阅读说明：本技术 一种基于双平面波导耦合的表面等离激元共振传感器 (Surface plasmon resonance sensor based on double-plane waveguide coupling ) 是由 贺梦冬 鲁登云 赵凯 王凯军 张新民 李建波 于 2019-10-19 设计创作，主要内容包括：一种基于双平面波导耦合的表面等离激元共振传感器,包括依次设置的棱镜、金层或者银层、第一平面介质波导和第二平面介质波导；第一平面介质波导包括依次设置的上含氟聚合物层、上二氧化锆层和传感层,第二平面介质波导包括依次设置的传感层、下二氧化锆层和下含氟聚合物层,第一平面介质波导和第二平面介质波导共用传感层,传感层内设置有待测液体或者待测气体的通道。本发明继承传统SPR传感器的样品无标记、实时动态检测等优点之外,由于Fano效应的发生而具有损耗低、成像灵敏度与Q因子高等突出优点。(A surface plasmon resonance sensor based on double-plane waveguide coupling comprises a prism, a gold layer or a silver layer, a first plane dielectric waveguide and a second plane dielectric waveguide which are sequentially arranged; the first planar dielectric waveguide comprises an upper fluorine-containing polymer layer, an upper zirconium dioxide layer and a sensing layer which are sequentially arranged, the second planar dielectric waveguide comprises a sensing layer, a lower zirconium dioxide layer and a lower fluorine-containing polymer layer which are sequentially arranged, the first planar dielectric waveguide and the second planar dielectric waveguide share the sensing layer, and a channel for liquid or gas to be detected is arranged in the sensing layer. Besides the advantages of no mark of a sample, real-time dynamic detection and the like of the traditional SPR sensor, the invention has the outstanding advantages of low loss, high imaging sensitivity, high Q factor and the like due to the Fano effect.)

一种基于双平面波导耦合的表面等离激元共振传感器

技术领域

本发明涉及光感应技术领域，尤其涉及一种基于双平面波导耦合的表面等离激元共振传感器。

背景技术

表面等离激元共振(SPR)是束缚在金属-介质界面的自由电子与电磁波耦合形成的集体振荡。利用基于SPR的生物传感技术能实时监测液体或气体折射率的变化。SPR传感分析由于其较精确的探测能力、非标记分析以及样品需求量小等优势,可用于毒性气体、化学生物分子与活体细胞分析与表征。

传统的SPR传感器存在损耗高、Q因子与灵敏度较低等不足之处。例如：[1]X.C.Yuan, B.H.Ong,Y.G.Tan,D.W.Zhang,R.Irawan,S.C.Tjin,J OptAPureAppl Opt 8(12)959(2006)； [2]G.Zheng,J.Cong,L.Xu,J.Wang,Applied Physics Express 10,042202(2017)；[3]S.Hayashi, D.V.Nesterenko,Z Sekkat,J.Phys.D:Appl.Phys.48,325303(2015)；[4]B.Ruan,Q.You,J. Zhu,L.Wu,J.Guo,X.Dai,Y.Xiang,Opt.Express 26(13)16884(2018)。

发明内容

本发明要解决的技术问题是克服现有技术的不足，提供一种继承传统SPR传感器的样品无标记、实时动态检测等优点之外，并且损耗低、成像灵敏度与Q因子高等突出优点的基于双平面波导耦合的表面等离激元共振传感器。

为解决上述技术问题，本发明提出的技术方案为：一种基于双平面波导耦合的表面等离激元共振传感器，包括依次设置的棱镜、金层或者银层、第一平面介质波导和第二平面介质波导；所述第一平面介质波导包括依次设置的上含氟聚合物层、上二氧化锆层和传感层，所述第二平面介质波导包括依次设置的传感层、下二氧化锆层和下含氟聚合物层，所述第一平面介质波导和第二平面介质波导共用传感层，所述传感层内设置有待测液体或者待测气体的通道。

上述的基于双平面波导耦合的表面等离激元共振传感器，优选的，所述金层或者银层的厚度为30-100nm。

上述的基于双平面波导耦合的表面等离激元共振传感器，优选的，所述金层或者银层的厚度为48nm。

上述的基于双平面波导耦合的表面等离激元共振传感器，优选的，所述上含氟聚合物层的厚度为500-1500nm，所述上二氧化锆的厚度为80-150nm，所述传感层的厚度为100-500nm。

