CN109374591A - 基于全介质人工微结构超表面的荧光增强芯片 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于全介质人工微结构超表面的荧光增强芯片，该芯片上层由周期性排布的纳米介质柱簇构成，下层为介质基底；上层的折射率大于下层；芯片的集体磁偶极共振波长和集体电偶极共振波长满足其中一个等于荧光标记物的激发波长，另一个等于荧光标记物的辐射波长。周期性排布的纳米介质柱簇中，每个周期单元形状为相同尺寸的正方形或者正六边形；每个周期单元中包含四个相同尺寸的纳米介质柱。本发明同时从增强激发光局域场、提高辐射量子效率和提高荧光收集效率三个方面增强荧光信号，大大提高了荧光标记物检测灵敏度。整个芯片设置在低折射率基底上，其具有低材料损耗、制备简单，且可以改变结构尺寸工作在不同波段内的优势。

Description

基于全介质人工微结构超表面的荧光增强芯片

技术领域

本发明属于表面增强荧光信号领域，尤其涉及一种基于全介质人工微结构超表面的荧光增强芯片，主要应用于检测由荧光分子团标记的物质，鉴别物质，分析物质的性质。该荧光增强芯片在可见光或近红外线光源的激发下，经由上转换或下转换荧光发光过程，以可见及近红外光的形式表达出来，能够实现对待测样品快速、灵敏的定性定量检测。

背景技术

在分子生物学、生物化学、蛋白芯片技术以及其他生命科学领域中，人们常使用荧光标记物对特定物质(如核酸、抗原、酶等)实现定量定性检测，所采用的荧光标记物包括Cy3、Cy5、alexa488、上转换颗粒等。检测灵敏度是荧光标记测量的重要性能参数之一，其主要由系统的信噪比决定。然而常用的荧光标记物通常具有较低的荧光效率，以致荧光信号十分微弱，这严重影响了检测系统的灵敏度。为此人们设计了多种表面结构用于提高其荧光信号强度。目前常用的表面结构大多是基于金属材料，例如金和银，包括纳米金棒颗粒、银光栅结构和金属纳米天线等。但是金属在可见光和近红外波段具有较大的材料损耗，尤其是当荧光标记物距离金属结构过近(小于15纳米)时，其荧光效率会大幅度降低，这种现象又称为荧光淬灭。

为了解决上述问题。本发明设计了一种基于全介质人工微结构超表面的荧光增强芯片，使用周期性排布的高折射率介质结构实现了对荧光信号的高倍率增强，其具有低材料损耗、制备简单，且可以改变结构尺寸工作在不同波段内的优势。

发明内容

本发明旨在解决荧光标记物的荧光效率问题，提出了一种基于全介质人工微结构超表面的荧光增强芯片，同时避免了金属结构带来的材料损耗。该芯片能同时实现激发光频率和荧光发光频率处的增强，并通过调制辐射方向进一步提高收集效率。只需要调节结构尺寸就能够应用于不同的荧光材料。能够应用于特定蛋白质检测、荧光标记成像等领域。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：一种基于全介质人工微结构超表面的荧光增强芯片，芯片分为两层，上层由周期性排布的纳米介质柱簇构成，下层为介质基底；上层的折射率大于下层；在芯片表面涂敷有通过荧光标记物标记的待测物质；芯片的集体磁偶极共振波长λ₁和集体电偶极共振波长λ₂满足其中一个等于荧光标记物的激发波长，另一个等于荧光标记物的辐射波长。

进一步地，所述周期性排布的纳米介质柱簇中，每个周期单元形状为相同尺寸的正方形或者正六边形，其边长为p；每个周期单元中包含四个相同尺寸的纳米介质柱，这四个纳米介质柱的中心构成边长为d的正方形。

进一步地，所述周期性排布的纳米介质柱簇中，增大介质柱的半径r可以使集体磁偶极共振波长λ₁和集体电偶极共振波长λ₂同时增大；增大介质柱的高度t可以使集体电偶极共振波长λ₁增大而集体磁偶极共振波长λ₂基本不变；增大p可以使集体磁偶极共振波长λ₁和集体电偶极共振波长λ₂同时增大；设计时通过数值仿真算法计算不同结构尺寸下集体电磁共振波长λ₁和λ₂，然后调整参数r、t和p使得集体磁偶极共振波长λ₁等于荧光标记物的辐射波长且集体电偶极共振波长λ₂等于荧光标记物的激发波长，或者使得集体磁偶极共振波长λ₁等于荧光标记物的激发波长且集体电偶极共振波长λ₂等于荧光标记物的辐射波长。

进一步地，所述数值仿真算法包括有限元算法、严格耦合模理论、有限元时域差分等。

进一步地，所述纳米介质柱簇的材料需要在工作波段具有较高的折射率和较低的损耗，一般选择折射率≥2，介电常数虚部＜0.5，其包括但不限于硅(Si)、二氧化钛(TiO2)、锗(Ge)等一系列符合要求的材料。

