CN105651737A - 一种基于金属层叠介质亚波长光栅的生物传感芯片 - Google Patents

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Abstract

一种基于金属层叠缓冲介质亚波长光栅的纳米生物传感芯片主要包括：1-亚波长金属(材料选取为金)光栅层，2-氟聚合物亚波长光栅缓冲层，3-BK-7玻璃衬底；4-氟聚合物成膜，5-材料金成膜，6-聚焦离子束刻蚀；所述亚波长金属(材料选取为金)光栅层(1)涂覆于氟聚合物亚波长光栅缓冲层(2)之上，亚波长金属(金)光栅层(1)和氟聚合物亚波长光栅缓冲层(2)共同沉积于BK-7玻璃衬底(3)之上。

Description

一种基于金属层叠介质亚波长光栅的生物传感芯片
技术领域
本发明为一种纳米光学传感器件，具体涉及一种基于金属层叠缓冲介质亚波长光栅的生物传感芯片。
背景技术
目前生物和化学传感***持续受到科学家们的高度重视，其传感装置的研究对于生命科学，食品安全，药物检测和环境检测都有着极其重要的指导意义。可以预计，伴随着纳米光技术的发展及生物传感的应用需求，高性能的基于纳米金属光栅的传感产品将在生物传感中得到越来越广泛的应用。
近年来研究者们提出了多种基于光学技术的生物传感装置，比如迈克耳孙干涉，表面增强拉曼散射和表面等离子体，其中基于超强电磁场局域效应的表面等离子体传感技术的发展尤为迅速。由于表面等离子体的电场被束缚在金属和介质的分界面上，因此它们对于分界面附近介质环境的变化表现得非常敏感。这种高敏感的检测技术非常适合发展免荧光标记的实时生物传感器。目前普遍用于激发表面等离子体的方法有基于棱镜耦合和亚波长光栅衍射的激发方法。基于棱镜耦合的方法存在一些弱点，例如在测量过程中需要精确得控制入(出)射角度，而且角度的误差会直接影响测量结果，所以该技术不容易操作，而且对仪器的机械精确度要求很高。另外，虽然基于亚波长金属光栅衍射的方法避免了入(出)射角度难以控制的弊端，但是由于金属自身难以克服的欧姆损耗，带来了较小的表面等离子体谐振峰品质因子，从而降低了检测的精确度和敏感度。
发明内容
本发明提供一种基于金属层叠缓冲介质亚波长光栅的纳米生物传感芯片，使其可以精确且快速检测生物化学反应，与现有技术相比，表面等离子体谐振峰具备更小的品质因子，同时测量精度和敏感度得到明显的提高，具备结构紧凑，测量快速准确和操作简单等优点。
本发明技术方案的实现步骤如下：
根据上述目的，我们利用金属亚波长光栅层叠缓冲介质亚波长光栅的表面等离子体增透射效应来设计简易快速的生物传感芯片。该芯片主要包括：亚波长金属(材料选取为金)光栅层1涂覆于氟聚合物亚波长光栅缓冲层2之上，亚波长金属(金)光栅层1和氟聚合物亚波长光栅缓冲层2共同沉积于BK-7玻璃衬底3之上。
本发明中关于亚波长光栅结构参数的选取：光栅周期(W+D)须小于入射光波长，如图1所示；
本发明中光栅缓冲层材料的选取：缓冲层材料的折射率须与待分析生物化学物质的水溶液(折射率在1.33附近)相似；
本发明中金属材料可选取常见的贵金属银和金：材料银具备较小的光学损耗，因而具备较大的谐振峰品质因子，有利于提高传感精确度；相比于材料银，虽然材料金具备较大的光学损耗(较小的谐振峰品质因子)，然而，材料金具备更好的化学稳定性和与生物抗体的结合性；
本发明中的入射光源必须为TM偏振，即磁场分量平行于光栅的狭缝方向；同时为保证检测操作的简单性和可重复性，光源入射方向应选择为垂直(正)入射；
本发明涉及到光学镀膜工艺：对金属和介质薄膜可采取真空蒸镀、离子溅射或真空电子束溅射成膜工艺。在镀膜过程中需要特别注意对实施温度和薄膜厚度的控制；
本发明涉及到纳米光学加工技术：对亚波长光栅的制备可采取聚焦离子束微纳刻蚀工艺，更为重要的是，聚焦离子束工艺可以精确的控制亚波长光栅的结构参数，从而保证了传感芯片结构的制备可重复性。
附图说明
图1是本发明结构示意图。
图2是纳米生物传感芯片制备过程示意图。
图3是优化生物传感芯片的透射光谱和谐振峰波长下光能量分布图。
图4是不同待分析溶液环境下传感芯片的透射光谱和传感敏感度评估图。
图1中，1-亚波长金属(材料选取为金)光栅层，2-氟聚合物亚波长光栅缓冲层，3-BK-7玻璃衬底；4-氟聚合物成膜，5-材料金成膜，6-聚焦离子束刻蚀。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明的实施举例进行描述。
如图1，金属层叠缓冲介质亚波长光栅的生物传感芯片包括三层层叠结构：氟聚合物亚波长光栅缓冲层2镀膜于BK-7玻璃衬底3之上，同时亚波长金属(金)光栅层1涂覆于氟聚合物亚波长光栅缓冲层2之上。
如图2，是纳米生物传感芯片的具体制备示意图，采用了镀膜和聚焦离子束刻蚀工艺：即选取BK-7载玻片作为芯片衬底3；利用蒸镀工艺把氟聚合物4和材料金成膜5于BK-7玻璃衬底3之上；最后利用聚焦离子束刻蚀6工艺移除不需要的氟聚合物和材料金，从而形成亚波长光栅结构。
如图3-(a)是金属层叠介质亚波长光栅和传统金属亚波长光栅(无层叠介质亚波长光栅)生物传感芯片的比照透射谱，传感芯片周围溶液折射率设定为1.3335。从图3-(a)可以清晰看出对于这两种结构，透射谐振峰的波长都大约为800.6纳米。然而，相比于传统金属亚波长光栅结构，金属层叠介质亚波长光栅的透射光强明显提高而且透射谐振峰变得非常狭窄，其半谱宽度大约只有5纳米。如此狭窄的谐振峰大大提高了金属层叠介质亚波长光栅传感芯片的检测精确度。3-(b)是金属层叠介质亚波长光栅谐振峰波长下光能量分布图。图3-(b)清楚地证明了金属-介质分界面上增强的局域电磁场分布，且较大的电磁场和分析溶液的重叠保证了较高的传感度。
如图4-(a)是不同待分析溶液环境下传感芯片的透射光谱，传感芯片周围溶液折射率从1.3335变化至1.346。从图4-(a)可以明显看出随着分析溶液折射率的增加，透射谐振波长发生相应的红移。提取图4-(a)的分析结果，图4-(b)是透射谐振波长与分析溶液折射率的二维关系图，表明了金属层叠介质亚波长光栅传感芯片具备较高的检测敏感度560纳米每折射率单位，更重要的是，透射谐振波长与分析溶液折射率成线性变化关系，这种线性响应充分显现了其传感的优越性。