上述的基于双平面波导耦合的表面等离激元共振传感器，优选的，所述上含氟聚合物层的厚度为895nm，所述上二氧化锆的厚度为110nm，所述传感层的厚度为371nm。

上述的基于双平面波导耦合的表面等离激元共振传感器，优选的，所述下二氧化锆层的厚度为50-200nm。

上述的基于双平面波导耦合的表面等离激元共振传感器，优选的，所述下二氧化锆层的厚度为115nm。

上述的基于双平面波导耦合的表面等离激元共振传感器，优选的，所述棱镜和下含氟聚合物层的厚度为上含氟聚合物层厚度的10倍以上。

在本发明中，TM偏振光入射棱镜，穿过金(Au)薄膜进入含氟聚合物(Cytop)介质，在满足波矢匹配条件下，在Au-Cytop界面处会产生表面等离激元(SPP)模，入射光的能量被吸收，由此产生SPR共振。

SPR共振波矢匹配条件：

其中ε₁表示金属的介电常数，ε₂表示含氟聚合物的介电常数，k₀是真空中的光波矢。

上含氟聚合物层、上二氧化锆层与传感层共同构成第一平面介质波导(简称PWG1)，传感层与其下面的下含氟聚合物层和下二氧化锆共同构成第二平面介质波导(简称PWG2)。在 PWG1与PWG2上形成的波导模分别称为PWG模1与PWG模2。当PWG模1和模2的有效折射率接近SPP模的有效折射率时，PWG模与SPP模之间的电磁耦合强烈，在反射曲线即反射率随入射角变化的曲线中形成Fano共振低谷(S.Hayashi,D.V.Nesterenko,Z.Sekkat,AppliedPhysics Express 8,022201(2015))。传感层折射率微小的变化，也就是待测气体或者液体折射率的变化，会引起两PWG模有效折射率的改变，Fano效应的角位置因此而变化，角位置与反射率的变化幅度共同决定了成像灵敏度的大小(G.Zheng,J.Cong,L.Xu,J.Wang, Applied Physics Express 10,042202(2017))(S.Hayashi,D.V.Nesterenko,Z.Sekkat,Applied Physics Express 8,022201(2015))。在这里，PWG模1、PWG模2与SPP模耦合形成的Fano 共振分别称为Fano共振1与Fano共振2。当传感介质为液体时，PWG模1的有效折射率较 PWG模2更接近于SPP模的有效折射率，PWG模1与SPP模之间的耦合比PWG模2与SPP 模之间的耦合要强，因此Fano共振1较Fano共振2更明显，Fano共振1产生的成像灵敏度更高；当传感介质变为气体时，Fano共振1与Fano共振2角位置发生较大变化。此时，Fano 共振2较Fano共振1更明显，Fano共振2产生的成像灵敏度更高。根据上述现象，我们可利用Fano共振2与共振1分别监测气体与液体折射率的变化。

与现有技术相比，本发明的优点在于：(1)本发明基于目前较成熟的生物传感技术以及多层膜技术，工艺流程不繁杂，操作简单。与传统的SPR传感器相比，双介质平面波导的引入可增大传感介质折射率的检测范围，可涵盖气体与液体介质的折射率范围。(2)本发明通过对介质波导层及其相邻上下层厚度的控制，能调控检测气体与液体的灵敏度，经优化后的传感器成像灵敏度高、Q因子高、实时检测速度快、传感折射率检测范围宽。

附图说明

图1为本发明基于双平面波导耦合的表面等离激元共振传感器的结构示意图。

图2为实施例1检测气体时基于双平面波导耦合的表面等离激元共振传感器的反射谱。

图3为实施例1检测液体时基于双平面波导耦合的表面等离激元共振传感器的反射谱。

图4为实施例1检测气体时基于双平面波导耦合的表面等离激元共振生物传感器的成像灵敏度与入射角的关系图。

图5为实施例1检测液体时基于双平面波导耦合的表面等离激元共振生物传感器的成像灵敏度与入射角的关系图。

n_p—SF11棱镜折射率，n₁—金层折射率，n₂—上含氟聚合物层折射率，n₃—上二氧化锆层折射率，n_s—传感层折射率，n₄—下二氧化锆层折射率，n₅—下含氟聚合物层折射率，d₁、 d₂、d₃、d_s、d₄分别为金层、上含氟聚合物层、上二氧化锆层、传感层与下二氧化锆层的厚度。

具体实施方式

为了便于理解本发明，下文将结合较佳的实施例对本发明作更全面、细致地描述，但本发明的保护范围并不限于以下具体的实施例。

需要特别说明的是，当某一元件被描述为“固定于、固接于、连接于或连通于”另一元件上时，它可以是直接固定、固接、连接或连通在另一元件上，也可以是通过其他中间连接件间接固定、固接、连接或连通在另一元件上。

