CN214011053U - 基于表面等离子体共振的纳米金光栅透射型微流控传感器 - Google Patents
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Abstract
该实用新型提供了一种基于等离子体共振的纳米金光栅透射型微流控传感器，该透射型传感器包括：二氧化硅绝缘衬底；二维金属光栅阵列，形成于二氧化硅绝缘衬底上；待测物微流腔；以及二氧化硅绝缘顶盖，并且增加了二氧化硅光栅结构，形成于二氧化硅绝缘顶盖下。该结构的电场强度较强的区域集中在待测物腔的位置，光栅结构增强了等离子共振峰，随着周期的逐渐增加，相同共振模式的透射峰波长位置出现红移。该模型具有结构简单、易于大面积制备、成本低的优点，灵敏度较高，针对透射率传感易于检测，有望成为新型表面等离子传感器件。
Description
技术领域
本实用新型涉及微纳光电子技术领域，具体涉及一种基于表明等离子共振的纳米金光栅透射型微流控传感器，实现增强红外光对待测物的透射峰位移，从而达到高灵敏度检测介质折射率的透射型微流控传感器。
背景技术
近年来，随着纳微纳光电子技术的发展，新兴的纳米结构表面等离子共振传感器件迅速发展，并和其他领域交叉渗透，有着广泛的应用背景，例如生物化学、药物研发、食品监控、空气监控等等。
表面等离子体共振(surface plasmon resonance，SPR)检测技术是一种新型的生物检测技术。它具有准确性高，实时监测，快速检测等优点。SPR是一个在界面处由于两种电磁波模式发生强烈耦合激发出表面等离子体激元波。由于入射光的共振峰位置对背景折射率非常敏感，因此，通过对共振峰位置的分析，能够有效的检测到由于各种因素引起的背景折射率变化。
随着科技的不断发展，传感器在生物、化学、医疗、食品等领域有着广泛的应用。但传统纳米结构表面等离子共振传感器体积较大，采用的纳米线、纳米孔、纳米锥等结构一般采用电子束刻蚀或者聚焦离子刻蚀等制备方式，制备速度慢，成本高，不适合大规模工业化生产。同时，等离子共振的测试光谱一般采用反射光谱，然而采用分光光度计测试反射光谱时易受入射光干扰，对精准测试带来一定困难。此外，现有纳米结构表面等离子共振传感器光谱位移通常很小，灵敏度不高。例如纳米线结构传感器的灵敏度为337nm/RIU(参考专利：CN201711336503-基于纳米线表面等离激元的折射率测量方法及传感器系统)，例如纳米孔结构传感器的灵敏度为671nm/RIU(“Hybrid Magnetoplasmonic Crystals Boost thePerformance of Nanohole Arrays as Plasmonic Sensors”,ACS Photonics,2016,3,203-208)。
然而，随着现代检测技术的不断发展，等离子共振传感测试系统趋于小型化、集成化，且对传感器的灵敏度和抗干扰性有了更高的要求。
实用新型内容
为了解决现有等离子共振传感器存在的上述技术问题，本实用新型提出一种基于表面等离子体共振的纳米金光栅透射型微流控传感器。本实用新型所述传感器相对而言结构简单、易于大面积制备、成本低，灵敏度较高，针对透射率传感易于检测。同时通过采用微流控精准控制微量流体，进一步提高传感器灵敏度，避免对待测试品的浪费和污染。
本实用新型解决上述问题的技术方案是：一种基于等离子体共振的纳米金光栅透射型微流控传感器，其特征在于，包括：二氧化硅绝缘体构成的腔体作为待测物微流腔，所述待测物微流腔的底部为二氧化硅绝缘衬底，所述二氧化硅绝缘衬底上设置有二维金属光栅阵列；所述待测物微流腔的顶部为二氧化硅绝缘顶盖，所述二氧化硅绝缘顶盖朝向待测物微流腔的一侧设置有二维绝缘光栅结构，所述二维绝缘光栅结构的宽度为700-800nm，周期为1200-1400nm，厚度为300-500nm，光栅材料为二氧化硅；所述待测物微流腔底部一侧设置有待测物流入口，所述待测物微流腔底部另一侧设置有待测物流出口；所述二氧化硅绝缘衬底上设置的二维金属光栅阵列宽度为700-800nm，周期为1200-1400nm，厚度为300-500nm，光栅材料为金；所述的待测物微流腔厚度为1200-1600nm；
