基于金微纳锥形阵列结构的传感器及其制备方法和应用技术

本发明专利技术公开了一种基于金微纳锥形阵列结构的传感器及其制备方法和应用，涉及光学传感器领域。本发明专利技术包括基底、位于所述基底上的铜粘合层薄膜、位于所述铜粘合层薄膜上的金薄膜以及位于所述金薄膜上金微纳锥形阵列结构。本发明专利技术提供的基于金微纳锥形阵列结构的传感器能够提供纳米量级的检测分辨率，有效提了LSPR传感器的检测分辨率和灵敏度。可适用于高分辨率的超出衍射极限的生物成像，可制备出产生纳米量级强电磁“热点”的高灵敏度LSPR传感器，在新冠病毒检测、超分辨率成像、环境监测等领域的应用中具有重要意义。的应用中具有重要意义。的应用中具有重要意义。

【技术实现步骤摘要】
基于金微纳锥形阵列结构的传感器及其制备方法和应用


[0001]本专利技术涉及光学传感器领域，具体的说涉及一种基于金微纳锥形阵列结构的传感器及其制备方法和应用。

技术介绍

[0002]光学传感器在实际生活中有着广泛的应用，可用于检测周围环境中的物理信息、物质成分和生物分子，从而延伸人类的感知能力。尤其是表面等离激元共振(SPR)传感器，由于其具有高精度、小型便携、低成本等特点而被广泛关注。表面等离激元(SPPs)是金属表面近场区域的自由电子与入射光光子相互作用下发生的集体电磁振荡，是一种存在于金属
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电介质界面上的特殊表面波。SPR对金属界面相邻的介质折射率变化非常敏感，这一特性使生物化学传感的商业化应用成为可能。SPR传感器是一种十分有前景的光学生化传感器，具有无标签、无损性、即时检测等优势。由于局域表面等离子共振(LSPR)的近场光学特性，表面等离激元(SPPs)波的电场能量可以被限制在纳米尺寸中，突破衍射极限，导致局部的电磁场“热点”。这种纳米量级的电磁热点可以产生强烈的局域电磁场增强效应，在近场光学成像、表面增强拉曼光谱(SERS)、生化传感等领域中有着广泛的应用。但是，SPR传感器的商业化应用仍存在诸多的限制，例如由于传统入射光源无法提供纳米量级的光源，从而导致检测分辨率低、传感信号较弱、灵敏度低等问题。
[0003]根据国内外光学传感器的研究现状可以看出，科研工作者们已经在LSPR传感器设计与优化、制备、应用等方面做了大量深入的研究，并且取得了较为明显的成果，这些科研成果为LSPR传感器的应用实践提供了理论基础。总的来说，仍然存在以下几方面的问题：
[0004](1)制备高性能的LSPR传感器存在不少挑战
[0005]目前，LSPR传感器作为生物分子研究工具可以与商业SPR设备相媲美。面对各领域对高性能、高灵敏度的需求，LSPR传感器实现商业化的可行性任存在巨大的挑战。在单粒子的测量中，虽然对研究单粒子动力学具有高灵敏度和效果性，但对于LSPR传感类的应用并不实用。因此，为提高传感器的灵敏度，优化纳米颗粒结构设计是重要的研究方向。
[0006](2)传统LSPR传感器的检测分辨率较低
[0007]传统的LSPR传感器的激发光源通常采用的是激光，只能提供毫米级别的检测分辨率，存在共振峰(谷)位移小、共振强度不足、峰谷比小等不足，这些不足限制了其在生化传感器中高精度检测的应用。为满足高性能、高分辨率的需求，需要提高其检测分辨率，尤其在单粒子的检测中，往往需要纳米量级的检测分辨率。
[0008](3)微纳锥形结构LSPR灵敏度优化理论机制需要完善
[0009]目前，对于微纳结构的光学理论解析通常采用FDTD、DDA和FEM三种软件算法。其中FDTD算法通过设置网格单元，基于麦克斯韦方程组来实现整个结构的电磁场计算。由于微纳锥具有高纵横比的结构特点，有助于提高LSPR传感器的精度和灵敏度。通过软件可以仿真结构表面的电磁场分布情况，从而优化LSPR传感器的灵敏度。因此，获得颗粒尺寸、间距、分布周期以及光源对电磁场分布的影响机制至关重要。
[0010]由于存在这些不足，LSPR传感器的性能受限，只有针对这些不足提出合理的解决方案，才能制备出高精度、高分辨率的LSPR传感器。

