以及入射光源的偏正态而变化。第三，此芯片的检测敏感度可调，此结构在TE （电场方向指向Y方向，如图1所示）和TM （电场方向指向X方向）两个偏正态下，通过增大入射光角度，可以分别实现TE敏感度降低和TM敏感度提高的功能。其具体技术方案如下：

一种金属纳米槽二维光栅传感器芯片，由硅片衬底，金薄膜衬底，金薄膜表面上的纳米槽结构组成，金薄膜采用离子溅射工艺成膜，纳米槽结构采用电子束光刻工艺和反应离子束蚀刻成型。

进一步的，该传感器芯片可通过斜入射激发局域等离子共振。

进一步的，所述纳米槽结构的三个参数：纳米槽宽度W，槽深度h，和光栅的周期P，X-Y方向均为同周期性光栅结构，纳米槽宽度W为44 nm，槽深度h为34nm，光栅周期p为400nm；金薄膜衬底的厚度为200 nm。

进一步的，该传感器芯片采用正入射光源激发表面等离子共振光波长为575.5nm，在共振波长处的正入射光反射率为3.5%，对应光吸收率为96.5%。

进一步的，在斜入射光下激发，局域表面等离子共振的频率和光的吸收率随入射角度的变化而变化。

进一步的，当入射光的偏正态为TE偏振，受激发的表面等离子共振频率波长基本维持不变，当入射角度变为40°时，共振波长由正入射（0°）时的575.5 nm 漂移至585.5 nm。

进一步的，当入射光的偏振态为TM偏振，当改变入射角度时受激发的表面等离子共振波长由正入射时的575.5 nm 漂移至入射角为10°时的613 nm，入射角为20°时共振波长为653 nm。入射角为40°时共振波长为695 nm，相对应的光强吸收率为，正入射0°时为96.5%，斜入射10°时为 93.5%，斜入射20°时为 90.5%，斜入射 30°时为87.5%，斜入射40°时为83.5%。

金属纳米槽二维光栅传感器芯片在离子共振生物化学测试的应用。

进一步的，在TE 偏振入射时，传感器芯片灵敏度随入射角度增加而降低；在TM 偏振入射时，传感器芯片灵敏度随入射角的增加而增加。

与现有技术相比，本发明有如下优点：

1、本发明采用二维纳米槽光栅结构，局域等离子共振可以通过正入射，也可以通过斜入射激发局域表面等离子共振。

2、本发明采用二维纳米槽光栅结构，从功能上实现了通过改变激发光源入射角度从而对表面等离子共振频率进行调整。

3、本发明采用的二维纳米槽结构能够增加测试样品在金属表面的接触面，从而提高测试的可靠性。

4、本发明设计的二维纳米槽光栅结构利用光栅结构对入射光角度和偏振态的变化从而提高了在特定偏振的传感器敏感度。

4、本发明使用局域表面等离子共振结构特点，相比于现有基于金属薄膜的表面等离子共振芯片测试更加快捷，减少体积，对入射光角度和波长没有特殊限制。

附图说明

图1是纳米槽结构示意图；

图2是在斜入射光下激发，随入射角度的变化，局域表面等离子TE共振的波长变化、光的吸收率变化示意图；

图3是在斜入射光下激发，随入射角度的变化，局域表面等离子TM共振的波长变化、光的吸收率变化示意图；

图4是在正入射时的反射光谱以及在不同折射率液体中的光谱示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步说明。

本发明的金属纳米槽二维光栅传感器芯片，由硅片衬底，金薄膜衬底，金薄膜表面纳米槽结构三个部分组成。本发明中金属材料选取贵金属金，相比其他金属，第一，材料金在可见光和近红外频率具备较小的介电常数虚部，从而具备较小的材料损耗。第二，材料金对生物分子有极好的附着能力。

本发明涉及到纳米光学加工和光学镀膜技术，对金膜的成膜使用的是离子溅射工艺。对金属纳米槽制备采取的是电子束光刻工艺和反应离子束蚀刻。

本发明中芯片的表面等离子共振频率和光束缚性能很大程度上依赖于纳米槽结构的三个参数设计：纳米槽宽度W，槽深度h，和光栅的周期P。本发明中，X-Y方向均为同周期性光栅结构，所有纳米槽宽度W的设计为44 nm，槽深度h为34nm，光栅周期p为400 nm。金薄膜衬底的厚度为200 nm。在此结构下，采用正入射光源激发表面等离子共振光波长为575.5nm，在共振波长处的正入射光反射率为3.5%，对应光吸收率为96.5%。在正入射条件下，因为结构是对称结构，表面等离子共振频率不随入射光偏振态变化而变化。

