表面等离子增强荧光传感器及折射率变化测量方法与流程

本发明涉及传感器及传感器技术领域，尤其涉及一种表面等离子增强荧光传感器及折射率变化测量方法。

背景技术

光照射到荧光化合物分子时，光的能量使分子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单线态。由于上述单线态等单线态是不稳定的，上述电子会恢复基态，并以光的形式释放能量，从而产生荧光。

现有文献报道表面增强荧光的强度和上述金属薄膜-介质界面处介质一侧电场强度与金属薄膜一侧电场强度的比值，即场增强系数成正比例。从spw穿透深度范围内的平均场增强系数角度分析，以金属薄膜上下两介质表面同时产生的spw耦合激发的长程表面等离子共振模式比传统spr模式高3.625倍，对应的spef信号峰值强度高4.4倍。

上述方法的局限性体现在以下两个方面：

第一，lrspr器件结构复杂，加工材料选择范围比较窄。只有金属两侧介质折射率相近而且金属薄膜厚度接近趋肤深度的条件下才能激发lrspr现象，因此在制备用于激发spef的lrspr器件时，不但需要控制金属薄膜厚度，而且需要选择合适的缓冲层和金属薄膜另一侧介质实现折射率匹配，增加了器件制备和缓冲层材料选取的难度。

第二，lrspr器件难以实现局域场增强系数的调节。荧光化合物分子层厚度通常远小于表面等离子波传播距离，因此现有lrspr器件中上述金属薄膜和介质层结构参数固定后，金属薄膜-介质层附近的电场分布以及局域场增强系数即为常数，难以根据不同的荧光化合物分子层厚度调节上述电场分布以及局域场增强系数获得最佳的spef信号放大效果。

综上，有必要设计一种表面等离子增强荧光传感器来弥补上述缺陷。

技术实现要素：

本发明提出一种表面等离子增强荧光传感器，其解决了现有技术中的上述缺陷。本发明表面等离子增强荧光传感器相对于传统表面等离子增强荧光传感器能够调节检测介质层内电场分布以及局域场增强系数的优化。

本发明的技术方案是这样实现的：

本发明提出一种表面等离子增强荧光传感器，其包括激光器、偏振片、透镜、棱镜、表面等离子增强荧光传感芯片、可调电压输出装置、探头和样品层；表面等离子增强荧光传感芯片依次包括玻璃基底、wcspr器件、缓冲层和样品池；wcspr器件包括上金属层、折射率调节介质层和下金属层；样品池设置于缓冲层的下表面处，其与缓冲层的下表面之间设有间隙；样品池中的样品层折射率为1.33。

其中，表面等离子增强荧光传感芯片固定在棱镜上。

其中，表面等离子增强荧光传感芯片制备在玻璃基底上。

其中，折射率调节介质层采用具有电光效应的高分子材料制成。

其中，其设有一转台，棱镜、表面等离子增强荧光传感芯片均固定在转台上。

其中，棱镜用zf3玻璃材料制备而成；缓冲层为cytop氟化物高分子层，由旋转涂覆形成。

本发明还提出一种表面等离子增强荧光传感器的测量方法，其包括如下步骤：(s01)制备wcspr器件；(s02)将步骤(s01)制备的wcspr器件固定于zf3玻璃为材料的棱镜上，两者之间以折射率为1.711@814nm的折射率匹配液填充；(s03)样品池底部与准直器接触，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18上；(s04)将步骤(s03)收集得到的荧光信号经荧光探测装置的单模光纤传递至准直器后，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电脑采集；(s05)在折射率调节介质层上施加不同幅度的直流电压信号，以波长为814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探头的反射光角度谱，计算wcspr模式对应的入射角度后将转台转动至该角度，记录前置放大器上记录的spef信号，即完成荧光强度的测量。

其中，步骤(s01)包括如下步骤：(s11)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；(s12)以0.01nm每秒的蒸镀速率蒸镀金材料上金属层后以3500转/分的转速旋转涂覆eo-ftc，以质量分数为10％的聚碳酸酯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0.01nm每秒的蒸镀速率蒸镀金材料上金属层；(s13)采用极板极化法，在135度温度、200伏的直流电压施加于折射率调节介质层条件下，极化30分钟使折射率调节介质层具有电光效应；以3500转/分的速度旋转涂覆cytop材料作为缓冲层，厚度为200纳米；(s14)采用物理吸附法在cytop表面固定氟化钇钠单纳米粒子层。

