专利名称：一种长程表面等离子体共振传感器及制备方法
技术领域：
本发明涉及生物传感器及其制备，具体地说是一种长程表面等离子体共振传感器 及制备方法。
背景技术：
与传统的生化分析方法相比，表面等离子体共振生物传感技术具有灵敏度高且无 需标记、能够实时、原位连续检测等特点，近年来已经广泛应用于食品安全、环境监测、制 药、化学、生物等领域。目前，该技术受到了普遍的关注，并得以快速发展。理论上，表面等离子体波的传播长度与表面等离子体共振吸收峰的半高宽存在着 倒数关系。因此，决定sra传感器的灵敏度和分辨率的关键问题是表面等离子体波的传播 长度。传统的表面等离子体共振生物传感技术通常利用产生于金属层和被分析物分界面上 的表面等离子体共振效应。由于表面等离子体在金属中强烈衰减，导致传播距离较短，影响 了传感器的灵敏度和分辨率。当金属层被介质对称包覆成三明治结构时，金属层两侧表面 分别激发表面等离子波，这两个表面波在金属中相互耦合，电场违反对称分布的模式，在金 属中场强所占的分量较少，电磁能量主要集中在两边的介质中，由金属所引起的损耗相对 较少，这种表面波可以传播很长的距离，这就是所谓长程表面等离子体。相对于传统表面等 离子体共振传感器，基于长程表面等离子体共振传感器具有更高的灵敏度和分辨率。在已有的长程表面等离子共振传感器中，多数采用Teflon AF(η = 1.31)或 Cytop (η = 1. 34)做介质层材料[3，4_7，8]以形成折射率对称的薄膜结构。但TeflonAF在 加热后具有毒性一直为学术界所争执。在等离子波作用下其是否存在安全隐患是必须考虑 的一个问题。MgF2是一种性能优良的光学镀膜材料，其折射率为1.38，基本满足折射率对 称的条件，特别是其具有安全无毒、化学稳定性好、易于制备等优点。因此，用MgF2做介质 层材料，具有应用价值。金属银作为传导层与其他金属相比，共振吸收峰的半峰宽更窄，但其化学性质不 稳定。传导层金膜随待测生物溶液折射率变化可使共振角发生更大的迁移，同时其化学性 质稳定，生物亲和性好[9]。在传导层银膜的表面镀上一层很薄的金膜，这种双金属层结构 很好地保留了与银膜相应的吸收峰细窄的优点，同时兼具了金膜的化学稳定性和生物分子 的亲和性。
发明内容
本发明的目的是提供一种安全无毒、稳定性好易于制备的薄膜结构，能形成长程 表面等离子体模式，达到提高灵敏度和分辨率的传感器及制备方法，其传感器具有双金属 传导层结构，该双金属层结构很好地保留了与银膜相应的吸收峰细窄的优点，同时兼具了 金膜的化学稳定性和生物分子的亲和性；其制备方法简单，易操作。实现本发明目的的具体技术方案是一种长程表面等离子体共振传感器，该传感器是以BK7棱镜为基体并在基体上通过香柏油粘贴载玻片而构成，所述载玻片的外表面依次镀有氟化镁薄膜、银膜和金膜。上述传感器的制备方法包括以下具体步骤a、选用BK7棱镜为所述传感器基体；b、选择与BK7棱镜材质相同的载玻片，载玻片的大小略小于BK7棱镜的底面；C、对载玻片镀膜i)第一层氟化镁薄膜采用磁控溅射法对载玻片镀氟化镁薄膜，真空腔的真空度为5 X 10_4Pa，氩气分压 为0. 5Pa，溅射电压为射频700 750V，频率为13. 56MHz，溅射电流为0. 18 0. 23A，溅射 功率为85 117W，自偏压为400 440V，溅射时间为38 52分钟；氟化镁薄膜的厚度为 650nm ；ii)第二层银薄膜采用磁控溅射法对载玻片镀银薄膜，真空腔的真空度为5X 10_4Pa，氩气分压为 0. 6Pa，溅射电压为直流297 310V，电流为0. 