[發明專利]一種基于納米圖案的等離基元折射率傳感器的傳感方法

有效

• 申請號: 201710149279.3
• 申請日: 2017-03-14
• 公開（公告）號: CN106940296B
• 公開（公告）日: 2019-03-22
• 發明（設計）人: 張偉華;邊捷
• 申請（專利權）人: 南京大學
• 主分類號: G01N21/41
• 分類號: G01N21/41;G01N21/552
• 代理公司: 南京知識律師事務所 32207
• 代理人: 李媛媛

技術領域

本發明屬于光學傳感器領域，具體涉及一種基于納米圖案的等離基元折射率傳感器及其傳感方法。

背景技術

等離基元折射率傳感器作為一種低成本且無需標記物的生化探測技術，近年來受到了學術界和產業界的廣泛關注。在等離基元折射率傳感器中，最主要的有兩種：基于局域表面等離基元共振的LSPR傳感器和基于傳播模式的表面等離基元共振的SPR傳感器。

對于LSPR傳感器，介質折射率的變化是通過測量透射或反射光譜中共振峰的位移來實現的。而更早商業應用的SPR傳感器則是通過測量發生等離基元共振時的反射光襯底表面的夾角變化來實現探測折射率的微小變化。但是這兩種等離基元折射率傳感器都需要較為復雜的光譜采集設備和與之相應的特別設計的光路系統，從而使得這兩種傳感技術在諸如實時環境監測、臨床快速診斷等領域的應用受到了很大的限制，因為這些領域要求傳感設備具有很好的便攜性和一定的靈敏度。因此，設計一種便攜式的、使用方便的、高靈敏度的等離基元折射率傳感器在這些應用領域就顯得很必要了。

發明內容

鑒于以上現有技術的情況，本發明的目的在于提供一種基于納米圖案的等離基元折射率傳感器及其傳感方法，該傳感器通過簡便的方法能實現高靈敏度的折射率傳感，無需復雜的光譜設備和光路設計。

為實現上述目的，本發明折射率傳感器采取的技術方案為：

一種基于納米圖案的等離基元折射率傳感器，是由一層等離基元納米天線陣列和支撐該天線陣列的平整襯底組成，所述等離基元納米天線陣列為周期性的陣列結構，其周期為50～1000納米，厚度為10～100納米；其中，構成陣列結構的單個納米天線的尺寸是按一定規律逐漸變化的，且變化范圍為10～10000納米。

進一步地，所述等離基元納米天線陣列的材料為金屬或半導體。所述等離基元納米天線陣列的面積為50微米～50毫米。所述平整襯底為透明或者不透明的。所述單個納米天線的形狀為多邊形、圓形、橢圓形或任意不規則二維圖形。

優選地，構成陣列結構的單個納米天線的尺寸按照等差數列、等比數列、指數函數或者自然對數函數的規律逐漸變化，變化方向是從納米陣列的一端向另一端漸變或由納米陣列的中心向邊緣漸變。

本發明實現折射率傳感的技術原理：本發明的傳感器在白光源或一定波長單色光下，傳感器上納米天線陣列隨周圍環境折射率變化而呈現出亮度和色彩的變化(對于白光源)或是共振納米天線位置的變化(對于單色光)；利用的簡易視頻成像設備來采集納米天線陣列的圖像并結合相應的圖像處理軟件就可以實現介質折射率的高靈敏度的傳感而無需傳統等離基元折射率傳感器使用的復雜的光譜設備。

本發明所述基于納米圖案的等離基元折射率傳感器制備方法包括以下步驟：

(1)利用薄膜沉積技術在平整的透明襯底表面沉積一層納米級厚度用于制備等離基元納米天線的金屬材料。薄膜沉積技術可以是電子束蒸發沉積，旋轉涂覆技術，離子濺射薄膜沉積技術，原子層薄膜沉積技術，自組裝技術等。

(2)再利用圖案化技術在金屬層上制備聚合物材料的特殊設計的漸變納米條陣列圖案。納米圖案化技術可以是電子束光刻技術，納米壓印技術，干涉光刻技術，相分離技術，自組裝技術等。

(3)再利用刻蝕技術將聚合物材料的漸變納米條陣列圖案轉移到下層金屬層上，再用丙酮或氧氣等離子體去除殘余的聚合物層高，得到透明襯底上漸變的等離基元金屬納米天線陣列，這就是最終制備的基于納米圖案的等離基元折射率傳感器。刻蝕技術可以是反應離子刻蝕技術，離子束刻蝕技術，等離子刻蝕技術，化學濕法刻蝕技術等。

利用本發明所述基于納米圖案的等離基元折射率傳感器實現折射率傳感的方法包括以下步驟：

(1)將所述折射率傳感器置于需要進行折射率傳感的介質中，使所述等離基元納米天線陣列與介質充分接觸；

(2)使用一定波長的單色光或白光源照射在處于不同折射率介質中傳感器表面的等離基元納米天線陣列上；

(3)利用成像設備采集不同折射率介質中等離基元納米天線陣列的顯微數碼圖像；對于單色光照射，與入射單色光發生共振的納米天線陣列在顯微圖像中呈現出高亮度的區域，而這些高亮度位置會隨周圍介質折射率的變化而發生變化；對于白光源照射，所述等離基元納米天線陣列則會在不同折射率介質中呈現出不同亮度和色彩；

(4)利用圖像處理軟件，定量計算納米天線陣列亮度和色彩的變化或是陣列中共振的天線位置的變化量，從而實現對周圍介質折射率的高靈敏度傳感。