用于无标记光谱检测的介电超构表面传感芯片制造技术

本发明专利技术公开了用于无标记光谱检测的介电超构表面传感芯片，包括从下至上依次设置的玻璃衬底和超表面微结构，所述超表面微结构为二氧化钛纳米椭圆二聚体。本发明专利技术用于无标记光谱检测的介电超构表面传感芯片可以作为一种高光谱显微成像分析系统的活性纳米载玻片用于肿瘤组织的无标记检测。全介质超构表面由玻璃衬底上的周期性排列的高折射率二氧化钛椭圆二聚体纳米结构组成，其激发的连续域中的束缚态共振模式支持高光谱分辨率和强光与物质相互作用，在可见光波段内降低了光学损耗和提高了检测灵敏度，本发明专利技术具有低光学损耗、加工简单，且可通过对多个结构参数的调控以适应不同工作波长的优势。工作波长的优势。工作波长的优势。

【技术实现步骤摘要】
用于无标记光谱检测的介电超构表面传感芯片


[0001]本专利技术涉及一种用于无标记光谱检测的介电超构表面传感芯片，属于光学传感检测


技术介绍

[0002]在生物、医疗以及其他生命科学领域，目前常规手段是利用荧光标记物或者化学染色剂(如苏木精和伊红)等对目标分析物(如组织细胞、生物大分子、抗原等)实现定量、定位及定性检测。特定标记法可以实现精确检测，但过程费时繁琐；染色法对特定波长的吸收以实现滤波，但可能会使目标分析物造成损伤甚至变性。无标记折射率传感将由生物、化学反应等引起的局部细微介电常数变化转化为光谱位置或强度的变化，该方法不依赖于样本的任何特定化学相互作用，分析省时省力，无需任何化学处理，在最大程度地保留了样本活性的同时，仍可能检测不同样本之间的细微差异。评价折射率生物传感的重要性能参数主要包括检测灵敏度和品质因数，其主要由光谱检测芯片的信噪比和光谱分辨率决定。为此，人们设计了多种表面结构用于在亚波长范围内增强光与物质的相互作用以提高光谱信号强度。基于金属的等离子体纳米结构在可见光至近红外波段内存在不可避免的高损耗、高温不稳定性、有限的光谱操作范围以及较低的光谱分辨率(或展宽的半峰宽)等问题，这可能会丢失诊断的重要信息或对目标分析物造成不可逆的损伤，对于探究细微介电常数引起的变化也是不利的。
[0003]由金属支持的等离子体超构表面在可见光至近红外范围内存在高材料损耗和局部热效应，可能会产生由于加热引起目标分析物的变性而使检测误差增大的现象；
[0004]等离子体模式具有低光谱分辨率(或展宽的线宽)，这可能造成重要光谱信息的丢失，且不利于提高检测灵敏度和检测极限；
[0005]金属等离子体超构表面与CMOS前端制造工艺的兼容性差，不利于传感检测器件的集成化、微型化、轻量化发展。

