一种基于表面等离激元血红蛋白浓度检测传感器

1.本技术涉及微纳结构和集成光学器件的技术领域，尤其是涉及一种基于表面等离激元血红蛋白浓度检测传感器。


背景技术：

2.21世纪，是通讯的时代，随着科学技术的飞速发展，高功耗、大体积、速度慢的光学通讯器件将会随着时代的发展慢慢消失。取而代之的是具有低功耗，体积小，损耗的全新发展。毫无疑问，光通信是未来通信发展指向标。由于衍射极限的存在，使得光子器件的大规模集成徘徊不前，这极大地制约了光学器件的发展，对于集成化愈发强烈的今天，普通光学集成已经不能满足未来大规模数据处理的要求。如何打破衍射极限的制约表面等离激元（spps）的出现给光子器件集成化带了无限可能。由于spps可以超越传统的光学衍射的极限，并且将光束控制在亚波长结构中进行处理，为纳米光学信息传递处理提了可能。并且可以极大地缩减小光子元器件的尺寸，便于光子器件的集成化处理。
3.目前，许多基于spps的波导耦合结构已经被设计用来制造各种光子器件，包括金属
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绝缘体
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金属(mim)波导、通道波导和纳米颗粒链波导。其中，mim波导因其亚波长尺寸、结构简单、易于集成、可靠性高等一系列有点，而受到国内外学者广泛认同，目前，越来越多的研究人员投入到mim波导耦合谐振器系统的研究中，实现光子器件集成化处理或者实现多种传感器的功能。
4.以纳米传感器为例，生物纳米传感器可以来检测血液中血红蛋白的浓度指标，血红蛋白是人体中极为重要的一个指标，在人体中承担着运输养料功能，是检验贫血，白血病，血糖浓度等一系列健康指标的重要依据。所以能够及时监测血红蛋白的浓度对控制心血管疾病和糖尿病具有重要的意义。


