一種納米線陣列干涉?zhèn)鞲衅骷捌渲苽浞椒?br> 【專利摘要】本發(fā)明提供了一種納米線陣列干涉?zhèn)鞲衅骷捌渲苽浞椒ǎ窃诒砻骈L有納米線陣列的導(dǎo)電玻璃與45°/45°/90°玻璃三棱鏡或半圓棱鏡耦合，構(gòu)建基于Kretschmann結(jié)構(gòu)的角度調(diào)制型或波長調(diào)制型納米線陣列干涉?zhèn)鞲衅鳎景l(fā)明制備工藝簡單，與表面等離子體共振分析儀相比，大大簡化了傳感芯片的制作工藝，降低了器件的制作成本，大大提高了對(duì)折射率檢測的靈敏度。在食品安全、環(huán)境監(jiān)測、醫(yī)學(xué)檢驗(yàn)等領(lǐng)域具有廣闊的商業(yè)化應(yīng)用前景，有望被廣泛推廣應(yīng)用。
【專利說明】一種納米線陣列干涉?zhèn)鞲衅骷捌渲苽浞椒?br> 【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于分析傳感【技術(shù)領(lǐng)域】，涉及一種納米線陣列干涉?zhèn)鞲衅骷捌渲苽浞椒ǎ貏e是一種用于探測折射率的納米線陣列干涉?zhèn)鞲衅骷捌渲苽浞椒ā?br> 【背景技術(shù)】
[0002]液體的折射率是一個(gè)重要的光學(xué)參數(shù)和生化反應(yīng)參數(shù)，是反映液體本質(zhì)的重要物理參數(shù)之一。通過對(duì)折射率的測量，可以了解溶液的光學(xué)性能和物質(zhì)的純度、濃度等許多物理性質(zhì)，因此折射率的測量在工業(yè)生產(chǎn)、環(huán)境監(jiān)測、食品檢測、臨床檢驗(yàn)、藥物篩選、冶金及科研等領(lǐng)域有著重要的研究意義與廣泛的應(yīng)用價(jià)值，折射率檢測方法及器件的研究也越來越多地受到人們的廣泛重視。
[0003]迄今為止，國內(nèi)外研究人員設(shè)計(jì)了很多種不同結(jié)構(gòu)的器件來測量液體的折射率，主要包括阿貝折射儀、表面等離子體共振傳感器、長周期光纖光柵傳感器、布拉格光纖光柵傳感器、法布里-珀羅干涉型傳感器、光環(huán)共振器、光子晶體光纖、錐形光纖等。如《光電技術(shù)應(yīng)用》2008.23 (4)發(fā)表了魯韶華、簡水生等合著的《基于長周期光纖光柵的折射率傳感器》，《物理學(xué)報(bào)》2011.60 (6)發(fā)表了龔元饒、云江等合著的《光纖法布里-珀羅復(fù)合結(jié)構(gòu)折射率傳感器的靈敏度分析》，《光電子?激光》2011.22 (9)發(fā)表了唐昌平、朱濤等合著的《基于光子晶體光纖M-Z干涉儀的折射率傳感器研究》。
[0004]盡管有關(guān)液體折射率測量的研究取得了一定的進(jìn)展，然而，在測量液體折射率時(shí)，這些折射率傳感器都存在一些缺點(diǎn)。