一种提高荧光纳米粒子远场定向发光的复合结构制造技术

本发明专利技术属于生物检测领域，公开了一种提高荧光纳米粒子远场定向发光的复合结构，包括聚合物基底，所述聚合物基底上刻蚀有横截面为半圆形的微流通道，所述微流通道表面蒸镀有一层金属膜；微流通道内部用于填充混有荧光纳米粒子的生物溶液；所述聚合物基底上位于微流通道两侧设置有金属支架，所述金属支架用于搭载位于支架上方的微透镜。本发明专利技术可以大大提高荧光纳米粒子远场定向发光，可以广泛应用于生物检测领域。

A Composite Structure for Enhancing Far Field Directional Luminescence of Fluorescent Nanoparticles

【技术实现步骤摘要】
一种提高荧光纳米粒子远场定向发光的复合结构
本专利技术属于生物检测领域，具体涉及一种提高荧光纳米粒子远场定向发光的复合结构，该结构为微米尺寸的金属微流通道和微透镜组成，可以实现荧光纳米粒子在结构远场的荧光发光强度的提高。
技术介绍
荧光检测是生物学研究中许多测量的基础，自20世纪50年代引入生物化学以来，荧光的原理和应用经历了广泛充足的发展。荧光检测可以应用在众多领域，包括生物大分子的研究、细胞成像和DNA分析。虽然荧光检测被认为是检测生物和化学物质的最佳光学方法之一，但传统荧光技术的典型缺点是荧光在各向同性介质中发光比较分散，信噪比相对较低，这限制了它在医学诊断、食品控制和安全等领域的应用，特别是在单一分子水平上实现目标荧光分子检测。因此，提高荧光信号检测的灵敏度引起了研究者们极大的关注。研究人员在研究中发现当电磁波照射在微纳米尺度上的金属结构时，在微纳米结构附近会产生强的局域场，这种特殊的现象称之为表面等离子共振（SurfacePlasmaResonance，SPR）。强的局域场将会使得荧光纳米粒子激发得到增强，同时将会修正荧光纳米粒子的辐射衰减速率以及荧光寿命，使得荧光纳米粒子发光强度得到提高。利用这种特性可以有效的增强荧光定向发射。但是金属增强荧光有一些局限性：1）金属在可见光波段具有较大的吸收损耗，较大的金属欧姆损耗将会影响荧光增强倍数；2）欧姆损耗产生的大量焦耳热会导致局部环境温度比较高，因此金属微纳米结构不适合于一些温度比较敏感的环境；3）当荧光物质和金属表面之间的距离增加时，荧光发射将会以指数形式急剧减少，此外当距离小于10nm时，将会发生荧光猝灭。为了解决金属内部能耗大的问题，研究人员提出了电介质光子晶体用来提高荧光纳米粒子定向发射。但是荧光纳米粒子和光子晶体表面之间的距离很容易影响荧光增强，并且随着荧光纳米粒子与光子晶体表面之间距离的增加，增强因子将呈指数衰减。同样也不能实现荧光纳米粒子在远场范围的荧光增强。
技术实现思路
本专利技术克服现有技术存在的不足，所要解决的技术问题为：提供一种提高荧光纳米粒子远场定向发光的复合结构。为了解决上述技术问题，本专利技术采用的技术方案为：一种提高荧光纳米粒子远场定向发光的复合结构，包括聚合物基底，所述聚合物基底上刻蚀有横截面为半圆形的微流通道，所述微流通道表面蒸镀有一层金属膜；微流通道内部用于填充混有荧光纳米粒子的生物溶液；所述聚合物基底上位于微流通道两侧设置有金属支架，所述金属支架用于搭载位于支架上方的微透镜。所述生物溶液的折射率为1.2~1.5。所述金属支架的高度H1为2.4~3.6µm，微流通道的半径为3~8µm所述微透镜的半短轴R1为1~6µm。所述金属支架的高度H1为3µm，微流通道的半径为6µm，所述微透镜的半短轴R1为1µm。所述金属膜的厚度t≥0.1µm。所述荧光纳米粒子为胶体量子点、上转换粒子、有机发光粒子或无机发光粒子。所述金属膜和金属支架的材料为金属金、银或者铜。所述微透镜的折射率为2~6。所述微透镜的折射率为3。本专利技术与现有技术相比具有以下有益效果：本专利技术提供了一种提高荧光纳米粒子远场定向发光的复合结构，荧光纳米粒子与金属微流通道产生复杂的光耦合模式，之后逸出通道到达微透镜后在远场发生强烈的干涉产生了高度定向的出射光，与聚合物PMMA微流通道相比，本专利技术的复合结构可以实现远场高度定向的发射光。附图说明图1为本专利技术实施例的三维结构示意图；图2为本专利技术实施例在x-y平面的示意图；图3在波长范围400-700nm时，本设计所采用的材料Ag、聚合物PMMA和生物溶液的复折射率分布图；图4为荧光纳米粒子在不同弧度下的金属银微流通道的远场定向发光功率图；图5为荧光纳米粒子在半圆形金属银微流通道内，在波长为600nm时的x-y平面的电场分布图；图6为支撑微透镜的支架高度对远场定向发光功率的影响；图7为微透镜的短轴参数对远场定向发光功率的影响；图8为微透镜的折射率对远场定向发光功率的影响；图9为荧光纳米粒子在优化参数后的复合结构下，在波长为600nm时的x-y平面的电场分布图；图10为本专利技术对比结构，聚合物PMMA通道结构在波长为600nm时的x-y平面的电场分布图。