[發明專利]磁光等離子生物傳感器

在審

• 申請號: 201611239414.5
• 申請日: 2016-12-28
• 公開（公告）號: CN106841119A
• 公開（公告）日: 2017-06-13
• 發明（設計）人: 秦俊;夏瞻;畢磊
• 申請（專利權）人: 電子科技大學
• 主分類號: G01N21/552
• 分類號: G01N21/552
• 代理公司: 成都惠迪專利事務所(普通合伙)51215
• 代理人: 劉勛

技術領域

本發明屬于光學傳感領域，特別涉及磁光表面等離子共振技術。

背景技術

表面等離子共振是在金屬與介質表面一種電子與等離子集體震蕩的效應。由于在金屬與介質的界面處有大的電場增強以及場的局域性，使得其廣泛應用于無標識生物傳感，化學傳感等。但是由于金的大的損耗，限制了基于此效應器件的分辨率。傳統的表面等離子傳感器在650nm激光波長處的品質因子只有54RIU^-1(折射率單位)，無法應用于單分子生物檢測。

磁光表面等離子共振是利用磁場來調制表面等離子效應，從而使傳感器得到更高的傳感性能。基于鐵磁金屬的磁光表面等離子傳感器，如鐵、鎳、鈷，已被廣泛提出，且有效地提高了傳感器的性能。但是由于鐵磁金屬本身大的損耗，使得器件的分辨率不能進一步的提高。

基于金屬/絕緣體/金屬的三明治結構，由于能在中間介質層形成波導模式以及在外金屬層形成表面等離子模式，能有效地將光限制在亞波長量級，在光學領域得到廣泛應用。

發明內容

本發明所要解決的技術問題是，提供一種具有高品質因子的磁光等離子生物傳感器。

本發明解決所述技術問題采用的技術方案是，磁光等離子生物傳感器，其特征在于，包括二氧化硅襯底和金層，在二氧化硅襯底上，在襯底和金層之間，至襯底至金層方向依次設置有：氮化鈦層、二氧化硅層、釔鐵石榴石層、摻鈰釔鐵石榴石層。

各層厚度為：氮化鈦層44nm、二氧化硅層15nm、釔鐵石榴石層52nm、摻鈰釔鐵石榴石層48nm、金層10nm。

本發明提出了一種新的磁光表面等離子生物傳感器的結構設計，氮化鈦/二氧化硅/釔鐵石榴石/摻鈰釔鐵石榴石/金，其中二氧化硅，釔鐵石榴石，摻鈰釔鐵石榴石是介質層，氮化鈦和金分別是兩側金屬層。三層磁光介質層的設計有效地提高了磁光層的非互易相移，從而得到更大的磁場對器件的調制能力。同時利用金屬/介質/金屬結構中的波導模式與表面等離子共振模式的耦合效應的測試方法，極大地提高了器件的品質因子，實驗制備得到的品質因子相比表面等離子傳感器在650nm波長處的理論值提高了17.8倍。

與現有技術相比，本傳感器的品質因子擁有接近一個數量級的提高，且器件的材料更加穩定，不易氧化，可以工作在惡劣的環境中。

現有的測試方法都是基于表面等離子共振模式的增強，而本發明是基于波導模式與表面等離子共振模式的耦合與橫向磁光克爾效應結合的方法來傳感。相比單個表面等離子共振模式，多模式耦合擁有更強的場增強，更窄的半高寬，從而有更高的品質因子。

綜上所述，本發明的有益效果是，結構新穎，品質因子高，材料穩定，不易氧化，結構簡單，成本低。

附圖說明

圖1為本發明的結構示意圖。

圖2為本發明的器件工作狀態示意圖。

圖3為本發明的器件工作原理圖。

圖4為結構優化等高圖。

圖5為器件實驗傳感性能曲線圖。

圖6為本發明發器件實驗得到的品質因子曲線圖。

具體實施方式

參見圖1、2。

本發明的磁光等離子生物傳感器選用二氧化硅棱鏡，在二氧化硅基底上用激光脈沖沉積得到氮化鈦/二氧化硅/釔鐵石榴石/摻鈰釔鐵石榴石/金的多層薄膜器件。

本發明設定襯底和金層之間的各層厚度為：氮化鈦44nm、二氧化硅15nm、釔鐵石榴石52nm、摻鈰釔鐵石榴石48nm、金10nm。在650nm波長入射光處有39600RIU^-1大小的理論品質因子。在金的厚度很厚的時候波導模式與表面等離子模式無法耦合在一起，所以品質因子會比較低。當金的厚度減薄到10nm，此時，兩個模式強耦合到一塊，形成法諾共振線型(一種非對稱的線型)，減小了半高寬，有效地提高了品質因子，再結合磁光橫向克爾效應，就能極大地提高器件的品質因子。此處定義橫向克爾效應(TMOKE)為：

其中，R(H±)分別為加正負磁場得到的反射率角度譜，磁場方向垂直于入射平面。定義品質因子(FOM)為：

其中，S是表面敏感度定義為單位折射率角度的變化率，Γ是譜線的半高寬。通過棱鏡耦合的方式測得加相反方向磁場的反射角度譜，從而計算出品質因子。其中橫向克爾譜線的半高寬就由法諾線型擬合得到，定義為：