專利名稱：一種長程表面等離子體共振傳感器及制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及生物傳感器及其制備，具體地說是一種長程表面等離子體共振傳感器 及制備方法。
背景技術(shù)：
與傳統(tǒng)的生化分析方法相比，表面等離子體共振生物傳感技術(shù)具有靈敏度高且無 需標(biāo)記、能夠?qū)崟r、原位連續(xù)檢測等特點(diǎn)，近年來已經(jīng)廣泛應(yīng)用于食品安全、環(huán)境監(jiān)測、制 藥、化學(xué)、生物等領(lǐng)域。目前，該技術(shù)受到了普遍的關(guān)注，并得以快速發(fā)展。理論上，表面等離子體波的傳播長度與表面等離子體共振吸收峰的半高寬存在著 倒數(shù)關(guān)系。因此，決定sra傳感器的靈敏度和分辨率的關(guān)鍵問題是表面等離子體波的傳播 長度。傳統(tǒng)的表面等離子體共振生物傳感技術(shù)通常利用產(chǎn)生于金屬層和被分析物分界面上 的表面等離子體共振效應(yīng)。由于表面等離子體在金屬中強(qiáng)烈衰減，導(dǎo)致傳播距離較短，影響 了傳感器的靈敏度和分辨率。當(dāng)金屬層被介質(zhì)對稱包覆成三明治結(jié)構(gòu)時，金屬層兩側(cè)表面 分別激發(fā)表面等離子波，這兩個表面波在金屬中相互耦合，電場違反對稱分布的模式，在金 屬中場強(qiáng)所占的分量較少，電磁能量主要集中在兩邊的介質(zhì)中，由金屬所引起的損耗相對 較少，這種表面波可以傳播很長的距離，這就是所謂長程表面等離子體。相對于傳統(tǒng)表面等 離子體共振傳感器，基于長程表面等離子體共振傳感器具有更高的靈敏度和分辨率。在已有的長程表面等離子共振傳感器中，多數(shù)采用Teflon AF(η = 1.31)或 Cytop (η = 1. 34)做介質(zhì)層材料[3，4_7，8]以形成折射率對稱的薄膜結(jié)構(gòu)。但TeflonAF在 加熱后具有毒性一直為學(xué)術(shù)界所爭執(zhí)。在等離子波作用下其是否存在安全隱患是必須考慮 的一個問題。MgF2是一種性能優(yōu)良的光學(xué)鍍膜材料，其折射率為1.38，基本滿足折射率對 稱的條件，特別是其具有安全無毒、化學(xué)穩(wěn)定性好、易于制備等優(yōu)點(diǎn)。因此，用MgF2做介質(zhì) 層材料，具有應(yīng)用價值。金屬銀作為傳導(dǎo)層與其他金屬相比，共振吸收峰的半峰寬更窄，但其化學(xué)性質(zhì)不 穩(wěn)定。傳導(dǎo)層金膜隨待測生物溶液折射率變化可使共振角發(fā)生更大的遷移，同時其化學(xué)性 質(zhì)穩(wěn)定，生物親和性好[9]。在傳導(dǎo)層銀膜的表面鍍上一層很薄的金膜，這種雙金屬層結(jié)構(gòu) 很好地保留了與銀膜相應(yīng)的吸收峰細(xì)窄的優(yōu)點(diǎn)，同時兼具了金膜的化學(xué)穩(wěn)定性和生物分子 的親和性。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種安全無毒、穩(wěn)定性好易于制備的薄膜結(jié)構(gòu)，能形成長程 表面等離子體模式，達(dá)到提高靈敏度和分辨率的傳感器及制備方法，其傳感器具有雙金屬 傳導(dǎo)層結(jié)構(gòu)，該雙金屬層結(jié)構(gòu)很好地保留了與銀膜相應(yīng)的吸收峰細(xì)窄的優(yōu)點(diǎn)，同時兼具了 金膜的化學(xué)穩(wěn)定性和生物分子的親和性；其制備方法簡單，易操作。實(shí)現(xiàn)本發(fā)明目的的具體技術(shù)方案是一種長程表面等離子體共振傳感器，該傳感器是以BK7棱鏡為基體并在基體上通過香柏油粘貼載玻片而構(gòu)成，所述載玻片的外表面依次鍍有氟化鎂薄膜、銀膜和金膜。上述傳感器的制備方法包括以下具體步驟a、選用BK7棱鏡為所述傳感器基體；b、選擇與BK7棱鏡材質(zhì)相同的載玻片，載玻片的大小略小于BK7棱鏡的底面；C、對載玻片鍍膜i)第一層氟化鎂薄膜采用磁控濺射法對載玻片鍍氟化鎂薄膜，真空腔的真空度為5 X 10_4Pa，氬氣分壓 為0. 