一种纳米柱传感器、折射率检测装置及方法与流程

文档序号:16541556发布日期:2019-01-08 20:27
一种纳米柱传感器、折射率检测装置及方法与流程

本发明涉及折射率探测领域,尤其涉及一种纳米柱传感器、折射率检测装置及方法。



背景技术:

随着科学技术的不断发展,基于金属的纳米等离子体结构,例如金和银纳米结构被广泛应用于折射率探测领域。这是由于这种结构能够发生局部表面等离子体共振(Localized Surface Plasmon Resonance,LSPR),即入射光线与金属纳米等离子体之间相互作用增强而产生的现象,传感的关键机制是金属纳米粒子散射光谱对折射率变化敏感。但是,由于金属纳米等离子体的等离子体激元在金属中经受耗散损失,导致宽共振,最终导致由金属纳米等离子结构构成的折射率传感器的敏感度受到限制。



技术实现要素:

本说明书实施例提供一种纳米柱传感器、折射率检测装置及方法。

本说明书实施例的第一方面,提供一种纳米柱传感器,所述传感器包括:

衬底和设置在所述衬底上的多个传感单元;

所述多个传感单元在所述衬底上以预设间隔周期分布;

所述多个传感单元中的每个传感单元包括多个纳米柱;

其中,入射光照射到所述多个传感单元上时,根据所述多个传感单元产生的磁共振信号来确定所述纳米柱传感器所在空间的背景折射率。

可选地,所述多个传感单元沿第一方向以及第二方向呈阵列式周期分布,所述第一方向与所述第二方向垂直,其中,在所述第一方向上相邻的两个传感单元之间的距离满足第一距离范围,在所述第二方向上相邻的两个传感单元之间的距离满足第二距离范围。

可选地,所述每个传感单元包括两个纳米柱。

可选地,所述两个纳米柱之间的距离小于30nm。

可选地,所述纳米柱为圆柱形。

可选地,所述两个纳米柱的底面直径相同,且所述直径的范围为50nm~300nm。

可选地,所述衬底为折射率小于一阈值的衬底。

本说明书实施例的第二方面,提供一种折射率检测装置,所述折射率检测装置包括:

光源和如本说明书实施例第一方面提供的纳米柱传感器;

所述纳米柱传感器位于目标空间内;

所述光源产生的入射光射入到所述纳米柱传感器中;

所述纳米柱传感器用于检测所述目标空间的背景折射率。

可选地,所述折射率检测装置还包括:

控制器,与所述光源连接,用于控制所述光源产生预设偏振方向的入射光,以使所述纳米柱传感器基于所述预设偏振方向的入射光检测所述背景折射率。

本说明书实施例的第三方面,提供一种背景折射率的确定方法,所述方法应用于本说明书实施例第一方面提供的纳米柱传感器中,所述纳米柱传感器设置在目标空间中,所述方法包括:

在入射光照射到所述纳米柱传感器的多个传感单元上时,获取所述多个传感单元产生的磁共振信号;

根据所述磁共振信号,确定所述目标空间的背景折射率。

本说明书实施例有益效果如下:

本说明书实施例提供一种纳米柱传感器,所述传感器包括:衬底、设置在所述衬底上的多个传感单元;所述多个传感单元在所述衬底上以预设间隔周期分布;所述多个传感单元中的每个传感单元包括多个纳米柱;其中,入射光照射到所述多个传感单元上时,根据所述多个传感单元产生的磁共振信号来确定所述纳米柱传感器所在空间的背景折射率。上述方案中,传感器由纳米材料构成,由于纳米材料相较于金属纳米等离子体来说,固有损耗较低,因此传感器的敏感度有了显著提升,且本说明书实施例中的纳米柱传感器结构简单,易于实现。

附图说明

通过阅读下文优选实施方式的详细描述,各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选实施方式的目的,而并不认为是对本发明的限制。而且在整个附图中,用相同的参考符号表示相同的部件。在附图中:

图1为本说明书实施例提供的一种纳米柱传感器的示意图;

图2为本说明书实施例提供的另一种纳米柱传感器的示意图;

图3为本说明书实施例示出的纳米柱传感器产生的磁共振峰与背景折射率之间的关系示意图;

图4为本说明书实施例示出的纳米柱传感器在不同偏振光下的敏感度与分布周期之间的关系示意图;