04 0. 06A,时间为2分15秒 3分30秒； 银膜的厚度为35nm ；iii)第三层金薄膜采用磁控溅射法对载玻片镀金薄膜，真空腔的真空度为5X 10_4Pa，氩气分压为 0. 6Pa，溅射电压为直流297 310V，电流为0. 04 0. 06A,时间为1分5秒 1分40秒； 金膜厚度为15nm ；d、用香柏油将经镀膜的载玻片与BK7棱镜粘合在一起；其中香柏油的折射率与 棱镜折射率匹配。本发明为高灵敏度生物传感器，在角度调制的模式下，对生物溶液进行检测。采 用磁控溅射镀膜成膜质量高，膜厚可以精确控制，载玻片、氟化镁膜、银膜和金膜之间结合 紧密。氟化镁容易淀积、稳定性好，其折射率与生物溶液的折射率接近，可在金属传导层的 两侧形成近似对称结构，从而使金属传导层两侧的表面等离子体耦合形成长程表面等离子 体。入射光与长程表面等离子体共振形成的共振吸收峰的半峰宽比传统表面等离子体共振 吸收峰明显减小。金属银作为传导层与其他金属相比，共振吸收峰的半峰宽更窄，但其化学 性质不稳定。传导层金膜随待测生物溶液折射率变化可使共振角发生更大的迁移，同时其 化学性质稳定，生物亲和性好。这种特定的多层膜结构可以综合各自的优势，有效地提高生 物传感器的灵敏度。
图1为本发明传感器的结构示意2为本发明传感器在以水为待测物时的共振吸收峰图
具体实施例方式实施例1参阅图1，本发明传感器由BK7棱镜1通过香柏油和载玻片2粘合构成，载玻片2 的外表面依次镀有氟化镁薄膜3、银膜4和金膜5 ；金膜5与待测的生物溶液直接接触；入射 的P偏振光6在载玻片2和氟化镁薄膜3的界面发生全反射，反射光7由探测器接收。
制备过程载玻片2上的三层薄膜均采用磁控溅射的方法镀制，以保证镀膜质量和准确控制膜厚；首先在载玻片上镀氟化镁薄膜3，真空腔的真空度为5X10_4Pa，氩气分压为0. 5Pa, 溅射电压为射频700V(频率为13. 56MHz)，溅射电流为0. 18A，溅射功率为85W，自偏压为 400V，溅射时间为52分钟；镀出氟化镁薄膜3的厚度为650nm ；接着在氟化镁薄膜3的表面 镀银薄膜4 ；真空腔的真空度为5 X IO-4Pa,氩气分压为0. 6Pa,溅射电压为直流297V，电流为 0. 04A，时间为3分30秒；银膜4的厚度为35nm ；最后在银薄膜4的表面镀金薄膜5 ；真空 腔的真空度为5X 10_4Pa，氩气分压为0. 6Pa，溅射电压为直流297V，电流为0. 04A，时间为1 分40秒；金膜5的厚度为15nm。用折射率与棱镜折射率匹配的香柏油将经镀膜的载玻片2与BK7棱镜1粘合在一 起。实施例2传感器结构同实施例1。制备过程载玻片上的三层薄膜均采用磁控溅射的方法镀制，以保证镀膜质量和准确控制膜 厚。首先在载玻片上镀氟化镁薄膜3，真空腔的真空度为5 X 10_4Pa，氩气分压为0. 5Pa，溅射 电压为射频720V(频率为13. 56MHz)，溅射电流为0. 21A，溅射功率为102W，自偏压为440V， 溅射时间为43分钟；镀出氟化镁薄膜3的厚度为650nm ；接着在氟化镁薄膜3的表面镀银薄 膜4，真空腔的真空度为5 X IO-4Pa,氩气分压为0. 6Pa,溅射电压为直流310V，电流为0. 06A, 时间为2分15秒；银膜4的厚度为35nm ；最后在银薄膜4的表面镀金薄膜5，真空腔的真空 度为5 X 10_4Pa，氩气分压为0. 6Pa,溅射电压为直流310V，电流为0. 06A,时间为65秒；金膜 5的厚度为15nm。用折射率与棱镜折射率匹配的香柏油将经镀膜的载玻片2与BK7棱镜1粘合在一 起。