[發明專利]基于金微納錐形陣列結構的傳感器及其制備方法和應用

有效

• 申請號: 202210475035.5
• 申請日: 2022-04-29
• 公開（公告）號: CN114839164B
• 公開（公告）日: 2023-10-17
• 發明（設計）人: 吳心成;吳偉;蘇港;付永啟
• 申請（專利權）人: 電子科技大學
• 主分類號: G01N21/552
• 分類號: G01N21/552;C25D1/00
• 代理公司: 成都先導云創知識產權代理事務所(普通合伙) 51321
• 代理人: 李坤

本發明公開了一種基于金微納錐形陣列結構的傳感器及其制備方法和應用，涉及光學傳感器領域。本發明包括基底、位于所述基底上的銅粘合層薄膜、位于所述銅粘合層薄膜上的金薄膜以及位于所述金薄膜上金微納錐形陣列結構。本發明提供的基于金微納錐形陣列結構的傳感器能夠提供納米量級的檢測分辨率，有效提了LSPR傳感器的檢測分辨率和靈敏度。可適用于高分辨率的超出衍射極限的生物成像，可制備出產生納米量級強電磁“熱點”的高靈敏度LSPR傳感器，在新冠病毒檢測、超分辨率成像、環境監測等領域的應用中具有重要意義。

技術領域

本發明涉及光學傳感器領域，具體的說涉及一種基于金微納錐形陣列結構的傳感器及其制備方法和應用。

背景技術

光學傳感器在實際生活中有著廣泛的應用，可用于檢測周圍環境中的物理信息、物質成分和生物分子，從而延伸人類的感知能力。尤其是表面等離激元共振(SPR)傳感器，由于其具有高精度、小型便攜、低成本等特點而被廣泛關注。表面等離激元(SPPs)是金屬表面近場區域的自由電子與入射光光子相互作用下發生的集體電磁振蕩，是一種存在于金屬-電介質界面上的特殊表面波。SPR對金屬界面相鄰的介質折射率變化非常敏感，這一特性使生物化學傳感的商業化應用成為可能。SPR傳感器是一種十分有前景的光學生化傳感器，具有無標簽、無損性、即時檢測等優勢。由于局域表面等離子共振(LSPR)的近場光學特性，表面等離激元(SPPs)波的電場能量可以被限制在納米尺寸中，突破衍射極限，導致局部的電磁場“熱點”。這種納米量級的電磁熱點可以產生強烈的局域電磁場增強效應，在近場光學成像、表面增強拉曼光譜(SERS)、生化傳感等領域中有著廣泛的應用。但是，SPR傳感器的商業化應用仍存在諸多的限制，例如由于傳統入射光源無法提供納米量級的光源，從而導致檢測分辨率低、傳感信號較弱、靈敏度低等問題。

根據國內外光學傳感器的研究現狀可以看出，科研工作者們已經在LSPR傳感器設計與優化、制備、應用等方面做了大量深入的研究，并且取得了較為明顯的成果，這些科研成果為LSPR傳感器的應用實踐提供了理論基礎。總的來說，仍然存在以下幾方面的問題：

(1)制備高性能的LSPR傳感器存在不少挑戰

目前，LSPR傳感器作為生物分子研究工具可以與商業SPR設備相媲美。面對各領域對高性能、高靈敏度的需求，LSPR傳感器實現商業化的可行性任存在巨大的挑戰。在單粒子的測量中，雖然對研究單粒子動力學具有高靈敏度和效果性，但對于LSPR傳感類的應用并不實用。因此，為提高傳感器的靈敏度，優化納米顆粒結構設計是重要的研究方向。

(2)傳統LSPR傳感器的檢測分辨率較低

傳統的LSPR傳感器的激發光源通常采用的是激光，只能提供毫米級別的檢測分辨率，存在共振峰(谷)位移小、共振強度不足、峰谷比小等不足，這些不足限制了其在生化傳感器中高精度檢測的應用。為滿足高性能、高分辨率的需求，需要提高其檢測分辨率，尤其在單粒子的檢測中，往往需要納米量級的檢測分辨率。

(3)微納錐形結構LSPR靈敏度優化理論機制需要完善

目前，對于微納結構的光學理論解析通常采用FDTD、DDA和FEM三種軟件算法。其中FDTD算法通過設置網格單元，基于麥克斯韋方程組來實現整個結構的電磁場計算。由于微納錐具有高縱橫比的結構特點，有助于提高LSPR傳感器的精度和靈敏度。通過軟件可以仿真結構表面的電磁場分布情況，從而優化LSPR傳感器的靈敏度。因此，獲得顆粒尺寸、間距、分布周期以及光源對電磁場分布的影響機制至關重要。

由于存在這些不足，LSPR傳感器的性能受限，只有針對這些不足提出合理的解決方案，才能制備出高精度、高分辨率的LSPR傳感器。

發明內容

針對現有技術中存在的問題，本發明提供一種基于金微納錐形陣列結構的傳感器及其制備方法和應用，其目的在于：提高LSPR傳感器的檢測分辨率、增強傳感信號、提高靈敏度。

本發明采用的技術方案如下：