[发明专利]一种基于磁光表面等离激元共振的生物蛋白传感器

说明书

本发明涉及光学传感领域，具体涉及一种基于磁光表面等离激元共振的生物蛋白传感器，具有周期性孔洞结构。本发明器件实现对P偏振光响应工作，当电磁波斜入射到器件表面激发六方周期孔洞结构SPP模式，由于表面等离激元对介质环境具有较高的敏感性，在滴加不同浓度BSA生物蛋白条件下器件SPP模式发生移动。同时利用Ce:YIG材料的磁光性能，外加横向磁场(外磁场方向垂直于入射面)，通过器件表面SPP模式的激发增强TMOKE，根据TMOKE峰位的移动探测BSA的浓度关系。主要应用于生物蛋白质检测、折射率传感器。

技术领域

本发明涉及光学传感领域，具体涉及一种基于磁光表面等离激元共振的生物蛋白传感器，具有周期性孔洞结构。

背景技术

入射电磁波与贵金属表面自由电子的集体振荡耦合被称为表面等离激元共振(Surface Plasmon Resonances，SPR)，由于表面等离激元共振可在纳米尺度上控制光的性质，因此被广泛使用于集成纳米光子学和小型化光电器件。表面等离激元共振(SPR)又可被分为：传播型表面等离激元(Propagating Surface Plasmon，PSP)和局域型表面等离激元(Localized Surface Plasmon，LSP)。LSP是指带电粒子的振荡被局域在一个较小的范围内，而PSP的振荡具有一定的传播距离。由于表面等离激元共振(SPR)对介质环境的微小变化具有内在的敏感性，因此已将其广泛应用于传感应用中。同时，表面等离激元的激发会引起介质周围局域场的增强，利用该性质可以得到表面增强拉曼散射(Surface-EnhancedRaman Scattering，SERS)，在测试过程中得到非常强的拉曼信号。

Xu等人[1]利用电子束曝光技术，制备的U型Au纳米结构用于生物蛋白BSA传感实验当中，其器件的传感灵敏度为1.8nm/nM，相较于其他表面等离激元传感器具有较高的灵敏度。但是，该器件通过测试滴加不同浓度BSA生物蛋白的反射光谱得到其传感特性，由于金属具有较高的损耗，使得测试的反射光谱半高宽达到200nm以上，降低了器件的传感优值。同时，该器件的制备工艺复杂，制作成本较高，制约了器件在生产生活中的使用；因此开发低成本表面等离激元传感器具有实际应用价值。

相较于表面等离激元传感系统，磁光表面等离激元传感系统具有线宽窄、灵敏度高、信噪比低等特征而广泛应用于超高灵敏度的生物医学传感器、集成光隔离器和磁光调制器等新型的纳米光子器件中。

Qin等人[2]利用Au薄膜与磁光材料表面产生的表面等离激元增强磁光性能，进而用于BSA生物蛋白的传感实验中，虽然引入磁光材料可以大大提高测试优值，但是该器件的测试过程复杂，这是由于要激发Au薄膜表面的SPR模式需要外加棱镜辅助，如此使得测试过程复杂，不利于在生活中普遍使用。

此外，传统的孔洞型磁光表面等离激元传感器采用金属磁光材料增强磁光性能，例如，S.M.Hamidi等人[3]设计Au/Co/Au三层孔洞结构的磁光传感器，得益于在Au纳米孔表面激发表面等离激元增强Co的磁光性能，然而金属材料Co在可见光近红外区域具有较高的本征损耗，导致器件生物蛋白传感测试信号较弱，影响器件的传感性能。

[1]Xu,X.,et al.(2011).Flexible visible-infrared metamaterials andtheir applications in highly sensitive chemical and biological sensing.Nano Lett11(8):3232-3238.

[2]Qin,J.,et al.(2017).Ultrahigh Figure-of-Merit in Metal–Insulator–Metal Magnetoplasmonic Sensors Using Low Loss Magneto-optical Oxide ThinFilms.ACS Photonics4(6):1403-1412.