基于长程表面等离子体波导与介质波导耦合结构的SERS基底

基于长程表面等离子体波导与介质波导耦合结构的sers基底
技术领域
1.本发明属于微纳光学与光谱分析检测技术领域，具体涉及一种基于长程表面等离子体波导与介质波导耦合结构的sers基底。


背景技术：

2.表面增强拉曼光谱(surface-enhance raman spectroscopy,sers)技术是利用纳米贵金属粗糙表面的局域增强电场增大样品分子拉曼信号的一种分析手段。目前，人们普遍认为sers技术的增强原理有物理增强与化学增强，其中物理增强占主导地位。物理增强主要源于表面等离子共振(surface plasmon resonance,spr)。表面等离子体波(surface plasmon polarition,spp)是一种存在于金属与介质交界面的电磁场，其能量集中在金属-介质交界面且可以沿着交界面传播。当入射光频率与金属-介质表面自由电子集体振荡频率匹配时，将形成共振，即spr。
3.当金属层较薄时，金属层上下的金属-介质交界面产生的spp将发生耦合，产生两种表面等离子体波模式。一种为对称模式，即长程表面等离子共振(long-range surface plasmon resonance,lrspr)模式，该模式的模场大部分存在于金属以外的介质中，其传输损耗较小，可以传播较长距离；另一种模式为非对称模式，即局域表面等离子共振(localized surface plasmon resonance,lspr)模式，该模式模场大部分处于金属内，传播距离较短。将介质波导与长程表面等离子体波导集成在一起，在一定条件下，可实现介质波导中能量与长程表面等离子体能量相互耦合。
4.由于lrspr可以增强金属表面的局域电场，处于局域电场的样品分子产生的拉曼信号将被放大。利用金属阵列结构，可将减小金属层的损耗，同时与介质中入射光能量耦合，实现样品分子拉曼信号的长距离传输与累积。在样品分子痕量检测方面有着广泛的应用前景，在提高检测灵敏度、稳定性方面有着巨大潜力与优势。
5.cn101581814a，一种长程表面等离子体波与介质导波混合耦合结构，该结构包括：介质衬底层(10)；位于该介质衬底层(10)上的介质波导层(7)；位于该介质导波层上的耦合匹配层(8)；以及形成于该耦合匹配层(8)上的、用于传导长程表面等离子体波的长程表面等离子体波导部分，该长程表面等离子波导部分进一步包括：介质缓冲层(9)、金属层(6)、以及介质覆盖层(11)。应用上述混合耦合结构可实现可集成的、极高灵敏度、体积小、稳定性高的折射率传感器，以及高性能、低功耗的光电强度调制器。区别：该专利的金属层为不间断的，完整的金属层；本专利为间断的金属阵列。不足：该专利的金属层的吸收损耗较大，不利于金属层能量的耦合、传播以及探测。本专利利用金属阵列可以减小金属层能量传播过程中的损耗，利于能量信号的收集与分析，同时通过改变入射光的入射角度，可以调控金属阵列单元之间的距离，使得金属阵列单元的位置精确控制在全反射点处，进而调控长程表面等离子体的总体传输距离。
6.cn108693160b，一种基于长程等离子波导的表面增强拉曼光流体芯片，耦合光栅(1)、介质波导、表面等离子波导、微流体结构和硅基底(2)；介质波导由波导上包层(3)、波
导下包层(4)和波导芯层(5)组成；波导上包层(3)设置在波导芯层(5)的上表面，耦合光栅(1)分布在波导芯层(5)的上表面，且耦合光栅(1)未与波导上包层(3)接触；硅基底(2)、波导下包层(4)和波导芯层(5)的外表面齐平，波导上包层(3)、表面等离子波导芯层(9)和微流体通道(8)的外表面齐平。本发明的基于长程等离子波导的表面增强拉曼光流体芯片，结构简单、尺寸很小，可在单一芯片上制作阵列式结构，提高检测灵敏度。区别：该专利入射光通过金属光栅耦合进入介质波导；本专利入射光通过端面耦合进入介质波导。不足：该专利的表面等离子波导芯层为金、银、铜制成的金属层，存在较高金属吸收损耗，对样本分子的拉曼信号收集存在一定影响。本专利采用金属阵列来增大样品分子拉曼信号，减小sers信号的传输损耗，通过改变入射光的入射角度，调控金属阵列单元之间的距离，使得金属阵列单元的位置精确控制在全反射点处，进而调控长程表面等离子体的总体传输距离，长距离累积样品分子sers信号，进一步提高灵敏度。