其中，荧光探测装置包括准直器、单模光纤、准直器后、滤光片、聚焦透镜、电脑、光电倍增管、前置放大器和玻璃基底。

其中，转台的转动、探头的反射光强度采集、可调电压输出装置电压输出的控制均由电脑完成。

与现有技术相比，本发明具有如下优点：

本发明提出一种新型表面等离子增强荧光传感器，其通过外场调节折射率改变介质层或组合的折射率可以实现表面等离子波在缓冲层中的电场分布，从而实现检测介质层内电场分布以及局域场增强系数的调节。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明表面等离子增强荧光传感芯片的结构示意图。

图2为本发明wcspr结构共振角度和强度随样品层折射率变化的响应曲线示意图。

图3a为lrspr结构在共振角度下垂直各层界面方向的电场强度分布示意图。

图3b为图3a中深度3000-3300nm的局部放大示意图。

图4为不同电压下距离层内电场强度较棱镜内电场强度增强系数随距离的平均值变化示意图。

图5为荧光探测装置的结构示意图。

图6为前置放大器上记录的spef信号的峰值信号示意图。

其中：1-激光器；2-偏振片；3-透镜；4-棱镜；5-上金属层；6-折射率调节介质层；7-下金属层；8-样品池；9-缓冲层；10-可调电压输出装置；11-探头；12-样品层；13-准直器；14-单模光纤；15-准直器后；16-滤光片；17-聚焦透镜；19-电脑；20-光电倍增管；21-前置放大器。

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。

为了有助于和澄清随后的实施例的描述，在对本发明的具体实施方式进行详细说明之前，对部分术语进行解释，下列的解释应用于本说明书以及权利要求书。

本发明中出现的sp是surfaceplasmon的缩写，其中文意思为表面等离子；本文中出现的spr是surfaceplasmonresonance的缩写，其中文意思为表面等离子共振；本发明中出现的lrspr是longrangesurfaceplasmonresonance的缩写，其中文意思为长程表面等离子共振；本发明中出现的lrsp是longrangesurfaceplamson的缩写，其中文意思为长程表面等离子；本发明中出现的spw是surfaceplasmonwave的缩写，其中文意思为表面等离子波；本发明中出现的spef是surfaceplasmonenhancedfluorescence的缩写，其中文意思是表面增强荧光；本发明中出现的wcspr是waveguide-coupledsurfaceplasmonresonance的缩写，其中文意思是波导耦合表面等离子共振；本发明中出现的cytop是一种非结晶高透明的含氟聚合物，对应的材料名称叫perfluoro(1-butenylvinylether)polymer；本发明中出现的eo-ftc的化学式为2-(3-氰基-4((e)-2-(5-(4-(二乙氨基)苯乙烯基)-3,4-二己氧基噻吩-2-)乙烯)-5,5-二甲基呋喃-2(5h)-亚基)丙二腈。本发明中出现的其它英文词语均为代码，不代表其它任何意义。

参照图1-6，本发明提出以玻璃为基底，采用电光效应材料作为折射率调节介质层的表面等离子增强荧光传感器，其包括激光器、偏振片、透镜、棱镜、表面等离子增强荧光传感芯片、可调电压输出装置、探头和样品层；表面等离子增强荧光传感芯片依次包括玻璃基底、wcspr器件、缓冲层和样品池；wcspr器件包括上金属层、折射率调节介质层和下金属层；样品池设置于缓冲层的下表面处，其与缓冲层的下表面之间设有间隙；样品池中的样品层折射率为1.33；本发明表面等离子增强荧光传感芯片通过折射率匹配液固定在棱镜上；当然，本发明表面等离子增强荧光传感芯片也可制备在玻璃基底上；折射率调节介质层采用具有电光效应的高分子材料制成；表面等离子增强荧光传感器设有一转台，棱镜、表面等离子增强荧光传感芯片均固定在转台上。

上述的棱镜用zf3玻璃材料制备而成；缓冲层为距离缓冲层，其为cytop氟化物高分子层，由旋转涂覆形成。

本发明还提出一种表面等离子增强荧光传感器的测量方法，其包括如下步骤：(s01)制备wcspr器件；(s02)将步骤(s01)制备的wcspr器件固定于zf3玻璃为材料的棱镜上，两者之间以折射率为1.711@814nm的折射率匹配液填充；(s03)样品池底部与准直器接触，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18上；(s04)将步骤(s03)收集得到的荧光信号经荧光探测装置的单模光纤传递至准直器后，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电脑采集；(s05)在折射率调节介质层上施加不同幅度的直流电压信号，以波长为814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探头的反射光角度谱，计算wcspr模式对应的入射角度后将转台转动至该角度，记录前置放大器上记录的spef信号，即完成荧光强度的测量。

