一种垂直透射型局域等离子谐振折射率传感器及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种垂直透射型局域等离子谐振折射率传感器及其制备方法。该传感器包括金属帽、透明介质柱、金属孔阵层；所述透明介质柱层由透明材料制备得到，包括基底层和分布于基底层上的柱阵列；柱阵列中每个柱子顶部与柱子和基底层连接的根部的形状及面积都相同，并且柱子顶部面积大于中部横截面面积；所述金属帽为覆盖每个柱子顶部的金属膜，金属孔阵层为覆盖基底层的金属膜。本发明专利技术首先加工出柱阵列模板，以此复制出软弹性印章；采用软光刻技术制备出透明的柱阵列；再在基底层平面和每个柱子顶部镀一层金属膜即完成。本发明专利技术传感器可以应用于高灵敏度的垂直透射型检测，制备方法简便，成本低，可控性、可重复性强，适合规模化生产。

【技术实现步骤摘要】
一种垂直透射型局域等离子谐振折射率传感器的制备方法及其应用
本专利技术属于传感器
更具体地，涉及一种垂直透射型局域等离子谐振折射率传感器及其制备方法。
技术介绍
局域表面等离子体谐振传感器无需耦合棱镜、光波导或者衍射光栅，即可实现其入射光波动量与表面等离子体波的相匹配，并稳定的激发局域表面等离子体。相较于传播表面等离子体谐振传感器，它结构更简单、更经济，且适用于检测局域范围内的分子捕获或吸附引起的折射率变化。目前报道的局域表面等离子体谐振传感器检测方式有反射型和透射型两种。其中后者需以透明材料作为基地方可实现。本专利技术人前期研究获得的最初的蘑菇头状柱阵列加工时通过光刻的方式，即两次正交的双光束曝光或者一次三光束曝光，然后施以过度显影，制备出顶部和底部比中部稍大的光刻介质柱；然后在通过真空垂直蒸镀金属，制备出顶部金属帽和底部金属孔阵。所述的蘑菇头装柱阵列传感器拥有非常高的品质因数（折射率灵敏度与谐振峰（谷）半高峰宽之比）。但是，这种以光刻方式加工的蘑菇头状柱阵列作为折射率传感，不可避免存在如下难题：一，由于光刻技术制备技术成本昂贵，加工条件（如湿度、大气压和光刻操作步骤中的人为因素）的轻微差异都会带来批次产品的结构变化，不同结构其共振模式也会有差异，这是本专利技术传感器规模化制备所面临的严峻挑战；二，以光刻胶为基底的蘑菇头阵列由于透光性能很差，因此只适用于反射型光路系统，不利于光学器件的微型化和平行集成。三，此方法获得的蘑菇头柱阵列传感器的最优化入射角处于斜射，然而在使用折射率传感器进行生化检测时，光斜射透过不同折射率介质时，其传播方向会发生改变。因此当待测样品的溶剂或者容器发生变化时，斜入射型的折射率传感器都必须重新校正其入射角度；特别的，在使用透射型折射率传感器进行检测或分析时，不同浓度样品或者反应进行的阶段，溶液折射率存在差异或变化，透射光谱特征峰位移部分源自于入射角度的改变，造成不可消除的误差。上述难题严重阻碍了蘑菇头状柱阵列折射率传感器的广泛应用。
技术实现思路
本专利技术要解决的技术问题是克服现有局域表面等离子体谐振传感器的缺陷和不足，提供一种可应用于垂直透射检测的局域等离子谐振折射率传感器，并实现其均一可控且低成本的大规模制备。本专利技术的目的是提供一种垂直透射型局域等离子谐振折射率传感器。本专利技术的另一目的是提供上述垂直透射型局域等离子谐振折射率传感器的制备方法。本专利技术上述目的通过以下技术方案实现：本专利技术提供了一种垂直透射型局域等离子谐振折射率传感器，所述的传感器包括金属帽、透明介质柱层、金属孔阵层；其中，所述透明介质柱层是由透明材料制备而成，包括一个基底层和分布于基底层上的柱阵列；柱阵列中每个柱子的顶部与柱子和基底层连接的根部的形状及面积都相同，并且柱子的顶部的面积大于中部的横截面的面积；所述金属帽为覆盖柱阵列中每个柱子顶部的金属膜，金属孔阵层为覆盖基底层的金属膜。所述透明介质柱也可描述为蘑菇头状柱阵列透明基底。优选地，所述透明材料为紫外固化光学胶、聚甲基丙烯酸甲酯、聚碳酸酯或聚二甲基硅氧烷；所述柱阵列中每个柱子的顶部和根部的形状为方形或圆形；且顶部至根部之间为凹形。本专利技术进一步提供了一种上述垂直透射型局域等离子谐振折射率传感器的制备方法，该方法可在普通实验条件下实现，产品结构均一，无批次差异，且加工成本低，适宜大规模制备。具体包括以下步骤：S1.采用微纳加工技术在平坦光滑的基底上制备柱阵列模板，该柱阵列模板包括一个基底层和分布于基底层上的柱阵列；柱阵列中每个柱子的根部和顶部均大于中部；S2.将混匀的聚二甲基硅氧烷（PDMS，成分A、B混合）预聚体浇注在柱阵列模板上，复制出软弹性的聚二甲基硅氧烷（PDMS）印章；S3.将透明材料预聚液浇注在聚二甲基硅氧烷（PDMS）印章上，除去气泡后使之固化，分离印章，即获得柱阵列透明基底；S4.在柱阵列透明基底的基底层平面和每个柱子顶部真空垂直蒸镀一层金属薄膜，获得权利要求1所述垂直透射型局域等离子谐振折射率传感器步骤S4采用真空垂直蒸镀金属，获得的传感器介质柱壁上无金属残留，金属帽和紫外固化光学胶柱子呈（两头大，中间小），金属孔和柱子有一定间隙。优选地，步骤S1所述的微纳加工技术是激光相干曝光、反应离子刻蚀或光刻技术；所述平坦光滑的基底为玻璃片或硅片。优选地，步骤S2的具体方法为：S21.将混匀的聚二甲基硅氧烷（PDMS，成分A、B混合）预聚体浇注在蘑菇头状柱阵列模板上；S22.真空除气泡后，60～100℃固化30～60min，分离获得聚二甲基硅氧烷（PDMS）原始模板；S23.原始模板在60～100℃烘烤1～2h，使之完全交联固化后，超声清洗，获得干净的PDMS印章。优选地，步骤S3所述透明材料为紫外固化光学胶、聚甲基丙烯酸甲酯、聚碳酸酯或聚二甲基硅氧烷。更优选地，所述透明材料为紫外固化光学胶NOA63。优选地，步骤S3所述固化后，还在90～120℃烘烤3～5h。优选地，步骤S4所述金属为金、银、铂、钯、镁或铝。优选地，S23所述超声的功率25～45W，时间5～15min。最优选地，为简化制备过程，本专利技术采用激光相干曝光制备原始模板；采用紫外固化光学胶作为介质柱材料；采用金作为金属材料。本专利技术所述垂直透射型局域等离子谐振折射率传感器在生化样品的检测中的应用也在本专利技术的范围之内。另外，生化样品的检测是指检测样品导致的传感器垂直透射光谱特征峰的位移、透射强度变化，或者偏振光相位差变化。最重要的是，本专利技术所述的垂直透射型局域等离子谐振折射率传感器在检测样品浓度中的应用。本专利技术为了解决前期工作中存在的种种问题，通过大量研究和探索，提出了一种用软光刻技术来大规模制备蘑菇头状柱阵列的方法，软光刻技术采用了透明的印模和可以紫外固化的液体压印材料进行压印复制，在室温正常环境下即可实施。其基本流程是：制备透明的印模，然后浇注可紫外固化的液体压印材料，经紫外照射固化后，分离即获得与印模相配合的产品。该方法制备成本低廉，且制备过程简单、快速，与光刻加工技术和其他可实施柱阵列加工的微纳米加工技术相比，软光刻技术使用一块模板重复复制，即可高保真的获得大量的规格相同的产品，这对于拥有高品质因数的蘑菇头柱阵列传感器的工业化推广具有极其重要的意义。同时本专利技术传感器所用的紫外固化光学胶是一种透明材料，适用于透射光路检测系统。特别地，本专利技术传感器透射型检测角度优化为正入射（θ=0°），激发光透过不同折射率的溶液介质，到达传感器表面时，其入射角度仍然保持正入射。从而避免了因为溶剂变化而需要重新调整入射光所带来的繁琐，以及因为溶液折射率轻微变化所带来的误差。本专利技术传感器极其轻便，且容易平行集成在光学器件上进行高通量的检测。本专利技术垂直透射型局域等离子谐振折射率传感器的检测原理如下：垂直透射型局域等离子谐振折射率传感器的检测采用透射型光路系统。透射型光路系统是指在入射光和光源检测器分别位于传感器基底两侧，对传感器基地的透射光谱特征（如特征峰位置，透射光强度，或者不同偏振方向的入射光相位差）进行监控，从而检测传感器表面的折射率变化。由于光透过纳米空隙结构时，透过率极低，这就要求折射率传感器除表面的金、银等贵金属膜层外，基底其他部分需要无色，具有优秀的透光性能。光通过传感器透明基底表面的纳空隙阵本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种垂直透射型局域等离子谐振折射率传感器，其特征在于，所述的传感器包括金属帽、透明介质柱层、金属孔阵层；其中，所述透明介质柱层是由透明材料制备而成，包括一个基底层和分布于基底层上的柱阵列；柱阵列中每个柱子的顶部与柱子和基底层连接的根部的形状及面积都相同，并且柱子的顶部的面积大于中部的横截面的面积；所述金属帽为覆盖柱阵列中每个柱子顶部的金属膜，金属孔阵层为覆盖基底层的金属膜。