Claims (6)

1.一种基于金属层叠缓冲介质亚波长光栅的纳米生物传感芯片主要包括：1-亚波长金属(材料选取为金)光栅层，2-氟聚合物亚波长光栅缓冲层，3-BK-7玻璃衬底；4-氟聚合物成膜，5-材料金成膜，6-聚焦离子束刻蚀；所述亚波长金属(材料选取为金)光栅层(1)涂覆于氟聚合物亚波长光栅缓冲层(2)之上，亚波长金属(金)光栅层(1)和氟聚合物亚波长光栅缓冲层(2)共同沉积于BK-7玻璃衬底(3)之上。
2.根据权利要求1所述的亚波长光栅结构参数，其特征在于：光栅周期(W+D)须小于入射光波长。
3.根据权利要求1所述的光栅缓冲层材料的选取，其特征在于：缓冲层材料的折射率须与待分析生物化学物质的水溶液(折射率在1.33附近)相似。
4.根据权利要求1所述的金属材料可选取常见的贵金属银和金，其特征在于：材料银具备较小的光学损耗，因而具备较大的谐振峰品质因子，有利于提高传感精确度；相比于材料银，虽然材料金具备较大的光学损耗(较小的谐振峰品质因子)，然而，材料金具备更好的化学稳定性和与生物抗体的结合性。
5.根据权利要求4所述的比照透射谱中的入射光源，其特征在于：必须为TM偏振，即磁场分量平行于光栅的狭缝方向；同时为保证检测操作的简单性和可重复性，光源入射方向应选择为垂直(正)入射。
6.根据权利要求1所述的光学镀膜工艺：对金属和介质薄膜可采取真空蒸镀、离子溅射或真空电子束溅射成膜工艺。在镀膜过程中需要特别注意对实施温度和薄膜厚度的控制。
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