一种表面等离子增强荧光成像传感器及其测量方法与流程

本发明涉及传感器及传感技术领域，具体为一种表面等离子增强荧光成像传感器及其测量方法。

背景技术：

光照射到荧光标记的生物化学分子时，光的能量使荧光标记里某些原子核周围的一些电子从基态跃迁到第一激发单线态或第二激发单线态等不稳定单线态，之后迅速恢复基态，同时以光的形式发射能量，从而产生荧光。在一定波长的p-偏振光束通过棱镜耦合器将能量耦合进入金属薄膜-介质界面处倏逝波的条件下，当入射角固定为表面等离子共振(surfaceplasmonresonance，简称为spr)角度时，界面附近电磁场被极大增强，由此引起的界面附近荧光标记产生的荧光信号得到增强，这种现象称为表面增强荧光(surfaceplasmonenhancedfluorescence，简称为spef)。

以棱镜为耦合器、采用介质-金属-介质多层结构可以激发长程表面等离子共振(longrangespr，简称为lrspr)，其中金属两侧的介质分别为被检测介质和折射率匹配介质。当金属两侧介质折射率相近时可以实现长程表面等离子增强荧光(longrangesurfaceplasmonenhancedfluorescence，简称为lrspef)，场增强系数较传统spr模式高3.625倍，lrspef信号峰值强度比传统的spef高4.4倍，但是却无法进一步的提高入射光耦合进入倏逝波的能量，从而无法进一步提高了金属下包被层-折射率匹配介质层界面的场增强系数以及wclrspef信号的强度。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种表面等离子增强荧光成像传感器及其测量方法，以解决现有技术中传感器场增强系数和荧光强度信号低的缺陷。本发明结构简单，通过波导模式和lrspr两种模式的结合进一步提高了入射光耦合进入倏逝波的能量，从而在传统lrspr的基础上进一步提高了金属下包被层-折射率匹配介质层界面的场增强系数以及wclrspef信号的强度。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种表面等离子增强荧光成像传感器，包括：

棱镜；

玻璃基底，所述玻璃基底安装在所述棱镜的底部；

上金属包被层，所述上金属包被层安装在所述玻璃基底的底部；

波导介质层，所述波导介质层安装在所述上金属包被层的底部；

下金属包被层，所述下金属包被层安装在所述波导介质层的底部；

折射率匹配介质层，所述折射率匹配介质层安装在所述下金属包被层的底部；

样品池，所述样品池安装在所述折射率匹配介质层的底部。

优选的，所述棱镜的折射率为1.7761@980nm。

优选的，所述玻璃基底为zf3玻璃基底。

优选的，所述上金属包被层的厚度为30nm，折射率为0.04+6.9624i@980nm。

优选的，所述下金属包被层的厚度为30nm，折射率为0.04+6.9624i@980nm。

优选的，所述波导介质层采用特氟龙制成，厚度为3μm，折射率为1.35@980nm。

优选的，所述折射率匹配介质层采用特氟龙，折射率为1.35@980nm，厚度为200nm。

一种表面等离子增强荧光成像传感器的测量方法，具体包括如下步骤：

s1：材料：第一准直器、激光器、偏振片、透镜、单元光电探测器、第二准直器、滤光片、聚焦透镜、光电倍增管、前置放大器和计算机；

s2：安装连接：将所述第一准直器安装到所述样品池的底部，通过单模光纤将所述第一准直器和第二准直器，所述单元光电探测器通过数据线与所述计算机，所述前置放大器通过数据线与所述计算机连接。

s3：信号采集：所述激光器输出光束依次经过所述偏振片和所述透镜准直后入射所述棱镜与所述玻璃基底的界面，并在此界面反射进入所述单元光电探测器，所述单元光电探测器的信号输入到所述计算机内，样品池底部与第一准直器接触，用于收集氟化钇钠单纳米粒子层发射荧光，收集得到的荧光信号经单模光纤传递至第二准直器；

s4：信号输出：收集得到的荧光信号经单模光纤传递至第二准直器后，经滤光片和聚焦透镜聚焦后入射光电倍增管，采集的信号经前置放大器放大后由计算机采集。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明提出一种新型波导耦合长程表面等离子增强荧光传感器结构，传感器结构包括基底、上包被层、波导介质层、金属下包被层、折射率匹配介质层，其中上包被层、波导介质层和金属下包被层形成波导结构，用于产生波导模式激发lrspr现象，折射率匹配介质层和波导介质层折射率接近，两者和金属下包被层组成lrspr结构，用于实现wclrspef，由于波导模式和lrspr均可实现高比例的入射光能量耦合，两种模式的结合进一步提高了入射光耦合进入倏逝波的能量，从而在传统lrspr的基础上进一步提高了金属下包被层-折射率匹配介质层界面的场增强系数以及wclrspef信号的强度。

