单面刻槽表面等离子体生化传感器

摘要

单面刻槽表面等离子体生化传感器，由照明器、传光光纤、传感检测箱、照明光束整理系统、被测样品、纳米光栅基片、检测光学系统、单色仪、光电倍增管、数码转换器和计算机等部分组成，被测样品涂放于纳米光栅基片上，由照明器传光光纤射入传感检测箱的照明光，经照明光束整理系统整理照明被测样品，涂放有被测样品的纳米光栅基片产生了表面等离子体共振和局域化表面等离子体共振(LSPR)，其反射光通过检测光学系统和单色仪检测由光电倍增管接收转换为放大的电信号，再转换为数字信号后送入计算机，检测出生化样品的种类。该传感器传感灵感度高，结构简单、调整使用方便，易于应用推广。

说明书

技术领域

本发明是一种单面刻槽表面等离子体生化传感器，属于生化传感探测技术领域。

背景技术

随着等离子光学研究的深入及纳米结构加工技术的进步，金属纳米结构表面等离子体性质得到了应用。根据已发现的电磁场可以激发金属纳米结构表面自由电子产生共振，对于某入射光频率范围，光与表面自由电子耦合产生共振，出现强烈的近场局域化和光谱选择吸收，该共振模式对金属结构周围区域介质折射率的变化非常敏感，利用这种特性在生化传感探测方面得到应用。目前不仅根据某些粒子的形状和阵列，通过对局域化和光谱吸收的光谱特性分析制作出能应用于生化检测的传感器，而且对纳米光栅结构也已研制出生化传感器。但是，这些传感器的共振曲线半高全宽值很大(50-100nm)，折射率灵敏度较小，只有10-30nm/RIU，使得品质因素只有0.1-0.5，甚至更小，因此传感灵敏度极低；但有的如双面刻槽结构表面等离子体生化传感器，其品质因素尽管已达到较高(≥40)，由于制作难度很大，需进行双面纳米级对准刻槽等，不便于推广应用。

发明内容

本发明的技术解决问题是：克服上述现有技术的不足，提供一种传感灵敏度和测量精度高，且结构简单，方便制作的单面刻槽表面等离子体生化传感器。

本发明的技术解决方案是：单面刻槽表面等离子体生化传感器，其特征在于：包括照明器、传光光纤、传感检测箱、照明光束整理系统、被测样品、单面刻槽的纳米光栅基片、检测光学系统、单色仪、光电倍增管、数码转换和计算机；照明器通过传光光纤和传感检测箱连接；被测样品涂放在单面刻槽的纳米光栅基片上，与照明光束整理系统和检测光学系统密封在传感检测箱内；射入传感检测箱内的光经过照明光束整理系统整理垂直照明被测样品，由于被测样品涂放在单面刻槽的纳米光栅基片上，产生了表面等离子体共振和局域化表面等离子体共振(LSPR)，反射后通过检测光学系统检测到，再射入单色仪中分为单色光，经过光电倍增管接收，由光电倍增管接收转换为电信号并放大，通过数码转换进行信号处理与数码转换，将此数字信号送入计算机中，由计算机比较检测出纳米光栅基片上被测样品的反射谱曲线，判别出生化试样的种类。

所述的照明器由照明光源和集光聚光镜组成，照明光源是一卤素灯或氙灯发出的连续光谱的光源，发出的光通过集光聚光镜聚光，会聚于传光光纤的入射端面上，并由此进入传光光纤传输到光纤出射端。

所述的传感检测箱包括传感探测室和样品室两部分，传感探测室和样品室由带孔的传感检测箱隔板隔开，被测样品和单面刻槽的纳米光栅基片置于样品室内，照明光束整理系统和检测光学系统位于传感探测室内，照明光束整理系统垂直照明并整理被测样品，检测光学系统检测被测样品产生的局域化表面等离子体共振的反射光。

所述照明光束整理系统由依次水平放置的准直镜、滤光片、偏振片组成，传光光纤的光纤出射端射出的连续光谱，经准直镜准直，滤光片滤光，偏振片起偏振，使其变成波长范围为400nm-960nm的TM偏振平行光，垂直射入检测光学系统中的半透半反立方镜。

