纳米粒子有序排布的等离激元共振传感器及其制作方法技术

本发明专利技术公开了纳米粒子有序排布的等离激元共振传感器，克服了现有技术中基于局域等离激元模式的光学传感器无法约束局域场空间耗散问题，半峰宽较宽以及金属光栅的传播式等离激元模式也存在工作波长、强度和半峰宽存在明显的角度依赖性的问题，包括微流体芯片以及放置在微流体芯片内的等离激元纳米结构，所述等离激元纳米结构包括衬底，所述衬底上设有金属纳米颗粒结构，所述金属纳米颗粒结构均匀、有序排布在衬底上，所述金属纳米颗粒结构上设有封装层。还提供了纳米粒子有序排布的等离激元共振传感器制作方法。抑制了每个孤立颗粒的局域等离激元全空间耗散，极大提高品质因子，达到超窄半峰宽，实现了高灵敏的光学传感器。实现了高灵敏的光学传感器。

Plasmon resonance sensor with ordered arrangement of nanoparticles and its fabrication method

【技术实现步骤摘要】
纳米粒子有序排布的等离激元共振传感器及其制作方法


[0001]本专利技术涉及等离激元光子学应用
，特别涉及了纳米粒子有序排布的等离激元共振传感器及其制作方法。

技术介绍

[0002]微流体芯片可以针对体液内的抗体、细胞、蛋白质、无机盐进行液相监测。负载于微流体芯片上的，基于电信号、光信号、PH信号、经典抗体抗原反应、化学反应等检测机理的生物传感器已被广泛开发，并逐渐走向产业应用。近年来，光子学的等离激元机制由于其无损、快捷、实时、广谱的优异传感性能渐为人们所重视。当金属纳米结构与入射光子能量相匹配时，特定频率的光子与结构表面自由电子发生共振耦合，即产生等离激元现象。由于自由电子共振发生在金属/电介质表面，其共振行为受环境的变化影响很大，这种由环境影响导致共振信号改变的等离激元机制可以用于实现一系列超敏感的光子学传感器。
[0003]传统的表面等离激元生物传感器是基于kretschamann棱镜装置制作的,光在棱镜/金属界面全反射时产生的倏逝波激发了表面等离激元，反射波与后者的共振耦合造成全反射角度变化，输出传感信号。但是棱镜装置的存在，使得这类传感器无法做到微型化，芯片化，集成化。由于近年来微纳加工技术的发展，更多人工光子学结构得以开发，有望取代复杂、笨重的棱镜装置，实现微纳集成化光子传感芯片。因此，现有开发的等离激元纳米生物传感结构多基于局域化等离激元结构。这一类结构虽然能够有效地局域化增强电磁场（增强到1000倍以上），使得局域电磁场对微环境变化非常敏感，但由于其孤立的结构，无法约束周围的电磁场的辐射方向，导致耗散明显。
[0004]为了解决这一问题，中国专利局2019年6月18日公开了一种名称为一种基于磁光表面等离子体共振的折射率传感器的专利技术，其公开号为CN109900659A，该专利技术通过设计介质层进行结构设计，构建了连续金属薄膜层、Ce:YIG薄膜和贵金属周期结构三层结构，从而实现贵金属纳米颗粒局域型表面等离激元和连续金属薄膜层/Ce:YIG界面的传播型表面等离激元共振耦合，利用了Ce:YIG薄膜材料相比于铁磁金属材料，在可见光及近红外波段有着较低的光学损耗，并具有较高的磁光效应以及较高的稳定性；显著降低了局域等离激元谐振的散射损耗，并实现磁光效应的显着增强。使用磁光氧化物的强磁光效应，器件品质因数达2200RIU
‑1。但并没有完全解决辐射损耗问题。同时，目前逐渐开始考虑多聚结构（如领结结构、二聚体结构等），以若干个金属颗粒通过邻近作用约束局域电磁场，有效抑制电磁场在全空间的耗散。{Calder
ó
n, 2014 #1}但由于其孤立结构无法实现入射动量匹配，激发的等离激元振荡无法持续存在，仍旧会导致辐射损耗与辐射展宽。总之，局域等离激元所存在的辐射损耗与辐射展宽问题无法回避，使得其品质因子（Q factor）一直无法提高。这在传感器信号上表现为较大。