与现有技术不同的是，该纳米槽结构可以在斜入射光下激发，局域表面等离子共振的频率随入射角度的变化而变化，与之同时变化的还有光的吸收率。如图2和3所示。

当入射光的偏正态为TE偏振，即电场E的方向垂直于入射平面时（E 指向Y 方向），受激发的表面等离子共振频率波长基本维持不变，当入射角度变为40°时，共振波长由正入射（0°）时的575.5 nm 漂移至585.5 nm。

当入射光的偏振态为TM偏振，即电场E的方向指向X方向，当改变入射角度时受激发的表面等离子共振波长由正入射时的575.5 nm 漂移至入射角为10°时的613 nm，入射角为20°时共振波长为653 nm。入射角为40°时共振波长为695 nm。相对应的光强吸收率为，正入射0°时为96.5%，斜入射10°时为 93.5%，斜入射20°时为 90.5%，斜入射 30°时为87.5%，斜入射40°时为83.5%。

与现有技术不同的是，当芯片用于检测化学样品的折射率时，芯片的敏感度在不同偏振态的激发光源下随入射角的改变而变化。芯片敏感度的定义是，敏感度等于局域表面等离子共振波长峰/谷处位移 Δλ与测试材料间折射率变化Δn 的比值，单位为纳米每折射率单位（nm/RIU）。传感器在正入射时的反射光谱以及在不同折射率液体中的光谱如图4所示。在TE 偏振入射时，传感器灵敏度随入射角度增加而降低。在TM 偏振入射时，传感灵敏度随入射角的增加而增加。测试灵敏度与入射角度变化总结在表一。

单位 (nm/RIU)	0 度	10 度	20 度	30 度	40 度
						TE 偏振	478	458	412	369	296
TM 偏振	478	500	513	529	544

表一。

Claims

1.一种基于金属纳米槽二维光栅生物化学传感器芯片，由硅片或玻璃片衬底，金薄膜衬底，金薄膜表面上的纳米槽结构组成；其特征在于：金薄膜采用离子溅射工艺成膜，纳米槽结构采用电子束刻，紫外光刻，或纳米压印工艺和反应离子束蚀刻制造成型。

2.如权利要求1所述的金属纳米槽二维光栅传感器芯片，其特征在于：该传感器芯片可通过入射光斜入射激发局域等离子共振。

3.如权利要求1所述的金属纳米槽二维光栅传感器芯片，其特征在于：所述纳米槽结构的三个参数：纳米槽宽度W，槽深度h，和光栅的周期P，X-Y方向为同周期或非同周期光栅结构；纳米槽宽度W，槽深度h，光栅周期P 可调；金薄膜衬底的厚度大于60 nm，金属膜衬底厚度上限不限。

4.如权利要求3所述的金属纳米槽二维光栅传感器芯片，其特征在于：该传感器芯片采用正入射光源激发表面等离子共振光波长在可见光和红外，在共振波长处的正入射光反射率有一吸收低谷，对应光吸收极值。

5.如权利要求2所述的金属纳米槽二维光栅传感器芯片，其特征在于：在斜入射光下激发，局域表面等离子共振的频率和光的吸收率随入射角度的变化而变化。

6.如权利要求5所述的金属纳米槽二维光栅传感器芯片，其特征在于：当入射光的偏正态为TE偏振，受激发的表面等离子共振波长与光吸收基本维持不变，当入射角度变为約40°时，共振波长由正入射（0°）时的575.5 nm 红移至585.5 nm。

7.如权利要求5所述的金属纳米槽二维光栅传感器芯片，其特征在于：当入射光的偏振态为TM偏振，受激发的表面等离子共振波长随入射光角度增加而漂移至长波长，具体表现为，表面等离子共振波谷波长由正入射时的575.5 nm 漂移至入射角为10°时的613 nm，入射角为20°时共振波长为653 nm；入射角为40°时共振波长为695 nm，相对应的光强吸收率为，正入射0°时为96.5%，斜入射10°时为 93.5%，斜入射20°时为 90.5%，斜入射 30°时为87.5%，斜入射40°时为83.5%。

8.如权利要求1-7之一的金属纳米槽二维光栅传感器芯片在离子共振生物化学测试的应用。

9.如权利要求8 的应用，其特征在于：在TE 偏振入射时，传感器芯片灵敏度随入射角度增加而降低；在TM 偏振入射时，传感器芯片灵敏度随入射角的增加而增加至一极大值。