5Pa，濺射電壓為射頻700 750V，頻率為13. 56MHz，濺射電流為0. 18 0. 23A，濺射 功率為85 117W，自偏壓為400 440V，濺射時間為38 52分鐘；氟化鎂薄膜的厚度為 650nm ；ii)第二層銀薄膜采用磁控濺射法對載玻片鍍銀薄膜，真空腔的真空度為5X 10_4Pa，氬氣分壓為 0. 6Pa，濺射電壓為直流297 310V，電流為0. 04 0. 06A,時間為2分15秒 3分30秒； 銀膜的厚度為35nm ；iii)第三層金薄膜采用磁控濺射法對載玻片鍍金薄膜，真空腔的真空度為5X 10_4Pa，氬氣分壓為 0. 6Pa，濺射電壓為直流297 310V，電流為0. 04 0. 06A,時間為1分5秒 1分40秒； 金膜厚度為15nm ；d、用香柏油將經(jīng)鍍膜的載玻片與BK7棱鏡粘合在一起；其中香柏油的折射率與 棱鏡折射率匹配。本發(fā)明為高靈敏度生物傳感器，在角度調(diào)制的模式下，對生物溶液進(jìn)行檢測。采 用磁控濺射鍍膜成膜質(zhì)量高，膜厚可以精確控制，載玻片、氟化鎂膜、銀膜和金膜之間結(jié)合 緊密。氟化鎂容易淀積、穩(wěn)定性好，其折射率與生物溶液的折射率接近，可在金屬傳導(dǎo)層的 兩側(cè)形成近似對稱結(jié)構(gòu)，從而使金屬傳導(dǎo)層兩側(cè)的表面等離子體耦合形成長程表面等離子 體。入射光與長程表面等離子體共振形成的共振吸收峰的半峰寬比傳統(tǒng)表面等離子體共振 吸收峰明顯減小。金屬銀作為傳導(dǎo)層與其他金屬相比，共振吸收峰的半峰寬更窄，但其化學(xué) 性質(zhì)不穩(wěn)定。傳導(dǎo)層金膜隨待測生物溶液折射率變化可使共振角發(fā)生更大的遷移，同時其 化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，生物親和性好。這種特定的多層膜結(jié)構(gòu)可以綜合各自的優(yōu)勢，有效地提高生 物傳感器的靈敏度。


圖1為本發(fā)明傳感器的結(jié)構(gòu)示意2為本發(fā)明傳感器在以水為待測物時的共振吸收峰圖
具體實(shí)施例方式實(shí)施例1參閱圖1，本發(fā)明傳感器由BK7棱鏡1通過香柏油和載玻片2粘合構(gòu)成，載玻片2 的外表面依次鍍有氟化鎂薄膜3、銀膜4和金膜5 ；金膜5與待測的生物溶液直接接觸；入射 的P偏振光6在載玻片2和氟化鎂薄膜3的界面發(fā)生全反射，反射光7由探測器接收。
制備過程載玻片2上的三層薄膜均采用磁控濺射的方法鍍制，以保證鍍膜質(zhì)量和準(zhǔn)確控制膜厚；首先在載玻片上鍍氟化鎂薄膜3，真空腔的真空度為5X10_4Pa，氬氣分壓為0. 5Pa, 濺射電壓為射頻700V(頻率為13. 56MHz)，濺射電流為0. 18A，濺射功率為85W，自偏壓為 400V，濺射時間為52分鐘；鍍出氟化鎂薄膜3的厚度為650nm ；接著在氟化鎂薄膜3的表面 鍍銀薄膜4 ；真空腔的真空度為5 X IO-4Pa,氬氣分壓為0. 6Pa,濺射電壓為直流297V，電流為 0. 04A，時間為3分30秒；銀膜4的厚度為35nm ；最后在銀薄膜4的表面鍍金薄膜5 ；真空 腔的真空度為5X 10_4Pa，氬氣分壓為0. 6Pa，濺射電壓為直流297V，電流為0. 04A，時間為1 分40秒；金膜5的厚度為15nm。用折射率與棱鏡折射率匹配的香柏油將經(jīng)鍍膜的載玻片2與BK7棱鏡1粘合在一 起。實(shí)施例2傳感器結(jié)構(gòu)同實(shí)施例1。制備過程載玻片上的三層薄膜均采用磁控濺射的方法鍍制，以保證鍍膜質(zhì)量和準(zhǔn)確控制膜 厚。首先在載玻片上鍍氟化鎂薄膜3，真空腔的真空度為5 X 10_4Pa，氬氣分壓為0. 5Pa，濺射 電壓為射頻720V(頻率為13. 56MHz)，濺射電流為0. 21A，濺射功率為102W，自偏壓為440V， 濺射時間為43分鐘；鍍出氟化鎂薄膜3的厚度為650nm ；接著在氟化鎂薄膜3的表面鍍銀薄 膜4，真空腔的真空度為5 X IO-4Pa,氬氣分壓為0. 6Pa,濺射電壓為直流310V，電流為0. 06A, 時間為2分15秒；銀膜4的厚度為35nm ；最后在銀薄膜4的表面鍍金薄膜5，真空腔的真空 度為5 X 10_4Pa，氬氣分壓為0. 6Pa,濺射電壓為直流310V，電流為0. 