[发明专利]可见光可变穿透深度生物传感器及其制备方法

说明书

可见光可变穿透深度生物传感器及其制备方法，包括依次设置的棱镜单元、传感器单元、忆阻单元以及待测生物分子细胞单元，传感器单元包括LRSPR效应传感单元及CPWR效应传感单元，忆阻单元用于实现可变介质介电常数，包括第一非导电介质层、金属材料层、设置在第一非导电介质层上表面的导电介质层以及加电压装置，加电压装置分别向导电介质层及金属材料层施加正负极电压，在加电压的情况下，使得金属材料层的金属电极发生电化学金属化，在第一非导电介质层中产生金属细丝以改变介质的介电常数。在忆阻单元加载正负电压的条件下，传感器单元在LRSPR效应与CPWR效应之间进行动态转变，以实现灵活的穿透深度的变化。本发明适用于不同生物体的测量。

技术领域

本发明属于SPR生物传感器技术领域，具体是涉及一种采用纳米细丝迁移机制的可见光可变穿透深度生物传感器及其制备方法。

背景技术

表面等离子体激元(SPPs)是发生在电介质和金属介质之间的界面上的自由电荷振荡。光可以引起SPPs的激发。当表面等离子体的波矢与入射光的波矢匹配时，就会发生所谓的表面等离子体共振(SPR)现象，因为这种波匹配条件很容易被界面上的微小介电常数变化所破坏，所以可以精确地检测金属表面吸附层(细胞，细菌等)折射率的变化。因此，基于衰减全反射(ATR)方法的各种SPR生物传感器应运而出。

在利用电磁(EM)场增强金属薄膜表面SPR激发的生物传感器分类中，可以识别出四种基本类型，即传统SPR、长程(LRSPR)SPR、耦合等离子体波导共振(CPWR)和波导耦合SPR(WCPR)。

(1)传统SPR表面等离子体波沿界面法线方向上呈指数衰减，有效穿透深度仅为300nm左右，这种特性虽然对界面附近折射率的改变非常敏感，但是无法实现对病毒、细菌、蛋白质等大分子的有效检测，且传统表面等离子共振技术指标达到瓶颈，难以提高。

(2)LRSPR生物传感器是在传统SPR生物传感器的棱镜和金属层之间引入介质缓冲层，当介质缓冲层和待测物的折射率相等时，实现了对称结构，使得SPW(表面等离子体波，由SPPs振荡传播)的传播长度超过常规SPW的传播长度，并保留了入射光束的能量，其优点是LRSPR器件具有非常尖锐(即大的深度～宽度比)的反射率，缺点是依赖于对称结构的存在。

(3)CPWR生物传感器是结合了传统SPR生物传感器表面下面的波导层，CPWR器件中波导层的干涉在纵向(TM)和横向(TE)模式中都引起陡峭的倾角，优点是具有较好的深度～宽度比且能达到2um的穿透深度，缺点是生物传感表面距离金属薄膜与波导层界面的SPW有相当大的距离，其灵敏度仍比传统的SPR器件低10倍左右。

(4)WCSPR是由两个金属层和一个波导层组成。在WCSPR装置中结合SPR和波导模式不仅保留了生物传感器的灵敏度，而且产生更陡的反射率谱下降，从而提高了测量精度，缺点是匹配条件苛刻。

上述四种SPR类型的膜系结构是固定不变的，因而它们的穿透深度都是不可变的。

然而，目前的SPR生物传感器穿透深度都是固定不变的，但对于不同的待测物如蛋白，细菌，分散细胞，活细胞大小各异，特别是对较大的未知生化物质材料，固定穿透深度的传感器产生的ATR衰减倏逝波只能部分感测生物体，不能获得全部信息。而相反用较大穿透深度传感器来感测尺寸小的生物体时，共振增强的表面等离子体波就会穿过待测物深入到外界环境，产生较大的外界干扰，同时分辨率还会降低。因此，考虑设计一种能够改变穿透深度的SPR生物传感器。

偏压下的金属纳米细丝迁移机制结构通常为金属～介质～金属(或者导电介质)的三明治形状，原理是用电压驱使金属离子发生电化学金属化(ECM)，在介质层中形成金属纳米细丝，该细丝对光传播有调制作用，在微观上即是改变了介质的介电常数。因此，基于该技术考虑设计可见光可变穿透深度生物传感器。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是为了克服现有技术的上述缺点，提供一种可见光可变穿透深度生物传感器及其制备方法。