CN104316498B - 一种表面等离子体共振的太赫兹传感器 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种表面等离子体共振的太赫兹传感器，所述太赫兹传感器至少包括：重掺杂半导体薄膜，包括第一表面和与所述第一表面相对的第二表面；光波导耦合层，形成于所述重掺杂半导体薄膜的第一表面；传感片，形成于所述重掺杂半导体薄膜的第二表面，所述传感片置于样品通道中、与待测分子接触；太赫兹量子级联激光器，发射太赫兹光至所述光波导耦合层；太赫兹探测器，探测太赫兹光。本发明的激光器产生太赫兹激光在光波导耦合层和重掺杂半导体薄膜表面产生全反射，在界面产生消逝波，同时在重掺杂半导体薄膜和分子敏感膜之间产生表面等离子体波，通过调节入射光到共振角度可使得消逝波和表面等离子体波形成共振。该传感器可实现生物大分子在太赫兹共振频段的探测。
Description
技术领域
本发明涉及传感器技术领域，涉及一种太赫兹传感器，特别是涉及一种表面等离子体共振的太赫兹传感器。
背景技术
太赫兹波段是介于中红外与微波之间的、在频谱上未被完全开发的波段，被称为“太赫兹空隙”。它在物理学、材料科学、生命科学、天文学、信息和国防科技等方面具有重大的科学意义和应用前景。由于太赫兹波段的重要学术意义和应用价值，近几年来太赫兹物理、器件及应用已成为国际上最热门的前沿研究领域之一。
表面等离子体共振技术是二十世纪九十年代发展起来、一种能灵敏测量被测物体介电函数变化的技术。该技术在物理、化学和生物方面有着非常广泛的应用，尤其是运用在实时监测生物大分子相互作用上。表面等离子体共振生物传感器经过二十多年的发展，已经成为生命科学和制药领域一种重要的研究工具。
通过对太赫兹波谱的研究，发现很多生物大分子在太赫兹波段存在特征峰。而目前对生物大分子的波谱分析主要采用太赫兹时域波谱分析仪。生物大分子的相互作用过程分析需要一种能实时监控的太赫兹传感器。
由于普通棱镜在太赫兹波段的折射率比较低，同时金属在太赫兹波段的折射率比较高，因此适用于现有表面等离子体共振传感器的普通棱镜和金属薄膜的全反射结构在太赫兹波段并不适用。又由于金属在太赫兹波段的介电函数非常大，无法形成有效的表面等离子体，因此适用于现有波段的表面等离子体共振传感器的金属薄膜等离子体形成机制在太赫兹波段也不适用。
鉴于现有的表面等离子体共振传感器的基本结构在太赫兹波段并不适用，本发明提出了本征半导体和重掺杂半导体的全反射结构，同时利用重掺杂半导体的负的介电函数解决了难以形成太赫兹波段等离子体的问题，从而提出了一种有望实时监控生物大分子相互作用过程的太赫兹传感器。
发明内容
鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种表面等离子体共振的太赫兹传感器，用于解决现有技术中的表面等离子体共振传感器无法在太赫兹波段使用的问题。
为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种表面等离子体共振的太赫兹传感器，所述太赫兹传感器至少包括：
重掺杂半导体薄膜，包括第一表面和与所述第一表面相对的第二表面；
光波导耦合层，形成于所述重掺杂半导体薄膜的第一表面；
传感片，形成于所述重掺杂半导体薄膜的第二表面，所述传感片置于样品通道中、与待测分子接触；
太赫兹量子级联激光器，发射太赫兹光至所述光波导耦合层；
太赫兹探测器，探测从所述光波导耦合层反射的太赫兹光。
作为本发明表面等离子体共振的太赫兹传感器的一种优化的方案，所述太赫兹量子级联激光器为激射固定频率的激光器，激射频率的范围为1.2～4.4THz。
作为本发明表面等离子体共振的太赫兹传感器的一种优化的方案，所述光波导耦合层为本征半导体，太赫兹光在所述光波导耦合层和重掺杂半导体薄膜之间形成全反射。