技术实现要素：

5.基于上述情况，本技术提出的一种基于表面等离激元血红蛋白浓度检测传感器，可以用于检测血液中血红蛋白的浓度，具有高灵敏度和高品质因数，结构简单，便于制作。
6.一种基于表面等离激元血红蛋白浓度检测传感器，所述传感器包括基底层和金属层；所述金属层设置在基底层的顶部，所述金属层上设置有沿着金属层长度方向设置的波导沟，所述金属层上设置有垂直于波导沟中部的短波；所述金属层上设置有对应波导沟中部的谐振腔，所述谐振腔位于波导沟背离短波的一侧，所述谐振腔包括等大的两个圆环腔和两个矩形腔，两个圆环腔相交，且两圆环腔的圆心所在直线与波导沟平行，两个矩形腔分别贯穿设置在两个圆环腔远离波导沟的半圆上，且两个矩形腔关于圆环腔对称设置，矩形腔靠近波导沟的长边所在直线过对应圆环腔的圆心。
7.进一步的，所述波导沟、短波、谐振腔的结构尺寸是可调节的。
8.进一步的，所述波导沟的宽度等于谐振腔的宽度。
9.进一步的，矩形腔的中心位于环形腔的中心线上，矩形腔与两个环形腔的圆心所
在直线的夹角为30度。
10.进一步的，所述波导沟的宽度为50nm，所述短波的长度为90nm，所述矩形腔的宽度为50nm，圆环腔的外圆半径为230nm，圆环腔的内圆半径为180nm，两个圆环腔的圆心距为70nm，所述矩形腔的长度为220nm，所述矩形腔的宽度为50nm，所述波导沟与谐振腔的间距为10nm。
11.进一步的，所述波导沟和谐振腔内填充血液样本。
12.进一步的，所述基底层为由二氧化硅制成。
13.进一步的，所述金属层为由金属银制成。
14.与现有技术相比，本技术具有以下有益效果：本技术为新颖的纳米级传感器，其结构简单，尺寸小，只有几百纳米；其打破了传统光学器件因衍射极限而无法大规模集成的问题，设计的双圆环结构可以输出两条不同的fano共振曲线，不仅可以进行多频调控，而且极大的增加了传感器的检测范围。本技术的纳米级传感器用于检测血液中血红蛋白的浓度，灵敏度可达到3.75nm
·
g/l，这对生物传感具有积极的意义，为纳米生物传感设备提供了理论基础。
附图说明
15.图1为本技术实施例的结构示意图；图2为本技术实施例的俯视图；图3为本技术实施例中不同血红蛋白浓度下的透射光谱曲线图一；图4为本技术实施例中不同血红蛋白浓度下的透射光谱曲线图二；图5为本技术实施例中不同血红蛋白浓度下的透射光谱曲线图三；图6为本技术实施例中血红蛋白浓度与共振波长的线性曲线图。
16.图中附图标记：1、基底层；2、金属层；3、波导沟；4、谐振腔。
具体实施方式
17.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、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。
18.本技术提供了一种基于表面等离激元血红蛋白浓度检测传感器。
19.如图1至图6所示，基于表面等离激元血红蛋白浓度检测传感器，包括基底层1、金属层2、波导沟3和谐振腔4。
20.具体的，基底层1为二氧化硅基底，金属层2为金属银薄膜，金属层2固定在基底层1的上方，由金属银制成的金属层2可有效降低spps在传播过程中的损耗。波导沟3和谐振腔4均为在金属层2上开槽形成，为槽型结构，在波导沟3与谐振腔4之间有一定宽度的间隔用于spps的耦合。
21.波导沟3位于金属层2的中下方，为贯穿金属层2左右两侧的均匀宽度的矩形槽型，且将金属层2分为上下两部分。波导沟3的下侧中部带有一个垂直于波导沟3的短波，短波为矩形槽状，短波在波导沟3上背离谐振腔4设置，且短波关于波导沟3左右对称。
22.在本实施例中，谐振腔4与波导沟3的中部对应设置，谐振腔4包括两个圆环腔和两
个矩形腔。两个圆环腔等大小设置，两个圆环腔相交，且两个圆环腔的圆心所在直线与波导沟3平行。
23.两个矩形腔等大小设置，两个矩形腔分别贯穿两个圆环腔远离波导沟3的半圆，且两个矩形腔关于圆环腔对称设置。两矩形腔的夹角为钝角，矩形腔靠近波导沟3的长边所在直线过对应圆环腔的圆心，矩形腔的中心位于对应圆环腔的中心线上。
24.本实施例传感器为对称结构，波导沟3的两端均可作为入射光的入射端口，入射光从波导沟3的一端进入，从波导沟3的另一端射出。使用时，在波导沟3和谐振腔4内填充血液样品，入射光从波导沟3的一端射入。
25.波导沟3、短波、谐振腔4的结构尺寸是可调节的，且波导沟3的宽度等于谐振腔4的宽度。采用有限元方法对本技术传感器的传输特性进行了分析，结果表明，该传感器的结构可以产生法诺共振，在透射光谱图中可以说明。
26.本实施例传感器的灵敏度和法诺共振下降波长在很大程度上取决于谐振腔4的结构参数，光谱的线形与带有短波的波导沟3的结构参数有关。此外，灵敏度或法诺共振下降波长和谱线形状都主要受波导沟3与谐振腔4的耦合距离的影响。
27.基于此种情况，具体公开了本技术传感器的结构，参照图2，波导沟3的宽度为w，短波的长度为h，短波的宽度等于波导沟3的宽度，谐振腔4中圆环腔的外圆半径和内圆半径分别为r和r，圆环腔的圆心距为s，谐振腔4中矩形腔的长度和宽度分别为l和d，矩形腔与两个圆环腔的圆心所在直线的夹角为λ，波导沟3与谐振腔4的耦合距离为g。图中，波导沟3内箭头所指的方向是光路的入射方向。
28.在本实施例中，传感器中各个结构的最佳尺寸为，w=50nm，h=90nm，r=230nm，r=180nm，s=70nm，l=220nm，d=50nm，λ=30
°
，g=10nm。波导沟3的波导宽度为50nm，以保证只存在横向磁基波传播。通过上述中每个结构的尺寸配合，利用有限元法研究了本技术传感器的传感性能，可得出本技术传感器的灵敏度2280nm/riu，优良系数（fom）为76.7，这对生物传感具有积极的意义，并在未来的微型可穿戴医疗设备中发挥重要作用。
29.本技术中涉及的光与微纳结构的相互作用可以通过麦克斯韦方程和debye-drude色散模型的求解来描述，基于spps的光学器件的尺寸在亚波长的纳米级，这使得其难以制造。因此，该仿真方法可以优化器件结构，降低实验成本。该模拟方法的基本原理是利用电磁场理论可以求解特定边界条件下的麦克斯韦方程组。目前，波导沟3的研究主要集中在数值模拟上。利用comsol多物理软件，基于有限元法模拟了传感系统的透射光谱和磁场分布。
30.此外，本技术传感器中基底层1和金属层2的厚度选为100nm，则该传感器有以下两种制作方法：其一，是在100nm厚的二氧化硅基底层1上沉积100nm厚的金属银薄膜形成金属层2，然后利用电子束曝光和剥离工艺在金属层2上刻蚀出mim波导和环形谐振腔4结构。
31.其二，是利用聚焦离子束在二氧化硅基底层1上喷射出特定形状的金属银薄膜形成金属层2，同时金属层2与二氧化硅基底层1之间形成了mim波导和圆环形的谐振腔4结构。
32.由于spps传感器中等离子体激元具有较高的光学活性，对介质的折射率变化比较敏感。
33.在波导沟3和谐振腔4内填充血液样本，入射光波耦合进入入射端口，并在波导沟3内空气与金属交界面形成表面等离子波，等离子波沿着正向入射端口向前传播，其强度在
远离表面处呈指数衰减，当达到共振条件时，部分光波将耦合进谐振腔4中，符合共振波长的光波在腔内形成驻波，从而引起输出端口的透射率下降到最低值，形成共振波谷。
34.上述中不同的折射率将会造成不同的共振波长，在输出端口处检测波长的平移量，则可以得到该结构所处环境中的折射率。
35.接下来，我们通过分析透射光谱来研究结构的传感特性。
36.参照图3至图5，为不同血液的血红蛋白浓度下的透射光谱，当血液中血红蛋白浓度以20g/l间隔从50g/l上升至130g/l时，测试结果由图所示。由图可知，随着血液浓度的升高，透射光谱出现了明显的蓝移。
37.参照图6，为传感器的灵敏度拟合线，通过线性拟合，可以保证测量的精度。计算得出血红蛋白传感器的灵敏度为3.75nm
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l/g。
38.本发明设计的血红蛋白浓度检测传感器结构简单，尺寸小，只有几百纳米。不仅打破了传统光学器件因衍射极限而无法大规模集成的问题，而且设计的双环结构可以输出两条不同的fano共振曲线，不仅可以进行多频调控，而且极大的增加了传感器的检测范围。且传感性能优异，在同等尺寸大小下，传感性能优于绝大多数微纳结构。因此具有较大的应用价值。
39.以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