具体实施方式本专利技术设计了一种提高荧光纳米粒子远场定向发光的复合结构，如附图1~2所示。在聚合物PPMA基底1上刻蚀一个横截面为半圆形的微流通道2，微流通道2表面蒸镀一定厚度的金属膜3。微流通道2内部填充着混有荧光纳米粒子的生物溶液。同时在通道两侧设置一定高度的金属支架4，金属支架4用与搭载微透镜5。具体地，本专利技术实施例中，微流通道的半径为3~8µm；生物溶液的折射率为1.2~1.5；金属支架4的高度为2.4~3.6µm，金属膜的厚度大于等于0.1µm；所述微透镜5的半短轴长为1~6µm，折射率为2~6。此外，金属支架4可以为采用蒸镀的方式形成。具体地，本专利技术实施例中，贵金属膜和金属支架的材料可以为具有高反射率特性的金属，例如金、银、铜等，但不限于于此。所述荧光纳米粒子可以为胶体量子点、上转换粒子、有机发光粒子或无机发光粒子。本专利技术的工作原理如下：生物溶液内的荧光纳米粒子首先和半圆形金属微流通道产生复杂的光耦合模式，之后逸出通道到达微透镜5，支撑微透镜5的支架4给逸出光提供了充足的光学路径，使得从逸出光在通过微透镜4后在远场发生强烈的干涉产生了高度定向的出射光。因此，本专利技术可以大大提高荧光纳米粒子远场定向发光。本专利技术实施例及其对比结构已经考虑了材料的固有损耗，贵金属以Ag为例，生物溶液折射率以1.33为例，荧光粒子发光波长以400~700nm为例，Ag、PMMA和生物溶液的复折射率如附图3所示。附图4为荧光纳米粒子在不同弧度下的金属银微流通道的远场定向发光功率图。附图5为聚合物基底1上方不设置支架4和微透镜5时，荧光纳米粒子在半径为6µm半圆形金属银微流通道内，在波长为600nm时x-y平面的电场分布图，可以看到荧光纳米粒子在半圆形金属银微流通道内的发生大量的光耦合。附图6是支撑微透镜的支架高度H对远场定向发光功率的影响，可以看到不同支架高度对远场发光功率影响不同，当支架高度H1为3µm时，在波长600nm下可以实现高度定向发射功率。附图7是微透镜的短轴参数R1对远场定向发光功率的影响，可以看到微透镜的短轴参数对远场发光功率影响不同，当短轴参数为1µm时，在波长600nm下可以实现高度定向发射功率。附图8是微透镜的折射率对远场定向发光功率的影响，可以看到微透镜的折射率对远场发光功率影响不同，当折射率为3时，在波长600nm下可以实现高度定向发射功率。附图9为荧光纳米粒子在如图1所示的结构下，在波长为600nm时x-y平面的电场分布图，图9中对应的微流通道的半径为6µm，镀膜厚度为0.1µm，金属支架的材料为银，其高度为3µm，透镜的半短轴长为1µm，半长轴长为7微米。附图10为荧光纳米粒子在对比结构聚合物通道（无镀膜）结构下，在波长为600nm时x-y平面的电场分布图。对比图4中曲线以及对比图10和图5可以看出，在聚合物通道上镀金属银膜后，可以增加远场定向发光强度；分别对比图9和图5，图9和图10可以看出，在镀膜的微流通道上方增加支架和微透镜后，可以进一步实现荧光纳米粒子远场定本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种提高荧光纳米粒子远场定向发光的复合结构，其特征在于：包括聚合物基底（1），所述聚合物基底（1）上刻蚀有横截面为半圆形的微流通道（2），所述微流通道（2）表面蒸镀有一层金属膜（3）；微流通道（2）内部用于填充混有荧光纳米粒子的生物溶液；所述聚合物基底（1）上位于微流通道（2）两侧设置有金属支架（4），所述金属支架（4）用于搭载位于支架（4）上方的微透镜（5）。

【技术特征摘要】
1.一种提高荧光纳米粒子远场定向发光的复合结构，其特征在于：包括聚合物基底（1），所述聚合物基底（1）上刻蚀有横截面为半圆形的微流通道（2），所述微流通道（2）表面蒸镀有一层金属膜（3）；微流通道（2）内部用于填充混有荧光纳米粒子的生物溶液；所述聚合物基底（1）上位于微流通道（2）两侧设置有金属支架（4），所述金属支架（4）用于搭载位于支架（4）上方的微透镜（5）。2.根据权利要求1所述的一种提高荧光纳米粒子远场定向发光的复合结构，其特征在于：所述生物溶液的折射率为1.2~1.5。3.根据权利要求1所述的一种提高荧光纳米粒子远场定向发光的复合结构，其特征在于：所述金属支架（4）的高度H1为2.4~3.6µm，所述微流通道（2）的半径为3~8µm；所述微透镜（5）的半短轴R1为1~6µm。4.根据权利要求3所述的一种提高荧光纳米粒子远场定向发光的复合...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈智辉，全宏升，孙非，杨毅彪，费宏明，刘欣，
申请(专利权)人：太原理工大学，
类型：发明
国别省市：山西,14