CN116008200A - 一种光学传感器 - Google Patents

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蒋小平
沈梦琪
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Abstract

本发明提出了一种光学传感器，涉及光学传感器领域。一种光学传感器包括Fabry‑Perot薄膜谐振腔结构，所述Fabry‑Perot薄膜谐振腔结构依次包括：电介质层、金属膜层和衬底，所述电介质层的一侧完全覆盖于所述金属膜层，所述电介质层的另一侧接触有待测液体；本发明提出的光学传感器结构，其金属膜层表面均完全覆盖有电介质层，不直接接触空气和待测液体。电介质层可以对金属层起到保护作用，也可以大幅度延长使用寿命和可重复性，相比于SPR和传统FP结构具有更高的检测效率和性价比。

Description

一种光学传感器
技术领域
本发明涉及光学传感器技术领域，具体而言，涉及一种用于快速病毒、抗原抗体无标记检测、光声检测的新型高灵敏度光学传感器。
背景技术
表面等离子共振(Surface Plasmon Resonance,SPR)传感技术具有无标记、高灵敏度和实时动态检测等优点，一直以来被广泛应用于生物检测、医学诊断等生物医学光子学领域。SPR传感技术通过实时快速检测生物分子之间的相互作用，可以测量表面样品折射率变化，特异性的反应抗体抗原亲和动力学、样品厚度、蛋白质结合等参数，进而实现对疾病的特异性筛查。除此之外，SPR技术在药物筛选、食品分析、生物检测、环境监测、医疗及制药等相关领域也得到越来越广泛的关注和应用。
SPR对金属表面结合的物质、环境折射率的变化敏感，表现为SPR波向量(ksp)的变化；第二，SPR属于倏逝场，具有背景噪声小的优势；第三，结构稳定，可重复性强，适合进行批量生产及商业转化。1990年瑞典的Biacore公司推出了世界首台商业化SPR生物传感器Biacore。此后，各大公司竞相推出新型的SPR产品，荷兰的Bionavis公司、美国的Nomadic公司等均有推出SPR生物传感器产品。2012年，中科院电子所开发出我国自主研发的SPR产品SPR-2000型检测仪。2019年，中国的量准Xlement开发了新一代3D SPR芯片，实现技术突破。
然而，该技术目前的瓶颈主要在于检测的灵敏度。现在主流的SPR传感器灵敏度在10-5RIU到10-6RIU之间。而要实现单分子检测的能力，理论上，需要的灵敏度要在10-8RIU数量级。
超声检测、光声传感成像，主要看中的参数是探测器的带宽和中心频率。中心频率决定探测器可探测的物体尺寸，带宽决定探测物体的尺度范围。如果想要实现声学检测2um到200um的成像，则要求传感器的带宽同时覆盖2MHz到200MHz。现在流行的工业解决方案主要方法是基于压电陶瓷来实现。超声在压电陶瓷表面产生压强，从而引发压电陶瓷形变，进而产生电信号的变化。压电陶瓷的主要缺点是检测带宽偏窄，不能覆盖较大的尺度范围。压电陶瓷传感器中心频率受限于压电陶瓷材料的厚度。较高的中心频率要求材料薄，但是这样会导致材料易碎。另外压电陶瓷材料通常不透光，不止于此，压电陶瓷探测器通常较巨大，影响与其他光学成像功能的耦合。
光学检测超声、光声信号主流的解决方案主要应用薄膜Fabry-Perot谐振腔。典型的主要是三层膜结构：第一层15nm左右金膜，第二层10-30微米厚的电介质膜，通常为聚合材料比如PET等，第三层是200nm左右金膜。这种方法一般采用垂直入射，在电介质膜中形成光学谐振腔。工作时，通过调整波长，将反射功率调整到谐振峰半高位置。然后当声波信号接触谐振腔，使得电介质膜层厚度发生变化，从而改变谐振峰的位置，引发反射率变化，从而实现光学检测。这种方法相比压电陶瓷，可以将带宽调高至DC-50MHz。主要的缺点也是200nm左右金膜不透光，不利于与其他成像应用结合，而且成本较高。
发明内容
本发明的目的在于提供一种光学传感器，其结构金属表面均完全覆盖电介质层，不直接接触空气和待测液体。电介质层可以对金属层起到保护作用，也可以大幅度延长使用寿命和可重复性，相比于SPR和传统FP结构具有更高的检测效率和性价比。
本发明的实施例是这样实现的：
本申请实施例提供一种光学传感器，其包括Fabry-Perot薄膜谐振腔结构，所述Fabry-Perot薄膜谐振腔结构依次包括：电介质层、金属膜层和衬底，所述电介质层的一侧完全覆盖于所述金属膜层，所述电介质层的另一侧接触有待测液体。
