可见光可变穿透深度生物传感器及其制备方法技术

可见光可变穿透深度生物传感器及其制备方法，包括依次设置的棱镜单元、传感器单元、忆阻单元以及待测生物分子细胞单元，传感器单元包括LRSPR效应传感单元及CPWR效应传感单元，忆阻单元用于实现可变介质介电常数，包括第一非导电介质层、金属材料层、设置在第一非导电介质层上表面的导电介质层以及加电压装置，加电压装置分别向导电介质层及金属材料层施加正负极电压，在加电压的情况下，使得金属材料层的金属电极发生电化学金属化，在第一非导电介质层中产生金属细丝以改变介质的介电常数。在忆阻单元加载正负电压的条件下，传感器单元在LRSPR效应与CPWR效应之间进行动态转变，以实现灵活的穿透深度的变化。本发明专利技术适用于不同生物体的测量。

【技术实现步骤摘要】
可见光可变穿透深度生物传感器及其制备方法
本专利技术属于SPR生物传感器
，具体是涉及一种采用纳米细丝迁移机制的可见光可变穿透深度生物传感器及其制备方法。
技术介绍
表面等离子体激元(SPPs)是发生在电介质和金属介质之间的界面上的自由电荷振荡。光可以引起SPPs的激发。当表面等离子体的波矢与入射光的波矢匹配时，就会发生所谓的表面等离子体共振(SPR)现象，因为这种波匹配条件很容易被界面上的微小介电常数变化所破坏，所以可以精确地检测金属表面吸附层(细胞，细菌等)折射率的变化。因此，基于衰减全反射(ATR)方法的各种SPR生物传感器应运而出。在利用电磁(EM)场增强金属薄膜表面SPR激发的生物传感器分类中，可以识别出四种基本类型，即传统SPR、长程(LRSPR)SPR、耦合等离子体波导共振(CPWR)和波导耦合SPR(WCPR)。(1)传统SPR表面等离子体波沿界面法线方向上呈指数衰减，有效穿透深度仅为300nm左右，这种特性虽然对界面附近折射率的改变非常敏感，但是无法实现对病毒、细菌、蛋白质等大分子的有效检测，且传统表面等离子共振技术指标达到瓶颈，难以提高。(2)LRSPR生物传感器是在传统SPR生物传感器的棱镜和金属层之间引入介质缓冲层，当介质缓冲层和待测物的折射率相等时，实现了对称结构，使得SPW(表面等离子体波，由SPPs振荡传播)的传播长度超过常规SPW的传播长度，并保留了入射光束的能量，其优点是LRSPR器件具有非常尖锐(即大的深度～宽度比)的反射率，缺点是依赖于对称结构的存在。(3)CPWR生物传感器是结合了传统SPR生物传感器表面下面的波导层，CPWR器件中波导层的干涉在纵向(TM)和横向(TE)模式中都引起陡峭的倾角，优点是具有较好的深度～宽度比且能达到2um的穿透深度，缺点是生物传感表面距离金属薄膜与波导层界面的SPW有相当大的距离，其灵敏度仍比传统的SPR器件低10倍左右。(4)WCSPR是由两个金属层和一个波导层组成。在WCSPR装置中结合SPR和波导模式不仅保留了生物传感器的灵敏度，而且产生更陡的反射率谱下降，从而提高了测量精度，缺点是匹配条件苛刻。上述四种SPR类型的膜系结构是固定不变的，因而它们的穿透深度都是不可变的。然而，目前的SPR生物传感器穿透深度都是固定不变的，但对于不同的待测物如蛋白，细菌，分散细胞，活细胞大小各异，特别是对较大的未知生化物质材料，固定穿透深度的传感器产生的ATR衰减倏逝波只能部分感测生物体，不能获得全部信息。而相反用较大穿透深度传感器来感测尺寸小的生物体时，共振增强的表面等离子体波就会穿过待测物深入到外界环境，产生较大的外界干扰，同时分辨率还会降低。因此，考虑设计一种能够改变穿透深度的SPR生物传感器。偏压下的金属纳米细丝迁移机制结构通常为金属～介质～金属(或者导电介质)的三明治形状，原理是用电压驱使金属离子发生电化学金属化(ECM)，在介质层中形成金属纳米细丝，该细丝对光传播有调制作用，在微观上即是改变了介质的介电常数。因此，基于该技术考虑设计可见光可变穿透深度生物传感器。