技术实现要素：

7.本发明旨在解决以上现有技术的问题。提出了一种基于长程表面等离子体波导与介质波导耦合结构的sers基底。本发明的技术方案如下：
8.一种基于长程表面等离子体波导与介质波导耦合结构的sers基底，该sers基底由下至上分别为：衬底层(1)、介质波导层(2)、包层(3)、长程表面等离子体波导部分(包含包层(3))和微通道部分；其中，
9.衬底层(1)用于支撑整体结构；介质波导层(2)用于传输入射光；包层(3)配合衬底层(1)构成完整全反射外包层结构，同时用于传输全反射所产生的倏逝场；长程表面等离子体波导部分用于增大样品分子拉曼信号；微通道部分用于加载样本溶液。
10.进一步的，所述介质波导层(2)的折射率大于所述衬底层(1)和所述包层(3)的折射率。
11.进一步的，所述介质波导层(2)的折射率为1.5～2.0，所述介质波导层(2)的厚度为0.25μm～0.75μm；
12.所述包层(3)的折射率为1.4～1.5，所述包层(3)的厚度为0.3μm～1μm。
13.进一步的，所述微通道部分包括第一介质限制层(6)及第一介质限制层(7)，第一介质限制层(6)及第一介质限制层(7)(用于限制金属层(4)上表面的电场分布)
14.进一步的，所述第一介质限制层(6)及第一介质限制层(7)之间的距离为50nm～100nm。
15.进一步的，所述长程表面等离子体波导部分由下至上为：包层(3)(包层(3)为共用部分)，金属层(4)，介质覆盖层(5)。金属层(4)、介质覆盖层(5)分别(用于产生长程表面等离子体、加载待测样本溶液)
16.进一步的，所述金属层(4)为阵列结构，阵列单元结构间隔受入射光的入射角度调控；所述金属层(4)为金、银、铜中的一种；所述金属层(4)的厚度为4nm～30nm。
17.进一步的，所述介质覆盖层(5)为检测样本溶液，其折射率为1.33～1.34。
18.进一步的，入射光入射角度范围在10
°
～45
°
。
19.进一步的，所述衬底层(1)与包层(3)材料同为二氧化硅；
20.介质波导层(2)材料为氮化硅；金属层(4)为金纳米薄膜；第一介质限制层(6)及第
一介质限制层(7)材料为teflon af2400。
21.本发明的优点及有益效果如下：
22.本发明提供的一种基于长程表面等离子体波导与介质波导耦合结构的sers基底，利用微通道将金属层的能量集中在金属层中心，由于长程表面等离子体在金属层传输距离较短，故采用阵列结构减少单个金属层单元的传输损耗。最后通过长程表面等离子体波导部分和介质限制层部分的配合，将金属阵列结构放大的样品分子拉曼信号与介质中的能量相互耦合，提升有效传输距离，累积样品分子拉曼信号，提高重复性，为低浓度样品分子的表面增强拉曼光谱检测芯片的集成化提供了基础。
23.本发明的创新主要为金属层阵列结构，采用金属阵列结构可减少单个金属层单元的传输损耗，利用长程表面等离子体波导部分和介质限制层部分的配合，将金属阵列结构放大的样品分子拉曼信号与介质中的能量相互耦合，增加有效传输距离，累积样品分子拉曼信号，进一步提高灵敏度。
附图说明
24.图1是本发明提供优选实施例基于长程表面等离子体波导与介质波导耦合结构的sers基底正视图。
25.图2表示金层单元间隔原理图；
26.图3表示基于长程表面等离子体波导与介质波导耦合结构的sers基底三维示意图。
具体实施方式
27.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、详细地描述。所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例。
28.本发明解决上述技术问题的技术方案是：
