基于贵金属/绝缘体纳米复合材料的局域化表面等离子体共振传感器制造技术

本发明专利技术公开了一种基于贵金属/绝缘体纳米复合材料的局域化表面等离子体共振传感器。所述传感器由敏感元件、反射式探头、支撑元件和紧固螺栓构成，可以用来实现待测介质折射率变化的实时监测。和传统的基于贵金属纳米颗粒的局域化表面等离子体共振传感器相比，本发明专利技术中的敏感元件不再是贵金属纳米颗粒自身，而是经过贵金属离子注入后合成了贵金属/绝缘体纳米复合材料表面层的光学透明绝缘体薄板，所包含的贵金属纳米颗粒并不与待测介质直接接触，因此，它不仅具有更好的结构稳定性，而且能够应用化学性质欠稳定但局域化表面等离子体共振效应更强的银纳米颗粒，有利于获得更高的检测灵敏度。

Localized surface plasmon resonance sensor based on noble metal / insulator Nanocomposites

【技术实现步骤摘要】
基于贵金属/绝缘体纳米复合材料的局域化表面等离子体共振传感器
本专利技术属于纳米光子学
，涉及一种基于贵金属/绝缘体纳米复合材料的局域化表面等离子体共振传感器。
技术介绍
对于金(Au)、银(Ag)或铜(Cu)等贵金属纳米颗粒来说，由于其几何尺寸在纳米数量级，因此能够在特定波长的光束照射下直接激发出局域化的表面等离子体共振模，作为局域化表面等离子体共振模衰退的结果，特定波长的入射光会被强烈的吸收和/或散射。局域化表面等离子体共振模的激发波长强烈地依赖于贵金属纳米颗粒周围环境的介电函数，也就是说，改变贵金属纳米颗粒周围介质的折射率，会导致局域化表面等离子体共振模的激发波长发生显著变化，基于这一特性，科技工作者提出了一种用于实时监测待测介质折射率变化的光学传感器，即基于贵金属纳米颗粒的局域化表面等离子体共振传感器。对于该型传感器而言，由于其局域化表面等离子体共振模的激发不需要棱镜、光栅等特殊的耦合装置，而且局域化表面等离子体共振模的激发波长还可以通过改变贵金属纳米颗粒的尺寸、形状和间距等进行调控，因此它要比基于贵金属纳米薄膜的表面等离子体共振传感器更加优越，有利于实现待测物的无标记、高通量检测，在临床诊断、药品开发、生物工程、环境控制和食品工业等领域具有广阔的应用前景。值得注意的是，已经提出的基于贵金属纳米颗粒的局域化表面等离子体共振传感器还存在着两个明显缺陷：①为了防止团聚，贵金属纳米颗粒需要沉积在一定的支撑材料上，这种结合方式使得所构成的传感器不会具有很高的结构稳定性，难以应对比较强烈的冲击或者刮擦；②作为敏感元件的贵金属纳米颗粒需要与待测介质直接接触，因此原则上只能使用化学性质稳定但局域化表面等离子体共振响应相对较弱的Au纳米颗粒，而不能使用化学性质欠稳定但局域化表面等离子体共振响应相对较强的Ag纳米颗粒，这使得所构成传感器的灵敏度难以获得进一步提高。要想实质性地克服上述缺陷，就必须开发出一种具有独特结构的新型局域化表面等离子体共振传感器。
技术实现思路
本专利技术旨在提出一种基于贵金属/绝缘体纳米复合材料的局域化表面等离子体共振传感器。金属离子注入被认为是一种成熟、有效而且灵活的材料表面改性方法。将适宜能量和剂量的贵金属离子注入到光学透明的绝缘体薄板中，借助溅射引起的表面移除效应，可以在绝缘体薄板中形成具有一定厚度的贵金属/绝缘体纳米复合材料表面层，由于贵金属/绝缘体纳米复合材料表面层中包含贵金属纳米颗粒，因此整个改性材料呈现出新的光学性质。深入研究表明，如果贵金属/绝缘体纳米复合材料表面层上的覆盖物与基底之间在折射率上存在差异，则改性材料的上表面和下表面(即注入面和非注入面)会表现出不同的反射行为，举例来说，当覆盖物为空气时，从上表面(即注入面)测得的反射峰位于短波长位置，而从下表面(即非注入面)测得的反射峰则位于长波长位置，这就意味着，当反射谱是从下表面(即非注入面)测量时，随着贵金属/绝缘体纳米复合材料表面层上覆盖物折射率的增加，反射峰的位置将会发生相应的蓝移，基于这一特性，专利技术人提出了一种新型的光学传感器，用以实时监测待测物折射率的变化。