一种基于共振光隧穿效应的液体折射率传感器的制造方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种基于共振光隧穿效应的液体折射率传感器，属于光学传感技术领域。
【背景技术】
[0002]折射率是表征材料光学性质的重要参数，精确测量折射率可以深入的了解介质的纯度、成分、物质含量等。作为一种常用检测仪器，折射率传感器广泛应用于透明溶液的浓度检测和无标记的生物样品检测。研制超高分辨率的折射率计对生物医药检测，饮用水安全和环境保护领域都有重要意义和实用价值。
[0003]目前，基于折射率敏感的免标记细胞/分子级生物检测方法，大多通过测试环绕敏感单元周围介质的折射率变化，或者吸附在敏感单元配体物上引起其等效折射率变化，对待测样品(蛋白质、DNA分子等)进行无标记、靶向测试。一部分传感器的敏感原理基于波动光学(如衍射和干涉)，将入射光的波长作为测试的参照长度，其折射率分辨率一般为1(Γ4?10—RIU (Refractive Index Unit，折射率单位)。而目前传感器的研宄热点主要集中于近场光学，利用两种介质界面亚波长范围内的倏逝波进行测试。由于倏逝波强化了光与被测液体的相互作用，其折射率分辨率可以达到10_7RIU。但是在另一方面，由于倏逝波的幅值随分界面法向深度的增大呈指数衰减，这从原理上限制了光与分析物的相互作用强度，分辨率10_7RIU成了大多数检测方法很难逾越的指标。在另一方面，由于近场效应只局限于亚波长范围，故光与样品的作用范围限制在0.01?I微米之间，即此类传感器只测试了样品表面的折射率(密度)变化，不能深度测试(穿透)具有一定尺寸的生物样品，例如:活细胞(2?10微米)和细菌(0.6?10微米)。
[0004]共振光隧穿效应，是一种新型的光学效应，可以极大地提高传感器的性能，满足当前生物医学研宄的需要。共振光隧穿效应基于相对简单的光学隧穿效应(受抑全内反射)。光学隧穿效应发生在两个折射率分布从高到低的两个界面，在低折射率介质层很薄的情况下(厚度小于入射波长)，光线穿过全反射发生的界面，即穿过经典几何光学中光线不能穿过的“壁皇”，形成透射(隧穿光线)。共振光隧穿效应指隧穿光线在微米或者纳米光学腔中的共振效应，其中光学谐振腔由折射率高低相间的多层薄膜构成。与光学隧穿效应相比，共振光隧穿效应的作用距离明显增加(大于I微米);与法珀谐振腔的不同在于，法珀谐振腔基于传播波，而共振光隧穿效应则是基于隧穿效应形成的倏逝波。
[0005]对现有技术文献的检索发现，文献号:B1micfluidics (生物微流控芯片)2010，4: 043008，Jian Aoqun (菅傲群)，Zhang Xuming (张需明)等人公开了一种 Optofluidicrefractometer using resonant optical tunneling effect (基于共振光隧穿效应的光微流折射率计)。该技术采用空气层作为光隧穿效应的“壁皇”，利用充满待测液体的微流控管道作为光学谐振腔实现折射率传感。但是，如何实现高尺寸精度且侧壁光滑的微流控管道(非光学光滑侧壁会造成光在侧壁散射，无法以同一入射角入射)，一直是业内的难点，使器件制造过程变得复杂；而且驱动液体在微流控芯片中流动的压力将使微流管壁弯曲，影响器件性能。进一步检索发现，文献号:Sens.Actuators A (传感器与执行器)，2011，169 (2): 347, Jian Aoqun (菅傲群)，Zhang Xuming (张需明)等人提出了一种 Liquidrefractive index sensors using resonant optical tunneling effect for ultra-highsensitivity (基于共振光隧穿效应的高灵敏度液体折射率传感器)。该技术采用薄金属层作为为光隧穿效应的“壁皇”，切角光纤作为传输光的媒介。但是，由于光纤存在入/出射孔径的问题，光线不能以同一入射角入射(光线在光纤端面/金属层界面存在正负8度左右的入射角展开范围，SMF28e数据手册)，继而展宽输出谱线，降低了器件实用性。