作为本发明表面等离子体共振的太赫兹传感器的一种优化的方案，所述本征半导体为GaAs。
作为本发明表面等离子体共振的太赫兹传感器的一种优化的方案，所述重掺杂半导体薄膜为掺Si的GaAs薄膜，掺杂浓度为2*1018～5*1018cm-3。
作为本发明表面等离子体共振的太赫兹传感器的一种优化的方案，所述重掺杂半导体薄膜的厚度范围为40～60nm。
作为本发明表面等离子体共振的太赫兹传感器的一种优化的方案，在所述重掺杂半导体薄膜和传感片之间产生表面等离子体共振波。
作为本发明表面等离子体共振的太赫兹传感器的一种优化的方案，所述传感片为分子敏感膜，可与待测分子进行反应。
作为本发明表面等离子体共振的太赫兹传感器的一种优化的方案，所述太赫兹探测器为Si热辐射探测器。
如上所述，本发明的表面等离子体共振的太赫兹传感器，所述太赫兹传感器至少包括：重掺杂半导体薄膜，包括第一表面和与所述第一表面相对的第二表面；光波导耦合层，形成于所述重掺杂半导体薄膜的第一表面；传感片，形成于所述重掺杂半导体薄膜的第二表面，所述传感片置于样品通道中、与待测分子接触；太赫兹量子级联激光器，发射太赫兹光至所述光波导耦合层；太赫兹探测器，探测从所述光波导耦合层反射的太赫兹光。本发明的太赫兹激光器产生太赫兹激光在光波导耦合层和重掺杂半导体薄膜表面产生全反射，在界面产生消逝波，同时在重掺杂半导体薄膜表面和分子敏感膜之间产生表面等离子体波，调节入射光到共振角度可使得消逝波和表面等离子体波形成共振。这种传感器可实现生物大分子在太赫兹共振频段的探测。
附图说明
图1为本发明太赫兹传感器的结构示意图。
图2为本发明太赫兹波在传感器中传播的路径示意图。
元件标号说明
1 重掺杂半导体薄膜
2 光波导耦合层
3 传感片
4 样品通道
5 太赫兹量子级联激光器
6 太赫兹探测器
具体实施方式
以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。
请参阅附图。需要说明的是，本实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，遂图式中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。
本发明提供一种等离子体共振的太赫兹传感器，如图1所示，所述太赫兹传感器至少包括：重掺杂半导体薄膜1、光波导耦合层2、传感片3、太赫兹量子级联激光器5以及太赫兹探测器6。
所述重掺杂半导体薄膜1包括第一表面和与所述第一表面相对的第二表面，所述光波导耦合层2形成于所述重掺杂半导体薄膜1的第一表面，所述传感片3形成于所述重掺杂半导体薄膜1的第二表面，将其置于样品通道4中、与待测分子接触，所述太赫兹量子级联激光器5用来发射太赫兹光，使太赫兹光入射至所述光波导耦合层2，所述太赫兹探测器6则用来探测从所述光波导耦合层2反射的太赫兹光。
所述太赫兹量子级联激光器5是太赫兹波段非常有效的辐射源，不同的有源区结构获得的激光器的激射频率在1.2～4.4THz范围内，同时通过对激光器的波导结构和谐振腔的设计可实现发射角小于20°的面发射。本发明根据被监测的大分子具有不同共振峰的需要，可对不同激射频率的太赫兹量子级联激光器进行选择。
所述光波导耦合层2可以采用本征半导体，例如，GaAs。GaAs在太赫兹波段的折射率n1约为3.5，因此，将光波导耦合层作为发生全反射的光密介质。
所述重掺杂半导体薄膜1选择与光波导耦合层2晶格匹配的材料，例如，若光波导耦合层2采用GaAs，则重掺杂半导体薄膜1则可以采用Si重掺杂的GaAs或者Si重掺杂的Al0.15Ga0.85As；当然，光波导耦合层2也可以是其他合适的材料，例如，所述光波导耦合层2为InP，则重掺杂半导体薄膜1为Si重掺杂InGaAs等，在此不限。