技术实现思路

[0006]本专利技术提供一种用于无标记光谱检测的介电超构表面传感芯片。
[0007]本专利技术解决上述技术问题所采用的技术方案为：
[0008]用于无标记光谱检测的介电超构表面传感芯片，包括从下至上依次设置的玻璃衬底和超表面微结构，所述超表面微结构为二氧化钛纳米椭圆二聚体，所述玻璃衬底为二氧化硅衬底；并且超表面微结构折射率大于玻璃衬底；介电超构表面传感芯片的上表面涂覆生物相溶性的涂料；所述超表面微结构可激发准连续域中的束缚态共振模式。
[0009]优选为，所述超表面微结构表面涂覆有生物相容性的涂料。
[0010]优选为，所述生物相容性的涂料为SiO2或HSQ。
[0011]优选为，所述超表面微结构折射率>2，介电常数虚部<0.1。
[0012]优选为，所述超表面微结构共振光谱的带宽可通过改变椭圆二聚体的定向角便可
任意调控，以匹配不同带宽的入射光。
[0013]优选为，所述超表面微结构为椭圆二聚体。
[0014]与现有技术相比，本专利技术用于无标记光谱检测的介电超构表面传感芯片可以作为一种高光谱显微成像分析系统的活性纳米载玻片用于肿瘤组织的无标记检测。全介质超构表面由玻璃衬底上的周期性排列的高折射率二氧化钛椭圆二聚体纳米结构组成，其激发的连续域中的束缚态共振模式支持高光谱分辨率和强光与物质相互作用，在可见光波段内降低了光学损耗和提高了检测灵敏度，本专利技术具有低光学损耗、加工简单，且可通过对多个结构参数的调控以适应不同工作波长的优势。
附图说明
[0015]图1为本专利技术用于无标记光谱检测的介电超构表面传感芯片的金属等离子体超构表面光谱芯片的设计概念和原理图。
[0016]图2为本专利技术用于无标记光谱检测的介电超构表面传感芯片的全介电超构表面多光谱芯片的原理示意图。
[0017]图3为本专利技术用于无标记光谱检测的介电超构表面传感芯片的介电超构表面载玻片Q因子调控方式和不同截面的电近场增强因子图。
具体实施方式
[0018]以下结合附图实施例对本专利技术作进一步详细描述。
[0019]如图1至图3所示，用于无标记光谱检测的介电超构表面传感芯片芯片包括从下至上依次设置的玻璃衬底和超表面微结构。
[0020]超表面微结构为二氧化钛纳米椭圆二聚体，玻璃衬底为二氧化硅衬底；并且超表面微结构折射率大于玻璃衬底；芯片上表面涂覆生物相溶性的涂料；超表面微结构可激发准连续域中的束缚态共振模式，该模式具有超高质量因子的共振光谱和电磁场增强。其共振波长可通过椭圆二聚体的结构参数来灵活调控，光谱分辨率和强度可通过椭圆二聚体的不对称性(与旋转角度有关)来调控；为了解决超表面微结构与生物相溶性的涂料之间可能存在低生物相容性和共形贴附等问题，可选择添加生物相容性的涂料(如SiO2或HSQ)涂覆在超表面微结构表面。
[0021]玻璃衬底为SiO2，超表面微结构为TiO2，折射率>2，介电常数虚部<0.1，SiO2和TiO2在可见光至可见光波段的光学损耗较小。
[0022]如图2所示，单个元胞的周期分别为Px和Py，每个周期由两个相同的椭圆二聚体组成，单个椭圆的半长轴和半短轴分别为a和b，椭圆二聚体中心位置间距和定向角分别为c和θ，所有椭圆在z方向上的厚度为H，入射照明光沿z轴负方向，电场和磁场方向分别平行于x和y轴，即TM模式。待检测物质被放置于此芯片的上表面，入射光经纳米椭圆二聚体照射此芯片，反射的光谱信号由探测器收集。在一定的几何尺寸下，且当θ＝0
°
时，该介电超构表面支持完美的BIC模式，表现出无限的Q因子和无辐射损耗。由于有限的Q因子和共振带宽才能在实际中被应用，因此一种方式是打破完美对称条件以实现BIC到“准BIC的光学模式切换”。在这里选择改变椭圆二聚体的对称性的方式来获得准BIC，椭圆二聚体的不对称参数(α)被定义为α＝sin(θ)。在仿真中，全介质超构表面的初始几何参数具体值如下：Px＝
510nm，Py＝410nm，a＝140nm，b＝50nm，H＝360nm，c＝250nm。保持上述几何参数不变。
[0023]如图3所示，增大定向角可以对Q因子进行有效调控。当θ＝20
°
时，获得共振光谱的带宽和反射率分别为0.3nm和93％。一般来说，高的Q因子增加了超构表面对环境变化的敏感度，从而提升了传感系统的检测灵敏度。除了Q因子，其工作波长、反射率都可以通过改变纳米椭圆二聚体的几何尺寸、周期等参数来有效设计。与其他许多电磁模式不同，这种基于粒子的集体偶极子共振允许在超原子表面具有很强的近场增强，这是基于表面传感的理想特征。
[0024]图3显示了对超构表面载玻片的电近场强度在两个不同切面上(XOY和ZOY)的增强。在超原子之间电近场强度增强值高达450，该值还可通过合理的几何结构参数设计进行再提高。增强的近场局域于超原子表面的不同热点上，这是许多基于局域谐振器的纳米光子系统的一个特征。在传感检测实验中，样品与超原子周围电场的低强度和高强度区域相互作用。因此，超构表面载玻片的检测灵敏度可能与本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.用于无标记光谱检测的介电超构表面传感芯片，其特征在于，包括从下至上依次设置的玻璃衬底和超表面微结构，所述玻璃衬底为二氧化硅衬底；并且超表面微结构折射率大于玻璃衬底；介电超构表面传感芯片上表面涂覆生物相溶性的涂料；所述超表面微结构可激发准连续域中的束缚态共振模式。2.根据权利要求1所述的用于无标记光谱检测的介电超构表面传感芯片，其特征在于，所述超表面微结构表面涂覆有生物相容性的涂料。3.根据权利要求2所述的用于无标记光谱检测的介电超构表面传感芯片，其特征在于，所述生物相容...

【专利技术属性】
技术研发人员：段辉高，梁翠平，胡跃强，贾红辉，
申请(专利权)人：湖大粤港澳大湾区创新研究院广州增城，
类型：发明
国别省市：