进一步地，所述介质基底的材料需要折射率低于介质纳米柱，且具有较低的损耗，一般选择折射率＜2，介电常数虚部＜0.5，其包括但不限于二氧化硅(SiO₂)、苯并环丁烯(BCB)等一系列符合要求的材料。

进一步地，该荧光增强芯片能够有效工作于空气或各种溶液环境中。

进一步地，该荧光增强芯片的作用对象包括各种上转换及下转换荧光材料，具体包括：Cy3、Cy5、alexa488、稀土掺杂上转换颗粒。

本发明有益效果如下：

(1)本发明通过设计简单的介质结构阵列解决了荧光标记物低荧光效率的难题，实现了对荧光信号的增强，相比于基于金属材料的表面结构设计，可有效地降低材料损耗并避免荧光淬灭问题。

(2)本发明同时从增强激发光局域场、提高辐射量子效率和提高荧光收集效率三个方面增强荧光信号，大大提高了荧光信号检测灵敏度。

(3)本发明的结构设计十分灵活，可以通过改变结构尺寸，调节共振峰的位置，使其工作在可见光或者红外波段。

(4)本发明能够有效工作于液体环境中，安全无毒且具有良好的生物兼容性，在生物检测领域具有广泛的应用前景。

附图说明

图1为一种正方形周期的基于全介质人工微结构超表面的荧光增强芯片的示意图；

图2为全介质人工微结构超表面的共振模式示意图；

图3为数值仿真得到的荧光增强芯片平均局域场增强谱；

图4为数值仿真得到的荧光增强芯片的辐射方向图；

图5为使用荧光成像设备对本发明芯片上及普通基底上的荧光材料进行成像得到的测量结果图。

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。

如图1所示为本发明基于全介质人工微结构超表面的荧光增强芯片的示意图，此全介质人工微结构超表面荧光增强芯片上层由周期性排布的高折射低损耗(折射率≥2，介电常数虚部＜0.5)纳米介质柱簇构成(以正方形周期为例)，每个周期单元中包含4个相同尺寸的高折射纳米介质柱，这四个介质柱都具有半径r和高度t，这四个介质柱的中心的连线构成边长为d的正方形。每个周期是边长为p的正方形。芯片下层是低折射率低损耗(折射率＜2，介电常数虚部＜0.5)的基底。图1左下角为周期单元示意图。待测物质被涂在此芯片表面，激发光从介质柱表面照射此芯片，反射的荧光信号由探测器收集。

本发明所公开的全介质人工微结构超表面能够同时支持集体的电偶极共振和磁偶极共振模式，它们的场分布如图2所示。图2左边是集体磁偶极共振波长处的磁场强度分布图，其中箭头表示共振波长处的位移电流方向；图2右边是集体电偶极共振波长处的电场强度分布图，其中箭头表示共振波长处的位移电流方向。结构的轮廓用黑线标明。可以观察到共振频率处结构周围获得极大的电磁场增强效果。在设计中根据所选取的荧光标记物的激发波长和辐射波长改变结构尺寸，将电偶极共振和磁偶极共振模式的频率分别调节至荧光材料的激发光波长和辐射光波长处，即可获得高倍率的荧光增强。

荧光信号增强倍数可以表示为

Enh＝Γ_c·Γ_q·Γ_e (1)

其中Γ_e、Γ_q、Γ_c分别表示激发波长处局域场增强倍数、荧光材料量子效率增强倍数和收集效率增强倍数。对于此全介质人工微结构超表面荧光增强芯片，激发波长处局域场增强倍数Γ_e可以表示为

Γ_e＝∫∫∫|E|²/|E₀|²dV (2)

其中E和E₀分别表示有增强芯片和没有增强芯片情况下的局域电场。积分范围是涂有荧光标记物的区域。本荧光增强芯片的一个共振波长(可以是集体磁偶极共振或者集体电偶极共振)位于荧光标记物的激发波长处，能够获得高倍率的激发光局域场增强。

荧光材料量子效率增强倍数Γ_q可以表示为

其中F表示荧光标记物辐射速率的增强倍数，η₀为荧光标记物的原始量子效率，η_m为此荧光增强芯片的辐射效率。由于整个荧光芯片由低损(介电常数虚部＜0.5)的介质材料构成，其辐射效率η_m接近100％。而现有的荧光标记物的原始量子效率通常比较低(通常低于0.3)。本荧光增强芯片的另一个共振波长(可以是集体磁偶极共振或者集体电偶极共振)位于荧光标记物的荧光辐射波长处，能够有效的提高荧光标记物辐射速率，进而提高荧光材料量子效率。

荧光信号的收集效率与辐射方向密切相关，收集效率增强倍数Γ_c可以表示为

其中P_collect和P_collect0分别表示有增强芯片和没有增强芯片情况下探测器接收的荧光信号强度，而P_total和P_total0分别表示有增强芯片和没有增强芯片情况下荧光标记物辐射的荧光信号总强度。本发明能够有效地调控荧光标记物的辐射方向，使辐射的荧光信号集中在垂直方向出射，从而使其能够更有效的被探测器收集。