技术实现思路
本专利技术所要解决的技术问题是为了克服现有技术的上述缺点，提供一种可见光可变穿透深度生物传感器及其制备方法。本专利技术解决其技术问题所采用的技术方案是：可见光可变穿透深度生物传感器，包括依次设置的棱镜单元、传感器单元、忆阻单元以及待测生物分子细胞单元，传感器单元包括LRSPR效应传感单元及CPWR效应传感单元，棱镜单元用于产生ATR衰减倏逝波；LRSPR效应传感单元用于实现LRSPR效应，依次包括辅助实现LRSPR效应的第一非导电介质层、金属材料层以及第二非导电介质层，金属材料层以及设置在其表面的第一非导电介质层形成CPWR效应传感单元，当LRSPR效应共振条件被破环时，CPWR效应传感单元实现CPWR效应；忆阻单元用于实现可变介质介电常数，包括第一非导电介质层、金属材料层、设置在第一非导电介质层上表面的导电介质层以及加电压装置，加电压装置分别向导电介质层及金属材料层施加正负极电压，在加电压的情况下，使得金属材料层的金属电极发生电化学金属化，在第一非导电介质层中产生金属细丝以改变介质的介电常数。具体的，第一非导电介质层为SiO2层，厚度范围为350～375nm，金属材料层为Ag层，厚度范围为35～42nm，第二非导电介质层为SiO2层，厚度范围为350～375nm；导电介质层的ITO折射率范围为1.45～1.60，厚度范围为40～60nm。优选的，金属材料层与导电介质层形成相互垂直的CROSSBAR结构，所述CROSSBAR线宽与间距范围为0.2～1mm。具体的，棱镜单元为半圆柱型玻璃透镜，在其长方形面上设置传感器单元。优选的，棱镜单元的材质为SF11或者BK7。本专利技术解决其技术问题所采用的另一技术方案是：制备上述可见光可变穿透深度生物传感器的方法，包括以下步骤：在棱镜侧面溅射沉积第一非导电介质层；在第一非导电介质层表面溅射沉积金属材料层，对金属材料层涂胶并图形化出槽体形成顶电极，并光激发产生表面等离子体共振；在金属材料层表面溅射沉积第二非导电介质层；在第二非导电介质层表面溅射沉积导电介质层，对其涂胶并图形化出槽体形成底电极，并与金属材料层构成CROSSBAR结构。具体的，采用射频磁控方式溅射沉积非导电介质层，采用直流磁控溅射沉积金属材料层。本专利技术的有益效果是：相较于现有技术，该生物传感器能够在忆阻单元加载正负电压的条件下，传感器单元在LRSPR效应与CPWR效应之间进行动态转变，以实现灵活的穿透深度的变化，在探测未知材料生物体时可明显提高其分辨率，广泛适用于不同的待测物。本专利技术适用于不同生物体的测量。附图说明图1是本专利技术的结构示意图；图2是本专利技术的忆阻单元的结构示意图；图3是本专利技术的时域有限差分法的仿真结果图；其中，10为生物传感器，11为棱镜单元，12为LRSPR效应传感器单元，13为CPWR效应传感单元，14为忆阻单元，15为待测生物分子细胞单元，121为第一非导电介质层，122为金属材料层，123为第二非导电介质层，141为导电介质层，142为加电压装置。具体实施方式下面结合附图及实施例，对本专利技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本专利技术的一部分实施例，而不是全部的实施例。以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本专利技术及其应用或使用的任何限制。基于本专利技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本专利技术保护的范围。本专利技术未详细阐述部分属于本领域公知技术。