基于天线辅助的双波长多功能传感元件、制备方法及应用技术

本发明专利技术公开了一种基于天线辅助的双波长多功能传感元件、制备方法及应用。传感元件包括具有金属特性的衬底，在其上构建相同材料或者不同材料但同样具有金属特性的周期排列的领结结构。在相邻的金领结之间，构建微纳天线，利用微纳天线提高对入射光的捕获能力，从而增加亚辐射模的激发效率，进一步提高拉曼增强效果。通过增加天线设计，这种双波长多功能生物传感器拉曼增强比不加天线的结构增强了一倍；比单个金领结结构增强了一个数量级。本发明专利技术通过一个等离子体共振结构同时解决了传感器领域的多个难题。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及传感领域，尤其涉及一种基于天线辅助的双波长多功能传感元件、制备方法及应用。
技术介绍
生物传感器在医学检测、食品安全、环境监控等领域均有着广泛而重要的应用。生物传感器主要实现两方面的功能——未知分子的甄别和已知分子的浓度检测。目前用于分子甄别的主要技术是拉曼谱分析技术。拉曼光谱分析技术是基于拉曼散射效应，对于入射光频率不同的散射光谱进行分析以得到分子振动、转动方面信息，并应用于分子结构研究的一种分析方法。因此不同的分子会有截然不同的拉曼散射谱，也因此被称为分子的“指纹”。但是分子的拉曼散射强度通常都非常的弱，使得直接的测量极其困难。另一方面，对于分子浓度的检测的重要手段之一是检测随分子浓度改变的环境折射率。因此需要找出对于局域折射率改变敏感的元件。为了解决这两个问题，基于表面等离子体共振的微纳结构被广泛应用到了生物传感器的设计中。表面等离子体共振是一种传导电子在介电常数符号相反的两种介质界面上的集体振荡行为。在金属微纳结构表面的等离子体共振具有很强的局域特性，因此称为局域表面等离子体共振。这种局域表面等离子体共振可以将电磁场局限在纳米结构的表面附近，因此纳米结构表面附近的电场得到增强。增强的近场可以用于增强拉曼散射（通常增强效果可以达到106~1012），作为拉曼传感器。同时，金属纳米结构附近的局域场天然的对于环境敏感，可以作为折射率传感器。目前，基于局域表面等离子体共振的生物传感器的研究已经有诸多报道。其中，基于局域表面等离子体共振的折射率传感器的研究热点之一就是如何提高传感器的品质因子。品质因子的定义是传感器的灵敏度（单位折射率变化引起的波长漂移）与带宽的比值。不难看出，优化品质因子的两条途径为提高灵敏度和降低带宽。通过巧妙设计不同的金属纳米结构，品质因子可大大提高 (Lassister, J.B, et al, Nano Letter 10, 3184,2010; Chen, L., et al, Chin. Phys. B 23, 027303, 2014)。 对于拉曼传感器的探测精度（极限为单分子探测），则完全取决于设计的等离子体共振微纳结构的场增强效果。拉曼增强正比于激发光的增强和拉曼散射光增强的乘积，因此，对于单共振的微纳结构，由于带宽有限，这一增强效果仅对于短波数拉曼信号有效，而对于长波数拉曼以及hyper拉曼增强效果会大大减弱。Crozier等人首次提出了双波长等离子体共振的微纳结构，将拉曼增强拓展到2000cm-1(Mohamad, et al, ACS Nano 5, 307, 2010; Y.Chu, et al, ACS Nano 4, 2804, 2010)。我们也曾提出可调的双波长等离子体共振微纳结构，进一步拓宽拉曼增强波数到3000cm-1（Jiao Lin, et al, Laser & Photon. Rev. 8, 610, 2014)。这一范围已经足够覆盖几乎所有的拉曼散射信号，并且理论上没有限制，可以继续向长波数拉曼方向拓展。除了解决了长波数拉曼以及hyper拉曼增强的问题，这一双波长等离子体共振微纳结构还能同时解决拉曼传感和基于等离子体共振的折射率传感不能共存的问题。在这一双波长结构中，我们使用了一个亚辐射模式，使得实现长波数拉曼增强的同时，集成了高品质因子的折射率传感功功能。尽管这一结构很好的解决了长波数拉曼增强以及将拉曼传感和折射率传感集成在一起的问题，但是对于实现单分子探测，其增强效果仍然有待进一步提高。另外，对于单共振结构，在同时实现拉曼增强和折射率传感两个功能时存在“带宽”矛盾——即拉曼增强需要带宽尽量宽可以同时增强激发光和散射拉曼信号，而基于等离子体共振的折射率传感器则追求更窄的带宽，实现更高的品质因子。
技术实现思路
本专利技术的目的是针对现有技术的不足，为分子检测系统提供一种基于天线辅助的双波长多功能传感元件、制备方法及应用。 本专利技术提出的基于天线辅助的双波长多功能传感元件，包括具有金属特性材料的衬底以及在其上构建的具有金属特性的周期排布的领结结构，在相邻领结之间，构建提高捕获入射光能力的微纳天线，通过调节领结、天线的尺寸以及领结、天线排布的周期达到两种等离子体共振模式，即一种为在所述领结的结构面内的电偶极子结合的谐振模式，另一种则是存在于领结与衬底之间的亚辐射磁偶极子共振模式，调节这两种等离子体共振模式，使得谐振波长与拉曼激发和拉曼散射的波长匹配。 所述的调节领结、天线尺寸以及排布的周期具体如下：通过设置领结三角形顶点到底边的高，调节第一共振峰的位置与激发光长匹配；通过设置领结的厚度调节第二共振峰的位置与探测的拉曼信号波长匹配；通过设置领结排列周期，调节第一共振峰的电场，通过设置微纳天线的宽度调节共振的频率，通过上述的参数设置达到两种等离子体共振模式。 所述的具有金属特性材料要求在所需的频率范围内呈现负介电常数，包括金属材料和金属特性的介质材料，所述的金属材料包括但不限于金、银、铜、铝，所述的金属特性的介质材料包括在中红外波段的碳化硅材料。 所述的领结采用相同材料或不同材料。 更进一步本专利技术适用于长波数拉曼以及hyper拉曼的增强。 所述的传感元件中的纳米天线与领结的厚度相同。 一种所述的传感元件的制备方法：在任意平面基底上溅射0.2um金属特性材料作为衬底，在金属特性材料衬底上旋涂0.18um正性光刻胶PMMA950K，光刻胶的厚度与衬底的厚度在3:1，用电子束曝光技术在光刻胶上曝光领结-微纳天线结构，显影后，曝光部分被洗掉，留下领结-微纳天线的凹坑，在这些凹坑内方向性蒸镀0.055um的金属特性材料，将残留的胶清洗掉，则在衬底上留下领结-微纳天线周期排布结构。。 本专利技术的传感元件可应用于生物传感。 一种采用所述的传感元件的传感器。本专利技术的有益效果包括：（1）本专利技术通过周期性领结结构使得拉曼增强比金属衬底上的单个金领结构增强了一个数量级。（2）通过纳米天线与领结周期性设计，拉曼增强提高了一倍，增强对入射光的捕获能力，从而提高了亚辐射模式的激发效率，大大提高了拉曼增强效果。同时，增加金条结构并不增加工艺复杂度，可以通过电子束曝光技术制备，也可以利用纳米压印技术实现大面积低沉本的加工。（3）本专利技术可以为长波数拉曼（3000cm-1）以及hyper 拉曼提供108以上的电场增强、 实现了品质因子达到25.8的基于局域等离子体共振的折射率传感。（4）本专利技术的结构的光谱响应最多可提供三个增强峰，可调节三个峰的谐振波长分别匹配激发、stokes和anti-stokes的位置，可同时增强stokes和anti-stokes信号。（5）本专利技术同时解决了传感器领域的三个难题：一是通过双波长等离子体共振结构解决长波数以及hyper拉曼的增强问题；二是通过引入一个亚辐射模式将高品质因子的折射率传感元件集成到拉曼传感器中，实现了多功能生物传感，便捷了生物探测也大大降低了成本；三是通过纳米天线的引入，进一步提高了拉曼增强效果，为实现单分子探测提供了可能性。 综上，本专利技术的结构设计非常灵活，通过改变结构参数，可以灵活调节双波长的共振峰的位置，从而适用于不同的激发源以本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于天线辅助的双波长多功能传感元件，其特征在于：包括具有金属特性材料的衬底以及在其上构建的具有金属特性的周期排布的领结结构，在相邻领结之间，构建提高捕获入射光能力的微纳天线，通过调节领结、天线的尺寸以及领结、天线排布的周期达到两种等离子体共振模式电场增强，即一种为在所述领结的结构面内的电偶极子结合的谐振模式，另一种则是存在于领结与衬底之间的亚辐射磁偶极子共振模式，调节这两种等离子体共振模式，使得谐振波长与拉曼激发和拉曼散射的波长匹配。

