一种基于磁光表面等离激元共振的生物蛋白传感器制造技术

本发明专利技术涉及光学传感领域，具体涉及一种基于磁光表面等离激元共振的生物蛋白传感器，具有周期性孔洞结构。本发明专利技术器件实现对P偏振光响应工作，当电磁波斜入射到器件表面激发六方周期孔洞结构SPP模式，由于表面等离激元对介质环境具有较高的敏感性，在滴加不同浓度BSA生物蛋白条件下器件SPP模式发生移动。同时利用Ce:YIG材料的磁光性能，外加横向磁场(外磁场方向垂直于入射面)，通过器件表面SPP模式的激发增强TMOKE，根据TMOKE峰位的移动探测BSA的浓度关系。主要应用于生物蛋白质检测、折射率传感器。

A biosensor based on magneto-optical surface plasmon resonance

【技术实现步骤摘要】
一种基于磁光表面等离激元共振的生物蛋白传感器
本专利技术涉及光学传感领域，具体涉及一种基于磁光表面等离激元共振的生物蛋白传感器，具有周期性孔洞结构。
技术介绍
入射电磁波与贵金属表面自由电子的集体振荡耦合被称为表面等离激元共振(SurfacePlasmonResonances，SPR)，由于表面等离激元共振可在纳米尺度上控制光的性质，因此被广泛使用于集成纳米光子学和小型化光电器件。表面等离激元共振(SPR)又可被分为：传播型表面等离激元(PropagatingSurfacePlasmon，PSP)和局域型表面等离激元(LocalizedSurfacePlasmon，LSP)。LSP是指带电粒子的振荡被局域在一个较小的范围内，而PSP的振荡具有一定的传播距离。由于表面等离激元共振(SPR)对介质环境的微小变化具有内在的敏感性，因此已将其广泛应用于传感应用中。同时，表面等离激元的激发会引起介质周围局域场的增强，利用该性质可以得到表面增强拉曼散射(Surface-EnhancedRamanScattering，SERS)，在测试过程中得到非常强的拉曼信号。Xu等人[1]利用电子束曝光技术，制备的U型Au纳米结构用于生物蛋白BSA传感实验当中，其器件的传感灵敏度为1.8nm/nM，相较于其他表面等离激元传感器具有较高的灵敏度。但是，该器件通过测试滴加不同浓度BSA生物蛋白的反射光谱得到其传感特性，由于金属具有较高的损耗，使得测试的反射光谱半高宽达到200nm以上，降低了器件的传感优值。同时，该器件的制备工艺复杂，制作成本较高，制约了器件在生产生活中的使用；因此开发低成本表面等离激元传感器具有实际应用价值。相较于表面等离激元传感系统，磁光表面等离激元传感系统具有线宽窄、灵敏度高、信噪比低等特征而广泛应用于超高灵敏度的生物医学传感器、集成光隔离器和磁光调制器等新型的纳米光子器件中。Qin等人[2]利用Au薄膜与磁光材料表面产生的表面等离激元增强磁光性能，进而用于BSA生物蛋白的传感实验中，虽然引入磁光材料可以大大提高测试优值，但是该器件的测试过程复杂，这是由于要激发Au薄膜表面的SPR模式需要外加棱镜辅助，如此使得测试过程复杂，不利于在生活中普遍使用。此外，传统的孔洞型磁光表面等离激元传感器采用金属磁光材料增强磁光性能，例如，S.M.Hamidi等人[3]设计Au/Co/Au三层孔洞结构的磁光传感器，得益于在Au纳米孔表面激发表面等离激元增强Co的磁光性能，然而金属材料Co在可见光近红外区域具有较高的本征损耗，导致器件生物蛋白传感测试信号较弱，影响器件的传感性能。[1]Xu,X.,etal.(2011)."Flexiblevisible-infraredmetamaterialsandtheirapplicationsinhighlysensitivechemicalandbiologicalsensing."NanoLett11(8):3232-3238.[2]Qin,J.,etal.(2017)."UltrahighFigure-of-MeritinMetal–Insulator–MetalMagnetoplasmonicSensorsUsingLowLossMagneto-opticalOxideThinFilms."ACSPhotonics4(6):1403-1412.[3]Hamidi,S.M.,etal.(2017)."TransverseTunableMagneto-PlasmonicKerrEffectinLargeAreaMicro-PatternedAu/Co/AuStructures."JournalofSuperconductivityandNovelMagnetism31(5):1465-1473.
技术实现思路
