[发明专利]一种平面薄膜结构的红外分子指纹传感器及其制备方法

说明书

本发明公开了一种平面薄膜结构的红外分子指纹传感器及其制备方法，所述的红外分子指纹传感器包括双层膜平面结构传感器和单层膜平面结构传感器，所述的双层膜平面结构传感器由硅(Si)衬底上的铜(Cu)和硒化锌(ZnSe)两层膜构成；所述的单层膜平面结构传感器由硅(Si)衬底上的金膜而构成。该传感器基于薄膜光腔共振和界面场增强原理，由平面多层金属和介质膜组成，无需图形化加工工艺，具有加工简单、成本低、成品率高、有效探测面积大和单分子层探测灵敏度等优点。

技术领域

本发明属于光学分子传感器技术领域，具体涉及一种平面薄膜结构的红外分子指纹传感器及其制备方法。

背景技术

光学分子检测技术能够对微量的蛋白质、核糖和核酸等物质进行定量的探测分析，对于人类了解基因结构及基因表达和调控等生命本质问题至关重要，在制药开发、食品安全、环境工程、药物配方和疾病监测等领域具有广阔的应用前景。鉴于有机分子和生物分子与人类的生命、环境和疾病息息相关，分子检测技术的创新和应用进展直接关系到人类健康和生产方式，尤其是新型检测、诊断及治疗仪器的水平。

常见的光学分子传感器根据工作原理的不同大致可以分为两种，一种依靠目标分子吸附在传感器表面，使得传感器表面的折射率变化，从而引起传感器吸收波长的移动而完成对目标分子的探测，这类传感器只能探测分子质量引起的折射率变化，而无法辨别分子内部的化学结构特征，在很多重要应用中受到限制；另一种是根据分子在中红外波段有其特定的“吸收指纹”这一特性，使用传感器表面的微结构来增强目标分子附近的光场，引起目标分子内化学键的振动增强，从而完成对目标分子的特异性鉴别和探测，获得分子内部化学键特征信息。在这类基于指纹吸收的传感器中，常见的技术是利用微细加工的方法在传感器表面做出具有不同形状的微结构，以获得局域化增强的光场，从而加强吸附在探测器表面的目标分子中化学键的振动。具体已有报道的代表性工作包括：2008年F.Neubrech等人提出用棒状纳米天线完成对1-十八硫醇的高灵敏性探测，【Resonantplasmonic and vibrational coupling in a tailored nanoantenna for infrareddetection，PHYSICAL REVIEW LETTERS 101(15),157403(2008)】，2009年E.Cubukcu等人用微细加工工艺制作的谐振环天线也实现了对目标分子的有效探测，【Split ringresonator sensors for infrared detection of single molecular monolayers，APPLIED PHYSICS LETTERS 95(4),043113(2009)】。

在现有的技术方案中，分子指纹传感器一般都是由具有微纳结构的图形化金属或者介质结构组成，其制备工艺需要使用光刻或电子束刻蚀等薄膜图形化加工方法，制作过程复杂，成本高，同时器件的重复性和可控性限制了实际大规模应用。

发明内容

本发明的目的在于提供一种无图形化平面薄膜结构的分子指纹传感器及其制备方法，该传感器基于薄膜光腔共振和界面场增强原理，由平面多层金属和介质膜组成，无需图形化加工工艺，具有加工简单、成本低、成品率高、有效探测面积大和单分子层探测灵敏度等优点。

为了实现上述技术目的，本发明具体通过以下技术方案实现：

一种平面薄膜结构的红外分子指纹传感器，所述的红外分子指纹传感器包括双层膜平面结构传感器和单层膜平面结构传感器，所述的双层膜平面结构传感器由硅(Si)衬底上的铜(Cu)和硒化锌(ZnSe)两层膜构成；所述的单层膜平面结构传感器由硅(Si)衬底上的金膜而构成。

所述的双层膜平面结构传感器通过将ZnSe介质层的厚度设置为四分之一波长以确保所产生的法布里-泊罗共振场的最大值位于ZnSe的表面，从而完成对目标分子的有效探测。

所述的单层膜平面结构传感器基于光场在金表面的不连续性边界条件，金表面的入射电场和反射电场的叠加使电场增强，以实现对待检分子的有效探测。