阅读说明：本技术 表面等离激元共振装置及制备方法、吸水量检测系统及方法 (Surface plasmon resonance device, preparation method thereof, water absorption amount detection system and method ) 是由 武清锋 翁雨燕 方亮 于 2019-11-19 设计创作，主要内容包括：本发明揭示了一种表面等离激元共振装置及制备方法、吸水量检测系统及方法,表面等离激元共振装置包括：衬底、位于衬底上的金属膜和位于金属膜上的高分子薄膜,所述高分子薄膜上设置有若干阵列分布的表面等离激元谐振腔,所述高分子薄膜在不同吸水量条件下的厚度不同。本发明中的表面等离激元共振装置用于检测高分子水凝胶的定向溶胀,结合表面等离激元共振(SPR),实现了密闭湿度环境内吸水量的原位无损检测,其应用范围较传统的湿度计和湿度指示硅胶有了明显的扩展。(The invention discloses a surface plasmon resonance device and a preparation method thereof, and a water absorption detection system and a method thereof, wherein the surface plasmon resonance device comprises: the surface plasmon resonance imaging device comprises a substrate, a metal film positioned on the substrate and a polymer film positioned on the metal film, wherein a plurality of surface plasmon resonance cavities distributed in an array mode are arranged on the polymer film, and the polymer film is different in thickness under the condition of different water absorption capacity. The surface plasmon resonance device is used for detecting the directional swelling of the polymer hydrogel, realizes the in-situ nondestructive detection of the water absorption amount in a closed humidity environment by combining the Surface Plasmon Resonance (SPR), and has an obviously expanded application range compared with the traditional hygrometer and humidity indicating silica gel.)

表面等离激元共振装置及制备方法、吸水量检测系统及方法

技术领域

本发明属于吸水量检测技术领域，具体涉及一种表面等离激元共振装置及制备方法、吸水量检测系统及方法。

背景技术

传统的湿度计能够比较精确的反应当前开放环境中的湿度情况，但是对于封闭或者无损检测环境的湿度测量仍存在一定的局限性，而且变化过程的再现依赖于数据存储，在实际应用中仍存在诸多不便。然而，湿度环境又是食品或者药品生产加工和运输过程中不可忽视的因素，从源头到餐桌的可追溯性成为了人们日益关注的焦点。随着吸水量的变化，不同食品和药品会体现出不同的水分活度，而水分活度又将决定食品和药品的化学反应和微生物生长。低水分活度能抑制食品和药品的化学变化，稳定食品和药品质量，因此在食品和药品包装内部，监测食品药品从源头到餐桌的吸水累计效应，将是食品和药品安全的重要依据。

因此，针对上述技术问题，有必要提供一种表面等离激元共振装置及制备方法、吸水量检测系统及方法。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种表面等离激元共振装置及制备方法、吸水量检测系统及方法，以满足对封闭或者无损检测环境进行吸水量测量的要求。

为了实现上述目的，本发明一实施例提供的技术方案如下：

一种表面等离激元共振装置，包括：衬底、位于衬底上的金属膜和位于金属膜上的高分子薄膜，所述高分子薄膜上设置有若干阵列分布的表面等离激元谐振腔，所述高分子薄膜在不同吸水量条件下的厚度不同。

一实施例中，所述表面等离激元谐振腔的深度为75-200nm、直径为100-500nm，所述表面等离激元谐振腔的阵列周期为300-600nm。

一实施例中，所述高分子薄膜为具有亲水基团和疏水基团的高分子薄膜，优选地，所述高分子薄膜为PEG薄膜。

一实施例中，所述金属膜为金膜、银膜或铝膜，金属膜厚度不小于80nm。

一实施例中，所述表面等离激元谐振腔的底部厚度为0～20nm。

一种表面等离激元共振装置的制备方法，包括：

提供一衬底；

在衬底表面溅射一层金属膜；

在金属膜上旋涂一层高分子薄膜；

对高分子薄膜进行纳米压印，形成阵列分布的表面等离激元谐振腔。

一实施例中，所述纳米压印采用PDMS软模板进行。

一实施例中，所述纳米压印的退火温度为110℃～130℃、压力为50-70Bar。

一种吸水量检测系统，所述系统包括：

表面等离激元共振装置，所述表面等离激元共振装置为上述的表面等离激元共振装置；

光谱仪，用于检测不同吸水量下因高分子薄膜厚度变化而导致表面等离激元谐振腔的SPR特征峰位的移动；

数据处理单元，用于根据光谱仪检测到的SPR特征峰位获取对应的吸水量。

一种吸水量检测方法，所述方法包括：

表面等离激元共振装置在不同吸水量条件下厚度变化；

检测不同吸水量下因高分子薄膜变化厚度而导致表面等离激元谐振腔的SPR特征峰位的移动；

根据光谱仪检测到的SPR特征峰位获取对应的吸水量。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

本发明中的表面等离激元共振装置用于检测高分子水凝胶的定向溶胀，结合表面等离激元共振(SPR)，实现了密闭湿度环境内吸水量的原位无损检测，其应用范围较传统的湿度计和湿度指示硅胶有了明显的扩展；

