一种介质纳米球阵列微腔粒子传感系统

1.本发明涉及一种介质纳米球阵列微腔粒子传感系统,属于纳米光学传感系统领域。


背景技术：

2.随着科技的发展，人们见证了手机、计算机等逐代更新——功能愈加丰富，而质量、体积则逐步轻薄化。随着微纳光电子器件技术的发展，手机或将集成更多的微纳尺度的器件，用于实现健康监测，食品安全检测等新功能。微纳尺度的光电器件会是未来电子设备的核心元件，这些电子器件的终端我们可以分为两大部分：高性能的传感器见和通讯器件。因此人们对于自由度更高，更灵敏的传感系统的需求越来越大。
3.目前而言，市面上已经存在一些针对pm2.5(或pm1)粒子的检测系统，其检测粒子尺寸分别大于2.5μm(大于1μm)，而针对更小的纳米粒子的检测是未来的发展趋势。这是由于纳米技术的日益发展，目前部分纳米粒子呈现出细胞毒性，也有证据表明吸入纳米结构可能会破坏人们肺功能，因而需对这些纳米级别的粒子实现有效检测。
4.近二十年来，纳米光子学得到了迅猛发展。而通常而言，由于衍射等现象的存在，传统结构的显微系统远远不能实现纳米级别的显微传感，限制了纳米传感的研究范围。回音壁模式(whispering gallery mode,wgm)主要是检测特征尖峰的偏移来获得信息，这种测试手段提供了微米级别的传感信息。然而，对于多个方向汇聚而成的高斯光会产生不一样的特征峰偏移，而且无法轻易的辨别和判断，不易于作为传感系统的一般技术。此外，一般来说，小于2微米的微球无法支持回音壁模式，无法检测到特征尖峰。因此，wgm模式激发仍有待发展，寻求一种自由度更高，传感更灵敏的传感系统。
5.通过将纳米球排列成阵列，其中光能够转换成横向传播导波模式，同样可以支持wgm模式，这种wgm模式中，结构在厚度方向可以比上述2微米的尺寸显著降低，并同样能够实现较大的品质因子。目前文献中报道的结构通常以无限大的周期性结构实现。然而宏观的纳米球阵列难以加工，且不符合集成光学传感的小型化方向。


