[發明專利]一種基于波導耦合表面等離子體共振傳感芯片

在審

• 申請號: 201910093815.1
• 申請日: 2019-01-31
• 公開（公告）號: CN109827932A
• 公開（公告）日: 2019-05-31
• 發明（設計）人: 馬佑橋
• 申請（專利權）人: 馬佑橋
• 主分類號: G01N21/552
• 分類號: G01N21/552
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

本發明公開了一種基于波導耦合表面等離子體共振的嶄新傳感芯片，涉及光學傳感領域，尤其涉及表面等離子體傳感領域。傳感芯片包括基底，黏附薄膜層，兩層金屬薄膜層和位于兩層金屬薄膜層之間的介質波導層。相比傳統表面等離子體芯片設計，所述傳感芯片能夠激發歐姆損耗相對較低的波導耦合表面等離子體模式，增加了表面等離子體共振峰的品質因子值，大大提高了檢測分析的靈敏度，同時，通過控制介質波導層的厚度和折射率，可以調控波導耦合表面等離子體模式衰逝場的深度，拓展了對于不同大小生物分子的檢測范圍，因此，本芯片的設計具備很強的應用價值。

技術領域

本發明涉及光學表面等離子體傳感領域，具體涉及一種基于嶄新波導耦合表面等離子體（Surface Plasmon Polaritons, SPPs）共振的傳感芯片。

背景技術

表面等離子體（Surface Plasmon Polaritons, SPPs）共振是一種光學物理現象，當偏振激光光波傳輸至金屬界面處，滿足入射角度大于全反射臨界角時，在金屬界面處會激發出所謂的全反射衰逝波。當衰逝波的傳播常數與SPPs的傳播常數相匹配時，兩種電磁波模式發生強烈耦合，SPPs模式被激發。此時對應的入射角被稱為SPPs共振角。由于SPPs是金屬界面附近存在的模式，所以界面兩側的折射率、厚度、溫度等參數變化對SPPs的電磁場特性有著非常大的影響，這些參數的改變會引起共振角度的變化，通過共振角度的變化可以推知待測物的相關特性。因此，SPPs技術被廣泛應用于生物傳感領域。與傳統生化檢測方法相比，SPPs傳感技術具備靈敏度高，無需標記，響應速度快以及能夠實時檢測等優點，近年來已經成為生化檢測的熱門手段，在制藥工程，環境檢測，食品安全以及生物學等領域受到了廣泛的關注。

傳統SPPs傳感芯片通常利用存在于金屬層和待測物分界面上的SPPs共振效應。由于金屬存在歐姆損耗， 因此SPPs波的傳播距離較短，人們稱這種SPPs模式為短程SPPs，其衰逝場深度也僅有200納米左右，一定程度上影響傳感靈敏度和分辨率，且不適合對生物大分子的檢測。近年來研究人員嘗試多種方法降低SPPs的傳輸損耗以提高檢測敏感度，例如當金屬層被介質緩沖層和待測物包覆成三明治結構時，且緩沖層和待測物的折射率相近，金屬膜兩側存在的SPPs模式會發生耦合疊加，形成電磁場對稱分布的所謂長程SPPs。相對短程SPPs，長程SPPs具備更低的傳輸損耗和更深的衰逝場深度，因此，長程SPPs傳感技術具備較高的靈敏度和分辨率。然而，苛刻的折射率對稱條件嚴重限制了長程SPPs檢測的實際應用。

發明內容

本發明本著降低SPPs傳輸損耗同時實現衰逝場深度可調的目的，傳感芯片的設計采用先進的模式耦合理念，激發出傳輸損耗較低的波導耦合SPPs嶄新模式，增加了SPPs共振峰的品質因子值，提高了檢測的準確度和靈敏度，同時通過控制介質波導層的厚度和折射率可以實現對波導耦合SPPs模式衰逝場深度的調控，傳感芯片具備制作工藝簡單，檢測靈敏度高，精確度高以及應用拓展性強等優點。為實現上述目的，本發明提供如下技術方案實現：

一種基于波導耦合表面等離子體共振傳感芯片包括：芯片基底（1），黏附薄膜層（2），下層金屬薄膜層（3），介質波導層（4），上層金屬薄膜層（5），待測物（6）。如圖1所示，本發明設計采用多層膜激發波導耦合SPPs模式理論：SPPs模式I在下層金屬薄膜層3表面被激發，其部分衰逝場分布于介質波導層4內，當滿足波導邊界全反射條件時，SPPs模式I耦合并激發出波導模式II，波導模式II在介質波導層4內傳輸。當波導模式II的傳播常數與上層金屬薄膜層5支持SPPs模式III的傳播常數相匹配時，波導模式II和SPPs模式III發生強烈耦合作用，形成波導耦合SPPs模式，由此可見，本技術可以實現三種模式的相互耦合轉換，下層金屬薄膜層3起到了向上助推衰逝場的作用。

本發明中芯片基底（1）材料必須對工作波長透明，所述芯片基底的材料為玻璃，或是有機聚合物材料等中的一種。