一种高灵敏U型金属超表面生物传感器及其使用方法与流程 专利技术说明

测量装置的制造及其应用技术一种高灵敏u型金属超表面生物传感器及其使用方法技术领域1.本发明涉及一种微纳光学传感技术领域，尤其涉及一种高灵敏u型金属超表面生物传感器及其使用方法。背景技术：2.近年来，生物传感器已被广泛用于将生物反应作为输入并将其转换为电信号的分析工具。生物传感器是独立的集成设备，可以提供定量结果，通过与传感器接触的生物识别或受体进行系统全面的分析。生物传感器具有高特异性、选择性、独立于物理限制（如ph和温度）以及其他几个优点，因此被应用于多种领域，包括环境评估、医学诊断、代谢工程和食品分析等。其中，等离子生物传感器具有极高的特异性和敏感性，使其在病毒检测、诊断环境中的污染物和监测食品中的生物分子等各个领域具有极大的兴趣。由于具有高灵敏度和无损操作的纳米级近场增强，基于等离子体超表面的无标记生物分子传感已经取得了相当大的成就，用于高通量实时检测。在即时诊断和移动医疗对快速、高灵敏度和具有成本效益的生物传感的强烈需求的推动下，研究者们通过使用各种纳米结构的超表面来提高等离子体传感器的性能，但加工工艺大都比较复杂。3.目前的生物检测技术大多会破坏生物分子，且操作复杂，等离激元生物传感器的作用类似抗体，与不同浓度的抗原结合后会导致共振位置发生变化，具有高灵敏度、无需标记等特点，因此，设计一种低成本、高灵敏度、易加工、可重复制造的等离激元传感器具有重要意义。技术实现要素：4.本发明的目的在于提供一种高灵敏u型金属超表面生物传感器及其使用方法，解决了现有技术中如何根据金属微纳阵列结构在垂直入射下激发的磁共振光学响应特性，在环境折射率变化很小的情况下，通过共振位置的变化仍能灵敏感知到周围环境的变化，极大地增强了折射率传感器的灵敏度。5.本发明采用的技术方案如下：一种高灵敏u型金属超表面生物传感器，包括基底及设置于所述基底上的金属微纳结构，所述金属微纳结构为u型，所述金属微纳结构的u型夹角为90度，所述金属微纳结构沿x，y方向周期阵列排列。6.进一步地，所述金属微纳结构在x，y方向的周期均为400nm。7.进一步地，所述金属微纳结构为贵金属金。8.进一步地，所述金属微纳结构的u型单元结构的长度为200nm，u型单元结构的底部之间的距离为80nm，u型单元结构的两臂之间的距离为100nm，u型单元结构的高度为30nm。9.进一步地，所述基底的材质为二氧化硅，所述基底折射率为1.45。10.进一步地，所述生物传感器采用宽光谱光源将发射信号垂直入射到所述生物传感器表面，并采用光谱仪接收反射信号。11.进一步地，所述生物传感器工作于近红外波长的范围为1.5～2.0μm。12.进一步地，所述生物传感器对外侧环境折射率的探测范围为1.3～1.5。13.本发明还提供一种基于上述任一项所述的生物传感器的使用方法，金属微纳结构位于基底之上，采用光源为平面波，生物传感器的电场沿x轴偏振，沿-z轴垂直入射，金属微纳结构的磁共振模式被激发，通过光谱仪显示的谐振峰的位置表征待测生物溶液折射率。14.本发明的有益效果是：本发明通过设置的金属微纳阵列结构在垂直入射下激发的磁共振光学响应特性随环境折射率变化灵敏度高的特点，通过光谱仪测量谐振峰的位置变化来表征待测溶液的浓度。本发明设计的折射率传感器结构简单，易加工，传感灵敏度高，可用于实现无标记的抗原抗体结合率传感。附图说明15.图1为本发明一种高灵敏u型金属超表面生物传感器的三维周期结构示意图；图2为本发明的金属微纳结构的示意图；图3为实施例中在环境折射率在范围1.3～1.5内拟合得到的传感灵敏度函数图。16.附图标记说明1-基底，2-金属微纳结构。具体实施方式17.以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本发明及其应用或使用的任何限制。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作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。18.参见图1-图2，一种高灵敏u型金属超表面生物传感器，包括基底1及设置于所述基底1上的金属微纳结构2，所述金属微纳结构2为u型，所述金属微纳结构2的u型夹角为90度，所述金属微纳结构2沿x，y方向周期阵列排列。