实施例3传感器结构同实施例1。制备过程载玻片上的三层薄膜均采用磁控溅射的方法镀制，以保证镀膜质量和准确控制 膜厚。首先在载玻片上镀氟化镁薄膜3，真空腔的真空度为5X10_4Pa，氩气分压为0. 5Pa, 溅射电压为射频750V(频率为13. 56MHz)，溅射电流为0. 23A，溅射功率为117W，自偏压为 460V，溅射时间为38分钟；镀出氟化镁薄膜3的厚度为650nm ；接着在氟化镁薄膜3的表面 镀银薄膜4 ；真空腔的真空度为5 X IO-4Pa,氩气分压为0. 6Pa,溅射电压为直流300V，电流为 0. 05A，时间为2分45秒；银膜4的厚度为35nm ；最后在银薄膜4的表面镀金薄膜5，真空 腔的真空度为5X 10_4Pa，氩气分压为0. 6Pa，溅射电压为直流300V，电流为0. 05A,时间为1 分20秒；金膜5的厚度为15nm。用折射率与棱镜折射率匹配的香柏油将经镀膜的载玻片2与BK7棱镜1粘合在一 起。参阅图2，该图为入射P偏振光为He-Ne激光(波长为632.8nm)时，本发明的传感 器在待测样品为水时的反射光光谱图。
权利要求
一种长程表面等离子体共振传感器，其特征在于该传感器是以BK7棱镜为基体并在基体上通过香柏油粘贴载玻片而构成，所述载玻片的外表面依次镀有氟化镁薄膜、银膜和金膜。
2.—种权利要求1所述传感器的制备方法，其特征在于该方法包括以下具体步骤a、选用BK7棱镜为所述传感器基体；b、选择与BK7棱镜材质相同的载玻片，载玻片的大小略小于BK7棱镜的底面； C、对载玻片镀膜i)第一层氟化镁薄膜采用磁控溅射法对载玻片镀氟化镁薄膜，真空腔的真空度为5X 10_4Pa，氩气分压为 0. 5Pa，溅射电压为射频700 750V，频率为13. 56MHz，溅射电流为0. 18 0. 23A，溅射功 率为85 117W，自偏压为400 440V，溅射时间为38 52分钟；氟化镁薄膜的厚度为 650nm ； )第二层银薄膜采用磁控溅射法对载玻片镀银薄膜，真空腔的真空度为5 X IO-4Pa,氩气分压为0. 6Pa, 溅射电压为直流297 310V，电流为0. 04 0. 06A,时间为2分15秒 3分30秒；银膜的 厚度为35nm ；iii)第三层金薄膜采用磁控溅射法对载玻片镀金薄膜，真空腔的真空度为5X 10_4Pa，氩气分压为0. 6Pa, 溅射电压为直流297 310V，电流为0. 04 0. 06A,时间为1分5秒 1分40秒；金膜厚 度为15nm ；d、用香柏油将经镀膜的载玻片与BK7棱镜粘合在一起；其中香柏油的折射率与棱镜 折射率匹配。
全文摘要
本发明公开了一种长程表面等离子体共振传感器及制备方法，其传感器由BK7棱镜通过香柏油和载玻片粘合构成，载玻片的外表面依次镀有氟化镁薄膜、银膜和金膜；金膜与待测的生物溶液直接接触，在角度调制的模式下，对生物溶液进行检测；氟化镁的折射率大约为1.38，与生物溶液的折射率接近，可在金属传导层的两侧形成近似对称结构，从而使金属传导层两侧的表面等离子体耦合形成长程表面等离子体；金属银作为传导层与其他金属相比，共振吸收峰的半峰宽更窄，但其化学性质不稳定；传导层金膜随待测生物溶液折射率变化可使共振角发生更大的迁移，同时其化学性质稳定，生物亲和性好。这种特定的多层膜结构可以综合各自的优势，有效地提高生物传感器的灵敏度。
文档编号C23C14/35GK101936899SQ20101023920
公开日2011年1月5日 申请日期2010年7月29日 优先权日2010年7月29日
发明者王松涛, 蒋冬梅, 马学鸣 申请人:华东师范大学