[发明专利]具有超窄线宽光谱响应的高灵敏度超材料纳米传感系统

说明书

本发明涉及一种超材料纳米传感系统，具体涉及一种具有超窄线宽光谱响应的高灵敏度超材料纳米传感系统，包括沿光路方向依次设置的输入光路、超材料纳米传感单元和输出光路，超材料纳米传感单元包括布拉格光栅和设置在布拉格光栅上方的金属周期阵列。本发明所提供的纳米传感系统具有超窄线宽的光谱响应，有效提高了纳米传感器的灵敏度，在便携式生物传感、药物开发与检测以及环境监测等领域有广泛的应用前景。

技术领域

本发明涉及一种超材料纳米传感系统，具体涉及一种具有超窄线宽光谱响应的高灵敏度超材料纳米传感系统。

背景技术

纳米传感系统具有无需荧光或放射性同位素标记、实时性强、自动化程度高以及结构紧凑、便于和其他技术联用等特点，在生物传感、药物开发与检测以及环境监测等领域都有重要而广泛的应用前景。

目前，最常用实现纳米传感器的手段是局域表面等离激元共振，基于该效应的传感器已经商用化。实现局域表面等离子体激元共振主要有两种技术途径：金属纳米颗粒结构和周期性金属纳米结构。但是前者的光学响应较弱，杂乱无序的纳米结构群会给光学响应带来干扰，可重复性差。更糟糕的是，其谱宽往往高达几百纳米，灵敏度不高，不利于高精度传感应用。后者的光学信号虽然有明显增强作用并且易于重复实现，但是其谱宽仍然不尽人意，相应的传感器灵敏度偏低，严重制约了纳米传感器的实际应用。

因此，为了进一步提高纳米传感器的灵敏度，亟需采用新手段进一步降低其光谱响应的线宽，使纳米传感器能够用于低浓度小分子等更苛刻条件下的传感检测。

发明内容

为了解决传统纳米传感器光谱带宽大、灵敏度低的技术问题，本发明提供一种结构紧凑、实施方便、具有超窄线宽光谱响应的高灵敏度超材料纳米传感系统。

本发明的技术解决方案是：所提供的具有超窄线宽光谱响应的高灵敏度超材料纳米传感系统包括沿光路方向依次设置的输入光路、超材料纳米传感单元和输出光路，其特殊之处在于：所述超材料纳米传感单元包括布拉格光栅和设置在布拉格光栅上方的金属周期阵列。通过合理调节金属周期阵列及布拉格光栅的结构参数，能够实现超材料纳米传感单元特征阻抗与真空阻抗的完美匹配。

上述布拉格光栅由两种不同材料的电介质层依次交替构成。当满足阻抗完美匹配条件的波长恰好位于布拉格光栅禁带内时，就会在禁带内产生完美吸收现象，即对应位置的反射率和透过率均为零，而吸收率为1。

上述金属周期阵列为亚波长金属周期阵列。金属周期阵列的结构尺寸与工作波长相当或者更小。

上述金属周期阵列为光栅结构、圆柱阵列结构或者立方体阵列结构。采用这三种金属周期阵列结构类型的超材料纳米传感单元都具有较大的传感动态范围，因而当样品折射率变化较大时依然能够保持高灵敏度并正常使用。

上述金属周期阵列中的金属是能够激发表面等离激元和塔姆激元的金属材料，如金或者银等。通过光源入射，能够在金属表面以及金属与布拉格光栅的界面处分别激发表面等离激元和塔姆激元，二者发生耦合从而产生超窄线宽光谱响应。

上述金属周期阵列为一个或者多个。当金属周期阵列为多个时，可以将不同的待测样品注入不同的微流通道并与对应的超材料纳米传感单元中的金属阵列表面接触，同时测试多个不同的样品折射率。

本发明的有益效果在于：

(1)该纳米传感系统具有超窄线宽的光谱响应，有效提高了纳米传感器的灵敏度，在便携式生物传感、药物开发与检测以及环境监测等领域有广泛的应用前景。

(2)该纳米传感系统具有较大的传感动态范围，因而能够用于传感检测折射率变化较大的环境。

(3)该纳米传感系统具有结构紧凑、稳定性好、易于集成以及便于与其他技术联用的优点。