【技术特征摘要】
1.一种垂直透射型局域等离子谐振折射率传感器的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：S1.采用微纳加工技术在平坦光滑的基底上制备柱阵列模板；柱阵列中每个柱子的根部和顶部均大于中部；S2.将混匀的聚二甲基硅氧烷预聚体浇注在柱阵列模板上，复制出软弹性的聚二甲基硅氧烷印章；S3.将透明材料预聚液浇注在聚二甲基硅氧烷印章上，除去气泡后使之固化，分离印章，即获得柱阵列透明基底；S4.在柱阵列透明基底的基底层平面和每个柱子顶部真空垂直蒸镀一层金属薄膜，即获得垂直透射型局域等离子谐振折射率传感器；所述垂直透射型局域等离子谐振折射率传感器包括金属帽、透明介质柱层、金属孔阵层；其中，所述透明介质柱层是由透明材料制备而成，包括一个基底层和分布于基底层上的柱阵列；柱阵列中每个柱子的顶部与柱子和基底层连接的根部的形状及面积都相同，并且柱子的顶部的面积大于中部的横截面的面积；所述金属帽为覆盖柱阵列中每个柱子顶部的金属膜，金属孔阵层为覆盖基底层的金属膜；所述金属孔阵的每个金属孔和柱子之间有一定间隙；所述柱阵列中每个柱子的顶部和根部的形状为方形或圆形；且顶部至根部之间为凹形。2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤...

【专利技术属性】
技术研发人员：周建华，李万博，黄镜先，
申请(专利权)人：中山大学，
类型：发明
国别省市：广东;44