本实施例中，所述光波导耦合层2采用GaAs，所述重掺杂半导体薄膜1采用Si重掺杂的GaAs。
本实施例中，所述重掺杂半导体薄膜1的制备流程为：以2英寸半绝缘GaAs为衬底，采用分子束外延(MBE)生长或者化学气相沉积(CVD)工艺生长约50nm厚的Si重掺杂GaAs薄膜层，掺杂浓度为5×1018cm-3，要求薄膜厚度均匀性好。
需要说明的是，如图2所示，上层材料为本征GaAs，下层材料为Si重掺杂半导体薄膜层，θsp为实现等离子体共振的激光入射的共振角，虚线箭头则表示在重掺杂半导体薄膜1和传感片3界面形成的表面等离子体共振波。重掺杂半导体薄膜1中由于Si掺杂引入了自由电子，因此随着掺杂浓度的变大，根据Drude模型重掺杂半导体薄膜介电函数ε2(ω)为：
其中，ε0为介电常数，ε∞为半导体高频介电函数，ω为入射光角频率，τ为衰减时间，又称为drude时间，约为0.1ps，ωp为等离子振荡角频率可表示为：
其中，e为电子电量，n3D为掺杂密度，m*为电子有效质量。在太赫兹波段，重掺杂半导体薄膜介电函数的实部会变成负数，从而能够在分子敏感膜与重掺杂半导体薄膜之间形成等离子体波。同时，计算得到的折射率n2(ω)也可以控制在1～2左右，因此，重掺杂半导体薄膜作为全反射结构的光疏介质。其中，消逝波沿着界面的传播常数kχ与表面等离子波的传播常数β分别为：
其中，c为真空中的光速，ε1为光波导耦合层也就是本征GaAs层的介电常数，ε3为分子敏感膜的介电函数，θ为折射角。因此，实现等离子体共振的激光入射的共振时，共振角θsp为：
通过调节入射太赫兹光至共振角，便可使得消逝波强度增强形成共振的表面等离子体波，在光波导耦合层和重掺杂半导体薄膜之间的界面上不会发生全反射。
所述传感片3为分子敏感膜，是一种具有特异识别属性的分子，其固定于重掺杂半导体的表面。所述分子敏感膜作为配体，具有太赫兹波段的共振吸收峰。通过监测共振吸收峰，从而明显区别出配体是否与样品通道中的待测大分子发生反应，并且实时监测反应时间。
本实施例中以氨基酸中的L-酪氨酸作为配体，将其固定于重掺杂半导体薄膜1的表面。氨基酸中的L-酪氨酸在2.06THz有吸收系数超过80％的共振吸收峰，因此，本实施例中选择激射频率为2.06THz的太赫兹量子级联激光器作为辐照源，如果L-酪氨酸不与样品通道中的大分子发生反应，则L-酪氨酸保持原有的属性，这样重掺杂半导体薄膜1中产生的表面等离子体波会被L-酪氨酸共振吸收，光波导耦合层2和重掺杂半导体薄膜1界面的消逝波无法形成有效共振，这时能够实现基本无衰减的全反射，在Si热辐射探测器中可探测到全反射的太赫兹波能量。而如果L-酪氨酸被样品通道中的大分子破坏，即发生反应，那么分子敏感膜就无法吸收重掺杂半导体薄膜1中的表面等离子体波，表面等离子体波与光波导耦合层2和重掺杂半导体薄膜1界面的消逝波就形成了表面等离子体共振，光波导耦合层2和重掺杂半导体薄膜1界面处的全反射条件被破坏，呈现全反射衰减现象，使反射光能量急剧下降，在Si热辐射探测器无法探测到全反射的太赫兹波能量。因此，通过本发明传感器中的Si热辐射探测器能否探测到全反射太赫兹波能量，就可以判断大分子之间是否发生相互作用。
综上所述，本发明提供一种表面等离子体共振的太赫兹传感器，所述太赫兹传感器至少包括：重掺杂半导体薄膜，包括第一表面和与所述第一表面相对的第二表面；光波导耦合层，形成于所述重掺杂半导体薄膜的第一表面；传感片，形成于所述重掺杂半导体薄膜的第二表面，所述传感片置于样品通道中、与待测分子接触；太赫兹量子级联激光器，发射太赫兹光至所述光波导耦合层；太赫兹探测器，探测从所述光波导耦合层反射的太赫兹光。本发明的太赫兹激光器产生太赫兹激光在光波导耦合层和重掺杂半导体薄膜表面产生全反射，在界面产生消逝波，同时在重掺杂半导体薄膜表面和分子敏感膜之间产生表面等离子体波，调节入射光到共振角度可使得消逝波和表面等离子体波形成共振。这种传感器可实现生物大分子在太赫兹共振频段的探测。