19.所述金属微纳结构2在x，y方向的周期均为400nm。20.所述金属微纳结构2为贵金属金。21.所述金属微纳结构2的u型单元结构的长度a为200nm，u型单元结构的底部之间的距离b为80nm，u型单元结构的两臂之间的距离c为100nm，u型单元结构的高度h为30nm。22.所述基底1的材质为二氧化硅，所述基底1折射率为1.45。23.所述生物传感器采用宽光谱光源将发射信号垂直入射到所述生物传感器表面，并采用光谱仪接收反射信号。24.所述生物传感器工作于近红外波长的范围为1.5～2.0μm。25.所述生物传感器对外侧环境折射率的探测范围为1.3～1.5。26.实施例：将待测溶液滴在生物传感器表面，然后将光纤垂直靠近表面，通过光谱仪观察共振位置的变化，结果如图3所示，当待测溶液的折射率从1.3增大到1.5，随着折射率的增大，共振位置出现红移现象，且透射值不随折射率的变化而有明显变化，当环境折射率变化0.02时，共振位置移动至少15nm以上，将共振位置随折射率变化规律进一步拟合，通过计算，在折射率变化区间内，共振波长(λ)和折射率(n)的线性关系表达为：λ=728.1+843.1*n，所设计的折射率传感器在此区间内的折射率灵敏度s为843.1nm/riu。27.本发明的结构设计简单，易加工，灵敏度高，无需标记，操作简单，通过光谱仪观察共振位置的变化，即可得到待测溶液的浓度及传感性能。28.以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。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。技术特征：1.一种高灵敏u型金属超表面生物传感器，其特征在于，包括基底及设置于所述基底上的金属微纳结构，所述金属微纳结构为u型，所述金属微纳结构的u型夹角为90度，所述金属微纳结构沿x，y方向周期阵列排列。2.如权利要求1所述的一种高灵敏u型金属超表面生物传感器，其特征在于，所述金属微纳结构在x，y方向的周期均为400nm。3.如权利要求1所述的一种高灵敏u型金属超表面生物传感器，其特征在于，所述金属微纳结构为贵金属金。4.如权利要求1所述的一种高灵敏u型金属超表面生物传感器，其特征在于，所述金属微纳结构的u型单元结构的长度为200nm，u型单元结构的底部之间的距离为80nm，u型单元结构的两臂之间的距离为100nm，u型单元结构的高度为30nm。5.如权利要求1所述的一种高灵敏u型金属超表面生物传感器，其特征在于，所述基底的材质为二氧化硅，所述基底折射率为1.45。6.如权利要求1所述的一种高灵敏u型金属超表面生物传感器，其特征在于，所述生物传感器采用宽光谱光源将发射信号垂直入射到所述生物传感器表面，并采用光谱仪接收反射信号。7.如权利要求1所述的一种高灵敏u型金属超表面生物传感器，其特征在于，所述生物传感器工作于近红外波长的范围为1.5～2.0μm。8.如权利要求1所述的一种高灵敏u型金属超表面生物传感器，其特征在于，所述生物传感器对外侧环境折射率的探测范围为1.3～1.5。9.一种基于权利要求1-8任一项所述的生物传感器的使用方法，其特征在于，金属微纳结构位于基底之上，采用光源为平面波，生物传感器的电场沿x轴偏振，沿-z轴垂直入射，金属微纳结构的磁共振模式被激发，通过光谱仪显示的谐振峰的位置表征待测生物溶液折射率。技术总结本发明公开了一种高灵敏U型金属超表面生物传感器及其使用方法，包括基底及设置于所述基底上的金属微纳结构，所述金属微纳结构为U型，所述金属微纳结构的U型夹角为90度，所述金属微纳结构沿X，Y方向周期阵列排列。本发明通过设置的金属微纳阵列结构在垂直入射下激发的磁共振光学响应特性随环境折射率变化灵敏度高的特点，通过光谱仪测量谐振峰的位置变化来表征待测溶液的浓度。本发明设计的折射率传感器结构简单，易加工，传感灵敏度高，可用于实现无标记的抗原抗体结合率传感。现无标记的抗原抗体结合率传感。现无标记的抗原抗体结合率传感。技术研发人员：张萌徕 张磊 王敬好 储涛受保护的技术使用者：之江实验室技术研发日：2022.10.13技术公布日：2022/11/29









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