例如，阿貝折射儀測量方法其測量精度雖然高，但測量范圍受反射棱鏡折射率的限制；雖然SPR折射率傳感器具有高精度和實(shí)時(shí)響應(yīng)的優(yōu)點(diǎn)，但一般要使用貴金屬如銀和金，成本較高，傳感芯片需要復(fù)雜而特殊的制備過程；長周期光纖光柵傳感器對(duì)折射率的響應(yīng)呈現(xiàn)非線性特性，且只對(duì)很小的折射率范圍敏感，一般在測量折射率1.4以下的液體時(shí)獲得的靈敏度不是很理想，此外，長周期光柵一般采用紫外或者飛秒激光制作，成本較高；布拉格光纖光柵傳感器中的光場能量大多集中在纖芯，外界環(huán)境的變化對(duì)纖芯中光場的影響很微弱，其對(duì)折射率的靈敏度較低，需要化學(xué)腐蝕才能增加其對(duì)折射率的靈敏性，但腐蝕會(huì)增大光纖表面的粗糙度并大大降低光纖的機(jī)械強(qiáng)度，其制造方法相對(duì)復(fù)雜，不利于實(shí)際應(yīng)用；傳統(tǒng)的法布里-珀羅干涉型傳感器具有較低的溫敏性能，但其可靠性受到液體填充過程中沉積在腔內(nèi)的污染物的嚴(yán)重影響；新型的法布里-珀羅干涉型傳感器采用光纖法珀端面直接測定折射率，避免了腔內(nèi)容易殘留污染物的不利因素，其利用條紋對(duì)比度檢測液體的折射率，但是條紋對(duì)比度的直接讀取識(shí)別有一定困難，需要復(fù)雜的公式對(duì)數(shù)據(jù)處理才能得到對(duì)比度；錐形光纖傳感器存在本身比較脆弱、機(jī)械強(qiáng)度差等特點(diǎn)；光環(huán)共振器和光子晶體光纖等器件，也存在結(jié)構(gòu)復(fù)雜，造價(jià)昂貴，制備工藝復(fù)雜， 成本過高等不利因素。而且，從這些器件的傳感性能來看，折射率靈敏度均不足夠聞。

【發(fā)明內(nèi)容】
[0005]本發(fā)明的目的就是針對(duì)上述存在的缺陷而提供一種納米線陣列干涉?zhèn)鞲衅骷捌渲苽浞椒?。本發(fā)明所述的納米線陣列制備是在導(dǎo)電玻璃表面，制備工藝簡單，與表面等離子體共振分析儀相比，大大簡化了傳感芯片的制作工藝，降低了器件的制作成本，大大提高了對(duì)折射率檢測的靈敏度。在食品安全、環(huán)境監(jiān)測、醫(yī)學(xué)檢驗(yàn)等領(lǐng)域具有廣闊的商業(yè)化應(yīng)用前景，有望被廣泛推廣應(yīng)用。
[0006]本發(fā)明的一種納米線陣列干涉?zhèn)鞲衅骷捌渲苽浞椒夹g(shù)方案為，該納米線陣列干涉?zhèn)鞲衅?，為表面長有納米線陣列的導(dǎo)電玻璃與45° /45° /90°玻璃三棱鏡或半圓棱鏡率禹合，構(gòu)建基于Kretschmann結(jié)構(gòu)的角度調(diào)制型或波長調(diào)制型納米線陣列干涉?zhèn)鞲衅?所述的導(dǎo)電玻璃為覆蓋有導(dǎo)電薄膜成的玻璃基底，該納米線陣列干涉?zhèn)鞲衅饔上碌缴弦来伟?5° /45° /90°玻璃三棱鏡或半圓棱鏡、玻璃基底、位于玻璃基底上的導(dǎo)電薄膜和在導(dǎo)電薄膜表面的作為干涉?zhèn)鞲袑拥募{米線陣列，所述的納米線陣列由生長方向垂直于導(dǎo)電薄膜納米線平行排列構(gòu)成。
[0007]所述的玻璃基底是石英玻璃基底。
[0008]所述的導(dǎo)電薄膜為ZnO導(dǎo)電薄膜、ITO導(dǎo)電薄膜或FTO導(dǎo)電薄膜。
[0009]所述的納米線陣列為TiO2納米線陣列或ZnO納米線陣列。
[0010]所述的納米線陣列中納米線的形狀為三角形、圓柱形、四方形、五方形、六方形中的一種。
[0011]所述的納米線陣列中納米線長度在2nm-10cm之間，納米線的橫截面直徑為
5-200nm，玻璃基底厚度為Imm-1Ocm ;導(dǎo)電薄膜的厚度為IOnm-1 μ m ;納米線陣列的厚度為2nm_10cmo
