[发明专利]选择性增强的多波长金属等离子共振结构及其制备方法

说明书

本发明涉及一种用于选择性增强的多重光场耦合Fano共振金属等离子共振结构及其制备方法，该共振结构包括金属膜、介质膜和金属孔阵列，其中所述介质膜的材料为光学透明介质，且位于金属孔阵列及金属膜之间。本发明的共振结构可以同时实现多个具有极高电磁场增强因子的多波长共振，且这些共振模式具有窄线宽、共振峰强度相当、共振光场主要局域于金属圆孔中等特性。这些特性使该结构可以对目标分子的激发场与发射场进行同时增强，在保证检测的高灵敏度和高精确度的同时实现对目标分子的选择性检测。该共振结构的制备方法工艺简便，只需要传统的纳米压印工艺与薄膜蒸镀工艺，重复性好，便于应用。

技术领域

本发明涉及一种等离子共振结构及其制备方法，特别涉及一种用于选择性增强的多重光场耦合Fano共振金属等离子共振结构。

技术背景

金属表面等离子体波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。近十几年来基于金属等离子共振原理的传感器及其应用研究获得了长足的发展。由于其检测过程快捷、能够获得实时数据、操作方便、无须标记和可保持分子的生物活性等特点，金属表面等离子共振传感器首先在生命科学和制药领域获得广泛应用，目前已逐渐渗透到化学、化工、材料、食品、环境和国防等研究领域，特别是在免疫检测、环境监测、材料表面及界面的吸附性质和电化学聚合等方面得到了应用。金属表面等离子共振器件可以对结构附近的光场实现几个数量级的局域场增强，其对拉曼信号的增强因子最强可达到10¹⁴。因此基于表面等离子共振结构的拉曼散射与荧光标记是实现高灵敏度传感与探测的有效途径，在超高灵敏度传感与探测方面具有极为重要的应用价值。

目前基于金属表面等离子共振原理用于荧光增强与拉曼增强的应用研究主要向两个方向发展。一是寻求更高的局域场增强因子以提高检测灵敏度。目前常用的等离子共振结构主要包括单个金属纳米颗粒和金属纳米颗粒对，图1给出了金属纳米颗粒的共振特性，这种对称结构一般具有一个共振峰；二是为同时检测多个荧光探针或者提高拉曼信号的信噪比而寻求多波长等离子共振结构。目前大多采用非对称结构来实现多个波长的共振，包括椭球、金属棒以及多面体等不对称结构，图2给出了金属纳米椭球结构的共振特性，当激发光的偏振态沿着椭球的不同方向时，其共振峰的位置不同，但是多个共振峰的相对位置、强弱不易调节，且结构的不对称导致了不同共振模式下光场的分布不一致，不利于实现目标分子的选择性增强。且这两种类型的等离子共振均具有超宽增强光谱的特性，其共振峰半高宽约为100纳米，在实现目标分子信号增强的同时也对背景信号进行了增强。

发明内容

发明目的：为克服现有技术的不足，本发明提供一种用于选择性增强的多重光场耦合Fano共振金属等离子共振结构，在增加灵敏度的基础上实现对目标分子的选择性检测，并同时使激发的共振峰具有窄线宽(例如，10纳米)和共振峰强度相当的特性。

另一方面，本发明还提供上述用于选择性增强的多重光场耦合Fano共振金属等离子共振结构的制备方法。

技术方案：本发明所述的用于选择性增强的多重光场耦合Fano共振金属等离子共振结构从下而上依次包括金属膜、光学透明介质膜和金属孔阵列。

进一步地，所述金属膜的厚度不小于100纳米，以消除所述金属膜的下层界面激发表面等离子共振进而产生干扰的可能性。

进一步地，所述金属膜为金膜或银膜，所述光学透明介质膜为SiO₂膜或MgF₂膜。

进一步地，所述金属孔阵列中金属孔的直径为微纳米量级。

本发明提供的用于选择性增强的多重光场耦合Fano共振金属等离子共振结构的制备方法包括如下步骤：(S1)在绝缘衬底上依次蒸镀金属膜和光学透明介质膜；(S2)通过旋涂的方法在所述光学透明介质膜上涂覆一层有机薄膜；(S3)使用制备好的模板在有机薄膜上进行压印，模刻出柱对称结构圆盘阵列；(S4)在柱对称结构圆盘阵列上蒸镀金属层；(S5)蒸镀完成后采用有机溶液清洗去除有机薄膜，保留下柱对称金属孔阵列。