本发明的工作波长在红外波段(1400nm-1700nm)，具体的工作原理为：激光从衬底入射到Fabry-Perot薄膜谐振腔结构中，入射角度应当介于衬底-待测液体临界角和衬底-电介质层临界角之间，从而激光可以射入电介质层，在电介质层-待测液体界面发生全反射，而不进入液体中，从而在电介质层中激发Fabry-Perot谐振峰。
工作时，通过调整波长或者角度，将反射功率调整到谐振峰半高位置。
当用于生物传感检测时，待测液体中的待测物，可以是病毒、细菌、蛋白质等生物成分会和订制加工在电介质层表面的受体进行特异性结合，从而引发表面等效折射率的变化，继而引发谐振峰的变化，从而检测到反射率变化，可以推断出待测液体中的待测物浓度。
当用于声波信号接触谐振腔，使得电介质膜层厚度发生变化，从而改变谐振峰的位置，引发反射率变化，从而实现光学检测。本方法亦可以通过角度范围覆盖入射，通过条状传感器检测，实现角度型检测，进一步提升检测的效率。
在本发明的一些实施例中，上述金属膜层的厚度为10nm-30nm。
在本发明的一些实施例中，上述电介质层的厚度为1μm-3μm，所述电介质层的折射率为1.35-1.49。
在本发明的一些实施例中，上述衬底为无损耗的、折射率大于所述电介质层的电介质材料。
在本发明的一些实施例中，上述光学传感器使用激光光源激发。
在本发明的一些实施例中，上述光学传感器用于探测超声、光声或生物折射率时，所述电介质层为均匀厚度层。
在本发明的一些实施例中，上述光学传感器用于生物传感检测时，所述电介质层为光学微纳结构。
在本发明的一些实施例中，上述光学传感器用于折射率、气体传感检测时，所述电介质层可为一维光栅结构或二维光栅结构。
相对于现有技术，本发明的实施例至少具有如下优点或有益效果：
本发明提出的光学传感器结构，其金属膜层表面均完全覆盖有电介质层，不直接接触空气和待测液体。电介质层可以对金属层起到保护作用，也可以大幅度延长使用寿命和可重复性，相比于SPR和传统FP结构具有更高的检测效率和性价比。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。
图1为本发明的一种结构图；
图2为本发明的另一种结构图；
图3为传感器构成的Fabry-Perot腔模式随入射n0sinθ和电介质层厚度变化的激发情况图；
图4为传感器构成的Fabry-Perot腔模式随入射n0sinθ和电介质层厚度变化时，反射率的变化图；
图5为一种实验***的连接结构示意图；
图6为在实验***中使用传统SPR芯片探测声波信号的图集；
图7为在实验***中使用TIR-FP芯片探测声波信号的图集。
图标：1、电介质层；2、金属膜层；3、衬底；4、待测液体。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。
因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例1
本实施例提供一种光学传感器，如图1-图2所示，其包括Fabry-Perot薄膜谐振腔结构，Fabry-Perot薄膜谐振腔结构依次包括：电介质层1、金属膜层2和衬底3，电介质层1的一侧完全覆盖于金属膜层2，电介质层1的另一侧接触有待测液体4。
本实施例的工作波长在红外波段(1400nm-1700nm)，具体的工作原理为：激光从衬底3入射到Fabry-Perot薄膜谐振腔结构中，入射角度应当介于衬底3-待测液体4临界角和衬底3-电介质层1临界角之间，从而激光可以射入电介质层1，在电介质层1-待测液体4界面发生全反射，而不进入液体中，从而在电介质层1中激发Fabry-Perot谐振峰。
工作时，通过调整波长或者角度，将反射功率调整到谐振峰半高位置。
在本实施例中，金属膜层2的厚度为10nm-30nm。
在上述实施例的一些实施方式中，金属膜为金膜，其厚度为10nm(基于TE线偏光)或者30nm(基于TM线偏光)。
在上述实施例中，电介质层1的厚度为1μm-3μm，电介质层1的折射率为1.35-1.49。
在上述实施例中，衬底3为无损耗的、折射率大于电介质层1的电介质材料。
在上述实施例中，光学传感器使用激光光源激发。若使用白光光源则不能激发。
法布里珀罗模式激发遵从以下公式：
2kzd+φ1+φ2＝2mπ，m＝0(for TE)，1，2，3，...
其中kz表示z方向波矢，m为激发的模式阶数。
如图3所示，传感器构成的Fabry-Perot腔模式随入射和电介质层1厚度变化的激发情况。M代表激发的模式阶数，(a)入射TE偏振光，(b)TM偏振光，(c)TE偏振光时，电介质层1厚为1微米时的情况，(d)TM偏振光时，电介质层1厚为1.6微米时的情况。
