[发明专利]基于表面等离激元激光的折射率传感器及探测系统和方法

说明书

本发明公开了一种基于表面等离激元激光的折射率传感器及探测系统和方法。本发明的折射率传感器包括金属层和增益介质层，增益介质层形成在金属层上；激发光经过待测液体入射至增益介质层，增益介质在激发光的泵浦下产生受激辐射，经由激光腔反馈放大产生表面等离激元激光，该表面等离激元激光的波长和强度与待测液体的折射率有关；本发明的折射率传感器具有很好的小型化优点；强度探测的品质因子可达84000，比其它已知的表面等离激元探测器的强度探测的品质因子高400倍左右；在各种微量物质的检测方面具有巨大优势；制备工艺简单，所用的制备工艺都已成熟，可进行大规模生产制备；具有准确，快速，实时的特点，可用于探测各种动态体系。

技术领域

本发明涉及液体折射率探测，具体涉及一种基于表面等离激元激光的折射率传感器及探测系统和方法。

背景技术

表面等离激元SP(Surface Plasmon)是一种局域在金属/介质界面的局域电磁模式，通过将光频段的电磁波与贵金属中的自由电子的振荡耦合，将电磁场的能量限制在更小的尺度内。该模式的振荡频率由贵金属与其周围环境的折射率共同决定，因此对周围环境的折射率非常敏感。通过探测由周围折射率变化引起的等离激元共振模式的变化形成的表面等离激元共振SPR(Surface Plasmon resonance)折射率探测器是一种非接触式的、实时和不需要荧光标记的新型探测器。近20年以来，其在疾病诊断、生物化学研究与应用和环境监控等领域取得了非常大的成功。该探测器中的表面等离激元激发一般通过棱镜耦合或光栅耦合等方式将入射探测光与表面等离激元的传播常数匹配以激发表面等离激元。因此该方法需要精确地调控激射光的入射角度，难以实现集成和小型化。

另外一种表面等离激元，局域型表面等离激元最近被发展用来作为折射率探测器。局域型表面等离激元LSPR(localized surface plasmonresonance)可以通过将激发光直接照射于金属纳米颗粒、金属表面纳米孔或其它纳米结构直接激发。利用局域表面等离激元共振对于特定光波长的吸收，通过观测不同局域环境折射率下激发光的散射谱的变化来进行检测。但是相比于SPR探测器来说，LSPR探测器的灵敏度要低数个量级。只有当待探测物在纳米量级尺度靠近LSPR探测器的时候，其灵敏度才能和SPR探测器相当。

不管对于SPR探测器还是LSPR探测器，用于产生等离激元共振的金属中自由电子的振荡所带来的欧姆损耗，从基本物理原理上来讲，都是进一步提高探测器灵敏度的障碍。由于极高的金属欧姆损耗，在可见和近红外波段SPR和LSPR的谐振线宽大约为几十到上百纳米。其对应的品质因子只有1-10左右，极大地限制了传感器的灵敏度。

激光即受激辐射的光放大(Light Amplification by Stimulated Emission ofRadiation)，激光的波长在腔的形状和增益介质的能级宽度不变的情况下依赖于激光腔内和外界环境的折射率。在激射状态下增益介质的增益补偿了辐射损耗和其它损耗，使得激光的线宽很窄，可小于一纳米，具有很高的品质因子。

发明内容

由于表面等离激元对于折射率具有较高的敏感性，而激光又具有很高的品质因子，如果将二者的优势耦合到传感器探测中，将对生物、化学、医学等相关探测领域的目标样品的准确、快速、实时测量具有非常重要的意义。如在生物探测中，在传感器芯片上修饰链霉亲和素，使其可以结合样品中的生物素，因而可以通过探测折射率的变化，实现对生物素浓度的高灵敏探测。通过类似的方法在医学领域可以进行癌细胞、DNA、RNA浓度的准确，快速，实时测量；在健康领域可以对农药残留，环境污染物进行检测，因此具有极佳的推广范围和应用价值。但是，由于目前很难在室温下产生表面等离激元激光，且很难在溶液中保持稳定激射，因此尚未有基于表面等离激元激光的折射率传感器见诸报道。如何将表面等离激元与激光性能优势耦合，构筑更加小型化和高集成化的新型折射率传感器并实现其高灵敏度的探测是一个难题。