[0012]所述的一種納米線陣列干涉?zhèn)鞲衅鞯闹苽浞椒?，包括以下步驟:
①對(duì)玻璃基底進(jìn)行清潔處理；
②在清潔處理后的玻璃基底上制備導(dǎo)電薄膜，獲得導(dǎo)電玻璃基底；
③對(duì)導(dǎo)電玻璃基底清潔預(yù)處理；
④在導(dǎo)電薄膜上制備ZnO納米線陣列或TiO2納米線陣列；
⑤將表面長有納米線陣列的導(dǎo)電玻璃與45°/45° /90°玻璃三棱鏡或半圓棱鏡耦合，構(gòu)建基于Kretschmann結(jié)構(gòu)的角度調(diào)制型或波長調(diào)制型薄膜干涉?zhèn)鞲衅鳌?br> [0013]所述的TiO2納米線陣列或ZnO納米線陣列制備方法為溶膠-凝膠法、模板法、氣相沉積法、磁控濺射法、化學(xué)合成法中的一種。
[0014]所述的納米線陣列干涉?zhèn)鞲衅?其進(jìn)一步包括在納米線表面修飾功能材料及其對(duì)生化分子的檢測。
[0015]本發(fā)明的有益效果為:本發(fā)明所述的納米線陣列制備是在導(dǎo)電玻璃表面，制備工藝簡單，與表面等離子體共振分析儀相比，大大簡化了傳感芯片的制作工藝。
[0016]本發(fā)明所述的納米線陣列干涉?zhèn)鞲衅髋c長周期光纖光柵傳感器相比，敏感范圍較寬，有較好的線性響應(yīng)關(guān)系，對(duì)折射率1.4以下的液體靈敏度較為理想。
[0017]本發(fā)明所述的納米線陣列干涉?zhèn)鞲衅髋c布拉格光纖光柵傳感器相比，無需腐蝕，能保持較好的機(jī)械強(qiáng)度。
[0018]本發(fā)明所述的納米線陣列干涉?zhèn)鞲衅髋c法布里-珀羅干涉型傳感器相比，無需復(fù)雜的公式處理，讀取的數(shù)據(jù)可直接用于判斷折射率。[0019]本發(fā)明所述的納米線陣列干涉?zhèn)鞲衅髋c表面等離子體共振分析儀相比，避免了金膜的使用，降低了器件的制作成本，即使與其它折射率傳感器件相比，其制作成本也較為低廉
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[0020]本發(fā)明所述的納米線陣列干涉?zhèn)鞲衅髋c表面等離子體共振分析儀相比，大大提高了對(duì)折射率檢測的靈敏度。
[0021]本發(fā)明所述的納米線陣列干涉?zhèn)鞲衅髟谑称钒踩h(huán)境監(jiān)測、醫(yī)學(xué)檢驗(yàn)等領(lǐng)域具有廣闊的商業(yè)化應(yīng)用前景，有望被廣泛推廣應(yīng)用。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0022]圖1所示為納米線陣列基干涉?zhèn)鞲衅髌拭媸疽鈭D；
圖2所示為納米線陣列結(jié)構(gòu)剖面示意圖。
[0023]圖中:1、45° /45° /90°玻璃三棱鏡，2、玻璃基底，3、導(dǎo)電薄膜，4、納米線陣列，
5、納米線，6、覆導(dǎo)電薄膜的玻璃基底層。
[0024]【具體實(shí)施方式】:
為了更好地理解本發(fā)明，下面用具體實(shí)例來詳細(xì)說明本發(fā)明的技術(shù)方案，但是本發(fā)明并不局限于此。
[0025]一種基于納米線陣列干涉?zhèn)鞲衅?，包?5° /45° /90°玻璃三棱鏡I或半圓棱鏡、玻璃基底2、導(dǎo)電薄膜3、納米線陣列4。所述的45° /45° /90°玻璃三棱鏡I或半圓棱鏡是石英玻璃，所述的玻璃基底2是石英玻璃，所述的導(dǎo)電薄膜3位于玻璃基底上，所述的導(dǎo)電薄膜上有作為干涉?zhèn)鞲袑拥募{米線陣列4。所述的導(dǎo)電薄膜3為ZnO導(dǎo)電薄膜、ITO導(dǎo)電薄膜或FTO導(dǎo)電薄膜。所述的納米線陣列4為ZnO納米線陣列、TiO2納米線陣列中的一種。所述的ZnO納米線陣列或TiO2納米線陣列由生長方向垂直于導(dǎo)電薄膜的ZnO納米線或Ti02納米線平行排列構(gòu)成。所述的納米線陣列4中納米線的表面形狀為三角形、圓柱形、四方形、五方形、六方形中的一種。所述的納米線陣列4中納米線5長度在2nm-10cm之間，TiO2納米線或ZnO納米線的橫截面直徑為5-200nm。所述的納米線陣列干涉?zhèn)鞲衅髟赥M模式下或TE模式下出現(xiàn)干涉光譜信號(hào)或在這兩種模式下均出現(xiàn)干涉光譜信號(hào)。所述的納米線陣列干涉?zhèn)鞲衅?，其進(jìn)一步包括在納米線表面修飾功能材料及對(duì)其生化分子的檢測。
[0026]一種基于納米線陣列干涉?zhèn)鞲衅鞯闹苽浞椒?，包括以下步驟:
(1)對(duì)玻璃基底2進(jìn)行潔凈處理；
(2)在清潔處理后的玻璃基底2上制備導(dǎo)電薄膜3，得到導(dǎo)電玻璃基底；
(3)對(duì)導(dǎo)電玻璃基底進(jìn)行潔凈預(yù)處理；
(4)在導(dǎo)電玻璃表面制備納米線陣列4；
(5)將制備好納米線陣列4的導(dǎo)電玻璃基底3與三棱鏡或半圓棱鏡耦合。
[0027]所述的玻璃基底2厚度為0.1-1Ocm ;導(dǎo)電薄膜3的厚度為IOnm-1 μ m ;納米線陣列4的厚度為2nm_10cm。
[0028]所述的ZnO納米線陣列、Ti02納米線陣列的制備方法包括溶膠-凝膠法、模板法、氣相沉積法、化學(xué)合成法、磁控濺射法。
[0029]所述的納米線陣列干涉?zhèn)鞲衅魇墙嵌日{(diào)制型或波長調(diào)制型納米線陣列干涉?zhèn)鞲衅鳌0030]實(shí)施例1
(1)用丙酮、乙醇、水依次對(duì)5CmX5CmX5Cm的玻璃基底2沖洗，進(jìn)行清潔處理；
(2)用磁控濺射ZnO在清潔處理后的玻璃基底2上濺射IOnm的ZnO導(dǎo)電薄膜3，得到ZnO導(dǎo)電玻璃基底；
(3)用丙酮、乙醇、水依次對(duì)ZnO導(dǎo)電玻璃基底沖洗，進(jìn)行清潔預(yù)處理；
(4)將處理好的ZnO導(dǎo)電玻璃基底放入50ml氯化鋅與IOml六胺的混合液，在120°C反應(yīng)20小時(shí)，在ZnO導(dǎo)電玻璃表面制備500nm的ZnO納米線陣列4 ；
(5)將制備好納米線陣列4的導(dǎo)電玻璃基底3與三棱鏡I耦合。
[0031]通過進(jìn)行折射率的探測，從反射光強(qiáng)度的角度看，該納米線陣列干涉?zhèn)鞲衅鞯撵`敏度(272，722.04 a.u./RIU)，與表面等離子體共振分析儀的靈敏度(28，542.91 a.u./RIU)相比，靈敏度提高了 9.55倍。
[0032]該納米線陣列制備是在導(dǎo)電玻璃表面，制備工藝簡單，與表面等離子體共振分析儀相比，大大簡化了傳感芯片的制作工藝。
[0033]該納米線陣列干涉?zhèn)鞲衅髋c長周期光纖光柵傳感器相比，敏感范圍較寬，有較好的線性響應(yīng)關(guān)系，對(duì)折射率1.4以下的液體靈敏度較為理想。
[0034]該納米線陣列干涉?zhèn)鞲衅髋c布拉格光纖光柵傳感器相比，無需腐蝕，能保持較好的機(jī)械強(qiáng)度。
[0035]該納米線陣列干涉?zhèn)鞲衅髋c法布里-珀羅干涉型傳感器相比，無需復(fù)雜的公式處理，讀取的數(shù)據(jù)可直接用于判斷折射率。
[0036]該納米線陣列干涉?zhèn)鞲衅髋c表面等離子體共振分析儀相比，避免了金膜的使用，降低了器件的制作成本，即使與其它折射率傳感器件相比，其制作成本也較為低廉。
[0037]所述的納米線陣列干涉?zhèn)鞲衅髟谑称钒踩h(huán)境監(jiān)測、醫(yī)學(xué)檢驗(yàn)等領(lǐng)域具有廣闊的商業(yè)化應(yīng)用前景，有望被大規(guī)模推廣應(yīng)用。
[0038]實(shí)施例2
(1)用丙酮、乙醇、水依次對(duì)5CmX7CmX8Cm的玻璃基底2沖洗，進(jìn)行清潔處理；
(2)用磁控濺射TiO2在清潔處理后的玻璃基底2上濺射20nm的TiO2導(dǎo)電薄膜3，得到TiO2導(dǎo)電玻璃基底；
(3)用丙酮、乙醇、水依次對(duì)TiO2導(dǎo)電玻璃基底沖洗，進(jìn)行清潔預(yù)處理；
(4)將TiO2導(dǎo)電玻璃基底放入50mL正己烷、IOml鹽酸、IOml鈦酸丁酯的混合液中，在150°C反應(yīng)15小時(shí)，在TiO2導(dǎo)電玻璃表面制備300nm的TiO2納米線陣列4 ；
(5)將制備好納米線陣列4的導(dǎo)電玻璃基底3與三棱鏡I耦合。
[0039]通過進(jìn)行折射率的探測，該納米線陣列干涉?zhèn)鞲衅鞯撵`敏度(3，717.72 nm/RIU)是表面等離子體共振分析儀的靈敏度(2，651.97 nm/RIU)的1.4倍。
[0040]該納米線陣列制備是在導(dǎo)電玻璃表面，制備工藝簡單，與表面等離子體共振分析儀相比，大大簡化了傳感芯片的制作工藝。
[0041]該納米線陣列干涉?zhèn)鞲衅髋c長周期光纖光柵傳感器相比，敏感范圍較寬，有較好的線性響應(yīng)關(guān)系，對(duì)折射率1.4以下的液體靈敏度較為理想。
[0042]該納米線陣列干涉?zhèn)鞲衅髋c布拉格光纖光柵傳感器相比，無需腐蝕，能保持較好的機(jī)械強(qiáng)度。[0043]該納米線陣列干涉?zhèn)鞲衅髋c法布里-珀羅干涉型傳感器相比，無需復(fù)雜的公式處理，讀取的數(shù)據(jù)可直接用于判斷折射率。
[0044]該納米線陣列干涉?zhèn)鞲衅髋c表面等離子體共振分析儀相比，避免了金膜的使用，降低了器件的制作成本，即使與其它折射率傳感器件相比，其制作成本也較為低廉。
[0045]所述的納米線陣列干涉?zhèn)鞲衅髟谑称钒踩?、環(huán)境監(jiān)測、醫(yī)學(xué)檢驗(yàn)等領(lǐng)域具有廣闊的商業(yè)化應(yīng)用前景，有望被廣泛推廣應(yīng)用。
【權(quán)利要求】
1.一種納米線陣列干涉?zhèn)鞲衅鳎涮卣髟谟?，表面長有納米線陣列的導(dǎo)電玻璃與45° /45° /90°玻璃三棱鏡或半圓棱鏡稱合,構(gòu)建基于Kretschmann結(jié)構(gòu)的角度調(diào)制型或波長調(diào)制型納米線陣列干涉?zhèn)鞲衅?，所述的?dǎo)電玻璃為覆蓋有導(dǎo)電薄膜成的玻璃基底，該納米線陣列干涉?zhèn)鞲衅饔上碌缴弦来伟?5° /45° /90°玻璃三棱鏡或半圓棱鏡、玻璃基底、位于玻璃基底上的導(dǎo)電薄膜和在導(dǎo)電薄膜表面的作為干涉?zhèn)鞲袑拥募{米線陣列，所述的納米線陣列由生長方向垂直于導(dǎo)電薄膜納米線平行排列構(gòu)成。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種納米線陣列干涉?zhèn)鞲衅?，其特征在于，所述的玻璃基底是石英玻璃基底?br> 3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種納米線陣列干涉?zhèn)鞲衅?，其特征在于，所述的?dǎo)電薄膜為ZnO導(dǎo)電薄膜、ITO導(dǎo)電薄膜或FTO導(dǎo)電薄膜。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種納米線陣列干涉?zhèn)鞲衅?，其特征在于，所述的納米線陣列為TiO2納米線陣列或ZnO納米線陣列。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的一種納米線陣列干涉?zhèn)鞲衅?，其特征在于，所述的納米線陣列中納米線的形狀為三角形、圓柱形、四方形、五方形、六方形中的一種。
6.根據(jù)權(quán)利要求4所述的一種納米線陣列干涉?zhèn)鞲衅?，其特征在于，所述的納米線陣列中納米線長度在2nm-10cm之間，納米線的橫截面直徑為5_200nm，玻璃基底厚度為Imm-1Ocm ;導(dǎo)電薄膜的厚度為IOnm-1 μ m ;納米線陣列的厚度為2nm-10cm。
7.如權(quán)利要求1所述的一種納米線陣列干涉?zhèn)鞲衅鞯闹苽浞椒ǎ涮卣髟谟?，包括以下步驟: ①對(duì)玻璃基底進(jìn)行清潔處理； ②在清潔處理后的玻璃基底上制備導(dǎo)電薄膜，獲得導(dǎo)電玻璃基底； ③對(duì)導(dǎo)電玻璃基底清潔預(yù)處理； ④在導(dǎo)電薄膜上制備ZnO納米線陣列或TiO2納米線陣列； ⑤將表面長有納米線陣列的導(dǎo)電玻璃與45°/45° /90°玻璃三棱鏡或半圓棱鏡耦合，構(gòu)建基于Kretschmann結(jié)構(gòu)的角度調(diào)制型或波長調(diào)制型薄膜干涉?zhèn)鞲衅鳌?br> 8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的一種納米線陣列干涉?zhèn)鞲衅鞯闹苽浞椒?，其特征在于，所述的TiO2納米線陣列或ZnO納米線陣列制備方法為溶膠-凝膠法、模板法、氣相沉積法、磁控濺射法、化學(xué)合成法中的一種。
【文檔編號(hào)】G01N21/45GK103983611SQ201410224152
【公開日】2014年8月13日 申請(qǐng)日期:2014年5月26日 優(yōu)先權(quán)日:2014年5月26日
【發(fā)明者】李秋順, 董文飛, 史建國, 鄭暉, 李恒杰, 馬耀宏 申請(qǐng)人:山東省科學(xué)院中日友好生物技術(shù)研究中心