如图4所示，传感器构成的Fabry-Perot腔模式随入射和电介质层1厚度变化时，激发的各个模式随折射率变化0.00135时，反射率的变化。
实施例2
本实施例提供一种光学传感器，如图1所示，其与实施例1基本相同，二者的主要区别在于：光学传感器用于探测超声、光声或生物折射率时，电介质层1为均匀厚度层。
在本实施例中，均匀厚度层通过旋涂匀胶加工制得。
在本实施例中，待测液体4在声学检测中作为声波耦合介质。
当用于声波信号接触谐振腔，使得电介质膜层厚度发生变化，从而改变谐振峰的位置，引发反射率变化，从而实现光学检测。本方法亦可以通过角度范围覆盖入射，通过条状传感器检测，实现角度型检测，进一步提升检测的效率。
当用于超声、光声等声学检测时，采用金膜作为金属膜层2、PDMS作为电介质层1相比传统SPR结构，灵敏度可以提升60倍(TE)和20倍(TM)，可达到，带宽可以达到100MHz。
实施例3
本实施例提供一种光学传感器，如图2所示，其与实施例1基本相同，二者的主要区别在于：光学传感器用于生物传感检测时，电介质层1为光学微纳结构。
进一步地，光学传感器用于折射率、气体传感检测时，电介质层1可为一维光栅结构或二维光栅结构。
在本实施例中，光学微纳结构(光栅或圆柱)通过纳米压印可实现低成本加工。
在本实施例中，待测液体4在生物传感中作为溶剂。
当用于生物传感检测时，待测液体4中的待测物，可以是病毒、细菌、蛋白质等生物成分会和订制加工在电介质层1表面的受体进行特异性结合，从而引发表面等效折射率的变化，继而引发谐振峰的变化，从而检测到反射率变化，可以推断出待测液体4中的待测物浓度。
当用于生物传感检测时，相比传统SPR结构，灵敏度可以提升80倍(TE)和20倍(TM)，达到RIU数量级，从而实现单分子检测。
实施例4
本实施例介绍一种实验***，仅为基于实施例2进行测试，入射波长：1550nm。
一种实验***，如图5所示，其中，IRTL为红外激光器，HW为半波片，用于产生TM和TE线偏振光。GM为扫描振镜。UL为15MHz中心频率超声传感器，PD为光电探测器。
如6图所示，在实验***中使用传统SPR芯片探测声波信号，(a)为SPR信号的对应角度扫描时的反射率，实验中，将角度固定在，反射曲线半高宽的位置，从而获得最大的变化率。(b)对应不同强度激发声压时的反射率变化。声压由水听器校准。(c)反射率变化量峰值对应声压的曲线。
15MHz中心频率超声传感器用于产生超声信号，在SPR样品表面对水产生挤压，从而引起水的折射率发生变化，使用SPR探测反射光的光强发生变化，从而检测换算出声波的大小。由图6中c可看到，SPR芯片对声压信号产生的反射率变化具有很好的线性，另外可以根据斜率得出，SPR芯片检测超声信号时，折射率随声压信号强度变化的反应率在1.517×10-8Pa-1。
在本实施例中，如图7所示，分别采用PMMA和PDMS作为衬底3材料，制作TIR-FP芯片并用于实验***中。a-d为PMMA实验结果，e-h为PDMS实验结果。a和e为对应芯片的波长扫描反射率，b和f为对应芯片的角度扫描反射率，c和g为对应不同强度激发声压时的反射率变化，d和h为反射率变化量峰值对应声压的曲线。由d和h可得到，折射率随声压信号强度变化的反应率，PMMA芯片为，而PDMS芯片。相对于传统SPR芯片，分别提升了3.6倍和30倍。
综上，本发明的实施例提供一种光学传感器，至少具有如下优点或有益效果：
本发明提出的光学传感器结构，其金属膜层2表面均完全覆盖有电介质层1，不直接接触空气和待测液体4。电介质层1反过来，可以对金属层起到保护作用，也可以大幅度延长使用寿命和可重复性，相比于SPR和传统FP结构具有更高的检测效率和性价比。
以上仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种光学传感器，其特征在于，包括Fabry-Perot薄膜谐振腔结构，所述Fabry-Perot薄膜谐振腔结构依次包括：电介质层、金属膜层和衬底，所述电介质层的一侧完全覆盖于所述金属膜层，所述电介质层的另一侧接触有待测液体。
2.根据权利要求1所述的一种光学传感器，其特征在于，所述金属膜层的厚度为10nm-30nm。
3.根据权利要求1所述的一种光学传感器，其特征在于，所述电介质层的厚度为1μm-3μm，所述电介质层的折射率为1.35-1.49。
