[发明专利]一种高灵敏度表面等离子体共振传感器

说明书

技术领域

本发明涉及传感器及传感技术领域，具体涉及一种高灵敏度表面等离子体共振传感器。

背景技术

表面等离子体是由光和金属表面自由电子的相互作用所引起的一种电磁波模式。这种模式存在于金属与介质界面附近，其场强在界面处达到最大，且在界面两侧均沿垂直于界面的方向呈指数式衰减。

表面等离子体的产生需要满足特定的条件。由于表面等离子体的波矢比同频率下其所存在界面的一侧的介质中的光波矢要大，因此只有在满足波矢匹配的情形下才能产生表面等离子体，形成表面等离子体共振。由于发生共振时入射光被吸收，使反射光能量急剧下降，表现为反射率衰减的尖峰，此即为表面等离子体共振峰，产生表面等离子体共振的光波波长称为共振波长，光波入射角度称为共振角。

表面等离子体共振对金属附近介质的折射率、厚度等参数变化比较敏感，这些参数的改变会引发表面等离子体共振条件的变化(包括共振角度、共振波长、强度、相位等)，因此可以被应用到传感领域。同时由于表面等离子体在界面处有非常大的局部场增强效应，因此可以大幅提高传感灵敏度。基于表面等离子体共振技术的传感器的优点是：测量的灵敏度较高、响应速度快、体积小、机械强度强以及抗干扰能力强等，因此，表面等离子体共振传感技术在近年来已经成为生化检测的热门测量手段，在生物分子相互作用、药物筛选、临床诊断、食物检测、环境监控以及生物学等领域具有广泛的应用前景。

目前，基于金属薄膜层的表面等离子体共振传感器通常是通过高折射率棱镜耦合的方法来实现空间波矢与表面等离子体波矢的相位匹配，从而共振激发金属薄膜层与被测样品分界面处的表面等离子体。被测样品折射率等参数的变化引发棱镜中光波与表面等离子体波的耦合情况的改变，通过检测再次从棱镜中耦合输出的光波特性，就可以实现对被测样品折射率等参数的测量，该方案通常称为衰减全反射法。

由于传统的基于单层金属薄膜层的表面等离子体共振传感器的灵敏度相对较低，近年来研究人员尝试多种方法以提高其灵敏度，其中引入新型表面等离子体共振传感芯片成为有效途径之一。但目前大多数新型传感芯片包含较复杂的微纳结构，加工工艺复杂且对加工精度的要求很高，因此，如何保证高灵敏度的同时，简化表面等离子体共振传感芯片的结构成为亟待解决的问题。

本发明在基于单层金属薄膜层的表面等离子体共振传感器的基础上，在金属薄膜层和透明电介质基底之间引入了由低折射率介质薄层和高折射率介质薄层交替组成的多层介质层。多层介质层的引入，使得该表面等离子体共振传感器的灵敏度得到了明显提高。此外，由于多层介质层结构简单，总厚度较小，可采用蒸镀法制备，易于加工且厚度可控性好，同时加工成本较低，因此该表面等离子体共振传感器具有较强的实用价值。

发明内容

本发明的目的是克服传统表面等离子体共振传感器灵敏度较低的缺陷，从而提出一种易于加工的高灵敏度表面等离子体共振传感器。

本发明提供了一种高灵敏度表面等离子体共振传感器，依次由透明电介质基底(2)、低折射率介质薄层(3)和高折射率介质薄层(4)交替组成的多层介质层以及金属薄膜层(5)组成，传感器的透明电介质基底的一侧与耦合棱镜(1)相临，金属薄膜层的一侧与被测样品(6)相临；多层介质层中的低折射率介质薄层和高折射率介质薄层的总层数需满足条件2n+1(n为正整数)，其中低折射率介质薄层的层数为n+1，高折射率介质薄层的层数为n，分别与透明电介质基底和金属薄膜层相临的都是多层介质层中的低折射率介质薄层；多层介质层中的各薄层厚度均不相等，同时各薄层厚度需满足：ndsin(θ_tr)≤λ，其中，n是该薄层的折射率，d是该薄层厚度，λ是入射到传感器的光的波长，θ_tr是传感器测量被测样品并发生全反射时透明电介质基底与多层介质层交界面上的入射光的入射角；该多层介质层的反射率满足以下条件：将传感器的金属薄膜层及被测样品替换为厚度无限且折射率与高折射率介质薄层材料的折射率相同的材料时的多层介质层的反射率，从(θ_tr+m)度至(θ_tr+2m)度范围内必须大于等于0.8，m＝(10/n)度。

所述高灵敏度表面等离子体共振传感器中透明电介质基底的材料折射率必须小于等于耦合棱镜的材料折射率，所述透明电介质基底的材料为玻璃、有机聚合物材料中的一种。

所述高灵敏度表面等离子体共振传感器中金属薄膜层的材料为能够产生表面等离子体共振效应的金属，包括金、银、铝、铜、钛、镍、铬中的任何一种、或是各自的合金、或是不同金属层复合的材料。