技术实现思路

[0005]本专利技术的目的是克服现有技术中基于局域等离激元模式的等离激元光学传感器
无法约束局域场空间耗散问题，半峰宽较宽的问题,以及金属光栅的传播式等离激元模式也存在工作波长、强度和半峰宽存在明显的角度依赖性的问题，提供了一种纳米粒子有序排布的等离激元共振传感器及其制作方法，抑制了每个孤立颗粒的局域等离激元全空间耗散，极大提高品质因子，达到超窄半峰宽，敏感追踪芯片表面液相微区环境折射率的变化，达到高灵敏的光学传感器目的。
[0006]为了实现上述目的，本专利技术采用以下技术方案：纳米粒子有序排布的等离激元共振传感器，包括微流体芯片以及放置在微流体芯片内的等离激元纳米结构，所述等离激元纳米结构包括衬底，所述衬底上设有金属纳米颗粒结构，所述金属纳米颗粒结构均匀、有序排布在衬底上，所述金属纳米颗粒结构上设有封装层。
[0007]等离激元纳米结构，能够实现光波在金属/介质界面处的近场耦合，在特定频率激局域增强的发电磁场。当生物分子在金属结构表面吸附/耦合，或者金属结构周围折射率改变时，这种近场耦合会发生改变，从而在光谱上反映出来变化。而在有序排布的金属纳米颗粒结构中，当相邻等离激元颗粒间距压缩到一定范围时，颗粒之间局域电磁场开始相互影响，产生的内平面共振会最大程度地横向约束表面自由电子振荡，这种同频共振能压缩吸收峰频域至极窄，其共振峰半峰宽能够窄达<10 nm，这种现象被称为等离激元晶格共振。等离激元晶格共振抑制了每个孤立颗粒的局域等离激元全空间耗散，其阵列结构提供了理想的动量匹配能减少辐射损耗，因此能够有效解决局域等离激元面临的困境，大幅度提高光子学传感器的品质因子。本专利技术利用周期排布产生的内平面共振最大程度地横向约束金属纳米颗粒表面自由电子振荡，将局域等离激元有效约束，实现半峰宽达到<10 nm，提高光子学传感器的品质因子。
[0008]作为优选，所述的衬底为二氧化硅片。二氧化硅能经受温度的剧变，耐酸性能好，化学性质稳定。
[0009]作为优选，所述的金属纳米颗粒结构包括黏附层以及介质层。粘附层与介质层均由金属组成，粘附层用于将介质层粘附在衬底上。
[0010]纳米粒子有序排布的等离激元共振传感器制作方法，包括下列步骤：S1：利用匀胶涂膜技术，在衬底均匀旋涂镀膜溶液，形成薄膜；S2：利用电子束曝光技术，在衬底上进行电子束曝光，形成点阵；S3：溶解曝光后的薄膜，实现孔洞；S4：在孔洞内沉积金属，利用去胶溶液剥离薄膜层，留下孔洞内的金属纳米结构；S5：将制作完成后的等离激元纳米结构放置于微流体芯片中，通入有机溶剂，进行光谱测量，得到等离激元纳米结构。
[0011]第二步中利用电子束曝光方法可以实现纳米点阵周期、尺寸的精确控制，优化效果。第五步用于检测制作完成的传感器，在微流体芯片中，检测溶液在微流体通道内快速流动，经过含有等离激元纳米结构的核心区域，当有折射率改变时光谱信号发生变化，从而实现检测目的。
[0012]根据光学传感器灵敏度的衡量标准：优值系数（figure of merit）=（Δλ/Δn）
×
Q=Δλ/（Δn
ꢀ×
FWHM），其中Δn为环境折射率的改变，Δλ为环境变化导致信号峰的移动，FWHM为半峰宽。现有的局域表面等离激元结构的半峰宽通常在30~120 nm，而本专利技术的等离
激元纳米结构的半峰宽达到<10 nm。当微环境折射率在1.38~1.41间变动时，本专利技术中等离激元晶格共振的传感器的优值系数高达59，而普通的局域等离激元结构传感器的敏感度仅在1~3，因此本专利技术的设计可以将等离激元传感器的敏感度提高1个量级以上。
[0013]作为优选，所述的镀膜溶液为含有PMMA的苯甲醚溶液，通过控制匀胶转速形成PMMA薄膜,所述匀胶转速在1500
‑
3000rpm/s，所述PMMA薄膜厚度为150
‑
300nm。PMMA是聚甲基丙烯酸甲酯，是一种高分子聚合物，又称作亚克力或有机玻璃，具有高透明度，低价格，易于机械加工等优点。苯甲醚溶液本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.纳米粒子有序排布的等离激元共振传感器，其特征在于，包括微流体芯片以及放置在微流体芯片内的等离激元纳米结构，所述等离激元纳米结构包括衬底，所述衬底上设有金属纳米颗粒结构，所述金属纳米颗粒结构均匀、有序排布在衬底上，所述金属纳米颗粒结构上设有封装层。2.根据权利要求1所述的纳米粒子有序排布的等离激元共振传感器，其特征在于，所述的衬底为二氧化硅片。3.根据权利要求1所述的纳米粒子有序排布的等离激元共振传感器，其特征在于，所述的金属纳米颗粒结构包括黏附层以及介质层。4.纳米粒子有序排布的等离激元共振传感器制作方法，应用于权利要求1
‑
3任意一项权利要求所述的纳米粒子有序排布的等离激元共振传感器,其特征在于，它包括下列步骤：S1：利用匀胶涂膜技术，在衬底均匀旋涂镀膜溶液,形成薄膜；S2：利用电子束曝光技术，在衬底上进行电子束曝光，形成点阵；S3：溶解曝光后的薄膜，实现孔洞；S4：在孔洞内沉积金属，利用去胶溶液剥离薄膜层，留下孔洞内的金属纳米结构，得到等离激元纳米结构；S5：将制作完成后的等离激元纳米结构放置于微流体芯片中，通入检测溶液，进行光谱测量。5.根据权利要求4所述的纳米粒子有序排布的等离激元共振传感器制作方法，其特征在于，所述的步骤S1进一步表示为：所述的检测溶液为含有PMMA的苯甲醚溶液，通...

【专利技术属性】
技术研发人员：张雪峰，黄天旭，张鉴，
申请(专利权)人：杭州电子科技大学，
类型：发明
国别省市：