4.根据权利要求1所述的一种光学传感器，其特征在于，所述衬底为无损耗的、折射率大于所述电介质层的电介质材料。
5.根据权利要求1所述的一种光学传感器，其特征在于，所述光学传感器使用激光光源激发。
6.根据权利要求3所述的一种光学传感器，其特征在于，当所述光学传感器用于探测超声、光声或生物折射率时，所述电介质层为均匀厚度层。
7.根据权利要求3所述的一种光学传感器，其特征在于，当所述光学传感器用于生物传感检测时，所述电介质层为光学微纳结构。
8.根据权利要求3所述的一种光学传感器，其特征在于，当所述光学传感器用于折射率、气体传感检测时，所述电介质层可为一维光栅结构或二维光栅结构。
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Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2007029414A1 (ja) * 2005-09-06 2007-03-15 National Institute Of Advanced Industrial Science And Technology 光導波モードセンサー
US20090052827A1 (en) * 2006-10-09 2009-02-26 Colorado School Of Mines Silicon-Compatible Surface Plasmon Optical Elements
US20110037981A1 (en) * 2007-09-06 2011-02-17 National Center For Nanoscience And Technology, China Wave-guide coupling spr sensor chip and sensor chip array thereof
CN102393380A (zh) * 2011-11-04 2012-03-28 华中科技大学 一种表面等离子共振传感器
CN108027313A (zh) * 2015-08-26 2018-05-11 光子***有限责任公司 谐振周期性结构以及使用它们作为滤光器和传感器的方法

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2007029414A1 (ja) * 2005-09-06 2007-03-15 National Institute Of Advanced Industrial Science And Technology 光導波モードセンサー
US20090052827A1 (en) * 2006-10-09 2009-02-26 Colorado School Of Mines Silicon-Compatible Surface Plasmon Optical Elements
US20110037981A1 (en) * 2007-09-06 2011-02-17 National Center For Nanoscience And Technology, China Wave-guide coupling spr sensor chip and sensor chip array thereof
CN102393380A (zh) * 2011-11-04 2012-03-28 华中科技大学 一种表面等离子共振传感器
CN108027313A (zh) * 2015-08-26 2018-05-11 光子***有限责任公司 谐振周期性结构以及使用它们作为滤光器和传感器的方法

Non-Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
MOHAMMAD ABUTOAMA等: "Self-referenced biosensor based on thin dielectric grating combined with thin metal film", 《OPTICS EXPRESS》, pages 28669 *
NILS CALANDER: "Surface Plasmon-Coupled Emission and Fabry-Perot Resonance in the Sample Layer: A Theoretical Approach", 《J. PHYS. CHEM. B》, pages 1 - 2 *

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