附图说明

图1为本发明结构示意图；

图2为本发明测量方法结构示意图；

图3为本发明测量方法流程图；

图4为本发明wclrspr结构共振角度和强度随样品折射率变化的响应曲线图；

图5为本发明wclrspr结构在共振角度下垂直各层界面方向的电场强度分布图；

图6为本发明不同检测物介质折射率对应的场增强系数图；

图7为本发明wclrspef信号峰值信号图。

图中：1棱镜、2玻璃基底、3上金属包被层、4波导介质层、5下金属包被层、6折射率匹配介质层、7样品池、8第一准直器、9激光器、10偏振片、11透镜、12单元光电探测器、13第二准直器、14滤光片、15聚焦透镜、16光电倍增管、17前置放大器、18计算机。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明提供一种表面等离子增强荧光成像传感器，由于波导模式和lrspr均可实现高比例的入射光能量耦合，两种模式的结合进一步提高了入射光耦合进入倏逝波的能量，从而在传统lrspr的基础上进一步提高了金属下包被层-折射率匹配介质层界面的场增强系数以及wclrspef信号的强度，请参阅图1，包括棱镜1、玻璃基底2、上金属包被层3、波导介质层4、下金属包被层5、折射率匹配介质层6和样品池7；

请再次参阅图1，棱镜1的折射率为1.7761@980nm；

请再次参阅图1，玻璃基底2安装在棱镜1的底部，玻璃基底2为zf3玻璃基底，将zf3玻璃基底通过体积比为1:4的乙醇-乙醚混合液超声清洗2小时，清洁其表面后放入电子束蒸镀仪器中抽真空使气压值降至10-6毫托；以0.01nm每秒的蒸镀速率蒸镀金材料作为上包被层后以3500转/分的转速旋转涂覆特氟龙作为折射率可调介质层，厚度为3微米；之后放入电子束蒸镀仪器中抽真空使气压值降至10-6毫托，以0.08nm每秒的蒸镀速率蒸镀银材料作为下金属包被层；以3500转/分的速度旋转涂覆特氟龙材料作为折射率匹配介质层，厚度为200纳米；采用物理吸附法在特氟龙表面固定氟化钇钠单纳米粒子层；

请再次参阅图1，上金属包被层3安装在玻璃基底2的底部，上金属包被层3厚度为30nm，折射率为0.04+6.9624i@980nm；

请再次参阅图1，波导介质层4安装在上金属包被层3的底部，波导介质层4采用特氟龙制成厚度为3μm，折射率为1.35@980nm；

请再次参阅图1，下金属包被层5安装在波导介质层4的底部，下金属包被层5的厚度为30nm，折射率为0.04+6.9624i@980nm；

请再次参阅图1，折射率匹配介质层6安装在下金属包被层5的底部，折射率匹配介质层6采用特氟龙，折射率为1.35@980nm，厚度为200nm；

请再次参阅图1，样品池7安装在折射率匹配介质层6的底部。

工作原理，以玻璃为基底，采用电光效应材料作为折射率调节介质层的波导耦合长程表面等离子增强荧光传感器结构及电场强度增强系数的计算，波导耦合长程表面等离子增强荧光传感器的核心部件之一是表面等离子增强荧光传感芯片。图1所示表面等离子增强荧光传感芯片包括上金属包被层3、波导介质层4、下金属包被层5、折射率匹配介质层6和样品池7，芯片可以制备在棱镜1或者玻璃基底2上，折射率匹配介质层6的下表面处设置样品池7，距离折射率匹配介质层6的下表面与样品池7之间留有一定间隙，计算中，波长为980nm，棱镜1折射率为1.7761@980nm；上金属包被层3和下金属包被层5厚度均为30nm，折射率为0.04+6.9624i@980nm，采用特氟龙制成波导介质层4厚度为3μm，折射率为1.35@980nm，折射率匹配介质层厚度为200nm，折射率为1.35@980nm，表面荧光化合物为氟化钇钠单纳米粒子层，样品池中样品折射率为1.333，由fresnel定理，wclrspr反射光功率表达式如1-1。

其中ri，i+1是相邻层界面处的反射率，di是每层的厚度，k0x是棱镜内平行界面的波矢分量，λ是入射光波长，θ是入射角度，kz，i是每层垂直界面的波矢分量，ni是每层的折射率，下标i为0到5时依次分别代表棱镜1、上金属包被层3、波导介质层4、下金属包被层5、折射率匹配介质层6和样品池7，图4示出了本实施例的wclrspr结构共振角度和强度随样品层折射率变化的响应曲线。当入射角为wclrspr结构共振角度θ0时，上金属包被层3、波导介质层4、下金属包被层5、折射率匹配介质层6和样品池7内的电磁场分布表达式如式1-2，

