CN114062316B - 一种基于等离激元纳米腔的高品质光学折射率传感器 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种基于等离激元纳米腔的高品质光学折射率传感器，包括多个单元：金属纳米六角板、介质层、金属膜以及基底。传感器各个单元从下往上分别为基底、金属膜、介质层和金属纳米六角板。本发明所展示的结构是单个纳米颗粒与金膜构成的纳米腔，探究的是纳米尺度的传感响应。本发明解决了LSPR传感器的灵敏度偏低问题，使得该纳米腔传感器灵敏度可达360nm/RIU。解决了金属结构辐射损耗很高的问题，使得该纳米腔的品质因数高达11RIU‑1，比单个金纳米颗粒组成的传感器的品质因数高出数倍。本发明结构制备简便，造价低廉，激发条件简单，体积小，无生物毒性，更加适用于无标记的生物分子探测。
Description
技术领域
本发明属于光学折射率传感领域，涉及一种基于等离激元纳米腔的高品质光学折射率传感器。
背景技术
折射率传感是一个快速发展的领域，已经广泛应用于生物、化学、医学、食品安全以及环境监测等方面，因此对低成本和高效率的需求也在不断增加。光学折射率传感器具有快速、定量、低成本和无标记分析的能力，同时也为小型化片上集成提供了的可能性。
在光学折射率传感器中，基于金属纳米颗粒的局域表面等离激元共振(LocalizedSurface Plasmon Resonance,LSPR)折射率传感器展现出了优异的传感性能。LSPR峰位强烈依赖于周围环境的折射率，因此可以通过探测LSPR峰位的变化实现对环境折射率的探测。LSPR传感器造价低廉、工艺简单，更加小型化，更适用于表面折射率传感和生物分子检测。然而，现有的大多数LSPR传感器的灵敏度范围在50-400nm/RIU，灵敏度相对较低；并且，金属纳米颗粒在可见光波段的辐射损耗很高，使得基于LSPR的折射率传感器在可见光到近红外波段的品质因数(Figure Of Merit,FOM)一般小于5RIU-1，从而限制了LSPR折射率传感器的性能。另外，现有的表面等离激元共振(Surface Plasmon Resonance,SPR)传感器的灵敏度较高，但是，SPR的激发要满足相位匹配条件，需要额外的技术手段，造价昂贵，并且SPR传感器作用面积很大，不适用于分子检测。因此，开发一种探测范围在可见光到近红外区域、灵敏度高、品质因数高、体积小以及成本低的光学折射率传感器显得尤为迫切。
现有的光学折射率传感器有金属-介质-金属结构，但是其传感单元为阵列，研究尺度为微米级别，无法实现探究的是纳米尺度的传感响应。
基于LSPR技术的传感器已经存在，但是很多传感器都存在灵敏度低(50-400nm/RIU)、品质因数低(小于5RIU-1)的问题。另外现有的基于SPR的传感器虽然可以获得高的灵敏度，但是要满足SPR的激发条件需要额外的技术手段，造价昂贵，并且SPR传感器作用面积很大，不适用于分子检测。
发明内容
要解决的技术问题
为了避免现有技术的不足之处，本发明提出一种基于等离激元纳米腔的高品质光学折射率传感器，提高传统光学折射率传感器的性能。本发明是一种探测范围在可见光到近红外区域、灵敏度高、品质因数高、体积小并且可以在微纳尺度测量的光学折射率传感器。
技术方案
一种基于等离激元纳米腔的高品质光学折射率传感器，其特征在于包括基底1、超光滑金属膜2、介质层3和金属纳米六角板4；基底1上部设有金属膜2，金属膜2上为介质层3，介质层3的中部为金属纳米六角板4；所述金属膜2和金属纳米六角板4采用金属材料为金。
所述基底1、金属膜2和介质层3的对边长度比金属纳米六角板的对边长度大于0.5cm。
所述介质层3的材质为三氧化二铝或二氧化硅。
所述基底1硅或蓝宝石材料。
所述金属膜2和金属纳米六角板4采用金属材料为银。
所述金属纳米六角板的对边长度为150-250nm。