由于这种新型的光学传感器所给出的反射峰及其峰位的变化仍然取决于贵金属纳米颗粒的局域化表面等离子体共振响应，因此它从本质上来讲还是一种局域化表面等离子体共振传感器，但与传统的基于贵金属纳米颗粒的局域化表面等离子体共振传感器不同，此时的敏感元件不再是贵金属纳米颗粒自身，而是包含贵金属/绝缘体纳米复合材料表面层的光学透明绝缘体薄板，其中的贵金属纳米颗粒被绝缘体材料包围，并不与待测介质直接接触，正是因为这种特殊的结构，使之能够很好地解决传统的基于贵金属纳米颗粒的局域化表面等离子体共振传感器所面临的问题。实现本专利技术所采取的技术方案如下：在基于贵金属/绝缘体纳米复合材料的局域化表面等离子体共振传感器中，所采用的敏感元件是经过贵金属离子注入后合成了贵金属/绝缘体纳米复合材料表面层的光学透明绝缘体薄板。作为优选，制备所述敏感元件所需的贵金属离子是Au、Ag、Cu离子中的一种。进一步地，制备所述敏感元件所需的光学透明绝缘体薄板在材质上包括但不限于SiO2、Al2O3、MgF2、Polymethylmethacrylate(PMMA)、Polycarbonate(PC)等。进一步地，所述的基于贵金属/绝缘体纳米复合材料的局域化表面等离子体共振传感器还包括反射式探头。所述反射式探头的上端面与敏感元件下表面之间的距离控制在0～8mm。具体地，将反射式探头固定安装在支撑元件中央通孔中，敏感元件的下表面贴合在支撑元件的上表面并将中央通孔覆盖。本专利技术的有益效果是：本专利技术可用来实时监测待测介质的折射率变化，进而揭示可能的相变行为以及生物、化学分子的相互作用过程，在临床诊断、药品开发、生物工程、环境控制和食品工业等领域具有重要的应用价值。与传统的基于贵金属纳米颗粒的局域化表面等离子体共振传感器相比，本专利技术所采用的敏感元件不是贵金属纳米颗粒自身，而是经过贵金属离子注入后合成了贵金属/绝缘体纳米复合材料表面层的光学透明绝缘体薄板。注入形成的贵金属纳米颗粒镶嵌在基底材料中，并不与待测介质直接接触，这就使得所形成的敏感元件不仅具有较高的结构稳定性，能够更好地应对冲击或者刮擦，而且允许使用化学性质欠稳定但局域化表面等离子体共振响应相对较强的Ag纳米颗粒，有利于获得较高的检测灵敏度。附图说明图1为本专利技术涉及的基于贵金属/绝缘体纳米复合材料的局域化表面等离子体共振传感器的结构示意图。图2为Ag/SiO2纳米复合材料表面层上分别覆盖空气和水时敏感元件的透射光谱。图3为Au/SiO2纳米复合材料表面层上分别覆盖空气和水时敏感元件的透射光谱。图4为Ag/SiO2纳米复合材料表面层上分别覆盖空气、水、盐水和甘油时敏感元件下表面的反射光谱，其中的插图给出了与Ag纳米颗粒局域化表面等离子体共振相关的反射峰的峰位和覆盖物折射率之间的关系曲线。图5为Au/SiO2纳米复合材料表面层上分别覆盖空气、水、盐水和甘油时敏感元件下表面的反射光谱，其中的插图给出了与Au纳米颗粒局域化表面等离子体共振相关的反射峰的峰位和覆盖物折射率之间的关系曲线。图中：1-敏感元件，2-支撑元件，3-反射式探头，4-紧固螺栓，5-光学透明绝缘体薄板，6-贵金属/绝缘体纳米复合材料表面层。具体实施方式下面结合附图和实施例来进一步描述本专利技术。本部分描述属于示范和解释，不应视为本专利技术所公开
技术实现思路
的限制。实施例如图1所示，本专利技术由敏感元件1、支撑元件2、反射式探头3和紧固螺栓4构成，其中的敏感元件1是经过贵金属离子注入后合成了贵金属/绝缘体纳米复合材料表面层6的光学透明绝缘体薄板5。制备敏感元件1所需的贵金属离子为Au、Ag、Cu离子中的一种，它的能量和剂量以能够在光学透明绝缘体薄板5中合成贵金属/绝缘体纳米复合材料表面层6为依据进行选择。制备敏感元件1所需的光学透明绝缘体薄板5在材质上包括但不限于S本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.基于贵金属/绝缘体纳米复合材料的局域化表面等离子体共振传感器，其特征在于，包括敏感元件，所述敏感元件是经过贵金属离子注入后合成了贵金属/绝缘体纳米复合材料表面层的光学透明绝缘体薄板。/n

【技术特征摘要】
1.基于贵金属/绝缘体纳米复合材料的局域化表面等离子体共振传感器，其特征在于，包括敏感元件，所述敏感元件是经过贵金属离子注入后合成了贵金属/绝缘体纳米复合材料表面层的光学透明绝缘体薄板。


2.根据权利要求1所述的基于贵金属/绝缘体纳米复合材料的局域化表面等离子...

【专利技术属性】
技术研发人员：王军，刘昌龙，
申请(专利权)人：中国石油大学华东，
类型：发明
国别省市：山东;37