表面等离激元的开口方环谐振腔的葡萄糖溶液测量装置

技术领域

本发明涉及微纳传感领域，具体是一种表面等离激元的开口方环谐振腔的葡萄糖溶液测量装置。

背景技术

表面等离激元是在金属与电介质分界面上，通过光与金属表面的自由电子相互耦合激发并产生的一种电磁倏逝波，可以突破光的衍射极限，表面等离激元在亚波长尺寸下的传感领域具有广阔的应用前景。在2003年，Chao Chung Yen团队提出基于尖锐不对称共振聚合物微环的生物传感器，并将该传感器用于葡萄糖浓度检测，通过纳米压印技术制备了聚苯乙烯微环谐振器，并在不同浓度的葡萄糖溶液中测量了光谱，得出共振波长的变化和归一化透射强度的变化与葡萄糖溶液的浓度成线性关系。

《Optics Communications》在2017年465卷第125614页上登载了

“A nanosensor with ultra-high FOM based on tunable malleable multipleFano resonances in a waveguide coupled isosceles triangular resonator ”一文，Wang Shuo 团队提出由金属-绝缘体-金属（MIM）波导中间的金属挡板与等腰三角形腔耦合的等离子体结构，实现了三重Fano共振，该传感器灵敏度高达120nm/RIU。近数十年一系列的液体传感器相继被提出，但他们制备成本高、较差的易用性和较低的灵敏度等技术瓶颈，依然限制了生物传感器的发展与应用。

目前大部分应用在液体测量的传感器，尤其在葡萄糖溶液浓度测量的生物传感器主要集中在倏逝耦合与提高灵敏度方面的研究，对于高灵敏度的多重Fano共振生物传感技术的研究较少。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术的不足，而提供一种表面等离激元的开口方环谐振腔的葡萄糖溶液测量装置。这种测量装置能够确定亚波长约束的同时改进当前SPPs波导器件生物传感灵敏度较低的缺陷，且结构简单、易于制备。

实现本发明的技术方案是：

一种表面等离激元的开口方环谐振腔的葡萄糖溶液测量装置，包括自下而上依次叠接的二氧化硅基底层和银纳米层，所述银纳米层的中部设有有互相垂直且相通的两个直波导构成的呈T形状的T型波导，T型波导的一个直波导的内边上设有向内朝向的呈方形的凸起枝节，凸起枝节的旁边设有呈不闭合正方形状的腔体即腔体带开口，开口正对凸起枝节，腔体与T型波导不相通，凸起枝节与T型波导相通，腔体与T型波导和凸起枝节中填充有待测液体即不同浓度的葡萄糖溶液，葡萄糖溶液具有较好感测特性，是较好的溶液测量感应材料。

所述T型波导的高度与银纳米层的厚度一致。

所述腔体高度与银纳米层的厚度一致。

上述银纳米层与银纳米层中间夹着的葡萄糖溶液构成金属-绝缘体-金属的的表面等离激元Fano共振结构。

所述测量装置采用增加T型波导管与开口方环谐振腔的耦合强度，实现透射光谱出现尖锐且不对称的Fano共振谱线，Fano共振谱线对结构参数和周围环境的异常灵敏，实现传感的超分辨率。

上述测量装置中的二氧化硅基底层通过溶胶-凝胶工艺制作，能确保二氧化硅基底层具有良好的缓冲特性，从而保证产生的SPPs具有较小的损耗。

上述测量装置中的银纳米层是将银膜首先被沉积在二氧化硅基底层上，并采用聚焦离子束刻蚀出带有枝节的T型波导和呈开口方环状的谐振腔腔体。

入射光通过光纤耦合从T型波导一侧进入葡萄糖溶液，出射光从T型波导另一侧输出，通过光功率计对葡萄糖溶液浓度变化前后的输出光的功率进行计算，可实现对葡萄糖浓度变化的检测。

金属Ag较其他金属具有更低的能量损耗，且葡萄糖溶液对金属Ag的光学性质影响较小，葡萄糖溶液作为感测材料，可以将葡萄糖溶液浓度的变化量转化为折射率的变化量，进而影响结构的耦合强度，上述测量装置中通过增加T型波导与腔体谐振腔的耦合强度，使得透射光谱出现尖锐且不对称的Fano共振谱线，且Fano共振谱线对结构参数和周围环境异常灵敏，同时Fano共振谱线的消光光谱可以增大传感的分辨率。

上述测量装置中通过光的耦合激发产生Fano共振谱线是双重的。

上述测量装置中利用不同葡萄糖浓度对耦合强度的影响，进而影响输出光功率的变化，从而最终实现液体测量，这种装置产生的Fano共振谱线具备较高的灵敏度，较强的稳定性且制备简单。

这种测量装置能够确定亚波长约束的同时改进当前SPPs波导器件生物传感灵敏度较低的缺陷，且结构简单、易于制备。

附图说明

图1为实施例的结构示意图。

图中，1.二氧化硅基底层 2.金属银纳米层 3. T型波导4. 凸起枝节 5. 腔体 6开口 7.入射光 8.出射光。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明的内容做进一步阐述，但不是对本发明的限定。

实施例：

参照图1，一种表面等离激元的开口方环谐振腔的葡萄糖溶液测量装置，包括自下而上依次叠接的二氧化硅基底层1和银纳米层2，所述银纳米层2的中部设有有互相垂直且相通的两个直波导构成的呈T形状的T型波导3，T型波导3的一个直波导的内边上设有向内朝向的呈方形的凸起枝节4，凸起枝节4的旁边设有呈不闭合正方形状的腔体5即腔体5带开口6，开口6正对凸起枝节4，腔体5与T型波导3不相通，凸起枝节4与T型波导3相通，腔体5与T型波导3和凸起枝节4中填充有待测液体即不同浓度的葡萄糖溶液，葡萄糖溶液具有较好感测特性，是较好的溶液测量感应材料。

所述T型波导3的高度与银纳米层2的厚度一致。

所述腔体5高度与银纳米层2的厚度一致。

本例银纳米层2与银纳米层2中间夹着的葡萄糖溶液构成金属-绝缘体-金属的的表面等离激元Fano共振结构。

本例测量装置中的二氧化硅基底层1通过溶胶-凝胶工艺制作，能确保二氧化硅基底层1具有良好的缓冲特性，从而保证产生的SPPs具有较小的损耗。

本例测量装置中的银纳米层2是将银膜首先被沉积在二氧化硅基底层1上，并采用聚焦离子束刻蚀出带有枝节的T型波导3和呈开口方环状的谐振腔腔体5。

入射光7通过光纤耦合从T型波导3一侧进入葡萄糖溶液，出射光8从T型波导3另一侧输出，通过光功率计对葡萄糖溶液浓度变化前后的输出光的功率进行计算，可实现对葡萄糖浓度变化的检测。

金属Ag较其他金属具有更低的能量损耗，且葡萄糖溶液对金属Ag的光学性质影响较小，葡萄糖溶液作为感测材料，可以将葡萄糖溶液浓度的变化量转化为折射率的变化量，进而影响结构的耦合强度，本例测量装置中通过增加T型波导3与腔体5谐振腔的耦合强度，使得透射光谱出现尖锐且不对称的Fano共振谱线，且Fano共振谱线对结构参数和周围环境异常灵敏，同时Fano共振谱线的消光光谱可以增大传感的分辨率。