【技术特征摘要】
1.一种基于天线辅助的双波长多功能传感元件，其特征在于：包括具有金属特性材料的衬底以及在其上构建的具有金属特性的周期排布的领结结构，在相邻领结之间，构建提高捕获入射光能力的微纳天线，通过调节领结、天线的尺寸以及领结、天线排布的周期达到两种等离子体共振模式电场增强，即一种为在所述领结的结构面内的电偶极子结合的谐振模式，另一种则是存在于领结与衬底之间的亚辐射磁偶极子共振模式，调节这两种等离子体共振模式，使得谐振波长与拉曼激发和拉曼散射的波长匹配。2.如权利要求1所述的传感元件，其特征在于所述的调节领结、天线尺寸以及排布的周期具体如下：通过设置领结三角形顶点到底边的高，调节第一共振峰的位置与激发光长匹配；通过设置领结的厚度调节第二共振峰的位置与探测的拉曼信号波长匹配；通过设置领结排列周期，调节第一共振峰的电场强度，通过设置微纳天线的宽度调节共振的频率，调节第二共振峰的电场强度，通过上述的参数设置达到两种等离子体共振电场最强增强模式。3.如权利要求1所述的传感元件，其特征在于，所述的具有金属特性材料要求在所需的频率范围内呈现负介电常数，包括金属材...

【专利技术属性】
技术研发人员：林娇，何赛灵，
申请(专利权)人：常熟浙瑞亘光电技术有限公司，
类型：发明
国别省市：江苏;32