一种距离复用指纹传感器
本发明属于太赫兹分子指纹传感，具体涉及一种基于全介质光栅及金属超材料的距离复用指纹传感器。
背景技术：
1、太赫兹光谱学通过解析生物化学分子在宽频太赫兹区域的特定吸收峰，展现出在生物医学和环境监测领域的广泛应用潜力。然而，对分析物使用太赫兹光谱测量通常需要将其先烘干制成粉末状样品后再压制成固体颗粒片剂，这些片剂的重量往往要达到几百毫克。这一过程显著增加了检测成本且不适用与痕量分析物的检测，进而抑制了太赫兹技术在复杂微量分子识别与实际分析应用中的全面施展潜力。
2、近年来，几何结构参数复用的太赫兹分子指纹传感技术在痕量分析物检测领域收到人们的青睐。其通过在超表面结构中引入了复用策略，可以获得一段连续的较宽的太赫兹光谱波段。该光谱波段能够覆盖分析物的宽共振吸收带从而实现对分析物的指纹检测。然而，其要求制备一系列数量庞大，可能从几十至数百个不等的独立元像素，这一需求不可避免地导致检测前的准备阶段与实际检测过程较为耗时，限制了其在高效探测分子指纹方面的实际应用。因此，如何设计一种能快速准确检测痕量分析物的传感器成为太赫兹传感技术在生物传感领域进一步发展和应用的关键。
技术实现思路
1、本发明的目的在于提供一种距离复用指纹传感器，该传感器可以增强对痕量分析物的检测能力，有利于对分析物进行快速、准确地指纹检测。
2、为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种距离复用指纹传感器，包括从上至下依次设置的顶层十字孔径金属超材料和底部全介质光栅。
3、进一步地，所述顶层十字孔径金属超材料作为激发表面等离子体极化波的载体；所述顶层十字孔径金属超材料为利用飞秒激光技术在铝箔上制备形成十字孔径阵列结构。
4、进一步地，所述顶层十字孔径金属超材料为利用飞秒激光技术在电导率为3.56×10^7s/m的铝箔上制备形成十字孔径阵列结构；采用的飞秒激光的脉冲宽度为45fs，波长为800nm，重复频率为1khz。
5、进一步地，所述顶层十字孔径金属超材料由阵列的十字孔径单元组成，所述十字孔径单元的周期p＝400μm，长度l＝250μm，狭缝宽度w1＝40μm。
6、进一步地，所述底部全介质光栅作为放置痕量分析物的载体；所述全介质光栅结构由带衬底的聚甲基戊烯(tpx)层以及设于其上的聚乙烯(pe)光栅层组成。
7、进一步地，所述亚波长聚乙烯(pe)光栅层由周期性亚波长pe光栅阵列组成；光栅的周期p＝400μm，光栅的宽w2＝150μm；所述聚甲基戊烯(tpx)层的厚度t1＝100μm，所述聚乙烯(pe)光栅层的厚度t2＝90μm。
8、进一步地，所述距离复用指纹传感器利用顶层金属超材料产生的局域表面等离子体激元模式将电磁场局域在金属超材料与全介质光栅之间的狭窄间隙中，并通过控制金属超材料与全介质光栅之间的距离来调整电场分布，以扩大电场与分析物之间的作用体积，从而实现分子指纹宽带信号显著增强的效果；通过调整顶层金属超材料与全介质光栅之间的距离，产生一系列宽透射谱，将透射谱包络形成一条宽包络线；而该宽包络线覆盖乳糖的共振吸收带，从而实现对乳糖分析物的指纹检测。
9、进一步地，所述乳糖分析物的复折射率公式为：
10、
11、其中，εr是介电常数，ωp是角频率，ε∞是乳糖非共振背景介电常数，εp是振荡强度因子，γp为吸收共振的衰减率，n是乳糖的折射率，j是乳糖的消光系数。
12、与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