29.如图1所示，一种基于长程表面等离子体波导与介质波导耦合结构的sers基底，该基底结构由下至上分别为衬底层1、介质波导层2、包层3、长程表面等离子体波导部分(包含包层3)和微通道部分。长程表面等离子体波导部分由包层3、金属层4、介质覆盖层5组成；微通道部分包括第一介质限制层6、第二7。
30.衬底层1用于支撑整体结构；介质波导层2用于传输入射光；包层3配合衬底层1构成完整全反射外包层结构，同时用于传输全反射所产生的倏逝场；长程表面等离子体波导部分用于增大样品分子拉曼信号；微通道部分用于加载样本溶液。
31.进一步的，所述介质波导层2的折射率大于所述衬底层1和所述包层3的折射率。
32.进一步的，所述介质波导层2的折射率为1.5～2.0，所述介质波导层2的厚度为0.25μm～0.75μm；
33.所述包层3的折射率为1.4～1.5，所述包层3的厚度为0.3μm～1μm。
34.进一步的，所述第一介质限制层6及第一介质限制层7之间的距离为50nm～100nm。
35.进一步的，所述长程表面等离子体波导部分由下至上为：包层3(为全反射结构和长程表面等离子体波导共用结构)，金属层4，介质覆盖层5。
36.进一步的，所述金属层4为阵列结构，阵列单元结构间隔受入射光的入射角度调
控；所述金属层4为金、银、铜中的一种；所述金属层4的厚度为4nm～30nm。
37.进一步的，所述介质覆盖层5为检测样本溶液，其折射率为1.33～1.34。
38.进一步的，入射光入射角度范围在10
°
～45
°
。
39.进一步的，所述衬底层1与包层3材料同为二氧化硅；
40.介质波导层2材料为氮化硅；金属层4为金纳米薄膜；第一介质限制层6及第一介质限制层7材料为af2400。
41.介质覆盖层5为检测样本溶液。
42.本发明的检测方式：激发光从介质波导层2端面以一定角度入射，在由衬底层1、介质波导层2、包层3组成的满足全反射结构中远距离传输。全反射点处产生的倏逝场通过包层3耦合进入金属层4产生长程表面等离子体，进而激发并增大样品分子拉曼信号。在介质波导层2的另一端收集样品分子拉曼信号。
43.工作原理
44.激发光在由衬底层1、介质波导层2、包层3组成的满足全反射结构中低损耗、远距离传输。其产生的倏逝场通过包层3波矢匹配耦合进入金属层4，在每一个全反射点产生的倏逝场上方放置一个金属单元，每一个金属单元都将产生长程表面等离子体，进而激发并增大样品分子拉曼信号，拉曼信号能量耦合进介质波导层2长距离交替传输。
45.金属层阵列单元间隔l由入射光的入射角度θ调控，原理如下：
46.假设芯层折射率为n2，高度为h，包层折射率为n1，n2》n1，当入射光在芯层中心以角度θ入射则
[0047][0048][0049][0050]
本发明创新点
[0051]
1、利用入射光的入射角度对金属阵列单元间隔进行调控，降低整体金属层传输损耗。
[0052]
2、利用能量在介质波导与等离子体波导中交替传输来解决样品分子拉曼信号在等离子体波导内传输距离短的问题。
[0053]
还需要说明的是，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、商品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、商品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个
……”
限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、商品或者设备中还存在另外的相同要素。
[0054]
以上这些实施例应理解为仅用于说明本发明而不用于限制本发明的保护范围。在阅读了本发明的记载的内容之后，技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等效变化和修饰同样落入本发明权利要求所限定的范围。