所述基于等离子体共振的纳米金光栅透射型微流控传感器的电场强度较强的区域集中在待测物微流腔的位置，所述光栅结构能增强等离子共振峰，根据待测物折射率变化△n，相应共振模式的透射峰波长位移值△λ,由两者函数关系换算得到灵敏度S。
作为本实用新型所述的基于表面等离子体共振的纳米金光栅透射型微流控传感器的一种优选方案，所述二氧化硅绝缘顶盖厚度为500nm，所述二氧化硅绝缘衬底厚度为400-600nm。
作为本实用新型所述的基于表面等离子体共振的纳米金光栅透射型微流控传感器的一种优选方案，所述二氧化硅绝缘顶盖朝向待测物腔的一侧设置有二维绝缘光栅结构；所述二维绝缘光栅结构的宽度为800nm，周期为1200nm，厚度为300nm，光栅材料为二氧化硅。
作为本实用新型所述的基于表面等离子体共振的纳米金光栅透射型微流控传感器的一种优选方案，所述二氧化硅绝缘衬底上设置的二维金属光栅阵列宽度为800nm，周期为1200nm，厚度为300nm，光栅材料为金；所述的待测物腔厚度为1200nm，所述的微流腔顶盖为倒置的二维绝缘光栅结构，形状和尺寸与二氧化硅绝缘衬底上设置的二维金属光栅结构完全一致，材料为二氧化硅。
作为本实用新型所述的基于表面等离子体共振的纳米金光栅透射型微流控传感器的一种优选方案，所述的待测物折射率为1.32～1.74。
作为本实用新型所述的基于表面等离子体共振的纳米金光栅透射型微流控传感器的一种优选方案，所述的入射光束的入射角度为0°。
作为本实用新型所述的基于表面等离子体共振的纳米金光栅透射型微流控传感器的一种优选方案，所述二维金属光栅阵列通过如下制备方法制备，包括以下步骤：(1)提供二氧化硅基底；(2)设置一金属层在所述基底的表面；(3)设置一图形化的掩模层在所述金属层的表面，所述的掩模层具有光栅凹槽，所述光栅凹槽的形状为矩形；(4)刻蚀所述金属层；(5)采用溶剂溶解去除所述图形化的掩模层。
研究发现通过改变金属光栅结构的周期、厚度、金属材料、微流腔尺寸、光入射角度等参数，可以有效调节透射峰的位置以及透射率的大小。随着光栅周期的逐渐增加，相同共振模式的透射峰波长位置出现红移。合理调节尺寸，使该结构的电场强度最强的区域集中在微流腔的位置。根据待测物折射率变化△n，相应共振模式的透射峰波长位移值△λ,由两者函数关系换算得到灵敏度S。
与现有技术相比，本实用新型具有如下特点：
本实用新型采用了金属光栅结构和倒置的二氧化硅光栅结构形成微流腔，通过探测透射光谱进行折射率传感研究，可使电场强度较强的区域集中在微流腔的位置，即与待测物相重合，增强了等离子共振，大大提高了传感器灵敏度。
本实用新型的探测光谱是透射谱，采用分光光度计测试透射光谱时不易受入射光干扰，大大提高了检测精准度，抗干扰性强。
本实用新型的基本结构是金属光栅，该结构简单，易于大规模制备和集成。
在制作本实用新型的传感器时，可通过改变金属光栅高度、光栅宽度、微流腔厚度、光栅周期等参数，使传感器的透射光谱位置具有可选性，进而可制作针对特定检测范围的传感器。
附图说明
图1为本实用新型实施例基于表面等离子体共振的纳米金光栅透射型微流控传感器(增加了倒置的二氧化硅光栅顶盖)的三维立体结构图；
图2为图1所示纳米金光栅透射型微流控传感器沿X-Z面的剖面示意图；
图3为实施例一传感器的透射光谱图；
图4为实施例一透射峰的峰值位置对待测物折射率依赖性关系图；
图5为实施例二传感器的透射光谱图；
图6为实施例二透射峰的峰值位置对待测物折射率依赖性关系图；
图7为实施例三传感器的透射光谱图；
图8为实施例三透射峰的峰值位置对待测物折射率依赖性关系图；
图9为实施例四传感器的透射光谱图；
图10为实施例四透射峰的峰值位置对待测物折射率依赖性关系图；
图11为实施例五传感器的透射光谱图；
图12为实施例五透射峰的峰值位置对待测物折射率依赖性关系图。
具体实施方式
