一种光子晶体传感器及其制备方法

本发明涉及一种光子晶体传感器及其制备方法。

背景技术：

1、光子晶体是在某一个频率范围内的波不能在此周期性结构中传播的特殊性结构，这是基于全反射中的通过倏逝波耦合引起的特定波长在谐振腔内共振的光学现象，光子晶体的主要应用集中在高反射镜，滤波器，分光装置，晶体波导，晶体光纤，微型激光器等领域，而其中光子表面也会因为耦合共振现象得到共振波，然而该表面形成的耦合共振波却得不到人们的重视，因此在传感器中的应用，光子晶体也一直受到人们的漠视，未见相关报道。

技术实现思路

1、针对上述背景技术中存在的缺陷，本发明提供一种光子晶体传感器及其制备方法。所述光子晶体传感器通过倏逝波耦合引起的谐振腔内共振从而在光子晶体表面形成空间波，在暗场条件下检测光子晶体表面空间波的光谱强度和共振波波长位置从而得到光子晶体表面覆盖层(即待测物)的厚度。

2、本发明所采用的技术方案是：

3、一种光子晶体传感器的制作方法，首先在pdms，弱的离子液体或者溶胶-凝胶中配置两种浓度不同的纳米微球溶液，微球大小0.1nm-100nm，采用匀胶的方法将微球溶液均匀的覆盖在单晶硅上，匀胶速度为1rpm/s-100000rpm/s,两种纳米微球溶液依次匀胶烘干形成一个周期；该光子晶体由两个布拉格光栅周期层和一个谐振微腔层组成，结构为：第一布拉格光栅周期层---谐振微腔层---第二布拉格光栅周期层，第一布拉格光栅周期层由5个周期组成(一个周期由一层高折射率n1胶体层(低浓度纳米微球溶液形成)和一层低折射率n2胶体层(高浓度纳米微球溶液形成)组成),然后沉积一层低折射率n2胶体层作为谐振微腔层(谐振微腔层的折射率不大于第一和第二布拉格光栅周期层的折射率)，再次沉积第二布拉格光栅周期层，第二布拉格光栅周期层和第一布拉格光栅周期层结构一样。所述的纳米微球为硅，二氧化硅，聚苯乙烯或者pmma。所述的纳米微球的大小0.1nm-100nm，pdms中纳米微球的浓度为100个/ml-1025个/ml。匀胶烘干时pdms凝胶的温度为5度-200度。

4、可替代的利用磁控溅射或者电子束蒸镀沉积形成光子晶体，该光子晶体由两个周期层和一个谐振微腔层组成，结构为：第一布拉格光栅周期层---谐振微腔层---第二布拉格光栅周期层，第一布拉格光栅周期层由5个周期组成(一个周期为一层高折射率n1金属氧化物和一层低折射率n2金属氧化物组成),然后沉积一层n2作为谐振微腔层，再次沉积第二布拉格光栅周期层，第二布拉格光栅周期层和第一布拉格光栅周期层结构一样；

5、可替代的使用匀胶机匀胶两种不同折射率的光刻胶，热固凝胶等胶体层，该光子晶体由两个布拉格光栅周期层和一个谐振微腔层组成，结构为：第一布拉格光栅周期层---谐振微腔层---第二布拉格光栅周期层，第一布拉格光栅周期层由5个周期组成(一个周期为一层高折射率n1的金属氧化物，聚合物，光刻胶或硅胶和一层低折射率n2的金属氧化物，聚合物，光刻胶或硅胶组成),然后沉积一层低折射率n2的金属氧化物作为谐振微腔层，再次沉积第二布拉格光栅周期层，第二布拉格光栅周期层和第一布拉格光栅周期层结构一样；

6、可替代选择两种折射率的纳米薄膜周期性堆叠，该光子晶体由两个布拉格光栅周期层和一个谐振微腔层组成，结构为：第一布拉格光栅周期层---谐振微腔层---第二布拉格光栅周期层，第一布拉格光栅周期层由5个周期组成(一个周期为一层高折射率n1的纳米薄膜和一层低折射率n2的纳米薄膜组成),然后沉积一层低折射率n2的纳米薄膜作为谐振微腔层，再次沉积第二布拉格光栅周期层，第二布拉格光栅周期层和第一布拉格光栅周期层结构一样。

7、可替代的使用匀胶机匀胶两种不同折射率的溶胶-凝胶液体，该光子晶体由两个布拉格光栅周期层和一个谐振微腔层组成，结构为：第一布拉格光栅周期层---谐振微腔层---第二布拉格光栅周期层，第一布拉格光栅周期层由5个周期组成(一个周期为一层高折射率n1溶胶凝胶和一层低折射率n2溶胶凝胶组成),然后沉积一层折射率n2溶胶凝胶作为谐振微腔层，再次沉积第二布拉格光栅周期层，第二布拉格光栅周期层和第一布拉格光栅周期层结构一样，每沉积一层后需要烘干，制备溶胶-凝胶的材料包括金属醇盐，醋酸盐，乙酰丙酮盐，氯化物等，在金属盐水解后，缩聚形成纳米薄膜，烘干后即可制备第二层纳米薄膜。