除非另有定义，下文中所使用的所有专业术语与本领域技术人员通常理解的含义相同。本文中所使用的专业术语只是为了描述具体实施例的目的，并不是旨在限制本发明的保护范围。

实施例

一种基于双平面波导耦合的表面等离激元共振传感器，其特征在于：包括依次设置的棱镜、金层或者银层、第一平面介质波导和第二平面介质波导；所述第一平面介质波导包括依次设置的上含氟聚合物层、上二氧化锆层和传感层，所述第二平面介质波导包括依次设置的传感层、下二氧化锆层和下含氟聚合物层，所述第一平面介质波导和第二平面介质波导共用传感层，所述传感层内设置有待测液体或者待测气体的通道。

本发明的基于双平面波导耦合的表面等离激元共振传感器是一种既能够检测液体又能够检测气体的SPR传感器。在本发明中可通过改变介质波导层及其相邻上下层的厚度，调控 Fano共振效应的角位置以及反射谱线形状，从而实现对成像灵敏度与Q因子的操控。其内在的机理是：介质波导层及其相邻上下层厚度变化会导致平面介质波导模有效折射率的变化，由Snell定律可知，波导模有效折射率的变化会引起Fano共振对应的角位置变化。Fano共振角位置不同，对应线形也会有所变化，最终会使成像灵敏度与Q因子发生变化。Q＝θ_res/Δθ，Δθ为Fano共振附近反射峰与反射谷位置对应的角度差。(G.Zheng,X.Zou,Y.Chen,L.Xu,W. Rao,OptMater66,171(2017))

我们提出的SPR传感器因其独特的非对称Fano共振线形，以及其对传感介质折射率变化极为敏感，故成像灵敏度与Q因子相对于传统传感器要高很多。

Snell定律：θ_res＝arcsin(n_eff/n_p)180°/π，θ_res为Fano共振对应的入射角，n_eff、n_p分别为平面介质波导模的有效折射率和棱镜折射率。

实施例1

如图1所示，一种基于基于双平面波导耦合的SPR共振传感器，从上至下依次为SF11 棱镜、金、含氟聚合物、二氧化锆、传感层、二氧化锆和含氟聚合物，最上层与最下层的厚度可视为半无限厚，中间各层从上至下的厚度分别设置为48、895、110、371、115nm。上层Cytop、ZrO2与传感层构成第一平面介质波导(简称PWG1)，传感层与其下面的Cytop与 ZrO2构成第二平面介质波导(简称PWG2)。传感分析物通过管道输送。

一束波长为633nm的TM偏振光入射棱镜，穿过Au薄膜进入介质时，在金层-介质界面处产生表面等离激元(SPP)模，其有效折射率为1.44。为了使PWG模1、PWG模2与SPP模之间产生强烈耦合，将两PWG模有效折射率控制在1.44附近，也就是上、下二氧化锆两层厚度分别为110与115nm。图2和图3位检测气体和液体时基于双平面波导耦合的SPR传感器的反射谱。位于55.0500反射谷对应的是SPR，当传感层通入的分析物为气体时(即ns＝1.00)，在SPR反射谷左侧形成两个波谷，它们分别对应Fano共振1与共振2，波谷的角度分别是51.7580与52.6380。后者对应反射谷较前者窄，Q因子高达4.12×10⁴，可产生很高的成像灵敏度，所以利用52.638°处的波谷检测气体。当传感层通入的分析物变为液体时(即ns＝1.33)，两个波谷移至SPR反射谷的右侧，它们角度分别是56.510°与58.627°，前者对应反射谷较后者深、窄，Q因子达到2.99 ×10⁴，成像灵敏度也会很高，因此可选择56.510°位置处的波谷监测液体。

生物传感器性能很大程度上取决于灵敏度的高低，图4和图5为本发明器件气体、液体灵敏度与入射角的关系。根据实施例1的分析与讨论，分别利用Fano共振2与共振1监测气体与液体。当传感层通入气体时(图4)，成像灵敏度最大值达到9030RIU^-1。当传感层通入液体时(图5)，成像灵敏度的最大值达到9095RIU^-1。上述灵敏度较传统SPR传感器成像灵敏度(只有几十RIU^-1)要高2-3个数量级。我们设计的SPR传感器既可以检测气体，又可以检测液体，且实用性强、性能好。

本实施例的传感器继承传统SPR传感器的样品无标记、实时动态检测等优点之外，由于 Fano效应(由波导模与表面等离激元模之间的强电磁耦合所致)的发生而具有损耗低、成像灵敏度与Q因子高等突出优点。