其中ei是每层电场矢量，hi是每层磁场矢量，xy平面平行于各层界面，z方向垂直于各层界面，电场矢量和磁场矢量的x，i、y，i和z，i下标分别代表不同层内电场矢量和磁场矢量在x、y和z方向的分量，rot表示计算矢量的旋度，div表示计算矢量的散度，c为光在真空中传播速度，εi是每层介电常数，k0x是棱镜内平行界面的波矢分量，λ是入射光波长，kz，i是每层垂直界面的波矢分量，ni是每层的折射率。下标i为0到5时依次分别代表棱镜1、上金属包被层3、波导介质层4、下金属包被层5、折射率匹配介质层6和样品池7。在相邻层的边界处，上述电场和磁场分量遵循连续性定理，表达式如式1-3，

将式1-3代入式1-2得到本实施例的wclrspr结构在共振角度下垂直各层界面方向的电场强度分布如图5所示，其中深度为0处为棱镜1或玻璃基底2与上金属包被层3的界面，不同检测物介质折射率对应的场增强系数如图6所示。

本发明还提供一种表面等离子增强荧光成像传感器的测量方法，具体包括如下步骤：

s1：材料：第一准直器8、激光器9、偏振片10、透镜11、单元光电探测器12、第二准直器13、滤光片14、聚焦透镜15、光电倍增管16、前置放大器17和计算机18；

s2：安装连接：将第一准直器8安装到样品池7的底部，通过单模光纤将第一准直器8和第二准直器13，单元光电探测器12通过数据线与计算机18，前置放大器17通过数据线与计算机18连接。

s3：信号采集：激光器9输出光束依次经过偏振片10和透镜11准直后入射棱镜1与玻璃基底2的界面，并在此界面反射进入单元光电探测器12，单元光电探测器12的信号输入到计算机18内，样品池7底部与第一准直器8接触，用于收集氟化钇钠单纳米粒子层发射荧光，收集得到的荧光信号经单模光纤传递至第二准直器13；

s4：信号输出：收集得到的荧光信号经单模光纤传递至第二准直器13后，经滤光片14和聚焦透镜15聚焦后入射光电倍增管16，采集的信号经前置放大器17放大后由计算机18采集。

实施例

以玻璃为基底，采用特氟龙作为波导介质层的波导耦合长程表面等离子增强荧光传感器结构制备以及spef信号检测结果，wclrspr器件制备方法如下：将zf3玻璃基底层通过体积比为1:4的乙醇-乙醚混合液超声清洗2小时，清洁其表面后放入电子束蒸镀仪器中抽真空使气压值降至10-6毫托；以0.01nm每秒的蒸镀速率蒸镀金材料作为上包被层后以3500转/分的转速旋转涂覆特氟龙作为折射率可调介质层，厚度为3微米；之后放入电子束蒸镀仪器中抽真空使气压值降至10-6毫托，以0.08nm每秒的蒸镀速率蒸镀银材料作为下金属包被层；以3500转/分的速度旋转涂覆特氟龙材料作为折射率匹配介质层，厚度为200纳米，采用物理吸附法在特氟龙表面固定氟化钇钠单纳米粒子层。荧光探测装置如图2所示，将上述器件固定于zf3玻璃为材料的棱镜1上，两者之间以折射率为1.7761@980nm的折射率匹配液填充，样品池7底部与第一准直器8接触，用于收集氟化钇钠单纳米粒子层发射荧光，上述所有装置固定在转台上，收集得到的荧光信号经单模光纤传递至第二准直器13后，经滤光片14和聚焦透镜15聚焦后入射光电倍增管16，采集的信号经前置放大器17放大后由计算机18采集，转台转动、单元光电探测器12的反射光强度采集由计算机18完成，以波长为980纳米的横磁偏振光为入射光，以0.01度为步长转动转台并记录单元光电探测器12的反射光角度谱，计算wcslrpr模式对应的入射角度后将转台转动至该角度，记录不同检测介质折射率条件下前置放大器17得到的wclrspef信号，峰值信号如图7所示。

虽然在上文中已经参考实施例对本发明进行了描述，然而在不脱离本发明的范围的情况下，可以对其进行各种改进并且可以用等效物替换其中的部件。尤其是，只要不存在结构冲突，本发明所披露的实施例中的各项特征均可通过任意方式相互结合起来使用，在本说明书中未对这些组合的情况进行穷举性的描述仅仅是出于省略篇幅和节约资源的考虑。因此，本发明并不局限于文中公开的特定实施例，而是包括落入权利要求的范围内的所有技术方案。