8、所述高灵敏度的传感器的使用方法为：

9、本发明的传感器可以用于检测各种金属和金属氧化物，微生物，蛋白质，细胞，病毒，等各种0.1纳米到10微米范围内的各种等离子体颗粒和薄膜，检测波长200-1600nm。检测流程为，使用前在暗场条件下，去离子冲洗后获取光子晶体表面空间波的暗场光谱i，然后直接将传感器暴露于样品中，或在该传感器表面修饰上特异性抗原，抗体和适配体后暴露于样品中，待暴露1分钟到24小时后，将该光子晶体传感器至于同样的光学条件下，再次获取光子晶体表面空间波的暗场光谱ii，比对光谱i和光谱ii的强度和空间波的波长位置，如果光谱强度降低，耦合共振波蓝移，则有检测物，比对标准检测物的光谱光强度和光波长的位置，即可知道检测物的浓度。利用本发明的传感器可以快速，高效，便利，简单，成本低廉且可重复的检测光子表面是否有厚度的变化，从而也可以检测直接修饰在光子晶体传感器表面的修饰物和待测物之间的特异性结合。

10、本发明的有益效果是：

11、本发明的开发出多种光子晶体传感器及其制备方法，光子晶体通过倏逝波耦合引起的谐振腔内共振从而在光子晶体表面形成空间波，在暗场条件下通过检测对比空间波的光谱的变化，可以检测表面吸附，覆盖的100纳米以下的厚度，该过程重复性高，稳定性好，安全，可靠，简单，高效，只需要通用型暗场共聚焦显微镜，而无需复杂的专门仪器配套。

技术特征：

1.一种光子晶体传感器，其特征在于，所述传感器由第一布拉格光栅周期层、谐振微腔层和第二布拉格光栅周期层依次叠加得到；所述第一布拉格光栅周期层由若干周期叠加得到，每个周期由两层折射率不同的纳米层组成；所述谐振微腔层的折射率低于或者等于第二布拉格光栅周期层与第一布拉格光栅周期层的折射率；所述第二布拉格光栅周期层与第一布拉格光栅周期层结构类似。

2.根据权利要求1所述的一种光子晶体传感器，其特征在于，所述第一布拉格光栅层周期性的周期数为2-100，每个周期的高为10-1000nm,谐振微腔层的厚度为10-1000nm。

3.如权利要求1或2所述的一种光子晶体传感器的制备方法，其特征在于，步骤如下：选择磁控溅射或电子束蒸发沉积两层不同折射率的纳米薄膜得到的一个周期性纳米薄膜，重复沉积若干个周期即可得到第一布拉格光栅周期层，继续沉积一层纳米薄膜得到谐振微腔层，接着继续按照第一布拉格光栅周期层的制备方法制备得到第二布拉格光栅周期层，即可得到光子晶体传感器。

4.如权利要求1或2所述的一种光子晶体传感器的制备方法，其特征在于，步骤如下：配置两种折射率不同的溶胶-凝胶的溶液，匀胶一层溶胶凝胶后等金属盐水解后，缩聚形成一层纳米薄膜后烘干，依次匀胶缩聚烘干两种不同的溶胶-凝胶，重复若干个周期后即可得到第一布拉格光栅周期层，继续沉积一层纳米薄膜得到谐振微腔层，接着继续按照第一布拉格光栅周期层的制备方法制备得到第二布拉格光栅周期层，即可得到光子晶体传感器。

5.如权利要求1或2所述的一种光子晶体传感器的制备方法，其特征在于，步骤如下：在pdms中配置两种浓度不同的纳米微球溶液；使用匀胶的方法将纳米微球溶液均匀的覆盖在单晶硅上，两种浓度的纳米微球溶液依次匀胶烘干形成一个周期，低浓度的纳米微球溶液形成高折射率胶体，高浓度的纳米微球溶液形成低折射率胶体；重复多个周期即可得到第一布拉格光栅周期层；然后沉积一层所述高浓度的纳米微球溶液作为谐振微腔层；再采用第一布拉格光栅周期层的制备方法沉积得到第二布拉格光栅周期层，即可得到光子晶体传感器。

6.根据权利要求5所述的光子晶体传感器的制备方法，其特征在于，所述的纳米微球的大小0.1nm-100nm，pdms中纳米微球的浓度为100个/ml-1025个/ml。

7.根据权利要求4所述的一种光子晶体传感器的制备方法，其特征在于，匀胶速度在1rpm-100000rpm，匀胶烘干时pdms凝胶的温度为5度-200度。

8.根据权利要求4所述的一种光子晶体传感器的制备方法，用于制备溶胶-凝胶的材料为金属醇盐，醋酸盐，乙酰丙酮盐或氯化物。

9.根据权利要求5所述的一种光子晶体传感器的制备方法，其特征在于，所述的纳米微球为硅，二氧化硅，聚苯乙烯或者pmma。

10.如权利要求1或2所述的一种光子晶体传感器，其特征在于，可用于检测0.1纳米到10微米范围内的各种等离子体的颗粒和薄膜，利用光子晶体的谐振腔的耦合共振在暗场条件下光谱光的强度和共振波的位置来判断光子晶体表面厚度层的变化，检测波长200-1600nm。

技术总结
本发明公开了一种基于光子晶体传感器及其制备方法。所述传感器通过光子晶体产生谐振腔的耦合共振，可直接用来测量光子晶体表面待测物的厚度；进一步还可以在光子晶体表面的纳米层修饰特异性适配体或者抗原抗体，即可用于检测修饰在光子晶体传感器表面的修饰物和待测物之间的特异性结合。所述传感器的使用方法为：在加入待检测样品前后，使用共聚焦显微镜在纳米尺度上获取光子晶体表面的暗场谐振微腔层耦合共振的光谱I和II；分析光谱I和II强度和共振波的波长位置，即可得到光子晶体表面厚度的变化或者是否有特异性反应发生。本发明的光子晶体传感器可以快速，高效，便利，简单，成本低廉的进行厚度以及特异性结合的检测。

技术研发人员：苏逸,穆罕穆德.萨万
受保护的技术使用者：西湖大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/16