[发明专利]基于金微纳锥形阵列结构的传感器及其制备方法和应用

说明书

本发明公开了一种基于金微纳锥形阵列结构的传感器及其制备方法和应用，涉及光学传感器领域。本发明包括基底、位于所述基底上的铜粘合层薄膜、位于所述铜粘合层薄膜上的金薄膜以及位于所述金薄膜上金微纳锥形阵列结构。本发明提供的基于金微纳锥形阵列结构的传感器能够提供纳米量级的检测分辨率，有效提了LSPR传感器的检测分辨率和灵敏度。可适用于高分辨率的超出衍射极限的生物成像，可制备出产生纳米量级强电磁“热点”的高灵敏度LSPR传感器，在新冠病毒检测、超分辨率成像、环境监测等领域的应用中具有重要意义。

技术领域

本发明涉及光学传感器领域，具体的说涉及一种基于金微纳锥形阵列结构的传感器及其制备方法和应用。

背景技术

光学传感器在实际生活中有着广泛的应用，可用于检测周围环境中的物理信息、物质成分和生物分子，从而延伸人类的感知能力。尤其是表面等离激元共振(SPR)传感器，由于其具有高精度、小型便携、低成本等特点而被广泛关注。表面等离激元(SPPs)是金属表面近场区域的自由电子与入射光光子相互作用下发生的集体电磁振荡，是一种存在于金属-电介质界面上的特殊表面波。SPR对金属界面相邻的介质折射率变化非常敏感，这一特性使生物化学传感的商业化应用成为可能。SPR传感器是一种十分有前景的光学生化传感器，具有无标签、无损性、即时检测等优势。由于局域表面等离子共振(LSPR)的近场光学特性，表面等离激元(SPPs)波的电场能量可以被限制在纳米尺寸中，突破衍射极限，导致局部的电磁场“热点”。这种纳米量级的电磁热点可以产生强烈的局域电磁场增强效应，在近场光学成像、表面增强拉曼光谱(SERS)、生化传感等领域中有着广泛的应用。但是，SPR传感器的商业化应用仍存在诸多的限制，例如由于传统入射光源无法提供纳米量级的光源，从而导致检测分辨率低、传感信号较弱、灵敏度低等问题。

根据国内外光学传感器的研究现状可以看出，科研工作者们已经在LSPR传感器设计与优化、制备、应用等方面做了大量深入的研究，并且取得了较为明显的成果，这些科研成果为LSPR传感器的应用实践提供了理论基础。总的来说，仍然存在以下几方面的问题：

(1)制备高性能的LSPR传感器存在不少挑战

目前，LSPR传感器作为生物分子研究工具可以与商业SPR设备相媲美。面对各领域对高性能、高灵敏度的需求，LSPR传感器实现商业化的可行性任存在巨大的挑战。在单粒子的测量中，虽然对研究单粒子动力学具有高灵敏度和效果性，但对于LSPR传感类的应用并不实用。因此，为提高传感器的灵敏度，优化纳米颗粒结构设计是重要的研究方向。

(2)传统LSPR传感器的检测分辨率较低

传统的LSPR传感器的激发光源通常采用的是激光，只能提供毫米级别的检测分辨率，存在共振峰(谷)位移小、共振强度不足、峰谷比小等不足，这些不足限制了其在生化传感器中高精度检测的应用。为满足高性能、高分辨率的需求，需要提高其检测分辨率，尤其在单粒子的检测中，往往需要纳米量级的检测分辨率。

(3)微纳锥形结构LSPR灵敏度优化理论机制需要完善

目前，对于微纳结构的光学理论解析通常采用FDTD、DDA和FEM三种软件算法。其中FDTD算法通过设置网格单元，基于麦克斯韦方程组来实现整个结构的电磁场计算。由于微纳锥具有高纵横比的结构特点，有助于提高LSPR传感器的精度和灵敏度。通过软件可以仿真结构表面的电磁场分布情况，从而优化LSPR传感器的灵敏度。因此，获得颗粒尺寸、间距、分布周期以及光源对电磁场分布的影响机制至关重要。

由于存在这些不足，LSPR传感器的性能受限，只有针对这些不足提出合理的解决方案，才能制备出高精度、高分辨率的LSPR传感器。

发明内容

针对现有技术中存在的问题，本发明提供一种基于金微纳锥形阵列结构的传感器及其制备方法和应用，其目的在于：提高LSPR传感器的检测分辨率、增强传感信号、提高灵敏度。

本发明采用的技术方案如下：