[發明專利]具有超窄線寬光譜響應的高靈敏度超材料納米傳感系統

有效

• 申請號: 201610116332.5
• 申請日: 2016-03-01
• 公開（公告）號: CN105758821B
• 公開（公告）日: 2018-12-14
• 發明（設計）人: 王國璽;張文富;宮永康;葛志強
• 申請（專利權）人: 中國科學院西安光學精密機械研究所
• 主分類號: G01N21/41
• 分類號: G01N21/41
• 代理公司: 西安智邦專利商標代理有限公司 61211
• 代理人: 陳廣民

本發明涉及一種超材料納米傳感系統，具體涉及一種具有超窄線寬光譜響應的高靈敏度超材料納米傳感系統，包括沿光路方向依次設置的輸入光路、超材料納米傳感單元和輸出光路，超材料納米傳感單元包括布拉格光柵和設置在布拉格光柵上方的金屬周期陣列。本發明所提供的納米傳感系統具有超窄線寬的光譜響應，有效提高了納米傳感器的靈敏度，在便攜式生物傳感、藥物開發與檢測以及環境監測等領域有廣泛的應用前景。

技術領域

本發明涉及一種超材料納米傳感系統，具體涉及一種具有超窄線寬光譜響應的高靈敏度超材料納米傳感系統。

背景技術

納米傳感系統具有無需熒光或放射性同位素標記、實時性強、自動化程度高以及結構緊湊、便于和其他技術聯用等特點，在生物傳感、藥物開發與檢測以及環境監測等領域都有重要而廣泛的應用前景。

目前，最常用實現納米傳感器的手段是局域表面等離激元共振，基于該效應的傳感器已經商用化。實現局域表面等離子體激元共振主要有兩種技術途徑：金屬納米顆粒結構和周期性金屬納米結構。但是前者的光學響應較弱，雜亂無序的納米結構群會給光學響應帶來干擾，可重復性差。更糟糕的是，其譜寬往往高達幾百納米，靈敏度不高，不利于高精度傳感應用。后者的光學信號雖然有明顯增強作用并且易于重復實現，但是其譜寬仍然不盡人意，相應的傳感器靈敏度偏低，嚴重制約了納米傳感器的實際應用。

因此，為了進一步提高納米傳感器的靈敏度，亟需采用新手段進一步降低其光譜響應的線寬，使納米傳感器能夠用于低濃度小分子等更苛刻條件下的傳感檢測。

發明內容

為了解決傳統納米傳感器光譜帶寬大、靈敏度低的技術問題，本發明提供一種結構緊湊、實施方便、具有超窄線寬光譜響應的高靈敏度超材料納米傳感系統。

本發明的技術解決方案是：所提供的具有超窄線寬光譜響應的高靈敏度超材料納米傳感系統包括沿光路方向依次設置的輸入光路、超材料納米傳感單元和輸出光路，其特殊之處在于：所述超材料納米傳感單元包括布拉格光柵和設置在布拉格光柵上方的金屬周期陣列。通過合理調節金屬周期陣列及布拉格光柵的結構參數，能夠實現超材料納米傳感單元特征阻抗與真空阻抗的完美匹配。

上述布拉格光柵由兩種不同材料的電介質層依次交替構成。當滿足阻抗完美匹配條件的波長恰好位于布拉格光柵禁帶內時，就會在禁帶內產生完美吸收現象，即對應位置的反射率和透過率均為零，而吸收率為1。

上述金屬周期陣列為亞波長金屬周期陣列。金屬周期陣列的結構尺寸與工作波長相當或者更小。

上述金屬周期陣列為光柵結構、圓柱陣列結構或者立方體陣列結構。采用這三種金屬周期陣列結構類型的超材料納米傳感單元都具有較大的傳感動態范圍，因而當樣品折射率變化較大時依然能夠保持高靈敏度并正常使用。

上述金屬周期陣列中的金屬是能夠激發表面等離激元和塔姆激元的金屬材料，如金或者銀等。通過光源入射，能夠在金屬表面以及金屬與布拉格光柵的界面處分別激發表面等離激元和塔姆激元，二者發生耦合從而產生超窄線寬光譜響應。

上述金屬周期陣列為一個或者多個。當金屬周期陣列為多個時，可以將不同的待測樣品注入不同的微流通道并與對應的超材料納米傳感單元中的金屬陣列表面接觸，同時測試多個不同的樣品折射率。

本發明的有益效果在于：

(1)該納米傳感系統具有超窄線寬的光譜響應，有效提高了納米傳感器的靈敏度，在便攜式生物傳感、藥物開發與檢測以及環境監測等領域有廣泛的應用前景。

(2)該納米傳感系統具有較大的傳感動態范圍，因而能夠用于傳感檢測折射率變化較大的環境。

(3)該納米傳感系統具有結構緊湊、穩定性好、易于集成以及便于與其他技術聯用的優點。