06A,時間為65秒；金膜 5的厚度為15nm。用折射率與棱鏡折射率匹配的香柏油將經(jīng)鍍膜的載玻片2與BK7棱鏡1粘合在一 起。實(shí)施例3傳感器結(jié)構(gòu)同實(shí)施例1。制備過程載玻片上的三層薄膜均采用磁控濺射的方法鍍制，以保證鍍膜質(zhì)量和準(zhǔn)確控制 膜厚。首先在載玻片上鍍氟化鎂薄膜3，真空腔的真空度為5X10_4Pa，氬氣分壓為0. 5Pa, 濺射電壓為射頻750V(頻率為13. 56MHz)，濺射電流為0. 23A，濺射功率為117W，自偏壓為 460V，濺射時間為38分鐘；鍍出氟化鎂薄膜3的厚度為650nm ；接著在氟化鎂薄膜3的表面 鍍銀薄膜4 ；真空腔的真空度為5 X IO-4Pa,氬氣分壓為0. 6Pa,濺射電壓為直流300V，電流為 0. 05A，時間為2分45秒；銀膜4的厚度為35nm ；最后在銀薄膜4的表面鍍金薄膜5，真空 腔的真空度為5X 10_4Pa，氬氣分壓為0. 6Pa，濺射電壓為直流300V，電流為0. 05A,時間為1 分20秒；金膜5的厚度為15nm。用折射率與棱鏡折射率匹配的香柏油將經(jīng)鍍膜的載玻片2與BK7棱鏡1粘合在一 起。參閱圖2，該圖為入射P偏振光為He-Ne激光(波長為632.8nm)時，本發(fā)明的傳感 器在待測樣品為水時的反射光光譜圖。
權(quán)利要求
一種長程表面等離子體共振傳感器，其特征在于該傳感器是以BK7棱鏡為基體并在基體上通過香柏油粘貼載玻片而構(gòu)成，所述載玻片的外表面依次鍍有氟化鎂薄膜、銀膜和金膜。
2.—種權(quán)利要求1所述傳感器的制備方法，其特征在于該方法包括以下具體步驟a、選用BK7棱鏡為所述傳感器基體；b、選擇與BK7棱鏡材質(zhì)相同的載玻片，載玻片的大小略小于BK7棱鏡的底面； C、對載玻片鍍膜i)第一層氟化鎂薄膜采用磁控濺射法對載玻片鍍氟化鎂薄膜，真空腔的真空度為5X 10_4Pa，氬氣分壓為 0. 5Pa，濺射電壓為射頻700 750V，頻率為13. 56MHz，濺射電流為0. 18 0. 23A，濺射功 率為85 117W，自偏壓為400 440V，濺射時間為38 52分鐘；氟化鎂薄膜的厚度為 650nm ； )第二層銀薄膜采用磁控濺射法對載玻片鍍銀薄膜，真空腔的真空度為5 X IO-4Pa,氬氣分壓為0. 6Pa, 濺射電壓為直流297 310V，電流為0. 04 0. 06A,時間為2分15秒 3分30秒；銀膜的 厚度為35nm ；iii)第三層金薄膜采用磁控濺射法對載玻片鍍金薄膜，真空腔的真空度為5X 10_4Pa，氬氣分壓為0. 6Pa, 濺射電壓為直流297 310V，電流為0. 04 0. 06A,時間為1分5秒 1分40秒；金膜厚 度為15nm ；d、用香柏油將經(jīng)鍍膜的載玻片與BK7棱鏡粘合在一起；其中香柏油的折射率與棱鏡 折射率匹配。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種長程表面等離子體共振傳感器及制備方法，其傳感器由BK7棱鏡通過香柏油和載玻片粘合構(gòu)成，載玻片的外表面依次鍍有氟化鎂薄膜、銀膜和金膜；金膜與待測的生物溶液直接接觸，在角度調(diào)制的模式下，對生物溶液進(jìn)行檢測；氟化鎂的折射率大約為1.38，與生物溶液的折射率接近，可在金屬傳導(dǎo)層的兩側(cè)形成近似對稱結(jié)構(gòu)，從而使金屬傳導(dǎo)層兩側(cè)的表面等離子體耦合形成長程表面等離子體；金屬銀作為傳導(dǎo)層與其他金屬相比，共振吸收峰的半峰寬更窄，但其化學(xué)性質(zhì)不穩(wěn)定；傳導(dǎo)層金膜隨待測生物溶液折射率變化可使共振角發(fā)生更大的遷移，同時其化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，生物親和性好。這種特定的多層膜結(jié)構(gòu)可以綜合各自的優(yōu)勢，有效地提高生物傳感器的靈敏度。
文檔編號C23C14/35GK101936899SQ20101023920
公開日2011年1月5日 申請日期2010年7月29日 優(yōu)先權(quán)日2010年7月29日
發(fā)明者王松濤, 蔣冬梅, 馬學(xué)鳴 申請人:華東師范大學(xué)