技术实现思路

[0011]针对现有技术中存在的问题，本专利技术提供一种基于金微纳锥形阵列结构的传感器及其制备方法和应用，其目的在于：提高LSPR传感器的检测分辨率、增强传感信号、提高灵敏度。
[0012]本专利技术采用的技术方案如下：
[0013]一种基于金微纳锥形阵列结构的传感器，包括基底、位于所述基底上的铜粘合层薄膜、位于所述铜粘合层薄膜上的金薄膜以及位于所述金薄膜上金微纳锥形阵列结构。
[0014]作为优选，所述金微纳锥形阵列结构由多个金微纳锥形结构组成，所述多个金微纳锥形结构平行排列，且在金薄膜上呈泊松分布。
[0015]作为优选，所述金微纳锥形结构的高度为18
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28μm，底部直径为600
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1200nm，顶端半径为30
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60nm，表面密度为90
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120/cm2。
[0016]作为优选，所述金薄膜的厚度为10
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30nm，所述铜粘合层薄膜的厚度为2
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8nm。
[0017]作为优选，所述基底为厚度300
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600nm的玻璃。
[0018]本专利技术还提供了一种基于金微纳锥形阵列结构的传感器的制备方法，包括以下步骤：
[0019]步骤1：对聚碳酸酯薄膜进行重离子辐射，在聚碳酸酯薄膜中形成离子轨道；
[0020]步骤2：通过对离子轨道的不对称化学蚀刻，在聚碳酸酯薄膜上形成锥形孔道；
[0021]步骤3：通过电化学沉积电镀金锥，完成对锥形孔道的填充；
[0022]步骤4：通过电化学沉积在镀金膜表面沉积铜粘合层薄膜，完成锥形孔道的密封；
[0023]步骤5：通过化学腐蚀去除聚碳酸酯，得到金微纳锥形结构，最后将金微纳锥形结构粘接在玻璃基底上，得到金微纳锥形阵列结构。
[0024]进一步优选的，步骤1中，采用238U进行重离子辐射。
[0025]进一步优选的，步骤2中，通过氢氧化钠与甲醇混合比例确定蚀刻速率,蚀刻时间为5
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15分钟，蚀刻剂为氢氧化钠与甲醇溶液。
[0026]进一步优选的，步骤3中，沉积金锥的电镀条件为在聚碳酸酯薄膜两侧分别溅射金层和铂层作为阴极和阳极，电解液为0.1mol/L的亚硫酸钠溶液，在室温下进行电化学沉积，沉积电压为
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1V，时间为1h，最后采用直流电化学沉积，完成对锥形孔道的填充。
[0027]本专利技术还提供了基于金微纳锥形阵列结构的传感器在近场光学、医疗、环境监测、生物检测的应用。
[0028]综上所述，由于采用了上述技术方案，本专利技术的有益效果是：
[0029]1.相对于传统的LSPR传感器提供的毫米级别的检测分辨率，本专利技术提供的基于金微纳锥形阵列结构的传感器能够提供纳米量级的检测分辨率，有效提了LSPR传感器的检测分辨率。
[0030]2.本专利技术采用的微纳锥型结构具有高纵横比的结构特点，有助于提高LSPR传感器的精度和灵敏度。
[0031]3.本专利技术可适用于高分辨率的超出衍射极限的生物成像，可制备出产生纳米量级
强电磁“热点”的高灵敏度LSPR传感器，在新冠病毒检测、超分辨率成像、环境监测等领域的应用中具有重要意义。
附图说明
[0032]本专利技术将通过例子并参照附图的方式说明，其中：
[0033]图1是制备金微纳锥形阵列的工艺流程图；
[0034]图2是金微纳锥形阵列结构示意图；
[0035]图3是金微纳锥形单元结构示意图；
[0036]图4是金微纳锥形阵列结构的SEM图；
[0037]图本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于金微纳锥形阵列结构的传感器，其特征在于：包括基底、位于所述基底上的铜粘合层薄膜、位于所述铜粘合层薄膜上的金薄膜以及位于所述金薄膜上金微纳锥形阵列结构。2.根据权利要求1所述的一种基于金微纳锥形阵列结构的传感器，其特征在于：所述金微纳锥形阵列结构由多个金微纳锥形结构组成，所述多个金微纳锥形结构平行排列，且在金薄膜上呈泊松分布。3.根据权利要求2所述的一种基于金微纳锥形阵列结构的传感器，其特征在于：所述金微纳锥形结构的高度为18
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28μm，底部直径为600
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1200nm，顶端半径为30
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60nm，表面密度为90
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120/cm2。4.根据权利要求1所述的一种基于金微纳锥形阵列结构的传感器，其特征在于：所述金薄膜的厚度为10
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30nm，所述铜粘合层薄膜的厚度为2
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8nm。5.根据权利要求1所述的一种基于金微纳锥形阵列结构的传感器，其特征在于：所述基底为厚度300
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600nm的玻璃。6.权利要求1
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5任一项所述基于金微纳锥形阵列结构的传感器的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1：对聚碳酸酯薄膜进行重离子辐射，在聚碳酸酯薄膜中形成离子轨道；步骤...

【专利技术属性】
技术研发人员：吴心成，吴伟，苏港，付永启，
申请(专利权)人：电子科技大学，
类型：发明
国别省市：