所述金属纳米六角板的厚度为30-80nm，金属膜的厚度为50-150nm，介质层的厚度为3-8nm，基底厚度为200-5000μm。
有益效果
本发明提出的一种基于等离激元纳米腔的高品质光学折射率传感器，包括多个单元：金属纳米六角板、介质层、金属膜以及基底。传感器各个单元从下往上分别为基底、金属膜、介质层和金属纳米六角板。相对于现有的光学折射率传感器有金属-介质-金属结构，但是其传感单元为阵列，研究尺度为微米级别；本发明所展示的结构是单个纳米颗粒与金膜构成的纳米腔，探究的是纳米尺度的传感响应。
与现有技术相比，本发明的优点在于：
一、本发明采用百纳米尺度的金六角板和超光滑金膜以及氧化铝隔离层组成表面等离激元纳米腔，用斜入射p偏振白光激发了纳米腔的等离子体波导模式。该波导模式较强的局域场增强能力解决了LSPR传感器的灵敏度偏低问题，使得该纳米腔传感器灵敏度可达360nm/RIU。
二、本发明提出的纳米腔结构的共振峰位在可见光波段，并且具有较窄的线宽。通过金六角板与金膜的耦合降低了等离子体共振模式的辐射损耗，解决了金属结构辐射损耗很高的问题，使得该纳米腔的品质因数高达11RIU-1，比单个金纳米颗粒组成的传感器的品质因数高出数倍。
三、本发明结构制备简便，造价低廉，激发条件简单，体积小，无生物毒性，更加适用于无标记的生物分子探测。
附图说明
图1为：基于等离激元纳米腔的新型高品质光学折射率传感器几何结构的三维示意图
图2为：实施例所述的折射率传感器几何结构的主视图和俯视图
图3为：实施例1所述传感器在不同甘油溶液中的归一化散射光谱图
图4为：实施例1所述传感器波导模式峰位随折射率变化的实验、理论和模拟结果
图5为：实施例2所述传感器在不同甘油溶液中的归一化散射光谱图
图6为：实施例2所述传感器波导模式峰位随折射率变化的实验、理论和模拟结果
具体实施方式
现结合实施例、附图对本发明作进一步描述：
如图1及图2，本发明提供一种基于金属纳米六角板等离激元纳米腔的新型高品质光学折射率传感器，由基底1、超光滑金属膜2、介质层3以及金属纳米六角板4组成。其中，基底1的材质为硅，金属膜2的材质为金，介质层3的材质为三氧化二铝，金属纳米六角板4的材质为金。
本发明所述的基底1及金属纳米六角板4易于购买且价格低廉，金属膜2可以通过蒸镀方法得到，介质层3可以通过原子层沉积得到。
进一步地，基底1的厚度h1＝200-5000μm，长度为10μm，宽度为10μm。金属膜2的厚度h2＝50-150nm，长度为10μm，宽度为10μm。介质层3的厚度h3＝3-8nm，长度为10μm，宽度为10μm。金属纳米六角板4的厚度h4＝30-80nm，形状为正六边形，对边长度d＝180nm。
实施例1：参数h4＝50nm，h3＝5nm，d＝180nm的等离激元纳米腔折射率传感器的暗场散射和折射率传感实验
使用不同质量分数的甘油溶液作为折射率分析液将，甘油溶液滴在折射率传感器上利用暗场散射系统测得传感器的暗场散射光谱。图3展示了等离激元纳米腔分别在去离子水(DI water)以及质量分数分别为20％、40％、80％和100％的甘油(Glycerol)溶液中的折射率传感，其折射率分别为1.333、1.3572、1.3841、1.4431和1.4735。可以看出，随着折射率增大，散射光谱中的两个共振峰位都发生了红移，其中，长波长的共振峰移动更大。通过COMSOL仿真，发现长波长共振模式为波导模式，其场增强比短波长共振模式大得多，因此对环境折射率的变化更加敏感，因此具有更高的折射率灵敏度。
等离激元纳米腔结构可视为金属-介质-金属(metal–insulator–metal，MIM)结构，我们采用电容模型来分析其共振峰随环境折射率的变化：
