[發明專利]憶阻重構的近紅外可調穿透深度生物傳感器及方法

有效

• 申請號: 201910333435.0
• 申請日: 2019-04-24
• 公開（公告）號: CN110057782B
• 公開（公告）日: 2021-09-21
• 發明（設計）人: 蔣向東;郭瑞康;董湘;王繼岷;李偉
• 申請（專利權）人: 電子科技大學
• 主分類號: G01N21/41
• 分類號: G01N21/41;G01N21/552
• 代理公司: 長沙楚為知識產權代理事務所(普通合伙) 43217
• 代理人: 李大為;陶祥琲

本發明提供一種憶阻重構的近紅外可調穿透深度生物傳感器及方法，傳感器包括：棱鏡單元、第一非導電介質薄膜層、金屬薄膜層、第二非導電介質薄膜層及導電介質薄膜層；其中：棱鏡單元用于產生ATR衰減倏逝波；第一非導電介質薄膜層、金屬薄膜層、第二非導電介質薄膜層構成傳感單元，用于實現基本傳感功能；金屬薄膜層、第二非導電介質薄膜層及導電介質薄膜層構成憶阻單元；還設置加電壓裝置，用于對憶阻單元施加偏置電壓實現紅外憶阻重構。本發明還提供上述傳感器的制備方法及穿透深度調諧方法。本發明生物傳感器的傳感單元所產生的穿透深度在憶阻單元在加偏置電壓時進行動態改變，實現穿透深度的調諧，在探測未知材料生物體時能明顯提高其分辨率。

技術領域

本發明涉及表面等離子共振生物傳感器技術領域，具體涉及一種可調諧穿透深度生物傳感器，尤其涉及一種憶阻重構的近紅外可調穿透深度生物傳感器及方法。

技術背景

表面等離子共振(surface plasmon resonance，SPR)是一種光學現象，這種現象在20世紀初被Wood發現，等離子共振在早期是在真空中利用電子束轟擊金屬表面產生。到20世紀60年代，兩位來自西德的科學家Otto和Kretchmann分別發明了通過可見光激發表面離子體的方法，直到80年代，來自瑞典的科學家Liedberg才將該技術用于檢測生物分子間的相互作用。

表面等離子體激元(SPPs)是產生SPR的關鍵，是電介質和金屬介質之間的界面上在特定的光波場下產生的自由電荷振蕩。光可以引起SPPs的激發，當入射光的波矢與表面等離子體的波矢發生匹配時，就會產生表面等離子體共振(SPR)現象，且因為這種波匹配條件很容易被界面上的微小介電常數變化所破壞，所以可用于精確地檢測金屬表面吸附層(細胞，細菌等)折射率的變化。因此，基于衰減全反射(ATR)方法的各種SPR生物傳感器應運而出。研究發現SPR技術具有高靈敏度、高選擇性、檢測實時、免標記、體積小和成本低等優點，故在檢測領域應用廣泛，發展前景可觀。

穿透深度是表征SPR生物傳感器的一項重要指標，定義為Z軸上倏逝波能量衰減到最大值的1/e時傳播的距離。傳統SPR傳感器由于金屬吸收只能產生低穿透深度，雖然小穿透深度有助于通過將受體層附著在表面使SPR傳感器更具特異性，但當分析物(如細胞)的大小等于或大于傳感器所能到達的穿透深度時，它就成為一種限制。

針對于克服低穿透深度的一種方法是使用紅外光傳感，紅外光本身就具有傳播距離較長的優點，用于生物傳感的短波紅外線(波長1.5微米以內)以及紅色光的近紅外線部分透入組織最深，穿透深度可達10毫米，能直接作用到皮膚的血管、淋巴管、神經末梢及其他皮下組織。

另一種方法則是采取不同的SPR生物傳感器件結構來產生不同的穿透深度，在利用電磁(EM)場增強金屬薄膜表面SPR激發的生物傳感器分類中，可以識別出四種基本類型，即傳統SPR、長程SPR(LRSPR，長程表面等離子體共振，Long-Range Surface PlasmonResonance)、耦合等離子體波導共振(CPWR)和波導耦合SPR(WCPR)。

(1)傳統SPR表面等離子體波沿界面法線方向上呈指數衰減，有效穿透深度僅為300nm左右，這種特性雖然對界面附近折射率的改變非常敏感，但是無法實現對病毒、細菌、蛋白質等大分子的有效檢測，且傳統表面等離子共振技術指標達到瓶頸，難以提高。

(2)LRSPR生物傳感器是在傳統SPR生物傳感器的棱鏡和金屬層之間引入介質緩沖層，當介質緩沖層和待測物的折射率相等時，實現了對稱環境，使得SPW(表面等離子體波，由SPPs振蕩傳播)的傳播長度超過常規SPW的傳播長度，并保留了入射光束的能量，其優點是LRSPR器件具有非常尖銳(即大的深度-寬度比)的反射率，特殊的LRSPR生物傳感器結構穿透深度可達3um以上，缺點是依賴于對稱環境的存在。