阅读说明：本技术 一种基于spr的纳米半球体结构阵列的荧光增强装置 (SPR-based fluorescence enhancement device of nano-hemispherical structure array ) 是由 吕江涛 常明会 梁彤 李润 谷琼婵 于 2021-07-29 设计创作，主要内容包括：本发明的一种基于SPR的纳米半球体结构阵列的荧光增强装置,包括自下而上依次设置的玻璃衬底、金属膜、半球体阵列结构、透光介质层和荧光层；半球体阵列结构由多个金属纳米半球体阵列设置构成,金属纳米半球体的阵列周期为60-600纳米,金属纳米半球体的半径为30-200纳米。该装置利用金属的表面等离子体共振,增强荧光物质的自发辐射率和荧光强度,通过调节金属纳米半球体的大小和阵列周期调制荧光的增强程度,解决了现有荧光物质的荧光信号弱的问题。(The invention relates to a fluorescence enhancement device of a nano-hemispheroid structure array based on SPR, which comprises a glass substrate, a metal film, a hemispheroid array structure, a light-transmitting medium layer and a fluorescent layer which are sequentially arranged from bottom to top; the hemisphere array structure is formed by arranging a plurality of metal nanometer hemispheroids, the array period of the metal nanometer hemispheroids is 60-600 nanometers, and the radius of the metal nanometer hemispheroids is 30-200 nanometers. The device utilizes the surface plasma resonance of metal to enhance the spontaneous radiance and the fluorescence intensity of fluorescent substances, and solves the problem of weak fluorescence signals of the existing fluorescent substances by adjusting the size of the metal nano-hemispheroids and the enhancement degree of array period modulation fluorescence.)

一种基于SPR的纳米半球体结构阵列的荧光增强装置

技术领域

本发明属于纳米光电子技术领域，涉及一种基于SPR的纳米半球体结构阵列的荧光增强装置。

背景技术

金属表面等离子体共振(SPR)是一种物理光学现象，是光照射在金属电介质界面上激发起金属表面电子的集体振荡。金属表面等离子共振器件可以对结构附近的光场实现局域场增强，增强荧光分子的自发辐射率，实现对荧光信号的增强。荧光增强技术可以应用于食品安全检测、环境污染、光源制造等领域。

纳米金属增强荧光可以从两个过程解释，一个是纳米金属结构能够增强激发光的局域电场，从而增强荧光分子荧光的激发率；二是纳米金属结构能提高荧光分子的量子产率。

现有的荧光增强技术中，有的通过化学反应产生金属有机框架(MOF)结构，利用其表面的纳米金属粒子簇，在一定程度上能增强荧光，但是增强效果并不太好，并且化学材料的制备流程较为复杂，化学反应时间较长；有的通过离子束刻蚀得到特殊结构以增强荧光，但是制备过程麻烦，大量制备时受到限制。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明的目的是提供一种基于SPR的纳米半球体结构阵列的荧光增强装置，该装置基于表面等离子体共振增强荧光物质的荧光信号，并且可以通过调节金属纳米半球体的大小和阵列的周期调节荧光增强的程度。

本发明提供一种基于SPR的纳米半球体结构阵列的荧光增强装置，所述装置包括自下而上依次设置的玻璃衬底、金属膜、半球体阵列结构、透光介质层和荧光层；所述半球体阵列结构由多个金属纳米半球体阵列设置构成，金属纳米半球体的阵列周期为60-600纳米，金属纳米半球体的半径为30-200纳米。

