基于光栅耦合光子晶体结构的布洛赫表面波生物传感器及灵敏度检测方法技术

本发明专利技术公开了基于光栅耦合光子晶体结构的布洛赫表面波生物传感器及灵敏度检测方法，其由上而下分别是光栅

【技术实现步骤摘要】
基于光栅耦合光子晶体结构的布洛赫表面波生物传感器及灵敏度检测方法


本专利技术属于光学科学
，具体涉及一种基于光栅耦合光子晶体结构的布洛赫表面波生物传感器及制备方法。

技术介绍

传感器在技术发展和应用方面已逐渐成为现代信息技术的支柱。近年来，各种传感器已广泛应用于医疗诊断、环境监测、食品安全、国土安全等领域。光学生物传感器因其固有的优点，如无标记检测、能够进行遥感、响应时间快等，被认为是生物传感应用的重要设备。光学生物传感器通过检测受试物与光之间的相互作用，检测光的某些特性的变化，从而表征受试物的变化信息，已经成为强有力的工具。基于表面波原理的光学传感检测技术发展迅速。作为这项技术最典型的代表，目前，基于表面电磁波(表面等离子体激元(SPP)或布洛赫表面波(BSW))的激发的谐振光学传感器被广泛用于折射率测量和各种微物体的检测。基于SPP的传感器具有显著的缺点，即，金属中的高吸收损耗导致SPP谐振的加宽，这限制了传感器性能。最近，全介电多层结构激发的布洛赫表面波(bloch surface wave，BSW)被用作生物传感的一种新机制。与SPW技术相比，可以发现几个重要的差异和优势。与SPP相反，BSW可以被任何波长的TM和TE偏振波激发，仅仅通过改变光子晶体的几何形状和材料。基于BSW的传感器能够实现比传统SPR传感器更尖锐的共振，因为它们不依赖于金属的使用。由于光子晶体的介电材料，基于BSW的传感器的特征在于机械和化学稳定性，因此能够在侵蚀性环境中操作，BSW被视为高性能传感中SPW的替代机制，所以进一步提高其灵敏度是本领域一直渴望解决的技术难题。