【发明内容】
[0006]本发明克服现有技术的不足，所要解决的技术问题是如何利用共振光隧穿效应原理上高分辨率的优点，同时提出结构简单，易于实施的器件设计方案。
[0007]为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案为:一种基于共振光隧穿效应的液体折射率传感器，包括两个敏感单元、共振腔和衬底；所述敏感单元由具有抛光面的棱镜和低折射率介质层组成，所述低折射率介质层设置在棱镜的抛光面上；两个敏感单元对称设置在衬底上且低折射率介质层彼此相对；两个敏感单元的间隙构成共振腔，所述共振腔用于盛放待测液体。
[0008]固定方式可以采用如下方案:两块棱镜通过微量的光刻胶在边缘固化，将彼此相对位置固定后，统一键合或粘合到衬底上。
[0009]以下分别对本申请共振光隧穿折射率传感器的各个组成部分进行详细说明。
[0010]棱镜可以选择三角棱镜或半圆柱棱镜，其材质没有特殊的要求，可以选择玻璃(适用于可见光入射光)或者硅(适用于红外入射光)。为确保低折射率介质层的均匀性，优选地，其抛光面边长不大于一英寸(2.54厘米)。
[0011]低折射率介质层以甩胶-固化的方式涂覆与棱镜抛光面上，应选择低折射率材料。优选地，如低折射率聚合物材料，Tygon SE200，MY-131，MY-132，折射率低于1.33。所述低折射率介质层厚度的范围为500纳米-10微米，其厚度的控制对于本技术领域的技术人员来说，是成熟、公知的。
[0012]两低折射率介质层相向而对，中间留有一段空隙(共振腔)，范围为15微米-20微米。可以通过首先将两平面调平行，后将其互相逼近获得。在测试时，将待测液体注入空隙。由于空隙较窄，在加载液体时，可以加入适当压力，以排尽空隙中的空气。
[0013]系统衬底选用有一定强度的单面抛光的绝缘衬底即可，对其结晶性和取向没有特殊的要求，可以选择Si02、Al203、K9玻璃等衬底。
[0014]目前位移控制平台(Newport)的位移精度(0.1 μ m)，角位台(Newport)的转角精度(3 arc sec)和旋转台(Newport)的旋转精度(15 arc sec)可以满足实验的初始调节要求。
[0015]与现有技术相比本发明具有以下有益效果。
[0016]1、光线以大于/等于全反射角入射到玻璃棱镜/低折射率层界面，以倏逝波的形式进入谐振腔，不同于传统的法珀谐振腔，后者光线以小于全反角的入射角进入谐振腔，在谐振腔内以传输波的形式在谐振腔内振荡。同传输波相比，倏逝波对介质层的折射率变化更为敏感。
[0017]2、倏逝波光线以谐振的形式，在谐振腔内振荡，增加了光与待测液体的作用距离，提高了折射率传感器的敏感性。与其它检测原理原理(表面等离子共振，回音壁模式)只能检测生物样品的表层相比，传感器较大的穿透深度可以检测生物样品内部的折射率信息，有较大的应用潜力。
[0018]3、本设计结构简单，制作难度低，成本较低。
【附图说明】
[0019]图1为本发明折射率传感器的三维立体图。
[0020]图2为图1所示折射率传感器的俯视图图。
[0021]图3为基于光强检测方式下，系统透射率与分析物折射率的关系。
[0022]图4为基于频移检测方式下，不同分析物折射率系统透射峰位置对比。
[0023]图5为基于频移检测方式下，系统透射峰位置偏移量与不同分析物折射率关系。
[0024]图6共振光隧穿效应(ROTE)透射峰与法珀谐振器(FP etalon)、表面等离子体共振(SPR)特征峰的峰宽对比。
[0025]图1和图2中，I为衬底，2为棱镜，3为低折射率介质层，4为待测液体。
【具体实施方式】
[0026]以下结合具体实施例对本发明作进一步说明。
[0027]如图1和图2所示，一种基于共振光隧穿效应的液体折射率传感器，包括两个敏感单元、共振腔和衬底I ;所述敏感单元由具有抛光面的棱镜2和低折射率介质层3组成，所述低折射率介质层3设置在棱镜2的抛光面上；两个敏感单元对称设置在衬底I