图5为本说明书实施例提供的一种折射率检测装置的示意图。

具体实施方式

为了更好的理解上述技术方案,下面通过附图以及具体实施例对本说明书实施例的技术方案做详细的说明,应当理解本说明书实施例以及实施例中的具体特征是对本说明书实施例技术方案的详细的说明,而不是对本说明书技术方案的限定,在不冲突的情况下,本说明书实施例以及实施例中的技术特征可以相互组合。

如图1所示,为本说明书实施例提供的一种纳米柱传感器的示意图,该纳米柱传感器包括:衬底11、设置在衬底11上的多个传感单元12;多个传感单元12在衬底11上以预设间隔周期分布;多个传感单元12中的每个传感单元包括多个纳米柱121;其中,入射光照射到多个传感单元12上时,根据多个传感单元12产生的磁共振信号来确定纳米柱传感器所在空间的背景折射率。

本说明书实施例中,纳米柱的材料可以根据实际进行选择,在一个实施例中,纳米柱的材料为高折射率介质材料,例如,纳米柱为硅纳米柱、砷化镓纳米柱、锗纳米柱、氧化钛纳米柱等。

本说明书实施例中,衬底11的形状和厚度可以根据实际需要进行设定,在一个实施例中,衬底11可以为石英衬底。衬底11上以预设间隔周期分布有多个传感单元12,周期分布是指多个传感单元12按照一预设规律进行分布。例如,多个传感单元12在衬底11上沿水平方向按照一预设间隔分布设置,或者,多个传感单元12在衬底11上按照一预设间隔呈圆环状分布等等,预设间隔可以根据需要进行设定,这里不做限定。每个传感单元中包含多个纳米柱121,纳米柱121的形状可以根据实际需要进行设定,例如,纳米柱可以为圆柱形,也可以为条形柱,多个纳米柱之间的形状可以相同也可以不同。纳米柱121的高度和大小也可以根据需要来进行设定,在一个实施例中,纳米柱121的高度和大小均为纳米量级,多个纳米柱之间的高度和大小可以相同也可以不同。

应理解的是,背景折射率为纳米柱传感器所在空间的折射率,在一个实施例中,纳米柱传感器被置于一溶液中,那么背景折射率即为该溶液的折射率。在检测背景折射率时,光源产生的入射光经过纳米柱传感器所在空间照射到多个传感单元12上,入射光与多个传感单元12中的纳米柱相互作用,产生电磁响应形成磁共振现象,得到谐振波,由于不同折射率下的磁共振峰的位置也不同,因此,可以通过检测磁共振峰的位置来确定空间的背景折射率。举例来说,当溶液的浓度发生变化时,其折射率也会发生变化,可以根据磁共振峰的位置与折射率的对应关系来确定不同浓度下的溶液折射率。

可选地,多个传感单元12在所述衬底上呈阵列式周期分布。应理解的是,阵列式周期分布指的是多个传感单元沿两个方向设置,这两个方向为相交的,且在每个方向上均按照一定规律进行分布。例如,多个传感单元12分别沿方向a和方向b设置,且在方向a上,每相邻的两个传感单元间隔为c,在方向b上,没相隔的两个传感单元间隔为d。

可选地,多个传感单元12沿第一方向以及第二方向呈阵列式周期分布,所述第一方向与所述第二方向垂直,其中,在第一方向上相邻的两个传感单元之间的距离满足第一距离范围,在第二方向上相邻的两个传感单元之间的距离满足第二距离范围。

本说明书实施例中,可以在衬底11上建立一直角坐标系,第一方向为直角坐标系的x轴方向,第二方向为直角坐标系的y轴方向。如图2所示,在x轴方向上,相邻的两个传感单元之间的距离均相等,且满足第一预设距离范围,在y周方向上,相邻的两个传感单元之间的距离均相等,且满足第二预设距离范围。在一个实施例中,在x轴方向上,相邻的两个传感单元之间的距离均为600nm,在y轴方向上,相邻的两个传感单元之间的距离均为340nm。第一预设范围与第二预设范围可以根据实际需要进行设定,在一个实施例中,每个传感单元中包含有两个圆柱形纳米柱,两个纳米柱之间的距离为g,纳米柱的底面半径为r,第一预设距离范围为大于g+4r的范围,第二预设距离范围为大于2r的范围。

可选地,每个传感单元包括两个纳米柱。两个纳米柱的形状、大小、间隔可以根据需要进行设定,在一个实施例中,两个纳米柱的形状均为圆柱形,两个纳米柱的底面直径相同,且所述直径的范围为50nm~300nm,两个纳米柱之间的距离小于30nm。