技术实现思路

本专利技术针对现有技术中存在的问题,提供了一种基于光栅耦合光子晶体结构的布洛赫表面波传感器，是具有高灵敏度和高品质因子的光子晶体折射率传感器。本专利技术的另一个目的在于提供一种基于光栅耦合光子晶体结构的布洛赫表面波传感器的灵敏度检测方法。本专利技术的技术方案是:一种基于布洛赫表面波检测生物溶液传感器，由上而下依次为光栅、周期性光子晶体及外部生物溶液；所述周期性光子晶体由二氧化钛和二氧化硅交替N个周期排列而成。上述方案中，所述周期性光子晶体中，所述的二氧化钛的折射率n
A
＝2.10，厚度d
A
＝148nm。上述方案中，所述周期性光子晶体中，所述的二氧化硅的折射率n
B
＝1.46，厚度d
B
＝260nm。上述方案中，所述周期性光子晶体的周期数N＝9。
上述方案中，所述光栅，折射率为n
G
＝3.4。上述方案中，所述光栅厚度d
G
＝380nm。上述方案中，所述光栅周期Λ＝600nm。上述方案中，所述光栅填充率为f＝0.5。上述方案中，所述外部生物溶液的折射率1.330以0.001的步长增加到1.333。一种基于光栅耦合光子晶体结构的布洛赫表面波生物传感器的角度灵敏度检测方法，包括以下步骤：入射光角度θ为0
°
，采用TE波以固定入射波长范围为1095nm
‑
1099nm，方位角从光学棱镜入射，经过周期性光子晶体共同作用下激发布洛赫表面波，形成共振峰。我们可以在波长域观察共振光谱的偏移，以推断生物分子在生物溶液中的行为。与现有技术相比，本专利技术的有益成果：本专利技术所述传感器为布洛赫表面波光子晶体折射率传感器，其结构包含光栅，周期性光子晶体，外部生物溶液组成。其中，周期性光子晶体是由二氧化钛和二氧化硅组成。本专利技术激发的BSW模式在传感器和溶液之间的界面处强烈局域化。可以实现对特定光频率的电磁波的强烈吸收，即此时可以实现对该光频率的电磁波完全吸收，即对应的反射率等于1，从而在反射中形成共振峰，建立共振峰波长和生物溶液的折射率的关系。本专利技术传感器由于强场增强，BSW对生物溶液的变化非常敏感。人们可以在角域、波长域、相位域或强度域中观察吸光层中共振光谱的偏移，以推断生物分子在生物溶液中的行为。本专利技术所述的传感器是具有高灵敏度和高品质因子的光子晶体折射率传感器。
附图说明
图1为本专利技术实施方式的基于光栅耦合光子晶体结构布洛赫表面波检测生物溶液传感器3D结构示意图图2为本专利技术实施方式的基于光栅耦合光子晶体结构布洛赫表面波检测生物溶液传感器x
‑
z平面结构示意图。图3为本专利技术实施方式的器件基于布洛赫传感时整体装置的场强分布示意图。图4为本专利技术实施方式的待测物为生物溶液，棱镜入射角度为0
°
时，改变生物溶液溶液折射率的情况下，TE偏振电磁波，随入射波长的变化激发BSW的情况示意图。其中：1.光栅；2.周期性光子晶体；3生物溶液。
具体实施方式
实施例如图1和图2所述为所述于布洛赫表面波检测生物溶液光学传感器的一种较佳实施方式，所述基于光栅耦合光子晶体结构的布洛赫表面波检测生物溶液的光学传感器由上而下的依次为光栅，周期性光子晶体，生物溶液；所述周期性光子晶体由二氧化钛和二氧化硅交替N个周期排列而成。
[0024]所述周期性光子晶体2中，所述的二氧化钛的折射率n
A
＝2.10，厚度d
A
＝148nm。所述周期性光子晶体2中，所述的二氧化硅的折射率n
B
＝1.46，厚度d
B
＝260nm。所述周期性光子晶体2中，所述周期性光子晶体的周期数N＝9。
所述光栅2中，折射率为n
G
＝3.4。所述光栅厚度2中，d
G
＝380nm所述光栅周期2中，Λ＝600nm。所述光栅填充率2中，f＝0.5。采用光栅耦合结构,入射光通过光栅1耦合到周期性光子品体2中,并使光局域到谐振腔内,使得满足谐振条件的光波长被逐步吸收并形成震荡,使之出现尖锐的共振峰，从而建立入射波长与光反射率的关系。通过改变待测样品的折射率,共振峰出现的位置也随之改变,通过检测或共振峰波长红移来实现对待测样品折射率的动态检测。所述血红蛋白溶液3的的折射率1.330以0.001的步长增加到1.333.图1为方便表示方位角(
‑
x轴和入射光在x
‑
y平面上的投影之间的夹角)的概念特意将构件倒置剖析,耦合棱镜折射率n
G
＝3.4。将生物溶液3沉积在周期性光子晶体2上，周期性光子晶体2由二氧化钛和二氧化硅交替叠加排列而成,周期数N＝9。通入不同折射率的液体为待测样品，对其进行检测分析。当折射率改变时，共振峰的波长将会发生移动。由此，可以建立待测样品折射率和共振峰波长或方位角之间的模型关系,对待测样品进行动态监测和定性分析。图3所示的电场分布图可以用来更好的理解空气与一维光子晶体和生物溶液之间界面处BSW模式的激发。具体分析了在λ＝1097.1nm、θ＝0
°
和生物溶液折射率为1.332处的光场分布，发现在最后一层二氧化硅层与外界生物溶液的界面附近，电场局域在结构表面，图中颜色代表电场强度的平方大小，颜色越接近红色，数值越大，越接近蓝色，数值越小。，从而证明该多层膜在λ＝本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于光栅耦合光子晶体结构的布洛赫表面波生物传感器，其特征在于由上而下分别是光栅
‑
周期性光子晶体
‑
生物溶液；所述周期性光子晶体由二氧化钛和二氧化硅交替N个周期排列而成。2.根据权利要求1所述的一种基于光栅耦合光子晶体结构的布洛赫表面波生物传感器，其特征在于，所述的周期性光子晶体中二氧化钛的折射率n
A
＝2.10，厚度d
A
＝148nm。3.根据权利要求1所述的一种基于光栅耦合光子晶体结构的布洛赫表面波生物传感器，其特征在于，所述的周期性光子晶体中二氧化硅的折射率n
B
＝1.46，厚度d
B
＝260nm。4.根据权利要求1所述的一种基于光栅耦合光子晶体结构布洛赫表面波结构的生物溶液传感器，其特征在于，所述的周期性光子晶体的周期数N＝9。5.根据权利...

【专利技术属性】
技术研发人员：马季，刘思彤，孙璐璐，李润华，王洪满，杨子一，
申请(专利权)人：辽宁石油化工大学，
类型：发明
国别省市：