13、(1)本发明提供的一种基于全介质光栅及金属超材料的距离复用指纹传感器，得益于顶层金属超材料产生的局域表面等离子体激元(lspp)模式，将电磁场局域在金属超材料与介质光栅之间的狭窄间隙中，显著扩大了电场与分析物之间的作用体积。
14、(2)本发明提供的一种基于全介质光栅及金属超材料的距离复用指纹传感器，相比于传统的几何结构参数复用传感器，只需控制金属与介质光栅之间的距离便可调整电场分布，有着更为灵敏便捷的电场调节方式。
15、(3)本发明提供的一种基于全介质光栅及金属超材料的距离复用指纹传感器，得益于距离复用的策略使得检测范围较宽，与直接在金属基底上检测的传感方法相比，该传感器最大增强倍数高达70倍，在0.47thz至0.56thz的宽频吸光度增强因子均大于12.3db，宽带信号增强显著。
技术特征：
1.一种距离复用指纹传感器，其特征在于，包括从上至下依次设置的顶层十字孔径金属超材料和底部全介质光栅。
2.根据权利要求1所述的一种距离复用指纹传感器，其特征在于，所述顶层十字孔径金属超材料作为激发表面等离子体极化波的载体；所述顶层十字孔径金属超材料为利用飞秒激光技术在铝箔上制备形成十字孔径阵列结构。
3.根据权利要求2所述的一种距离复用指纹传感器，其特征在于，所述顶层十字孔径金属超材料为利用飞秒激光技术在电导率为3.56×10^7s/m的铝箔上制备形成十字孔径阵列结构；采用的飞秒激光的脉冲宽度为45fs，波长为800nm，重复频率为1khz。
4.根据权利要求2所述的一种距离复用指纹传感器，其特征在于，所述顶层十字孔径金属超材料由阵列的十字孔径单元组成，所述十字孔径单元的周期p＝400μm，长度l＝250μm，狭缝宽度w1＝40μm。
5.根据权利要求1所述的一种距离复用指纹传感器，其特征在于，所述底部全介质光栅作为放置痕量分析物的载体；所述全介质光栅结构由带衬底的聚甲基戊烯(tpx)层以及设于其上的聚乙烯(pe)光栅层组成。
6.根据权利要求5所述的一种距离复用指纹传感器，其特征在于，所述亚波长聚乙烯(pe)光栅层由周期性亚波长pe光栅阵列组成；光栅的周期p＝400μm，光栅的宽w2＝150μm；所述聚甲基戊烯(tpx)层的厚度t1＝100μm，所述聚乙烯(pe)光栅层的厚度t2＝90μm。
7.根据权利要求1所述的一种距离复用指纹传感器，其特征在于，所述距离复用指纹传感器利用顶层金属超材料产生的局域表面等离子体激元模式将电磁场局域在金属超材料与全介质光栅之间的狭窄间隙中，并通过控制金属超材料与全介质光栅之间的距离来调整电场分布，以扩大电场与分析物之间的作用体积，从而实现分子指纹宽带信号显著增强的效果；通过调整顶层金属超材料与全介质光栅之间的距离，产生一系列宽透射谱，将透射谱包络形成一条宽包络线；而该宽包络线覆盖乳糖的共振吸收带，从而实现对乳糖分析物的指纹检测。
8.根据权利要求7所述的一种距离复用指纹传感器，其特征在于，所述乳糖分析物的复折射率公式为：
技术总结
本发明涉及一种距离复用指纹传感器，包括从上至下依次设置的顶层十字孔径金属超材料和底部全介质光栅；所述顶层十字孔径金属超材料作为激发表面等离子体极化波的载体；所述底部全介质光栅作为放置痕量分析物的载体。本发明提高了痕量分析物与太赫兹波之间的作用强度，降低了复用扫描的次数，有利于对分析物进行快速、准确地指纹检测。
技术研发人员：黄异,毛高晗,钟舜聪,林廷玲,钟宇杰
受保护的技术使用者：福州大学
技术研发日：
技术公布日：2024/12/5