[发明专利]金属包覆波导传感器及其对银胶溶液折射率的检测方法

说明书

本发明提供一种金属包覆波导传感器，包括导波层、耦合层和衬底层，导波层为第一玻璃板，耦合层为覆于第一玻璃板顶部的第一银膜；第一玻璃板下方设有样品室。本发明还提供一种金属包覆波导传感器对银胶溶液折射率的检测方法，先用金属包覆波导传感器测出纯水的共振峰，然后选取其中某一导模所对应的入射角作为同步角，给出纯水在785nm时的折射率1.392600，以此先确定这个导模所对应的m值；通过导模再测试纳米银胶溶液产生的同步耦合角的变化，从而得出纳米银胶溶液的折射率。本发明以超高阶导模作为探针，其中模场以振荡场形式传输，具有极高的能量密度，使光与待测样品的相互作用增强，从而有利于探测样品的体参数和生物大分子。

技术领域

本发明涉及物质探测技术领域，具体涉及一种金属包覆波导传感器及其对银胶溶液折射率的检测方法。

背景技术

银纳米颗粒(Silver Nanoparticle)在可见-近红外光波段会产生奇异的光学现象，即局域表面等离子体共振(LSPR)，这一光学性质主要被用于SERS检测，其得到的拉曼光谱具有极高的信噪比。除了LSPR光学性质外，银纳米颗粒还具备杀菌抗感染的药学作用，并且其抗菌能力非常强大，远强于现在大量使用的抗生素药物，可在数分钟内杀死650多种细菌，广谱杀菌且无任何的耐药性。尤其针对目前出现的“超级细菌(Superbug)”严重威胁现代医学防护体系，纳米银这种天然抗菌剂拥有十分诱人的前景，吸引了许多科研人员的关注。尽管迄今为止研究人员对纳米银的抗菌机理还没有达成共识，但是比较认可的观点是纳米银颗粒与病原菌的细胞壁/膜结合后，能直接进入菌体、迅速与氧代谢酶的巯基(-SH)结合，使酶失活，阻断呼吸代谢使其窒息而死。因此，探索开发一种能够检测纳米银颗粒与生物大分子之间相互作用的生物传感器，对研究纳米银的药理作用具有重要的意义。

SPR分析技术在美、英、日等国掀起了新的研究热潮，每年都有两千多篇论文发表。SPR生物传感器作为一种强有力的动态检测手段，与传统检测手段比较，具有实时检测、无需标记、耗样量较少等突出优点，在生物工程、医学、食品工业等多个领域都有广阔的应用前景。但是，针对表面等离子共振(SPR)技术的研究发现，由于表面等离子波传输于金属与介质之间的界面上，而金属对可见和红外波段的光有吸收，衰减全反射曲线共振吸收峰的半高全宽(FWHM)较大，严重地限制了SPR传感器的探测灵敏度。其次，传播于金属与样品表面的光场呈指数衰减形式(倏逝场)，探测深度仅为200nm左右，使该技术不仅需要复杂的固相偶联过程，而且无法探测微米尺度的病毒、细菌或细胞。另外，SPR的有效折射率必须大于样品的折射率，造成较大的共振群速度，降低了光与样品的相互作用时间和距离。

基于SPR的折射率传感的实验原理如图1所示，SPR传感器的组成如下：在玻璃棱镜底部沉积一层约50nm厚的银膜，就构成一个最简单地SPR传感器。SPR传感器是通过金属样品界面处的消逝场与物质的相互作用，来反应出样品的相关信息。

SPR波导的截面如图2所示，假定棱镜、银膜和样品的介电常数分别是ε_S0，ε_S1和ε_S2，则其本征方程为：

式中，k₀＝2π/λ是自由空间中的波数，是导模的传播常数。

根据SPR波导的模式本征方程，只要知道耦合角θ的值，原则上就可计算出样品的折射率。

利用SPR传感器测量银胶溶液的折射率的结果发现：利用SPR技术无法测量金属纳米粒子溶液的有效折射率，因为溶液的有效折射率是一个体参数，而SPR有限的探测深度不能胜任，更加严重的是，金属纳米粒子会附着在SPR的金属膜表面，从而改变金属膜的厚度，给出完全错误的实验结果。对于银胶这类具有微小颗粒的溶液来说，SPR传感器中由于颗粒的吸附作用会改变金属膜的厚度，进而导致耦合条件发生变化，使其无法用于检测样品的折射率等参数。

发明内容