[发明专利]一种表面等离激元晶体传感器及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种传感器及其制备方法，具体说是一种表面等离激元晶体传感器及其制备方法。 

背景技术

化学和生物传感器是分析化学和生物学领域的一种先进的检测方法与监控方法，它可以实现物质分子水平的快速、微量检测与分析，其原理一般是化学生物吸附、电化学反应和分子相互作用等现象引起信号量的微小变化而转换成可供测量的信号。 

表面等离激元的概念是，当入射光波照射到金属和介质的交界面时会引起金属自由电子密度的集体振荡，电磁场被局域在金属表面很小的范围内并产生场增强，形成表面等离激元(surface plasmons)。一般将能实现表面等离激元激发与传播的亚波长周期性微结构金属薄膜称为表面等离激元晶体。当表面等离激元在电磁场的作用下被激发时，金属表面对周围介质折射率的变化特别敏感，可以用来探测环境的变化以及分子的吸附。利用表面等离激元的共振(surfaceplasmons resonance，SPR)作为传感器件具有很多的优点，如敏感度高、分析简单、不需样品标记等，所以它被广泛应用到包括医学、环境监测、生物技术、药物和食品监控等方面。 

传统的SPR传感器是利用棱镜耦合的棱镜SPR传感器，虽然它具有较高的敏感度以及较好的分辨率，但是存在实验精度要求高、体积大不利于器件的小型化等缺点。随着现代纳米制备技术的发展，金属纳米结构成为实现SPR传感器的一种新手段。金属纳米微孔阵列以及各种形貌的金属纳米颗粒体系的传感效应已经被广泛的研究。与传统的棱镜结构相比，利用金属纳米结构使得测量的模式简化、且体积小方便集成，但是获得的敏感度比较低。目前研究者们已经提出了很多方法来提高体系的灵敏度，继续开发和制备成本低、稳定性好、敏感度高、具有可重复性、操作简单的SPR传感金属纳米结构是实现器件规模化和产业化的发展要求。 

发明内容

发明目的：本发明的目的是提供一种稳定性好、敏感度高、制备工艺简单、成本低、性能优越的表面等离激元晶体传感器及其制备方法。 

技术方案：为了解决上述技术问题，本发明一种表面等离激元晶体传感器，它包括表面周期性起伏的准三维金属半球壳膜，所述金属半球壳膜由金属纳米空心半球壳组成且形成二维六角密堆排列，相邻半球壳相互连接，任意三个相邻半球壳之间具有微孔，且金属半球壳膜位于干净的平整衬底上。

所述的金属半球壳膜的成分包括金、银、铂、铜、铝中的一种或几种混合物。所述的金属半球壳膜顶点处的厚度在20nm～200nm之间。所述的金属纳米空心半球壳为空心结构，且形貌均匀，壳的开口方向一致。金属纳米空心半球壳像碗一样全部都倒扣在衬底上或者其底部都与衬底接触。 

本发明所述的表面等离激元晶体传感器的制备方法，该方法包括以下步骤： 

(1)通过自组装技术(参见授权专利ZL03131989.0和ZL200410041939.9)；在平整衬底表面排列微米或亚微米的介质微球，获得有序排列的二维六角密堆微球阵列的胶体晶体； 

(2)将步骤(1)中所得的胶体晶体作为模板，采用物理或化学的沉积方法，在介质微球表面沉积金属纳米颗粒，直至金属的沉积量使得纳米颗粒形成连续的金属半球壳膜(参见申请专利200610039478.0)； 

(3)利用物理或化学的方法去除胶体晶体模板，得到由相互连接的金属纳米空心半球壳构成的表面等离激元晶体传感器。 

所述平整衬底包括石英、玻璃、硅片、导电玻璃或有机膜。所述的介质微球为二氧化硅微球或聚苯乙烯微球。 

在步骤(1)中，所述的微球直径为200nm～10μm。 

在步骤(2)中，所述的物理或化学沉积方法包括高真空镀膜法、金属热蒸发镀膜法、磁控溅射法、激光脉冲沉积法、原子层沉积法、化学镀方法、电化学方法中的一种或几种的混合方法。 

在步骤(3)中，所述的物理或化学的方法包括氢氟酸蒸气腐蚀法或三氯甲烷溶液腐蚀法。 

表面等离激元晶体传感器的结构周期取决于介质微球模板的粒径尺寸，因而通过选用适当尺寸的介质微球，可以调控传感器的应用波长范围。 

在步骤(3)中，所述金属半球壳膜可以通过水溶液转移到检测所需要的平整衬底上。 

将本发明表面等离激元晶体传感器浸入包含待测物的溶液或气体中，然后进行光学表征，即通过光学信号的测量来实现传感探测。所用的光学表征方法包括可见或红外的透射谱、反射谱、吸收谱、表面拉曼散射谱。