可选地,衬底11为折射率小于一阈值的衬底,阈值可以根据实际需要进行设定,例如,阈值为2,那么衬底11的材料可以为折射率小于2的材料。

为了更好的理解对本说明书实施例提供的纳米柱传感器,下面以硅纳米柱传感器为例来对纳米柱传感器的性能进行说明。在该实施例中,纳米柱传感器为硅纳米硅传感器,硅纳米柱传感器的多个传感单元在衬底上沿直角坐标系的x轴方向以及y轴方向呈阵列式周期分布,其中,在x轴方向上传感单元之间的间隔为600nm,在y轴方向上传感单元之间的间隔为340nm,每个传感单元包含两个圆柱形硅纳米柱,硅纳米柱的高度为220nm,两个硅纳米柱之间的间隔为20nm,硅纳米柱的高度为220nm。

应理解的是,对于纳米柱传感器来说,传感单元的分布周期以及入射光的偏振方向是影响传感器的敏感度的重要因素,因此,可以根据这两个参数来检测硅纳米柱传感器的性能。

当入射光的偏振方向与上述直角坐标系中的y轴相同时,即入射光为y偏振光时,硅纳米柱传感器产生的磁共振峰与背景折射率之间的关系如图3所示。图3中,横坐标为波长,纵坐标为透射系数,即入射光透过硅纳米柱的光通量与入射量的比值,透射率出现波谷的位置即为磁共振峰的位置。由图3可知,当背景折射率n由1.40变化至1.45时,磁共振峰的位置随着折射率的增加而移动到较长的波长,根据敏感度的公式:敏感度=磁共振波长/磁共振峰的半高全宽,以及FOM(figure of merit,品质因数)的公式:FOM=敏感度/磁共振峰的半高全宽,可以确定出该结构下的硅纳米柱传感器的敏感度为559nm/RIU,FOM为52.8。

如图4所示,为本说明书实施例示出的硅纳米柱传感器在不同偏振光下的敏感度与分布周期之间的关系,在图4中,横坐标为传感单元在x轴方向上的间隔Px,纵坐标为硅纳米柱传感器的敏感度,Py为传感单元在y轴方向上的间隔。如图4中的a图所示,入射光的偏振方向与上述直角坐标系中的x周相同,即入射光为x偏振光。如图4中的b图所示,入射光为y偏振光。有图4可知,硅纳米柱传感器的敏感度随Px的增加而增加,并且硅纳米柱传感器对y偏振光的敏感度比对x偏振光的敏感度更高一些,这是由于y偏振光与硅纳米柱相互作用时产生的局部场增强更强一些。

基于同一发明构思,本说明书实施例还提供一种折射率检测装置,如图5所示,该折射率检测装置包括:

光源、如本说明书实施例第一方面提供的纳米柱传感器;

所述纳米柱传感器位于目标空间内;

所述光源产生的入射光由所述目标空间射入到所述纳米柱传感器中;

所述纳米柱传感器用于检测所述目标空间的背景折射率。

本说明书实施例中,光源可以根据实际需要进行选择,在一个实施例中,光源能够产生波长为50~300nm的入射光。入射光经过目标空间照射到纳米柱传感器中,以使纳米柱传感器中的纳米柱与入射光相互作用,产生磁共振,通过磁共振峰来确定目标空间的背景折射率。

可选地,所述折射率检测装置还包括:控制器,与所述光源连接,用于控制所述光源产生预设偏振方向的入射光,以使所述纳米柱传感器基于所述预设偏振方向的入射光检测所述背景折射率。

控制器可以控制光源产生不同偏振方向的入射光,预设偏振方向可以根据实际需要进行设定,如x偏振光、y偏振光等。

基于同一发明构思,本说明书实施例还提供一种背景折射率的确定方法,所述方法应用于本说明书实施例第一方面提供的纳米柱传感器中,所述纳米柱传感器设置在目标空间中,所述方法包括:

在入射光照射到所述纳米柱传感器的多个传感单元上时,获取所述多个传感单元产生的磁共振信号;

根据所述磁共振信号,确定所述目标空间的背景折射率。

尽管已描述了本发明的优选实施例,但本领域内的普通技术人员一旦得知了基本创造性概念,则可对这些实施例做出另外的变更和修改。所以,所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本发明范围的所有变更和修改。

显然,本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样,倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内,则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

再多了解一些
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