所述的检测光学系统由半透半反立方镜和聚光镜组成，通过半透半反立方镜的一半光透过射向样品室中的被测样品与纳米光栅基片上，从被测样品来的反射光通过检测光学系统的半透半反立方镜的反射，后以90°角射向聚光镜，通过聚光镜聚光，将检测光会聚于单色仪的光束入射面上。样品室内有包括上导轨和下导轨座的基片插槽，下导轨座安装于样品室的侧壁上，被测样品的纳米光栅基片插入由上下导轨组成的基片插槽内。

所述单面刻槽的纳米光栅基片由基板和纳米结构薄膜片组成，基板是压制在纳米结构薄膜片上的高折射率透明玻璃板层，其折射率为1.50-1.90；纳米结构薄膜片是由银或金材料构成的薄膜片，薄膜片的厚度为30-125nm，在它的上表面刻有等周期高斯形剖面纳米光栅结构，在光栅结构部位均匀涂有被测样品。

所述的计算机系统包括恒光强灯源控制、卤素灯、总线接口、A/D转换、数字光谱图像缓存、光电倍增管电源、光电倍增管和计算机；卤素灯在计算机的指令下通过总线接口由恒光强灯源控制控制下发出光强恒定的光作为照明光，照明在单面刻槽的纳米光栅基片上的被测样品，计算机通过总线接口控制，对从光电倍增管送来的被测生化样品光谱图像曲线通过A/D转换为数字光谱图像曲线，并存入数字光谱图像缓存中，等待和已存储的物种光谱图像进行比较，检测出被测样品的物质种类，原理是由于被测样品涂放在能产生表面等离子体共振和局域化表面等离子体共振(LSPR)的单面刻槽光栅基片上，使垂直射入照明被测样品的光，出现局域化和对部分光谱强烈吸收，反射出来的检测光带有部分光谱吸收峰，通过单色仪等检测分析系统，在得到各种被测样品共振反射谱主峰曲线传感光谱图(如16-23)后，就可以比较判别出被测样品的生化种类。

本发明与现有技术相比具有以下优点：

(1)本发明由于采用上述的结构，将被测样品涂放在单刻槽表面的纳米光栅基片上，使探测到的共振曲线不仅峰值高，而且曲线峰值半高全宽值很小，达到≤7nm，折射率灵敏度大，使达到的品质因素高(≥60)，因此传感灵敏度和测量精度很高。

(2)传感金属纳米光栅基片采用单面高斯形刻槽剖面结构，由于是单面剖面的金属光栅结构，可方便用电子束光刻或离子束光刻方法制作，不需进行正反面纳米图形的超高精度对准。

(3)本发明上述的结构简单、实用、模块型、调整携带和使用方便，对环境要求低，检测速度快，易于推广应用。

附图说明

图1为本发明实施例单面刻槽表面等离子体生化传感器总结构正视图；

图2为本发明实施例图1的俯视图；

图3为本发明实施例纳米光栅基片xoy平面局部高斯形剖面放大图；

图4为本发明实施例纳米光栅基片B向局部放大图；

图5为本发明实施例纳米光栅基片刻槽深度50nm的各种被测样品共振反射谱主峰传感组合光谱图；

图6为本发明实施例纳米光栅基片刻槽深度60nm的各种被测样品共振反射谱主峰传感组合光谱图；

图7为本发明控制系统框图；

图8为本发明软件控制处理流程图。

具体实施方式

如图1、2所示，本发明由照明器1、传光光纤2、传感检测箱3、照明光束整理系统4、被测样品6、单面刻槽的的纳米光栅基片7、检测光学系统9、单色仪10、光电倍增管11、数码转换器12、计算机13、检测箱盖14和样品室小盖15组成。照明器1通过传光光纤2和传感检测箱3连接，光电倍增管11安放在单色仪10的出光端接收传感检测光，并通过单色仪10与传感检测箱3的出光端相接，检测箱盖14盖在传感检测箱3的上面，将照明光束整理系统4和检测光学系统9密封在传感检测箱3内的传感探测室301内，样品室小盖15盖在样品室302的上面，以防灰尘和杂光进入，被测样品6通过单面刻槽的纳米光栅基片7插在样品室302中基片插槽8内。由照明器1发出的光通过照明光纤2的入射端201，传入传光光纤2传输，从出射端202的出射面射出，并射入传感检测箱3内，通过内部的照明光束整理系统4整理照明放于样品室内的被测样品6，由于被测样品6涂放在单刻槽表面的纳米光栅基片7上，经上述光照后产生了表面等离子体共振和局域化表面等离子体共振(LSPR)，其共振反射(检测)光通过检测光学系统9检测，然后射入单色仪10内被分为单色光、再由光电倍增管11接收转换为电信号并放大，通过数码转换器12进行信号处理与数码转换，再将数字信号送入计算机13，由计算机13比较检测出单刻槽表面的纳米光栅基片7上被测样品6的反射谱曲线，判别出生化试样的种类。

