[发明专利]一种基于介质纳米天线生物传感器、制备方法及应用

说明书

本发明公开了一种基于介质纳米天线生物传感器，包括衬底，以及周期阵列布置于所述衬底上的电介质材料，该电介质材料选自硅、锗、碲以及四六族含铅化合物中的一种或多种。本发明具有较低的本征损耗，对于某些结构如立方体阵列表现出大范围角度变化响应不变性，兼容性好，损耗低，可以实现高品质因子谐振，从而提高传感灵敏度。低损耗特性可以在增强局域场的同时避免产生较强的光热效应对待测分子的破坏。而且可以通过调控所设计结构的电谐振和磁谐振耦合来实现对辐射方向的控制，有利于提高收集效率进而提高传感灵敏度。电介质纳米光波天线已经成为在纳米尺度上操纵光的主要工具，可以实现对远场辐射的调控。

技术领域

本发明属于传感器设计技术领域，具体设设计一种基于介质纳米天线生物传感器、制备方法及应用。

背景技术

在微纳加工领域，随着电子束刻蚀和聚焦离子束刻蚀等“至顶向下”的纳米加工技术逐渐成熟，纳米光波天线的实验制作逐渐成为可能，吸引了众多研究人员的兴趣。

红外光谱技术可以在大范围的分子种类和化合物中通过探测原子振动进行材料识别，在生物传感领域发挥着越来越重要的作用。在生物材料的识别方面，傅里叶变换红外光谱仪(Fourier transform infrared spectroscopy,FTIR)凭借着快速，非损坏，高灵敏的优点在分子指纹谱方面有广泛的应用。但是，典型的分子大小只有10nm，而中红外光的波长为4-25μm，数量级是分子大小的三倍，光与分子作用的截面非常小。严重降低了红外光探测分子的灵敏度，特别是在食物安全和生物传感领域的微量化学物质探测。表面增强红外吸收光谱技术(Surface-enhanced infrared absorption,SEIRA)凭借表面等离子体共振(surface-plasmon polaritons,SPPs)，可以在红外波段光与物质相互作用提高几个数量级的增强。1980年，表面增强红外吸收光谱在金和银膜表面被第一次证明。在接下来的十几年，很多研究都集中在粗糙的金属表面和表面有纳米粒子的薄膜。这种方法的优点是不需要先进的纳米加工技术，但是在红外等离子体增强方面没有取得有意义的进展。随着最近纳米加工技术的发展，金属纳米结构的制备已经不是问题，实验观测到红外等离子体增强比薄膜结构更优。随后，大量的表面增强红外吸收光谱结构被提出和实验证明能明显地提高待测分子的共振，有广大的应用。最近，新型的红外等离子体材料(比如：石墨烯graphene，硅Si，砷化铟InAs，锑化铟InSb，铟砷锑InAsSb，氧化物oxides，碳纳米管carbonnanotubes(CNTs)等)能够有效提高表面增强红外光谱吸收。

综上所述，目前没有一种由高折射率、低消光系数的电介质材料(如：锗，硅，碲以及四六族含铅化合物等材料)制作的高灵敏度的中红外纳米光波天线传感器。

发明内容

本发明针对现有纳米光波天线存在的缺点和不足，提供了一种对在其工作波长范围内反射光具有增强作用的基于介质纳米天线生物传感器。

本发明还提供一种上述基于介质纳米天线生物传感器的制备方法。

本发明同时提供了一种上述基于介质纳米天线生物传感器的应用方法。

一种基于介质纳米天线生物传感器，包括衬底，以及周期阵列布置于所述衬底上的电介质材料，该电介质材料选自硅、锗、碲以及四六族含铅化合物中的一种或多种。

本发明公开了一种基于介质纳米天线生物传感器设计，现有关于纳米天线传感用的比较多的是利用金属纳米天线，但金属纳米天线存在本征损耗的难题，基于高折射率的电介质纳米光波天线的理论基础，光波天线已经成为在纳米尺度操控光的主要工具。首先，电介质材料在光波段具有极低的损耗；其次，高介电常数的介质材料结构既可以支持电谐振模式又可以支持磁谐振模式。在可见光至红外波段寻找合适的低损耗，高折射率的介质材料对实现全介质光波天线意义重大；该发明对分子和蛋白质活性的损伤小，大大提升了在生物分子和微量物质传感的灵敏度。