为使本实用新型的目的、技术方案和优点更加清楚明白,以下结合具体实施例,并参照附图1至附图12,对本实用新型进一步详细说明。需要说明的是,在附图或说明书描述中,相似或相同的部分都使用相同的图号。附图中未绘示或描述的实现方式,为所属技术领域中普通技术人员所知的形式。另外,虽然本文可提供包含特定值的参数的示范,但应了解,参数无需确切等于相应的值,而是可在可接受的误差容限或设计约束内近似于相应的值。
本实用新型提供了一种基于等离子体共振的纳米金光栅透射型微流控传感器，该结构的电场强度较强的区域集中在待测物腔的位置，光栅结构增强了等离子共振峰，随着周期的逐渐增加，相同共振模式的透射峰波长位置出现红移，最终提高传感器灵敏度。
在本实用新型的一个示例性实施例中，提供了一种基于等离子体共振的纳米金光栅透射型微流控传感器，图2为图1所示纳米金光栅透射型微流控传感器沿X-Z面的剖面示意图。请参照图2：1为二氧化硅绝缘衬底；2为二维金属光栅阵列；3为微流腔；4为二氧化硅绝缘顶盖；5为倒置的二氧化硅光栅结构；6为流体通道入口，7为流体通道出口。根据待测物折射率变化△n，相应共振模式的透射峰波长位移值△λ,由两者函数关系换算得到灵敏度S。
一种二维金属光栅阵列的制备方法，包括以下步骤：1)提供二氧化硅基底；2)设置一金属层在所述基底的表面；3)设置一图形化的掩模层在所述金属层的表面，所述的掩模层具有光栅凹槽，所述光栅凹槽的形状为矩形；4)刻蚀所述金属层；5)采用溶剂溶解去除所述图形化的掩模层。
一种微流腔的制备方法，包括以下步骤：1)下面放置金光栅阵列；2)将相同尺寸的二氧化硅光栅阵列倒置在金光栅阵列上，通过调节支撑壁高度可以调节微流腔的高度。
一种待测物进入微流腔的方法，包括以下步骤：在二氧化硅基底上开设流体通道出入口，待测物通过流体通道入口进入微流腔，通过流体通道出口流出微流腔。
不同折射率的待测物均有不同的透射谱线，因此可以根据透射光谱来鉴别待测物。一种透射光谱测试的方法，包括以下步骤：1)由光源发出入射光垂直入射到传感器表面；2)测试入射光经过待测物微流腔的透射光谱；3)当待测物折射率发生变化时，记录透射光谱的变化；4)通过透射谱线峰值位置的移动，测得微流腔内待测物溶液折射率、浓度等变化。
实施例一：二氧化硅绝缘衬底厚度为500nm，二维金属光栅阵列宽度为800nm，周期为1300nm，厚度为300nm，光栅材料为金。待测物腔厚度为1500nm。二氧化硅绝缘顶盖(增加了倒置的二氧化硅光栅顶盖)厚度为500nm。绝缘光栅结构宽度为800nm，周期为1300nm，厚度为300nm，材料为二氧化硅。待测物为3％，5％，7％的葡萄糖溶液，折射率分别为：1.31,1.36,1.41。透射峰在1600nm-1850nm范围内峰值位置移动最明显，灵敏度较高。通过公式计算，该透射型传感器灵敏度可达1100nm/RIU，透射率为86.17％。
实施例二：二氧化硅绝缘衬底厚度为500nm，二维金属光栅阵列宽度为700nm，周期为1200nm，厚度为300nm，光栅材料为金。待测物腔厚度为1500nm。二氧化硅绝缘顶盖(增加了倒置的二氧化硅光栅顶盖)厚度为500nm。绝缘光栅结构宽度为800nm，周期为1200nm，厚度为300nm，材料为二氧化硅。透射峰在1500nm-1700nm范围内峰值位置移动最明显，灵敏度较高。通过公式计算，该透射型传感器灵敏度可达1020nm/RIU，透射率为97.36％。
实施例三：二氧化硅绝缘衬底厚度为500nm，二维金属光栅阵列宽度为800nm，周期为1200nm，厚度为200nm，光栅材料为金。待测物腔厚度为1500nm。二氧化硅绝缘顶盖(增加了倒置的二氧化硅光栅顶盖)厚度为500nm。绝缘光栅结构宽度为800nm，周期为1200nm，厚度为300nm，材料为二氧化硅。透射峰在1500nm-1700nm范围内峰值位置移动最明显，灵敏度较高。通过公式计算，该透射型传感器灵敏度可达1020nm/RIU，透射率为85.54％。