其中，λp是金的等离子体波长，εm和ε∞分别代表环境介电常数和相关背景介电常数。η＝Cg/Cnp是MIM结构的电容与金纳米六角板的电容的比值。图4展示了波导模式共振峰位与甘油溶液折射率之间的函数关系，其中圆点代表实验结果，方点代表模拟结果，实线代表理论结果。对三者进行线性拟合，得到实验、模拟和理论对应的折射率灵敏度分别为137nm/RIU、188nm/RIU和163nm/RIU，实现了很好的匹配。实验结果和模拟结果的FOM分别为3.5RIU-1和5.2RIU-1。
实施例2：参数h4＝50nm，h3＝3nm，d＝180nm的等离激元纳米腔折射率传感器的暗场散射和折射率传感实验
使用不同质量分数的甘油溶液作为折射率分析液将，甘油溶液滴在折射率传感器上利用暗场散射系统测得传感器的暗场散射光谱。图5展示了等离激元纳米腔分别在去离子水(DI water)以及质量分数分别为20％、40％、80％和100％的甘油(Glycerol)溶液中的折射率传感。可以看出，随着折射率增大，散射光谱中的两个共振峰位都发生了红移，其中，长波长的共振峰移动更大。图6展示了波导模式共振峰位与甘油溶液折射率之间的函数关系，其中圆点代表实验结果，方点代表模拟结果，实线代表理论结果。对三者进行线性拟合，得到实验、模拟和理论对应的折射率灵敏度分别为360nm/RIU、250nm/RIU和383nm/RIU，实现了很好的匹配。实验结果和模拟结果的FOM分别为11RIU-1和8.3RIU-1。相比于实施例1，实施例2减小了介质层的厚度h3，得到了更高的折射率灵敏度和品质因数。
本发明提出的等离激元纳米腔结构简单，制备方便，灵活可调，相比于传统的基于单个纳米颗粒的传感器具有更高的折射率灵敏度，在品质因数方面更是有数倍的提高，在生物化学传感领域具有很大的应用潜力。
以上对本发明的实施方式作了详细说明，但本发明不限于所描述的实施方式。对于本领域的技术人员而言，在不脱离本发明原理和精神的情况下，对这些实施方式进行多种变化、修改、替换和变型仍落入本发明的保护范围内。
Claims (6)
1.一种基于等离激元纳米腔的高品质光学折射率传感器，其特征在于包括基底(1)、超光滑金属膜(2)、介质层(3)和金属纳米六角板(4)；基底(1)上部设有金属膜(2)，金属膜(2)上为介质层(3)，介质层(3)的中部为金属纳米六角板(4)；所述金属膜(2)和金属纳米六角板(4)采用金属材料为金；所述基底(1)、金属膜(2)和介质层(3)的对边长度比金属纳米六角板的对边长度大0.5cm；所述等离激元纳米腔结构的传感器灵敏度为360nm/RIU，品质因数为11RIU-1。
2.根据权利要求1所述基于等离激元纳米腔的高品质光学折射率传感器，其特征在于：所述介质层(3)的材质为三氧化二铝或二氧化硅。
3.根据权利要求1所述基于等离激元纳米腔的高品质光学折射率传感器，其特征在于：所述基底(1)硅或蓝宝石材料。
4.根据权利要求1所述基于等离激元纳米腔的高品质光学折射率传感器，其特征在于：所述金属膜(2)和金属纳米六角板(4)采用金属材料为银。
5.根据权利要求1所述基于等离激元纳米腔的高品质光学折射率传感器，其特征在于：所述金属纳米六角板的对边长度为150-250nm。
6.根据权利要求1所述基于等离激元纳米腔的高品质光学折射率传感器，其特征在于：所述金属纳米六角板的厚度为30-80nm，金属膜的厚度为50-150nm，介质层的厚度为3-8nm，基底厚度为200-5000μm。
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| 基于复合纳米结构的局域表面等离子体光学传感器;杨欢;李飞;罗先刚;蔡冬梅;刘娟意;马文英;;光学与光电技术;20100410(第02期);全文 * |
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| CN114062316A (zh) | 2022-02-18 |
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