在本发明的基于SPR的纳米半球体结构阵列的荧光增强装置中，所述玻璃底衬为装置的基本载体，采用各向同性且低色散的光学玻璃制成。

在本发明的基于SPR的纳米半球体结构阵列的荧光增强装置中，所述金属膜为金膜或银膜，厚度为50-100纳米。

在本发明的基于SPR的纳米半球体结构阵列的荧光增强装置中，所述金属纳米半球体为实心半球体结构，金属纳米材料为金、银或铝材料。

在本发明的基于SPR的纳米半球体结构阵列的荧光增强装置中，所述透光介质层采用二氧化硅或聚甲基丙烯酸甲酯制成，蒸镀在半球体阵列结构上。

在本发明的基于SPR的纳米半球体结构阵列的荧光增强装置中，所述荧光层为有机荧光染料层，旋涂于所述透光介质层上。

本发明的基于SPR的纳米半球体结构阵列的荧光增强装置只是你具有以下有益效果：

1、本发明的单个金属纳米半球体可以激发局域等离子共振，与周期性半球体阵列结构激发的表面等离子共振相互耦合，能极大的提高场增强因子。

2、通过调节金属纳米半球体的大小和阵列周期，能调整荧光的增强程度和增强峰值，并且有一定的定向调节能力。

3、该装置结构简单，制备工艺简洁，只需要采用纳米印压技术和薄膜蒸镀工艺，易大量生产，便于应用。

附图说明

图1是本发明的基于SPR的纳米半球体结构阵列的荧光增强装置的结构示意图；

图2为不同波长下荧光增强示意图；

图3为偶极子到金属纳米半球体表面的距离对荧光增强的影响。

具体实施方式

如图1所示，本发明的一种基于SPR的纳米半球体结构阵列的荧光增强装置，包括自下而上依次设置的玻璃衬底1、金属膜2、半球体阵列结构、透光介质层4和荧光层5。所述半球体阵列结构由多个金属纳米半球体3阵列设置构成，金属纳米半球体3的阵列周期为60-600纳米，金属纳米半球体3的半径为30-200纳米。为了更加直观的展示荧光增强装置的结构，图1为半剖示意图，半球体阵列结构布满整个金属膜2，透光介质层4完全覆盖半球体阵列结构并填充满金属纳米半球体3间的间隙，荧光层5完全覆盖透光介质层4。

所述玻璃底衬1为装置的基本载体，采用各向同性且低色散的光学玻璃制成。

所述金属膜2为金膜或银膜，厚度为50-100纳米。

所述金属纳米半球体3为实心半球体结构，金属纳米材料为金、银或铝材料。

所述透光介质层4采用二氧化硅或聚甲基丙烯酸甲酯制成，蒸镀在半球体阵列结构上。

所述荧光层5为有机荧光染料层，旋涂于所述透光介质层4上。

上述基于SPR的纳米半球体结构阵列的荧光增强装置采用如下方法制备，具体包括如下步骤：

1)在玻璃载片上旋涂一层有机薄膜，使用制备好的模板在有机薄膜上进行印压，模刻出半球体孔阵列结构；

2)在半球体孔阵列结构上蒸镀金属，得到半球体阵列结构与有机薄膜的组合体；

3)在玻璃衬底1上蒸镀一层金属膜2；

4)在金属膜2上旋涂一层有机薄膜；

5)将步骤1)和2)中制备的组合体贴合到步骤4)的有机薄膜上；

6)采用有机溶液清洗去除有机薄膜，保留的半球体阵列结构；

7)在半球体阵列结构上蒸镀光学透光介质层；

8)在透明介质层上旋涂荧光溶液，得到荧光层，制成荧光增强装置。

通过软件对单个半球体结构下的荧光增强进行仿真。模型采用单色点偶极子模拟发出荧光的荧光分子，从图2中可以看到偶极子的荧光增强在650纳米波长处增强了30倍左右。图3中可以看出偶极子距离金属纳米半球体表面的距离为9纳米处荧光增强了30倍左右。通过大量仿真验证，单个半球体结构对荧光的增强效果很好，通过调节金属纳米半球体的大小能调整荧光的增强程度和增强峰值，当拓展到半球体阵列结构时，单个半球体激发的局域等离子共振与周期性半球体阵列结构激发的表面等离子共振相互耦合，能极大的提高场增强因子，对荧光的增强效果更好。通过大量仿真验证，通过调节金属纳米半球体的大小和阵列周期，能调整荧光的增强程度和增强峰值，并且有一定的定向调节能力。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明的思想，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。