本发明中的PEG基水凝胶具有食品级安全特性，可实现对食品和药品包装内的湿度环境原位无损检测；

本发明中的纳米级别的水凝胶高分子结构以及SPR对光谱的增强，确保其对吸水量的高灵敏度检测；

本发明中的COMSOL模拟与实际中吸水量改变高度造成的光谱响应对应，精度较高；

本发明中的高分子水凝胶发生溶胀时的高度改变与其所接触的湿度环境息息相关，可追溯样品经历的湿度环境，并记录样品表面的含水量。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请中记载的一些实施例，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的附图。

图1为本发明一实施例中表面等离激元共振装置的结构示意图；

图2为本发明一实施例中水凝胶取向模型图；

图3中，a为本发明一实施例中高分子条带溶胀前的表面形貌图；

图3中，b为本发明一实施例中高分子条带溶胀后的表面形貌图；

图3中，c为本发明一实施例中高分子条带溶胀对应的高度统计图；

图3中，d为本发明一实施例中高分子条带被高纯氮吹干后的表面形貌图；

图4为本发明一实施例中SPR特征峰的反射谱的实际测量结果图；

图5为本发明一实施例中SPR特征峰的反射谱的仿真模拟结果图；

图6为本发明一实施例中Comsol仿真模拟的结构设计图；

图7为本发明一实施例中表面等离激元共振装置的表面SEM形貌图。

具体实施方式

以下将结合附图所示的各实施方式对本发明进行详细描述。但该等实施方式并不限制本发明，本领域的普通技术人员根据该等实施方式所做出的结构、方法、或功能上的变换均包含在本发明的保护范围内。

参图1所示，本发明一实施例中的一种表面等离激元共振装置，包括：衬底1、位于衬底1上的金属膜2和位于金属膜2上的高分子薄膜3。

其中，金属膜2为金膜、银膜或铝膜，金属膜2厚度不小于80nm，优选地，本实施例中金属膜选取金膜。

本发明中高分子薄膜的材料为具有亲水基团和疏水基团的高分子材料，如PEG材料，PEG的聚合度不小于4000。在其他实施例中不限于采用PEG材料，可选用其他具有亲水基团和疏水基团的高分子材料。

优选地，本实施例中的高分子薄膜3为聚氨酯-脲基聚乙二醇PUU4K-12薄膜，PUU4K-12的结构式为：

高分子薄膜3上设置有若干阵列分布的表面等离激元谐振腔31，优选地，表面等离激元谐振腔31的底部厚度为0～20nm，表面等离激元谐振腔31的深度为75-200nm、直径为100-500nm，表面等离激元谐振腔31的阵列周期为300-600nm。

本发明中高分子薄膜3在不同吸水量条件下的厚度不同，从而可以通过测量高分子薄膜的厚度，获取对应的吸水量。

关于表面等离激元共振装置的原理具体如下：

如图2所示，以PEG材料为例，调控退火温度在120摄氏度，氢键断裂，使表面等离激元谐振腔31遇水只出现垂直于衬底的定向溶胀。结晶链段PEG是沿着纳米条带的线条方向快速生长的，垂直于基底排列的是高分子水凝胶的主链。在高分子水凝胶的纳米条带的高度方向上，形成了PEG片晶-烷基链-PEG片晶的结构，PEG片晶吸水以后，因为烷基链锁住了水，于是便形成了垂直于衬底方向上的各向异性溶胀行为，从而确保高分子遇水只在垂直于衬底的z方向发生膨胀，故高分子水凝胶对吸水量检测的灵敏度大大提高。

同时，通过水相原子力对条带式的阵列分布的表面等离激元谐振腔31的吸水溶胀行为进行了表征。图3中a和b为线宽为500nm的高分子条带谐振腔的表面形貌图，从AFM高度图可以看出，高分子水凝胶纳米条带的宽度为500nm，高度为110nm，加水溶胀后，高度变成了165nm，宽度变成了532nm。如图3中c所示，溶胀前后，我们发现条带宽度变化了6％，而高度变化了50％，在图3的c中由左往右依次为swollen、initial、Dry。当用高纯氮气吹干后，从图3的d中可以看到，形貌回复率达到85％左右。