如图1、2所示，照明器1由照明光源101和集光聚光镜102组成，照明光源101是一卤素灯发出的连续光谱的光源，由于是卤素灯照明，光源更为简单，光源101发出的光通过集光聚光镜102的聚光，会聚于传光光纤2的入射端面201上，并由此进入传光光纤2传输到光纤出射端202，因此由照明光源产生的大量热量不会传入传感检测箱3中。

如图1所示，传感检测箱3包括传感探测室301和样品室302两部分，传感探测室301和样品室302由带孔的传感检测箱隔板303隔开，被测样品6和单面刻槽的纳米光栅基片7置于样品室302内，照明光束整理系统4和检测光学系统9位于传感探测室301内，照明光束整理系统4垂直照明并整理被测样品6，检测光学系统9检测被测样品6产生的局域化表面等离子体共振的反射光。

样品室302内有包括上导轨801和下导轨座802的基片插槽8，下导轨座802安装于样品室302的侧壁上，涂有被测样品6的单面刻槽的纳米光栅基片7可方便插入基片插槽8内，接受传感探测室301内照明光束整理系统4射出的照明光垂直照明与检测光学系统9的探测。

如图1所示，照明光束整理系统4由依次水平放置的准直镜401、滤光片402、偏振片403组成，传光光纤2的光纤出射端202射出的连续光谱，经准直镜401准直，滤光片402滤光，偏振片403起偏振，使其变成波长范围为400nm-960nm的TM偏振平行光，垂直射入检测光学系统9中的半透半反立方镜5上。

如图1所示，检测光学系统9由半透半反立方镜5和聚光镜901组成，通过半透半反立方镜5的一半光透过射向样品室302中的被测样品6与单面刻槽的纳米光栅基片7上，从被测样品6来的反射光通过检测光学系统9的半透半反立方镜5的反射，后以90°角射向聚光镜901，通过聚光镜901聚光，将检测光会聚于单色仪10的光束入射面上。半透半反立方镜5由第一个直角棱镜501和第二个直角棱镜502的斜面503相互胶合而成的，斜面503镀有半透半反射膜，垂直射入的偏振光一半透过射出，返回的检测反射光通过第二个直角棱镜502，经斜面503半透半反射面反射，反射光以90°角水平射向聚光镜901。

如图3所示，为本发明实施例纳米光栅基片xoy平面局部高斯形剖面放大图。单面刻槽的纳米光栅基片7由基板701和纳米结构薄膜片702组成。基板701是一压制在纳米结构薄膜片702上的高折射率透明玻璃板，其折射率为1.50-1.90，纳米结构薄膜片702是一由银或金材料构成的薄膜片，薄膜片的厚度为30-125nm，在它的上表面刻有等周期高斯形70201剖面纳米光栅结构，在光栅结构部位均匀涂有被测样品6，以其中某一个高斯形沟槽底部0为坐标原点，其上表面包含高斯形结构轮廓表示为

$>>y>>(>x>)>>=>->H>>\Sigma >>m>=>->\infty >>\infty >>exp>[>->>>(>>>x>->m\Lambda >>\omega >>)>>2>>]>->->->>(>1>)>>>s>$

上式中，Λ为光栅周期，H为槽深，ω为高斯槽宽(离槽深1/e高度时的宽度)，t为未刻透的深度(t≥10nm)，m为光栅个数。在本发明实施例一中，光栅周期Λ＝350-650nm，光栅数m≥50，槽深H＝20-65nm，未刻透深度t＝10-60nm，高斯槽宽ω＝25-80nm。

如图4所示，为本发明实施例纳米光栅基片B向局部放大图。在纳米结构薄膜片702的上面，刻有一组高斯形剖面光栅纳米结构70201，在高斯形剖面光栅纳米结构区域上均匀涂有被测生化样品6。