实施例1

本实施例是针对激发波长为965nm，辐射波长为800nm的上转换荧光标记物(NaYF4:Yb/Tm)实现荧光信号增强的芯片。硅(Si)被用作纳米介质柱的材料，而基底则选取了石英玻璃材料(SiO2)。整个芯片被浸没在水中。设计参数如下：

p＝520nm,t＝270nm,r＝68nm,d＝200nm

通过数值仿真我们可以得到此芯片上方40nm处的平均局域场增强谱如图3所示。可以观察到在波长为800nm和965nm处有两个场增强峰，其分别对应于集体磁偶极共振和电偶极共振。调节硅柱的高度能够改变第二个共振峰的位置，调节硅柱的半径能够同时改变两个共振峰的位置。从图中可以发现激发波长处的平均局域电场被增强了约65倍。

同时，在上转换辐射波长处也出现了局域场增强峰，根据互易原理，这表明位于芯片上方的上转换荧光标记物的辐射速率能够获得增强。此上转换荧光标记物的原始量子效率为2％。经计算，此芯片的辐射效率约为95％，上转换荧光标记物的辐射速率增强了3倍。根据表达式(3)，上转换荧光量子效率增强倍数约为2.88倍。

图4显示了数值计算得到的辐射方向图，由图可见上转换荧光信号主要集中在很小的角度范围内，能够有效地提高信号收集效率。当使用数值孔径为0.33的物镜收集信号时，此荧光芯片能够提供高达3倍的收集效率增强。

为了证实本发明的实际效果，我们在石英玻璃基底上制备了一片上转换荧光增强芯片，并将上转换荧光标记物均匀的分散在表面，在实验中我们观测到了高达400余倍的荧光信号增强。图5为实验测试得到的上转换荧光成像图，其中左下角放置了一片上转换荧光增强芯片。对比于基底，可以观察到有上转换荧光增强芯片区域的上转换荧光信号获得了显著的增强。

上述实施例用来解释说明本发明，而不是对本发明进行限制，在本发明的精神和权利要求的保护范围内，对本发明作出的任何修改和改变，都落入本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种基于全介质人工微结构超表面的荧光增强芯片，其特征在于，芯片分为两层，上层由周期性排布的纳米介质柱簇构成，下层为介质基底；上层的折射率大于下层；在芯片表面涂敷有通过荧光标记物标记的待测物质；芯片的集体磁偶极共振波长λ₁和集体电偶极共振波长λ₂满足其中一个等于荧光标记物的激发波长，另一个等于荧光标记物的辐射波长。

2.如权利要求1所述的一种基于全介质人工微结构超表面的荧光增强芯片，其特征在于，所述周期性排布的纳米介质柱簇中，每个周期单元形状为相同尺寸的正方形或者正六边形，其边长为p；每个周期单元中包含四个相同尺寸的纳米介质柱，这四个纳米介质柱的中心构成边长为d的正方形。

3.如权利要求2所述的一种基于全介质人工微结构超表面的荧光增强芯片，其特征在于，所述周期性排布的纳米介质柱簇中，增大介质柱的半径r可以使集体磁偶极共振波长λ₁和集体电偶极共振波长λ₂同时增大；增大介质柱的高度t可以使集体电偶极共振波长λ₁增大而集体磁偶极共振波长λ₂基本不变；增大p可以使集体磁偶极共振波长λ₁和集体电偶极共振波长λ₂同时增大；设计时通过数值仿真算法计算不同结构尺寸下集体电磁共振波长λ₁和λ₂，然后调整参数r、t和p使其满足λ₁和λ₂中一个等于荧光标记物的辐射波长，另一个等于荧光标记物的激发波长。

4.如权利要求3所述的一种基于全介质人工微结构超表面的荧光增强芯片，其特征在于，所述数值仿真算法包括有限元算法、严格耦合模理论、有限元时域差分等。

5.如权利要求1所述的一种基于全介质人工微结构超表面的荧光增强芯片，其特征在于，所述纳米介质柱簇的材料在工作波长的折射率≥2，介电常数虚部＜0.5，其包括硅(Si)、二氧化钛(TiO2)、锗(Ge)。

6.如权利要求1所述的一种基于全介质人工微结构超表面的荧光增强芯片，其特征在于，所述介质基底的材料在工作波长的折射率＜2，介电常数虚部＜0.5，其包括二氧化硅(SiO₂)、苯并环丁烯(BCB)。

7.如权利要求1所述的一种基于全介质人工微结构超表面的荧光增强芯片，其特征在于，该荧光增强芯片能够有效工作于空气或各种溶液环境中。

8.如权利要求1所述的一种基于全介质人工微结构超表面的荧光增强芯片，其特征在于，该荧光增强芯片的作用对象包括各种上转换及下转换荧光材料，具体包括：Cy3、Cy5、alexa488、稀土掺杂上转换颗粒。