所以，本发明有效克服了现有技术中的种种缺点而具高度产业利用价值。
上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。
Claims (9)
1.一种表面等离子体共振的太赫兹传感器，其特征在于，所述太赫兹传感器至少包括：
重掺杂半导体薄膜，包括第一表面和与所述第一表面相对的第二表面；
光波导耦合层，形成于所述重掺杂半导体薄膜的第一表面；
传感片，形成于所述重掺杂半导体薄膜的第二表面，所述传感片置于样品通道中、与待测分子接触；
太赫兹量子级联激光器，发射太赫兹光至所述光波导耦合层；
太赫兹探测器，探测从所述光波导耦合层反射的太赫兹光；
其中，在接收到所述太赫兹量子级联激光器发射的太赫兹光时，所述光波导耦合层的表面产生全反射，所述光波导耦合层和所述重掺杂半导体薄膜的界面产生消逝波，所述重掺杂半导体薄膜的表面和所述传感片之间产生表面等离子体波；
所述太赫兹传感器适于通过所述太赫兹探测器探测从所述光波导耦合层反射的太赫兹光是否为全反射太赫兹波能量，以判断所述待测分子之间是否发生相互作用；其中，所述传感片为由L-酪氨酸构成的分子敏感膜，所述太赫兹量子级联激光器为具有2.06THz激射频率的辐照源，所述太赫兹探测器为Si热辐射探测器；在所述L-酪氨酸和所述样品通道中的待测分子不发生反应时，所述L-酪氨酸吸收所述表面等离子体波，所述表面等离子体波与所述消逝波无法形成表面等离子体共振，所述Si热辐射探测器探测到全反射太赫兹波能量；在所述L-酪氨酸和所述样品通道中的待测分子发生反应时，所述L-酪氨酸无法吸收所述表面等离子体波，所述表面等离子体波与所述消逝波形成表面等离子体共振，所述Si热辐射探测器无法探测到全反射太赫兹波能量。
2.根据权利要求1所述的表面等离子体共振的太赫兹传感器，其特征在于：所述太赫兹量子级联激光器为激射固定频率的激光器，激射频率的范围为1.2～4.4THz。
3.根据权利要求1所述的表面等离子体共振的太赫兹传感器，其特征在于：所述光波导耦合层为本征半导体，太赫兹光在所述光波导耦合层和重掺杂半导体薄膜之间形成全反射。
4.根据权利要求3所述的表面等离子体共振的太赫兹传感器，其特征在于：所述本征半导体为GaAs。
5.根据权利要求1所述的表面等离子体共振的太赫兹传感器，其特征在于：所述重掺杂半导体薄膜为掺Si的GaAs薄膜，掺杂浓度为2×1018～5×1018cm-3。
6.根据权利要求1所述的表面等离子体共振的太赫兹传感器，其特征在于：所述重掺杂半导体薄膜的厚度范围为40～60nm。
7.根据权利要求1所述的表面等离子体共振的太赫兹传感器，其特征在于：在所述重掺杂半导体薄膜和传感片之间产生表面等离子体共振波。
8.根据权利要求1所述的表面等离子体共振的太赫兹传感器，其特征在于：所述传感片为分子敏感膜，可与待测分子进行反应。
9.根据权利要求1所述的表面等离子体共振的太赫兹传感器，其特征在于：所述太赫兹探测器为Si热辐射探测器。
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| CN104316498A (zh) | 2015-01-28 |
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Legal Events
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|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant |