[发明专利]忆阻重构的近红外可调穿透深度生物传感器及方法

说明书

本发明提供一种忆阻重构的近红外可调穿透深度生物传感器及方法，传感器包括：棱镜单元、第一非导电介质薄膜层、金属薄膜层、第二非导电介质薄膜层及导电介质薄膜层；其中：棱镜单元用于产生ATR衰减倏逝波；第一非导电介质薄膜层、金属薄膜层、第二非导电介质薄膜层构成传感单元，用于实现基本传感功能；金属薄膜层、第二非导电介质薄膜层及导电介质薄膜层构成忆阻单元；还设置加电压装置，用于对忆阻单元施加偏置电压实现红外忆阻重构。本发明还提供上述传感器的制备方法及穿透深度调谐方法。本发明生物传感器的传感单元所产生的穿透深度在忆阻单元在加偏置电压时进行动态改变，实现穿透深度的调谐，在探测未知材料生物体时能明显提高其分辨率。

技术领域

本发明涉及表面等离子共振生物传感器技术领域，具体涉及一种可调谐穿透深度生物传感器，尤其涉及一种忆阻重构的近红外可调穿透深度生物传感器及方法。

技术背景

表面等离子共振(surface plasmon resonance，SPR)是一种光学现象，这种现象在20世纪初被Wood发现，等离子共振在早期是在真空中利用电子束轰击金属表面产生。到20世纪60年代，两位来自西德的科学家Otto和Kretchmann分别发明了通过可见光激发表面离子体的方法，直到80年代，来自瑞典的科学家Liedberg才将该技术用于检测生物分子间的相互作用。

表面等离子体激元(SPPs)是产生SPR的关键，是电介质和金属介质之间的界面上在特定的光波场下产生的自由电荷振荡。光可以引起SPPs的激发，当入射光的波矢与表面等离子体的波矢发生匹配时，就会产生表面等离子体共振(SPR)现象，且因为这种波匹配条件很容易被界面上的微小介电常数变化所破坏，所以可用于精确地检测金属表面吸附层(细胞，细菌等)折射率的变化。因此，基于衰减全反射(ATR)方法的各种SPR生物传感器应运而出。研究发现SPR技术具有高灵敏度、高选择性、检测实时、免标记、体积小和成本低等优点，故在检测领域应用广泛，发展前景可观。

穿透深度是表征SPR生物传感器的一项重要指标，定义为Z轴上倏逝波能量衰减到最大值的1/e时传播的距离。传统SPR传感器由于金属吸收只能产生低穿透深度，虽然小穿透深度有助于通过将受体层附着在表面使SPR传感器更具特异性，但当分析物(如细胞)的大小等于或大于传感器所能到达的穿透深度时，它就成为一种限制。

针对于克服低穿透深度的一种方法是使用红外光传感，红外光本身就具有传播距离较长的优点，用于生物传感的短波红外线(波长1.5微米以内)以及红色光的近红外线部分透入组织最深，穿透深度可达10毫米，能直接作用到皮肤的血管、淋巴管、神经末梢及其他皮下组织。

另一种方法则是采取不同的SPR生物传感器件结构来产生不同的穿透深度，在利用电磁(EM)场增强金属薄膜表面SPR激发的生物传感器分类中，可以识别出四种基本类型，即传统SPR、长程SPR(LRSPR，长程表面等离子体共振，Long-Range Surface PlasmonResonance)、耦合等离子体波导共振(CPWR)和波导耦合SPR(WCPR)。

(1)传统SPR表面等离子体波沿界面法线方向上呈指数衰减，有效穿透深度仅为300nm左右，这种特性虽然对界面附近折射率的改变非常敏感，但是无法实现对病毒、细菌、蛋白质等大分子的有效检测，且传统表面等离子共振技术指标达到瓶颈，难以提高。

(2)LRSPR生物传感器是在传统SPR生物传感器的棱镜和金属层之间引入介质缓冲层，当介质缓冲层和待测物的折射率相等时，实现了对称环境，使得SPW(表面等离子体波，由SPPs振荡传播)的传播长度超过常规SPW的传播长度，并保留了入射光束的能量，其优点是LRSPR器件具有非常尖锐(即大的深度-宽度比)的反射率，特殊的LRSPR生物传感器结构穿透深度可达3um以上，缺点是依赖于对称环境的存在。