[发明专利]一种衍射光栅输入输出的表面等离子共振传感器

说明书

技术领域

本发明属于传感器技术领域，具体涉及一种衍射光栅输入输出的表面等离子共振传感器。

背景技术

近十几年来，表面等离子共振(Surface plasmon resonance,SPR)技术的已经发展成为了研究分子之间相互作用的一种新型技术，国内外学者采用这一技术实现了多种信号的传感测量，尤其以Christophe Caucheteur等人设计传感器为代表。他们利用倾斜光纤光栅(Tilted fiber Bragg grating,TFBG)的传输性质计算传输矩阵，从而得到最优化的极化参数，由于TFBG的抗干扰性强，因此TFBG的SPR传感器有很强的实用性。鉴于SPR技术具有样品无需标记，易于实现，实时动态分析，高选择性、高灵敏度，分析速度快等优点，适于多种生物量的分子相互动力学作用研究，使其在生命科学、环境监测、药物研究、食品安全、蛋白质检测等领域应用广泛，同时受到了国内外诸多学者的广泛重视。

《New Journal of Physics》在2008年5卷10期13页上登载了“Theoretical understanding of an alternating dielectric multilayer-based fiber optic SPR sensor and its application to gas sensing”一文，A.K.Sharma1等人选择SiO₂和TiO₂作为介质层，详细在理论分析了具有交替多层介质系统，这个气体传感器理论上的极限是10.5RIU(Refraction Index Unit)，在可见光区域有很大的工作范围，然而其并未在生物传感系统里提供有效的集成化结构。因此解决SPR技术应用在生物信号传感器中集成化结构成为了SPR传感器向实用型转变的首要目标。

通过检索得知：目前对于SPR传感器的研究基本集中在微流控芯片、生物微电子机械系统、微全分析系统等结构上。

发明内容

本发明的目的是为了克服现有SPR传感器不能作为微纳集成传感系统的瓶颈，而提供一种衍射光栅输入输出的表面等离子共振传感器。本发明是通过以下技术方案实现的：

一种衍射光栅输入输出的表面等离子共振传感器，包括衍射光栅与金属三角纳米粒子形成的波导结构，所述衍射光栅是通过在Pyrex玻璃板的一个板面上制作聚甲基丙烯酸甲酯的抗蚀层，在没有抗蚀层的玻璃板板面上蚀刻出的单维衍射光栅，所述波导结构是由排列在衍射光栅抗蚀层上的金属三角纳米粒子构成；金属三角纳米粒子的形成首先是通过在抗蚀层上利用尺寸分散的聚丙乙烯纳米球进行自组装形成淀积掩膜，然后金属通过高温或电子束蒸发的方法溅射到纳米球层中，再通过清洗移除聚丙乙烯纳米球后，残留的金属即形成排列好的三角纳米粒子。

所述Pyrex玻璃板的厚度为1mm。

所述衍射光栅是采用氟离子基实现蚀刻处理、蚀刻深度为35nm的亚波长光栅。

所述传感器是利用衍射光栅实现生物信号的输入输出。

所述传感器输入输出的生物信号波长为35nm的亚波长。

所述的纳米粒子形成的波导结构起到的作用是：当分子结合到金属三角纳米粒子表面时，折射率变化，使波长发生漂移，这样就为探测提供了基础。本发明通过反应动力学对结构进行了性能计算。

本发明的有益效果是：在充分发挥SPR技术优势的同时，不再拘泥于SPR传感器仅仅作为单一器件实现生物信号测量，衍射光栅结构提供了技术集成的基础，且以现有制备技术而言，易于实现。

附图说明

图1本发明的结构原理图。

具体实施方式

如图1所示，带有金属纳米粒子3增强的光栅式输入1输出4的表面等离子共振传感器，该衍射光栅结构设计通过在1mm厚的Pyrex玻璃板2的一个板面上制作聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)的抗蚀层5，采用配有光刻系统的扫描电子显微镜(SEM)在没有抗蚀层的玻璃板板面上进行蚀刻处理，形成一个100×100μm²的单维衍射光栅；纳米球金属粒子波导首先通过在抗蚀层上进行聚丙乙烯溶胶沉积，形成纳米球自组装掩膜，然后金属通过高温或电子束蒸发的方法溅射到纳米球层中，再通过清洗移除聚丙乙烯纳米球后，残留的金属将形成排列好的金属三角纳米粒子3，这样可以实现生物信号的光栅连接的输入输出，所述金属采用金薄膜。设计的传感器具备超高灵敏度(10^-8RIU)和准实时响应能力(ms级)，可以进行包括蛋白分析等多种生物量传感。