[發明專利]金屬包覆波導傳感器及其對銀膠溶液折射率的檢測方法

在審

• 申請號: 202110022058.6
• 申請日: 2021-01-08
• 公開（公告）號: CN112858219A
• 公開（公告）日: 2021-05-28
• 發明（設計）人: 陸炎;鄧小燕;劉雪玉;翟羽;王昕燦;龔旭;孫春洋
• 申請（專利權）人: 江蘇航運職業技術學院
• 主分類號: G01N21/41
• 分類號: G01N21/41;G01N21/01
• 代理公司: 北京輕創知識產權代理有限公司 11212
• 代理人: 劉紅陽

本發明提供一種金屬包覆波導傳感器，包括導波層、耦合層和襯底層，導波層為第一玻璃板，耦合層為覆于第一玻璃板頂部的第一銀膜；第一玻璃板下方設有樣品室。本發明還提供一種金屬包覆波導傳感器對銀膠溶液折射率的檢測方法，先用金屬包覆波導傳感器測出純水的共振峰，然后選取其中某一導模所對應的入射角作為同步角，給出純水在785nm時的折射率1.392600，以此先確定這個導模所對應的m值；通過導模再測試納米銀膠溶液產生的同步耦合角的變化，從而得出納米銀膠溶液的折射率。本發明以超高階導模作為探針，其中模場以振蕩場形式傳輸，具有極高的能量密度，使光與待測樣品的相互作用增強，從而有利于探測樣品的體參數和生物大分子。

技術領域

本發明涉及物質探測技術領域，具體涉及一種金屬包覆波導傳感器及其對銀膠溶液折射率的檢測方法。

背景技術

銀納米顆粒(Silver Nanoparticle)在可見-近紅外光波段會產生奇異的光學現象，即局域表面等離子體共振(LSPR)，這一光學性質主要被用于SERS檢測，其得到的拉曼光譜具有極高的信噪比。除了LSPR光學性質外，銀納米顆粒還具備殺菌抗感染的藥學作用，并且其抗菌能力非常強大，遠強于現在大量使用的抗生素藥物，可在數分鐘內殺死650多種細菌，廣譜殺菌且無任何的耐藥性。尤其針對目前出現的“超級細菌(Superbug)”嚴重威脅現代醫學防護體系，納米銀這種天然抗菌劑擁有十分誘人的前景，吸引了許多科研人員的關注。盡管迄今為止研究人員對納米銀的抗菌機理還沒有達成共識，但是比較認可的觀點是納米銀顆粒與病原菌的細胞壁/膜結合后，能直接進入菌體、迅速與氧代謝酶的巰基(-SH)結合，使酶失活，阻斷呼吸代謝使其窒息而死。因此，探索開發一種能夠檢測納米銀顆粒與生物大分子之間相互作用的生物傳感器，對研究納米銀的藥理作用具有重要的意義。

SPR分析技術在美、英、日等國掀起了新的研究熱潮，每年都有兩千多篇論文發表。SPR生物傳感器作為一種強有力的動態檢測手段，與傳統檢測手段比較，具有實時檢測、無需標記、耗樣量較少等突出優點，在生物工程、醫學、食品工業等多個領域都有廣闊的應用前景。但是，針對表面等離子共振(SPR)技術的研究發現，由于表面等離子波傳輸于金屬與介質之間的界面上，而金屬對可見和紅外波段的光有吸收，衰減全反射曲線共振吸收峰的半高全寬(FWHM)較大，嚴重地限制了SPR傳感器的探測靈敏度。其次，傳播于金屬與樣品表面的光場呈指數衰減形式(倏逝場)，探測深度僅為200nm左右，使該技術不僅需要復雜的固相偶聯過程，而且無法探測微米尺度的病毒、細菌或細胞。另外，SPR的有效折射率必須大于樣品的折射率，造成較大的共振群速度，降低了光與樣品的相互作用時間和距離。

基于SPR的折射率傳感的實驗原理如圖1所示，SPR傳感器的組成如下：在玻璃棱鏡底部沉積一層約50nm厚的銀膜，就構成一個最簡單地SPR傳感器。SPR傳感器是通過金屬樣品界面處的消逝場與物質的相互作用，來反應出樣品的相關信息。

SPR波導的截面如圖2所示，假定棱鏡、銀膜和樣品的介電常數分別是ε_S0，ε_S1和ε_S2，則其本征方程為：

式中，k₀＝2π/λ是自由空間中的波數，是導模的傳播常數。

根據SPR波導的模式本征方程，只要知道耦合角θ的值，原則上就可計算出樣品的折射率。

利用SPR傳感器測量銀膠溶液的折射率的結果發現：利用SPR技術無法測量金屬納米粒子溶液的有效折射率，因為溶液的有效折射率是一個體參數，而SPR有限的探測深度不能勝任，更加嚴重的是，金屬納米粒子會附著在SPR的金屬膜表面，從而改變金屬膜的厚度，給出完全錯誤的實驗結果。對于銀膠這類具有微小顆粒的溶液來說，SPR傳感器中由于顆粒的吸附作用會改變金屬膜的厚度，進而導致耦合條件發生變化，使其無法用于檢測樣品的折射率等參數。

發明內容