针对上述存在问题或不足，为解决现有的磁光表面等离激元蛋白质传感器件高损耗、高成本、低检测效率的问题，本专利技术提供了一种基于磁光表面等离激元共振的生物蛋白传感器。一种基于磁光表面等离激元共振的生物蛋白传感器，其结构由下至上依次为衬底层(能使YIG结晶的衬底材料)、YIG种子薄膜层、连续磁光介质(Ce:YIG)层和六方周期Au孔洞结构层。所述六方周期Au孔洞结构层周期为500～550nm，孔洞直径为340～400nm，厚度为30～50nm；六方周期Au孔洞结构层分别满足入射光波矢与空气层和Ce:YIG薄膜界面层的SPP波矢匹配，以激发Au和Ce:YIG表面传播型表面等离激元。本专利技术中六方周期Au孔洞结构层与连续磁光介质(Ce:YIG)层表面等离激元的激发增强了Ce:YIG的磁光效应。所述表面等离激元的激发来自入射角度在0～90°之间的TM电磁波与器件表面SPP波矢匹配，入射角不包括0°和90°两个端点。所述连续磁光介质Ce:YIG层厚度50～80nm，YIG种子层薄膜层厚度为40～80nm；且YIG和Ce:YIG均为结晶态，钇铁石榴石(YIG)以及掺铈的钇铁石榴石(Ce:YIG)作为磁光材料薄膜，在外磁场作用下产生磁光效应。进一步的，所述六方周期Au孔洞结构层由直径500～550nm的聚苯乙烯(Polystyrene)制成的小球均匀排布在磁光介质Ce:YIG层表面，通过氧等离子体进刻蚀得到直径为340～400nm孔洞结构，再沉积30～50nm金属Au后剥离聚苯乙烯小球制得。本专利技术器件实现对P偏振光响应工作，当电磁波斜入射到器件表面激发六方周期孔洞结构SPP模式，由于表面等离激元对介质环境具有较高的敏感性，在滴加不同浓度BSA生物蛋白条件下器件SPP模式发生移动。同时利用Ce:YIG材料的磁光性能，外加横向磁场(外磁场方向垂直于入射面)，通过器件表面SPP模式的激发增强TMOKE，根据TMOKE峰位的移动探测BSA的浓度关系。主要应用于生物蛋白质检测、折射率传感器。本专利技术器件的磁光效应来源于Ce:YIG，并在如图一所示的外磁场M作用下产生。其中六方周期Au孔洞结构层与连续磁光介质(Ce:YIG)层表面等离激元的激发增强Ce:YIG的磁光效应。本专利技术通过设计多层介质层的结构，构建了Ce:YIG磁光薄膜和六方周期Au孔洞结构，以实现六方周期Au孔洞结构分别在空气和Ce:YIG磁光介质表面产生传播型表面等离激元共振耦合效应。利用Ce:YIG材料在可见光及近红外波段具有较低的光学损耗，并具有较高的磁光效应和稳定性，使得最终制得的器件具有优异的性能。相比于单纯的表面等离激元生物传感器，磁光材料的引入使得测试光谱半高宽减小一倍左右，从而可以提高传感优值一倍以上；同时，利用六方周期Au孔洞结构的倒格矢使自由空间的光波矢与SPR波矢进行匹配，从而激发Au与介质层之间的SPR模式，增强磁光效应。另外，本专利技术的生物蛋白传感器，可在每次测试之后清洗掉表面蛋白质，再次进行其他浓度蛋白质测试，器件具有相当的稳定性能和可重复使用性；可以大面积、低成本的制作，利用六方周期Au孔洞结构表面传播型等离激元增强Ce:YIG材料磁光效应本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于磁光表面等离激元共振的生物蛋白传感器，其特征在于：/n结构由下至上依次为衬底层、YIG种子薄膜层、连续磁光介质Ce:YIG层和六方周期Au孔洞结构层；/n所述衬底层为能使YIG结晶的衬底材料；/n所述六方周期Au孔洞结构层周期为500～550nm，孔洞直径为340～400nm，厚度为30～50nm；六方周期Au孔洞结构层分别满足入射光波矢与空气层和Ce:YIG薄膜界面层的SPP波矢匹配，以激发Au和Ce:YIG表面传播型表面等离激元；/n所述连续磁光介质Ce:YIG层厚度50～80nm，YIG种子层薄膜层厚度为40～80nm；且YIG和Ce:YIG均为结晶态，YIG以及Ce:YIG作为磁光材料薄膜，在外磁场作用下产生磁光效应；/n所述表面等离激元的激发来自入射角度在0～90°之间的TM电磁波与器件表面SPP波矢匹配，入射角度不取0°和90°。/n

【技术特征摘要】
1.一种基于磁光表面等离激元共振的生物蛋白传感器，其特征在于：
结构由下至上依次为衬底层、YIG种子薄膜层、连续磁光介质Ce:YIG层和六方周期Au孔洞结构层；
所述衬底层为能使YIG结晶的衬底材料；
所述六方周期Au孔洞结构层周期为500～550nm，孔洞直径为340～400nm，厚度为30～50nm；六方周期Au孔洞结构层分别满足入射光波矢与空气层和Ce:YIG薄膜界面层的SPP波矢匹配，以激发Au和Ce:YIG表面传播型表面等离激元；
所述连续磁光介质Ce:YIG层厚度50～80nm，YIG种子层薄膜层厚度为40～80nm；且YIG和Ce:YIG均为结晶态，YIG以及Ce:YIG作为磁光...

【专利技术属性】
技术研发人员：毕磊，杨润，秦俊，邓龙江，
申请(专利权)人：电子科技大学，
类型：发明
国别省市：四川;51