技术实现要素：

6.技术问题：本发明的目的是提供一种用于纳米级别的有限尺寸介质纳米球阵列的粒子传感系统，解决光路过于杂散，无法获得高灵敏度传感和传统微球光学谐振腔尺寸过大，不便用于集成和纳米级别的传感的问题。
7.技术方案：本发明的一种基于有限尺寸介质纳米球阵列的粒子传感系统包括激励光调控模块、针孔滤波器、棱镜模块、有限尺寸介质纳米球阵列、透明衬底、显微光谱分析模块；激励光顺序通过激励光调制模块、针孔滤波器、棱镜模块为有限尺寸介质纳米球阵列提供宽谱平行光照明，宽谱平行光通过棱镜模块实现特定角度的光激励，并照射在透明衬底上的有限尺寸的介质纳米球阵列上，实现阵列特征尖峰的激发，通过显微光谱分析模块测试有限尺寸的介质纳米球阵列的散射光谱，根据特征尖峰的移动实现传感。
8.其中。
9.所述的激励光调控模块由顺序设置的卤钨灯/氙灯、空间滤波器、棱镜扩束器构成。
10.所述的针孔滤波器的针孔直径为2微米到500微米。
11.所述棱镜模块为耦合棱镜，折射率为1.9-2.3，宽谱平行光在通过棱镜调节入射为25.7
°‑
90
°
。
12.所述的有限尺寸的介质纳米球阵列为直径为10-1000纳米的介质纳米球呈蜂窝状的方式的密集排列，各介质纳米球之间的间隔为2-50纳米，每个介质纳米球阵列单元大小在10纳米-50微米，每个单元含有的介质纳米球数量为9-1000个。
13.所述的介质纳米球的材料包括二氧化硅、氧化铝、氮化硅或氧化钛。
14.所述的透明衬底包括石英衬底、聚二甲基硅氧烷衬底、聚乙烯衬底、聚苯乙烯衬底、氧化铟锡衬底或者掺铝氧化铟衬底。
15.所述的显微光谱分析模块由光谱分析仪、线阵光谱相机、和电脑构成，将特征尖峰的变化光信号转化为电信号进行传感分析。
16.本发明的一种基于有限尺寸介质纳米球阵列的粒子传感系统的测试方法为：
17.第一步：激励光的调控：激励光通过激励光调控模块和针孔滤波器将光束调控为宽谱平行光并聚焦到棱镜模块上，从而达到光学器件的调控以获得特定角度的激励光；
18.第二步：纳米球阵列特征尖峰的激发：使用特定角度的激励光照射到有限尺寸介质纳米球阵列上，通过显微光谱分析模块分析其特征尖峰的位置与形状特征；
19.第三步：微纳粒子的传感：在透明衬底上加入大小为200-400纳米的纳米球；上述得到的特定角度的激励光一部分照射到透明衬底上，另一部分散射入显微光谱分析模块，在显微光谱分析模块中观察第二次得到的特征尖峰；并与未加入待纳米微球前相对照，根据特征尖峰的偏移进行传感分析。
20.有益效果：
21.1.提出纳米量级wgm回音壁模式激发方法，采用介质纳米球的有序排列，将粒子传感单元的高度方向降低至百纳米尺度，尺寸远小于传统的微球等光学谐振腔，且传感单元可实现大的品质因数，为纳米粒子传感提供了一种有益方法。
22.2.提出一种纳米量级的微纳结构粒子传感器，采用单一方向的高效棱镜激励光激发wgm特征尖峰的方案，抑制了杂散光的干扰，可实现高精度，快速，无损的高自由度纳米纳米量级传感检测。
附图说明
23.图1是本发明提出的一种基于有限尺寸介质纳米球阵列的粒子传感系统的示意图。
24.图2是本发明一种基于有限尺寸介质纳米球阵列的粒子传感系统测试流程图。
25.图3是本发明200nm微球阵列传感测试原理示意图。
26.图4是基于直径为200nm的二氧化硅介质纳米球阵列(阵列边长为25mm的正方形)的粒子传感系统示意图；
27.图5是基于直径为100nm的二氧化硅介质纳米球阵列(阵列边长为10mm的正方形)
的粒子传感系统示意图。
28.图中有：激励光调控模块1、卤钨灯/氙灯1.1、空间滤波器1.2、棱镜扩束器1.3、针孔滤波器2、棱镜模块3、透明衬底5、有限尺寸介质纳米球阵列4、显微光谱分析模块6、光谱分析仪6.1、线阵光谱相机6.2、和电脑6.3、200nm的测试微球7、有机溶剂8、混合溶液9、水10、二氧化硅微球层11、聚二甲基硅氧烷印章12。
具体实施方式
29.本发明提出一种有限尺寸介质纳米球阵列的粒子传感系统，利用宽谱平行光照明，并通过棱镜得到特定角度的棱镜激励光在尺寸为200-1000纳米的蜂窝状密排的微球阵列上激发特征尖峰，通过显微光谱分析模块测试有限尺寸纳米球阵列的散射光谱，根据特征尖峰的移动实现传感。该系统特色是将粒子传感单元的高度方向降低至百纳米尺度，尺寸远小于传统的微球等光学谐振腔，且传感单元可同时实现大的品质因数，联同棱镜的大角度入射及显微光路的竖直接收，可显著减低系统杂散光，实现纳米尺度的高灵敏传感，为纳米量级粒子传感系统研究提供了一种有效的研究方法。