技术特征：
1.一种基于表面等离激元血红蛋白浓度检测传感器，其特征在于，所述传感器包括基底层(1)和金属层(2)；所述金属层(2)设置在基底层(1)的顶部，所述金属层(2)上设置有沿着金属层(2)长度方向设置的波导沟(3)，所述金属层(2)上设置有垂直于波导沟(3)中部的短波；所述金属层(2)上设置有对应波导沟(3)中部的谐振腔(4)，所述谐振腔(4)位于波导沟(3)背离短波的一侧，所述谐振腔(4)包括等大的两个圆环腔和两个矩形腔，两个圆环腔相交，且两圆环腔的圆心所在直线与波导沟(3)平行，两个矩形腔分别贯穿设置在两个圆环腔远离波导沟(3)的半圆上，且两个矩形腔关于圆环腔对称设置，矩形腔靠近波导沟(3)的长边所在直线过对应圆环腔的圆心。2.根据权利要求1所述的一种基于表面等离激元血红蛋白浓度检测传感器，其特征在于，所述波导沟(3)、短波、谐振腔(4)的结构尺寸是可调节的。3.根据权利要求2所述的一种基于表面等离激元血红蛋白浓度检测传感器，其特征在于，所述波导沟(3)的宽度等于谐振腔(4)的宽度。4.根据权利要求3所述的一种基于表面等离激元血红蛋白浓度检测传感器，其特征在于，矩形腔的中心位于环形腔的中心线上，矩形腔与两个环形腔的圆心所在直线的夹角为30度。5.根据权利要求4所述的一种基于表面等离激元的温度检测传感器，其特征在于，所述波导沟(3)的宽度为50nm，所述短波的长度为90nm，所述矩形腔的宽度为50nm，圆环腔的外圆半径为230nm，圆环腔的内圆半径为180nm，两个圆环腔的圆心距为70nm，所述矩形腔的长度为220nm，所述矩形腔的宽度为50nm，所述波导沟(3)与谐振腔(4)的间距为10nm。6.根据权利要求1所述的一种基于表面等离激元的温度检测传感器，其特征在于，所述波导沟(3)和谐振腔(4)内填充血液样本。7.根据权利要求1所述的一种基于表面等离激元的温度检测传感器，其特征在于，所述基底层(1)为由二氧化硅制成。8.根据权利要求1所述的一种基于表面等离激元的温度检测传感器，其特征在于，所述金属层(2)为由金属银制成。

技术总结
本申请提供了一种基于表面等离激元血红蛋白浓度检测传感器，所述传感器包括基底层和金属层；所述金属层设置在基底层的顶部，所述金属层上设置有沿着金属层长度方向设置的波导沟，所述金属层上设置有垂直于波导沟中部的短波；所述金属层上设置有对应波导沟中部的谐振腔，所述谐振腔包括等大的两个圆环腔和两个矩形腔，两个圆环腔相交，且两圆环腔的圆心所在直线与波导沟平行，两个矩形腔分别贯穿设置在两个圆环腔远离波导沟的半圆上，且两个矩形腔关于圆环腔对称设置，矩形腔靠近波导沟的长边所在直线过对应圆环腔的圆心。本申请结构简单、传感性能优异的特点，和优异的传感性能，可以检测血红蛋白的浓度，为纳米生物传感设备提供了理论基础。供了理论基础。供了理论基础。


技术研发人员：闫树斌 周国全 刘吉来 吴太权 张怡 吴秀山
受保护的技术使用者：浙江水利水电学院
技术研发日：2023.06.21
技术公布日：2023/8/13