本实施例中表面等离激元共振装置的制备方法，包括以下步骤：

提供一衬底1，衬底1为石英衬底；

在衬底1表面溅射一层金属膜2；

在金属膜2上旋涂一层高分子薄膜3，高分子水溶液的浓度在15-20mg/ml，旋涂的转速在4000-8000rpm；

对高分子薄膜3进行纳米压印，纳米压印采用PDMS软模板进行，纳米压印的退火温度为110°～130°、压力为50-70Bar，形成阵列分布的表面等离激元谐振腔31。

本实施例中通过纳米压印技术，对水凝胶表面进行微纳结构化，将水凝胶的溶胀变形集中到一个维度上，从而提高溶胀现象在表面结构变化上的灵敏度。在此基础上，为了放大遇水溶胀的效果，并实现光谱无损检测，在衬底1上溅射金膜2，以实现表面等离激元共振(SPR)的引入。

因此，选取金膜2作为基底，引入SPR；在其表面通过纳米压印技术构筑食品级安全的水凝胶PEG微纳结构谐振腔；由于此类链段高取向度的高分子的定向膨胀，导致其所筑谐振腔尺寸对特定吸水量的峰位响应，即可实现光谱仪对此表面的反射谱表征，然后原位无损的得到吸水响应前后SPR特征峰的移动变化。

本发明另一实施例中公开了一种吸水量检测系统，该检测系统包括：

表面等离激元共振装置；

光谱仪，用于检测不同吸水量下因高分子薄膜厚度变化而导致表面等离激元谐振腔31的SPR特征峰位的移动；

数据处理单元，用于根据光谱仪检测到的SPR特征峰位获取对应的吸水量。

本发明另一实施例中还公开了一种吸水量检测方法，该检测方法包括：

表面等离激元共振装置在不同吸水量条件下厚度不同；

检测不同吸水量下因高分子薄膜变化而导致表面等离激元谐振腔31的SPR特征峰位的移动；

根据光谱仪检测到的SPR特征峰位获取对应的吸水量。

表面等离激元共振装置及制备方法在前述实施例中已详细论述，此处不再进行赘述。

表面等离激元共振装置在溶胀前后，对表面等离激元谐振腔31的反射表面进行微区反射谱的测量，获得SPR特征峰位的变化情况。

表面等离激元谐振腔31遇水长高以后，其SPR特征峰也会随之改变，从而反应到反射谱上，因此我们可以通过反射谱上特征峰位的移动，实现吸水量的原位无损检测。通过光谱仪的反射谱模式，对SPR光学谐振腔的反射谱进行表征，结果如图4所示，可以清晰的发现，吸水前后高分子谐振腔31的高度从1h，变化到1.5h，同时伴随特征峰位的移动，从680nm左右移动到705nm左右。

为了验证，采用Comsol仿真模拟，对特征峰位的移动进行了计算，其仿真结构设计图如图6所示。在结构完全相同的情况下，如图5所示，高分子谐振腔31高度改变前后，特征峰也是从670nm往700nm移动，实现了特征峰位和移动程度的对照。

如图7所示，通过扫描电子显微镜(SEM)对表面等离激元共振装置的表面形貌做了表征。表面等离激元谐振腔31中的吸水性材料吸湿膨胀，导致表面等离激元谐振腔31尺寸发生改变，体现在光谱反射谷移动上，从而体现出表面等离激元共振装置对吸水量的敏感性和精确性。

因此，鉴于上述说明可以发现，不同吸水量条件下表面等离激元共振装置中高分子薄膜吸水膨胀引起的厚度不同，而不同厚度的高分子薄膜对应的SPR特征峰位也不同，因此，不同吸水量环境中的吸水量、表面等离激元共振装置中高分子薄膜的厚度、及高分子薄膜对应的SPR特征峰位呈一一对应的关系，基于该对应关系，通过测量得到的SPR特征峰位即可实现对应吸水量的检测。

由以上技术方案可以看出，本发明具有以下有益效果：

本发明中的表面等离激元共振装置用于检测高分子水凝胶的定向溶胀，结合表面等离激元共振(SPR)，实现了密闭湿度环境内吸水量的原位无损检测，其应用范围较传统的湿度计和湿度指示硅胶都有了明显的扩展；

本发明中的PEG基水凝胶具有食品级安全特性，可实现对食品和药品包装内的湿度环境原位无损检测；

本发明中的纳米级别的水凝胶高分子结构以及SPR对光谱的增强，确保其对吸水量的高灵敏度检测；

本发明中的COMSOL模拟与实际中吸水量改变高度造成的光谱响应对应，精度较高；

本发明中的高分子水凝胶发生溶胀时的高度改变与其所接触的湿度环境息息相关，可追溯样品经历的湿度环境，并记录样品表面的含水量。

对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。

此外，应当理解，虽然本说明书按照实施例加以描述，但并非每个实施例仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。