实施例四：二氧化硅绝缘衬底厚度为500nm，二维金属光栅阵列宽度为800nm，周期为1200nm，厚度为300nm，光栅材料为金。待测物腔厚度为1200nm。二氧化硅绝缘顶盖(增加了倒置的二氧化硅光栅顶盖)厚度为500nm。绝缘光栅结构宽度为800nm，周期为1200nm，厚度为300nm，材料为二氧化硅。透射峰在1500nm-1700nm范围内峰值位置移动最明显，灵敏度较高。通过公式计算，该透射型传感器灵敏度可达1080nm/RIU，透射率为73.25％。
实施例五：二氧化硅绝缘衬底厚度为500nm，二维金属光栅阵列宽度为800nm，周期为1200nm，厚度为300nm，光栅材料为金。待测物腔厚度为1500nm。二氧化硅绝缘顶盖(增加了倒置的二氧化硅光栅顶盖)厚度为500nm。绝缘光栅结构宽度为800nm，周期为1200nm，厚度为300nm，材料为二氧化硅。透射峰的峰值位置移动最明显，灵敏度较高。通过公式计算，该透射型传感器灵敏度可达1060nm/RIU，透射率为95.81％。
综上所述,本实用新型通过光栅结构进行透射型传感研究,电场强度较强的区域集中在待测物微流腔的位置，满足一定条件激发表面等离子共振，并且增强了等离子共振峰，同时透射谱易于检测、易于集成器件，从而得到具有较高灵敏度的基于表面等离子体共振的纳米金光栅透射型微流控传感器。该透射型微流控传感器,有着广泛的应用背景，例如生物化学、药物研发、食品监控、空气监控等等。
以上所述的具体实施例,对本实用新型的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明,所应理解的是,以上所述仅为本实用新型的具体实施例而已,并不用于限制本实用新型,凡在本实用新型的精神和原则之内,所做的任何修改、等同替换、改进等,均应包含在本实用新型的保护范围之内。
Claims (6)
1.一种基于表面等离子体共振的纳米金光栅透射型微流控传感器，其特征在于，包括：二氧化硅绝缘体构成的腔体作为待测物微流腔，所述待测物微流腔的底部为二氧化硅绝缘衬底，所述二氧化硅绝缘衬底上设置有二维金属光栅阵列；所述待测物微流腔的顶部为二氧化硅绝缘顶盖，所述二氧化硅绝缘顶盖朝向待测物微流腔的一侧设置有二维绝缘光栅结构，所述二维绝缘光栅结构的宽度为700-800nm，周期为1200-1400nm，厚度为300-500nm，光栅材料为二氧化硅；所述待测物微流腔底部一侧设置有待测物流入口，所述待测物微流腔底部另一侧设置有待测物流出口；所述二氧化硅绝缘衬底上设置的二维金属光栅阵列宽度为700-800nm，周期为1200-1400nm，厚度为300-500nm，光栅材料为金；所述的待测物微流腔厚度为1200-1600nm；
所述基于等离子体共振的纳米金光栅透射型微流控传感器的电场强度较强的区域集中在待测物微流腔的位置，所述光栅结构能增强等离子共振峰，根据待测物折射率变化△n，相应共振模式的透射峰波长位移值△λ,由两者函数关系换算得到灵敏度S。
2.根据权利要求1所述的基于表面等离子体共振的纳米金光栅透射型微流控传感器，其特征在于：所述二氧化硅绝缘顶盖厚度为500nm，所述二氧化硅绝缘衬底厚度为400-600nm。
3.根据权利要求1所述的基于表面等离子体共振的纳米金光栅透射型微流控传感器，其特征在于：所述二氧化硅绝缘顶盖朝向待测物腔的一侧设置有二维绝缘光栅结构；所述二维绝缘光栅结构的宽度为800nm，周期为1200nm，厚度为300nm，光栅材料为二氧化硅。
4.根据权利要求1所述的基于表面等离子体共振的纳米金光栅透射型微流控传感器，其特征在于：所述二氧化硅绝缘衬底上设置的二维金属光栅阵列宽度为800nm，周期为1200nm，厚度为300nm，光栅材料为金；所述的待测物腔厚度为1200nm，所述的微流腔顶盖为倒置的二维绝缘光栅结构，形状和尺寸与二氧化硅绝缘衬底上设置的二维金属光栅结构完全一致，材料为二氧化硅。
5.根据权利要求1所述的基于表面等离子体共振的纳米金光栅透射型微流控传感器，其特征在于：所述的待测物折射率为1.32～1.74。
6.根据权利要求1所述的基于表面等离子体共振的纳米金光栅透射型微流控传感器，其特征在于，入射光束的入射角度为0°。
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