如图5所示，为本发明实施例纳米光栅基片刻槽深度50nm时的各种被测样品共振反射谱主峰曲线传感组合光谱图。图中示出了一组不同折射率的被测生化样品6，经检测得到的如折射率n＝1.2时共振反射谱主峰曲线16，折射率n＝1.3时共振反射谱主峰曲线17，折射率n＝1.4时共振反射谱主峰曲线18和折射率n＝1.5时共振反射谱主峰曲线19。

如图6所示，为本发明实施例纳米光栅基片刻槽深度60nm时的各种被测样品共振反射谱主峰曲线传感组合光谱图。图中示出了另一组不同折射率的被测生化样品6，经检测得到的如折射率n＝1.2时共振反射谱主峰曲线20，折射率n＝1.3时共振反射谱主峰曲线21，折射率n＝1.4时共振反射谱主峰曲线22和折射率n＝1.5时共振反射谱主峰曲线23。

从图5、6所示，本发明中由于被测生化样品6涂放在单面刻槽的纳米光栅基片7上，使垂直射入照明被测样品的光，产生了表面等离子体共振和局域化表面等离子体共振(LSPR)，出现局域化和与样品6相对应的光谱强烈吸收，反射出来的检测光带有光谱吸收峰，通过单色仪10等检测分析系统，即可得到各种被测样品6共振反射谱主峰曲线传感光谱图，客观上，不同的物种(不同的折射率)的共振反射谱主峰曲线传感光谱图都有不同的半宽高、峰值波长和反射率，因此分析比较传感光谱峰值曲线图的不同，即可反推出不同的被测生化样品6种类。

从图5、6所示，共振反射谱的主峰曲线16-23大小和位置是随光栅的结构与被测生化样品的折射率不同而改变的，其中主峰大小与光栅周期、槽深和高斯槽宽相关，主峰的位置随光栅周期、槽深、高斯槽宽，以及样品折射率的增大向长波方向移动，移动快慢和峰值的大小直接影响到传感灵敏度，当峰值随样品折射率变化移动越大越深越窄时，品质因数越高，传感灵敏度也越高，传感器的品质因数用下式表示：

$>>FOM>=>>>q>>(>nm>/>RIU>)>>>>FWHM>>(>nm>)>>>>>s>$

式中，q为折射率灵敏度，FWHM为光栅反射光谱的半高全宽，本发明实施例的半高全宽值达到7nm，折射率灵敏度达到400-450nm/RIU，使传感品质因数≥60，大大优于其它传感器。

如图7所示，为本发明控制系统框图。计算机系统13包括恒光强灯源控制1301、卤素灯1305、总线接口1302、A/D转换12、数字光谱图像缓存1306、光电倍增管电源1304、光电倍增管1303和计算机1307。卤素灯1305在计算机1307的指令通过总线接口1302由恒光强灯源控制1301控制下发出光强恒定的光作为本发明的照明光，照明单面刻槽的纳米光栅基片7上的被测样品6，计算机1307通过总线1302接口控制，对从光电倍增管1303送来的被测生化样品光谱图像曲线通过A/D转换12转换为数字光谱图像曲线，并存入数字光谱图像缓存1306中，等待和已存储的物种光谱图像进行比较，检测出被测样品6的物质种类。

如图8所示，为本发明软件控制处理流程图。其原理是：检测工作开始，先接通各部电源，预置参数，如被测样品6精度等，接着在基片插槽8内插入涂有被测样品6的单面刻槽的纳米光栅基片7，然后计算机1307指令采集由光电倍增管1303送来并经A/D转换成数字光谱图像，存入数字光谱图像缓存1306，并提取反射光谱峰值波长、半宽高和反射率等有关信息，由计算机1307和机内预先已存有的已知物种有关信息自动比较，比较在一定精度要求下是否相同，如结果相同，计算机1307则输出并显示该被测样品6的种类，如结果不相同，计算机1307则显示被测样品6的光谱图像曲线和原来已存有相近的已知图像，由操作人员判读被测样品6的物种或新发现的物种，同时提取峰值波长、半宽高和反射率等信息，存入计算机，增加已存有的已知物种，取下被单面刻槽的纳米光栅基片7，结束检测。