[发明专利]一种光子超颖表面生物传感器

说明书

本发明提供一种光子超颖表面生物传感器。在玻璃衬底上利用材料生长工艺生长金属/介质/金属多层结构，其中顶层金属薄膜层采用干法或湿法刻蚀工艺制备超颖表面。在特定波长处，金属纳米阵列与介质层之间会产生非常强烈的局部表面等离子体共振。其透射光谱共振峰中心频率处的透射比对放置于结构表面的生物样本折射率的变化十分敏感，从而可以通过测量透射光谱共振峰中心频率处透射比值的大小实现对具有不同折射率的生物样本的检测。本发明具有体积小、结构简单、易于实现等突出优点，在生物医学领域有着非常广阔的应用前景，对生物传感器的发展也有着重要的意义。

技术领域

本发明涉及一种基于局部表面等离子体共振的光子超颖表面生物传感器，利用透射光谱峰值处透射比值的大小检测具有不同生物样本。可应用于疾病诊断治疗和生物医学领域中。

背景技术

随着纳米制造工艺的飞速发展，最新的传感器技术已经可以用于分析DNA的碱基、检测蛋白质与蛋白质的相互作用、表面膜结合技术和抗原抗体识别等。其中表面等离子体共振(Surface Plasmon Resonance,SPR)传感器可以对生物样本(如抗原、DNA)及固定在结构上的特异性结合体(如抗体、互补DNA)之间的相互作用进行实时灵敏的无标记测量。由于具有免标记、最小化的干扰和实时监控功能，基于表面等离子体共振的纳米尺度生物检测技术越来越受到科研工作者的关注。

实现SPR传感的通用方案有两种，一是在棱镜上覆盖一层贵金属薄膜结构。由于其结构较大，并且光谱分辨率较低，因此在实际应用中具有一定的弊端；二是利用局部表面等离子体共振(Local Surface Plasmon Resonance,LSPR)，即电磁场和空间中受限的自由电子相互耦合，可以有效的改善这些问题从而实现较高分辨率的纳米尺度的生物检测。典型的LSPR传感结构是在一个介质基板上制作贵金属纳米结构，纳米结构与入射电磁场在某些波长处产生共振，从而增强近场强度。由于LSPR的共振条件是由电子运动决定的，因此传感方案的光学性质在很大程度上取决于金属纳米结构的形状。与SPR传感器相比，LSPR传感器可以通过改变贵金属纳米结构的尺寸和形状，从而具备更加优化的性能。当生物分子放置于贵金属纳米结构表面时，纳米结构周围环境的折射率增加，LSPR 产生的局部高强度电磁场能够通过检测纳米结构周围介质环境中的微小变化实现高度敏感的生物传感。

到目前为止，LSPR生物传感器研究的重大问题包含研究特定纳米结构中的LSPR性质、纳米结构的优化设计、提高检测的灵敏度等。现有的表面等离子体共振生物传感器一般采用在微纳光纤上镀周期性的金膜或银膜来实现生物检测，但是存在微纳光纤不牢固、镀膜困难等缺点，并且对光纤尺寸的精度要求较高。

发明内容

本发明针对上述光纤表面等离子体共振生物传感器存在的问题，提供了一种基于局部表面等离子体共振的光子超颖表面生物传感器，采用在玻璃衬底上生长出经典的金属/介质/金属多层结构的方案。该集成器件具有体积小、结构简单、易于实现等特点。

本发明的技术方案：

一种光子超颖表面生物传感器，基于局部表面等离子体共振的光子超颖表面生物传感器是基于金属/介质/金属多层结构；通过在其顶部金属层设计和制备周期性的纳米阵列，可以在特定波长处产生非常强烈的局部表面等离子体共振，从而得到在特定波长处幅值较大的透射光谱。所述的多层结构是在玻璃衬底(1)上依次生长金属薄膜层(2)、介质薄膜层(3)和周期性金属纳米阵列(4)而形成，其中，金属薄膜层(2)和介质薄膜层(3)是单层或是多层交替排列的形式；金属薄膜层(2)的宽度在1微米至2厘米、高度在10纳米至1微米；介质薄膜层(3)的宽度在1微米至2厘米、高度在10纳米至1微米；周期性金属纳米阵列(4)的宽度为10纳米至1微米、高度在10纳米至0.5微米，周期在100纳米至1微米。

所述的金属薄膜层(2)包括Al、Ag、Au、Cu和Ni。

所述的介质薄膜层(3)包括Si、SiO₂、GaAs、InP和Al₂O₃。