30.本发明是一种有限尺寸介质纳米球阵列的粒子传感系统，该传感系统包括激励光调控模块、针孔滤波器、棱镜模块、有限尺寸介质纳米球阵列、透明衬底、显微光谱分析模块；激励光调控模块和针孔滤波器为介质纳米球阵列提供宽谱平行光照明，宽谱平行光通过棱镜模块实现特定角度的光激励，并照射在有限尺寸的介质纳米球阵列上，实现阵列特征尖峰的激发，通过显微光谱分析模块测试有限尺寸纳米球阵列的散射光谱，根据特征尖峰的移动实现传感。
31.以下结合附图对本发明的技术方案作进一步描述。如图1所示，本发明是一种有限尺寸介质纳米球阵列的粒子传感系统，该传感系统包括激励光调控模块1、针孔滤波器2、棱镜模块3、有限尺寸介质纳米球阵4、透明衬底5、显微光谱分析模块6；激励光调控模块1由卤钨灯/氙灯1.1、空间滤波器1.2、棱镜扩束器1.3构成。激励光调制模块与针孔滤波器2共同为介质纳米球阵列4提供宽谱平行光照明，宽谱平行光通过棱镜模块3实现特定角度的光激励，并照射在透明衬底5上的有限尺寸的介质纳米球阵列4上，实现阵列特征尖峰的激发，通过显微光谱分析模块6中的光谱分析仪6.1、线阵光谱相机6.2、和电脑6.3测试有限尺寸纳米球阵列的散射光谱，根据特征尖峰的移动实现传感。
32.激励光调控模块1由卤钨灯/氙灯1.1、空间滤波器1.2、棱镜扩束器1.3构成。针孔滤波器2的针孔直径为2微米-500微米；棱镜模块3为耦合棱镜，折射率为1.9-2.3，宽谱平行光在通过棱镜调节入射为25.7
°‑
90
°
。有限尺寸介质纳米球阵列4为直径为200-1000nm的二氧化硅介质纳米球呈边长为25mm-50mm的正方形的方式的有序排列；显微光谱分析模块6由光谱分析仪6.1、线阵光谱相机6.2、和电脑6.3构成，将特征尖峰的变化(光信号)转化为电信号进行传感分析。
33.下面结合图2说明仪器的工作流程：
34.第一步：激励光的调控：通过激励光调控模块1和针孔滤波器2将光束调控为宽谱平行光并聚焦到棱镜上3，从而达到光学器件的调控以获得特定角度的激励光；
35.第二步：纳米球阵列特征尖峰的激发：使用特定角度的激励光照射介质纳米球阵列4上，通过显微光谱分析模块6分析其特征尖峰的位置与形状特征。
36.第三步：微纳粒子的传感：在透明衬底5上加入大小为200-400nm的纳米微球。上述得到的棱镜激励光一部分照射到透明衬底5上，另一部分散射入显微光谱分析模块6。在显微光谱分析模块中观察第二次得到的特征尖峰；并与未加入待纳米微球前相对照，根据特征尖峰的偏移进行传感分析。
37.实施例1：
38.尺寸为200nm纳米阵列微球的制备与转移：如图3所示，微球的处理和转移使用聚二甲基硅氧烷印章法完成。图中所述的聚二甲基硅氧烷印章为周期100微米，有效面积＞25
×
25mm2，排布方式为正方形，线宽＜1μm，高度为1μm的聚二甲基硅氧烷印章。图中所述的二氧化硅为求溶液为上层的正硅酸乙酯，乙醇等有机溶剂一定比例下混合和下层的水溶液混合而成。在有机溶剂挥发后可得到在液面分界处得到一层二氧化硅微球单分子薄膜，通过聚二甲基硅氧烷印章可将其复刻到透明衬底7上而不损坏其原有结构以获得尺寸为200nm的纳米阵列微球。
39.如图4所示激励光调控模块由卤钨灯/氙灯、空间滤波器、棱镜扩束器构成组合。针孔滤波器的针孔直径为50微米；棱镜模块为耦合棱镜，折射率为2，宽谱平行光在通过棱镜调节入射为25.7
°‑
90
°
。有限尺寸介质纳米球阵列为直径为200nm的二氧化硅介质纳米球呈边长为25mm的正方形的方式的有序排列；显微光谱分析模块由光谱分析仪、线阵光谱相机、和电脑构成，将特征尖峰的变化(光信号)转化为电信号进行传感分析。以聚合物小球为例，在聚合物小球加入到检测系统中时，在wgm模式下可以在光谱分析仪中观察到特征尖峰的偏移以实现传感应用。激励光调控模块和针孔滤波器为介质纳米球阵列提供宽谱平行光照明，宽谱平行光通过棱镜模块实现特定角度的光激励，并照射在有限尺寸的介质纳米球阵列上，实现阵列特征尖峰的激发，通过显微光谱分析模块测试有限尺寸纳米球阵列的散射光谱，根据特征尖峰的移动实现传感。
40.实施例2：
41.如图5所示，该系统为25个100纳米的二氧化硅介质微球呈正方形的有序排列。所示的激励光调制模块由卤钨灯、空间滤波器、棱镜扩束器组成，为系统提供宽谱平行光。针孔滤波器的真空直径为25微米；棱镜为折射率为2.3的耦合棱镜，宽谱平行光在入射角度25.7
°‑
90
°
的范围内入射棱镜。有限尺寸介质纳米球阵列为直径为100nm的二氧化硅介质纳米球呈边长为10mm的正方形的方式的有效排列；显微光谱分析模块由光谱分析仪、线阵光谱相机、和电脑构成，将特征尖峰的变化(光信号)转化为电信号进行传感分析。在传感系统中加入尺寸为200nm的待检测聚合物微球，在wgm模式下在显微光谱分析模块中观察到明显的特征峰偏移以获得传感信息。