对于相关领域普通技术人员已知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术、方法和设备应当被视为授权说明书的一部分。如图1所示，本专利技术的可见光可变穿透深度生物传感器10包括用于产生ATR衰减倏逝波的棱镜单元11，用于实现LRSPR效应或CPWR效应的传感器单元12/13，用于实现可变介质介电常数的忆阻单元14以及待测生物分子细胞单元15。棱镜单元11包括折射率较大的棱镜以满足光波全反射条件，在可见光入射激励下，能够产生ATR衰减倏逝波，基于成本及实现效果考虑，棱镜单元半圆柱型玻璃透镜，在其长本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.可见光可变穿透深度生物传感器，其特征在于，包括依次设置的棱镜单元(11)、传感器单元、忆阻单元(14)以及待测生物分子细胞单元(15)，传感器单元包括LRSPR效应传感单元(12)及CPWR效应传感单元(13)，棱镜单元(11)用于产生ATR衰减倏逝波；LRSPR效应传感单元(12)用于实现LRSPR效应，依次包括辅助实现LRSPR效应的第一非导电介质层(121)、金属材料层(122)以及第二非导电介质层(123)，第二非导电介质与第一非导电介质构成对称结构；金属材料层(122)以及设置在其上表面的第二非导电介质层(123)形成CPWR效应传感单元(13)，当LRSPR效应共振条件被破环时，CPWR效应传感单元(13)实现CPWR效应；忆阻单元(14)用于实现可变介质介电常数，包括第一非导电介质层(121)、金属材料层(122)、设置在第一非导电介质层(121)上表面的导电介质层(141)以及加电压装置(142)，加电压装置分别向导电介质层(141)及金属材料层(122)施加正负极电压，在加电压的情况下，使得金属材料层(122)的金属电极发生电化学金属化，在第一非导电介质层(121)中产生金属细丝以改变介质的介电常数；在忆阻单元加载正负电压的条件下，传感器单元在LRSPR效应与CPWR效应之间进行动态转变，以实现灵活的穿透深度的变化。...

【技术特征摘要】
1.可见光可变穿透深度生物传感器，其特征在于，包括依次设置的棱镜单元(11)、传感器单元、忆阻单元(14)以及待测生物分子细胞单元(15)，传感器单元包括LRSPR效应传感单元(12)及CPWR效应传感单元(13)，棱镜单元(11)用于产生ATR衰减倏逝波；LRSPR效应传感单元(12)用于实现LRSPR效应，依次包括辅助实现LRSPR效应的第一非导电介质层(121)、金属材料层(122)以及第二非导电介质层(123)，第二非导电介质与第一非导电介质构成对称结构；金属材料层(122)以及设置在其上表面的第二非导电介质层(123)形成CPWR效应传感单元(13)，当LRSPR效应共振条件被破环时，CPWR效应传感单元(13)实现CPWR效应；忆阻单元(14)用于实现可变介质介电常数，包括第一非导电介质层(121)、金属材料层(122)、设置在第一非导电介质层(121)上表面的导电介质层(141)以及加电压装置(142)，加电压装置分别向导电介质层(141)及金属材料层(122)施加正负极电压，在加电压的情况下，使得金属材料层(122)的金属电极发生电化学金属化，在第一非导电介质层(121)中产生金属细丝以改变介质的介电常数；在忆阻单元加载正负电压的条件下，传感器单元在LRSPR效应与CPWR效应之间进行动态转变，以实现灵活的穿透深度的变化。2.如权利要求1所述的传感器，其特征在于，第一非...

【专利技术属性】
技术研发人员：蒋向东，郭瑞康，董湘，王继岷，李伟，
申请(专利权)人：电子科技大学，
类型：发明
国别省市：四川,51