其中，步骤(s01)包括如下步骤：(s11)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；(s12)以0.01nm每秒的蒸镀速率蒸镀金材料上金属层后以3500转/分的转速旋转涂覆eo-ftc，以质量分数为10％的聚碳酸酯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0.01nm每秒的蒸镀速率蒸镀金材料上金属层；(s13)采用极板极化法，在135度温度、200伏的直流电压施加于折射率调节介质层条件下，极化30分钟使折射率调节介质层具有电光效应；以3500转/分的速度旋转涂覆cytop材料作为缓冲层，厚度为200纳米；(s14)采用物理吸附法在cytop表面固定氟化钇钠单纳米粒子层。

其中，荧光探测装置包括准直器、单模光纤、准直器后、滤光片、聚焦透镜、电脑、光电倍增管、前置放大器和玻璃基底。

其中，转台的转动、探头的反射光强度采集、可调电压输出装置电压输出的控制均由电脑完成。

在计算wcspr反射光功率时，波长为814nm，棱镜折射率为1.711@814nm；上、下金属层厚度均为30nm，折射率为0.185+5.11i@814nm；采用具有电光效应的高分子材料制成折射率可变介质层厚度为3μm，折射率为1.63@814nm，电光系数为100pm/v；缓冲层厚度为200nm，折射率为1.38@814nm，表面荧光化合物为氟化钇钠单纳米粒子层；样品池中样品层折射率为1.33。

由fresnel定理，wcspr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，k0z,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、上金属层、折射率调节介质层、下金属层、缓冲层和样品池内样品层；图2示出了本实施例的wcspr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lrspr结构共振角度θ°时，上金属层、折射率调节介质层、下金属层、缓冲层和样品池内样品层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，k0z,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、上金属层、折射率调节介质层、下金属层、缓冲层和样品池内样品层。

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lrspr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3a所示，其中深度为0处为棱镜或玻璃基底与上金属层的界面，不同数字同图1所示结构，图3b所示为图3a中深度3000-3300nm的局部放大。

基于电光效应，通过改变可调电压输出装置的输出电压来线性地调节折射率调节介质层的折射率。电光效应是一种非线性光学效应，具有电光效应的光学材料可以通过施加电场来使其折射率n发生δn的变化，如式(1-4)所示，其中d为材料厚度，v为施加于材料的电压，γ33为电光系数。

当折射率调节介质层折射率发生变化时，由式(1-2)、(1-3)可知wcspr结构在共振角度下垂直各层界面方向的电场强度分布将发生变化，其中不同电压下距离层内电场强度较棱镜内电场强度增强系数随距离的平均值如图4所示。

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表面等离子增强荧光传感器结构制备以及spef信号检测方法如下所述。

本实施例中，wcspr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上金属层后以3500转/分的转速旋转涂覆eo-ftc(2-(3-氰基-4((e)-2-(5-(4-(二乙氨基)苯乙烯基)-3,4-二己氧基噻吩-2-)乙烯)-5,5-二甲基呋喃-2(5h)-亚基)丙二腈)质量分数为10％的聚碳酸酯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0.01nm每秒的蒸镀速率蒸镀金材料上金属层；采用极板极化法，在135度温度、200伏的直流电压施加于折射率调节介质层条件下，极化30分钟使折射率调节介质层具有电光效应；以3500转/分的速度旋转涂覆cytop材料作为缓冲层，厚度为200纳米；采用物理吸附法在cytop表面固定氟化钇钠单纳米粒子层。

荧光探测装置如图5所示，将上述器件固定于zf3玻璃为材料的棱镜上，两者之间以折射率为1.711@814nm的折射率匹配液填充。样品池8底部与准直器13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18上。收集得到的荧光信号经单模光纤14传递至准直器15后，经滤光片16和聚焦透镜17聚焦后入射光电倍增管20，采集的信号经前置放大器21放大后由电脑19采集。转台18的转动、探头11的反射光强度采集、可调电压输出装置10电压输出的控制由电脑19完成。

在折射率调节介质层上施加不同幅度的直流电压信号，以波长为814纳米的横磁偏振光为入射光，以0.01度为步长转动转台18并记录探头11的反射光角度谱，计算wcspr模式对应的入射角度后将转台18转动至该角度，记录前置放大器21上记录的spef信号，峰值信号如图6所示。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。