(19)国家知识产权局 (12)发明 专利申请 (10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请 号 202210214605.5 (22)申请日 2022.03.03 (71)申请人 南京邮电大 学 地址 210023 江苏省南京市栖霞区文苑路9 号 (72)发明人 杨涛　沈汉宁　黄维　仪明东　 周馨慧　何浩培　刘辉　 (74)专利代理 机构 南京纵横知识产权代理有限 公司 32224 专利代理师 母秋松 (51)Int.Cl. G01N 21/552(2014.01) G01N 21/01(2006.01) (54)发明名称 一种宽光谱高灵敏度高通量生物化学传感 器及其传感方法 (57)摘要 本发明提出一种宽光谱、 高灵敏度、 高通量 的生物化学传感器及其传感方法， 包括宽带光 源、 容器、 金属颗粒层、 阵列式探测芯片以及与阵 列式探测芯片连接的计算单元； 通过探测从金属 颗粒层各部位所射出的经过局域表面等离子体 共振并经过散射、 衍射、 干涉效应后照射在各像 素元位置处的光的强度， 代入到矩阵方程的增广 矩阵中并求解该矩阵方程， 根据所 获得的计算结 果与初始计算结果相比是否有变化从而检测待 测溶液或待测气体的折射率变化或物 性变化。 本 发明解决了现有生物化学传感器体积较大、 检测 需要加入标记、 制作复杂、 成本较高、 通量较低、 灵敏度低、 检测波段较窄、 检测对象较为单一、 不 能实时检测等 技术问题。 权利要求书3页 说明书11页 附图2页 CN 114544557 A 2022.05.27 CN 114544557 A 1.一种宽光谱高灵敏度高通量的生物化学传感器， 其特征在于： 所述生物化学传感器 包括宽带光源、 容器、 金属颗粒层、 阵列式探测芯片以及与阵列式探测芯片连接的计算单 元； 所述金属颗粒层包含有众多大小不同或形状各异且分布不均的金属颗粒， 所述金属颗 粒层的金属颗粒固着在透明基底上并置于所述容器内， 待测溶液或待测气 体经过所述容器 并与所述金属颗粒层中的金属颗粒接触， 所述金属颗粒层不同部位处的一部分金属颗粒被 照射于金属颗粒层表 面的光照射后会产生局域表 面等离子体共振， 同时所述众多 大小不同 或形状各异且分布不均的金属颗粒又会使得照射于金属颗粒层表面的光 发生散射或衍射， 从金属颗粒层不同部位所射出的光之间又会发生干涉； 所述阵列式探测芯片的各个不同像素元分别探测从金属颗粒层各部位所射出的经过 局域表面 等离子体共振并经过散射、 衍 射、 干涉效应后 照射在各像素 元位置处的光的强度； 所述计算单元事先将不同频率的单色光经过所述金属颗粒层后在不同像素元位置处 的强度除以其入射到金属颗粒层之前的强度， 相除后所得到的比值分别代入到矩阵方程的 系数矩阵C中， 并将初始 时刻所述阵列式探测芯片 中各个不同像素元处的光的强度分别代 入到初始时刻对应的矩阵方程的增广 矩阵Y0中， 通过求解矩阵方程CX0＝Y0的方法获得初始 计算结果X0， 在传感过程中保持得到初始计算结果所采用的矩阵方程的系数矩阵C不变， 而 将不同时刻所述阵列式探测芯片中的各像素元处的光的强度分别代入到不同时刻所对应 的不同增广矩阵Y1， Y2…Yk中， 检测通 过这些增广矩阵求解矩阵方程CX1＝Y1， CX2＝Y2…CXk＝ Yk后所获得的计算结果X1， X2…Xk与初始计算结果X0相比是否有变化， 根据检测结果感知待 测溶液或待测气体的折射率变化或物性变化， 其中k为大于3的整数， Yk表示第k个时刻增广 矩阵， Xk表示第k个时刻计算结果。 2.根据权利要求1所述的一种宽光谱高灵敏度高通量的生物化学传感器， 其特征在于： 所述金属颗粒层中众多大小不同或形状各异且分布不均的金属颗粒表面有一层 界面修饰 层， 界面修饰层对待测溶 液或待测气体中特定物质具有吸附作用。 3.根据权利要求1所述的一种宽光谱高灵敏度高通量的生物化学传感器， 其特征在于： 所述生物化学传感器还包括一个滤波器， 所述滤波器位于宽带光源和金属颗粒层之间， 所 述滤波器的透射光谱频率范围小于所述宽带光源的发射光谱频率范围， 从所述宽带光源所 发出的宽光谱的光经过所述滤波器后照射到所述金属颗粒层的表面； 所述滤波器由多个滤 波片和一个控制 器组成， 在控制器的不同控制参数作用下， 具有不同透射谱线的滤波片在 不同时刻分别放置于宽带光源和金属颗粒层之 间的光路中， 使得在 控制器不同控制参数作 用下入射到金属颗粒层表面的光的光谱各不相同， 在任一滤波片控制器控制参数持续作用 下如果计算单元在不同时刻所得计算结果发生变化即视为待测溶液或待测气体的折射率 发生了变化或待测溶液或待测气 体的物性发生了改变； 所述滤波器中每个滤波片的透射光 谱只有一个谱峰， 在 控制器某个控制参数作用下， 选定某一滤波片 置于光路中， 所选定的滤 波片的透射光谱峰值所对应的频率位于该待测溶液或待测气体发生局 域表面等离子体共 振时所对应的共 振频率附近 。 4.根据权利要求1所述的一种宽光谱高灵敏度高通量的生物化学传感器， 其特征在于： 所述生物化学传感器还包括设置于所述金属颗粒层与阵列式探测芯片之间的光波长转换 部件， 所述光波长转换部件包括波长转换层， 所述波长转换层中包含至少一种波长转换光权　利　要　求　书 1/3 页 2 CN 114544557 A 2学材料； 所述波长转换光学材料的部分或全部吸收光谱超出所述阵列式探测芯片的探测范 围， 发射光谱全部在所述阵列式探测芯片的探测范围内。 5.根据权利要求1所述的一种宽光谱高灵敏度高通量的生物化学传感器， 其特征在于： 所述生物化学传感器还包括设置于金属颗粒层之前的准直装置， 所述准直装置使得从所述 宽带光源或所述滤波器射出的光以固定角度均匀入射到金属颗粒层表面的不同部位， 而将 其它光滤除。 6.根据权利要求1所述的一种宽光谱高灵敏度高通量的生物化学传感器， 其特征在于： 所述金属颗粒层可采用静电吸附、 气相沉积、 纳米光刻、 离子刻蚀、 倾斜角蒸镀这些方法中 的一种或多种组合制备， 所述众多金属颗粒中最大金属颗粒直径是最小 金属颗粒直径的十 倍以上。 7.根据权利要求1和权利要求6所述的一种宽光谱高灵敏度高通量的生物化学传感器， 其特征在于： 所述金属颗粒层为银粒子膜， 所述金属颗粒为银粒子， 所述金属颗粒层的制备 方法包括： 首先将500mm聚苯乙烯微球以单层的方式紧密堆积在0.5mm厚SiO2片上， 形成六 方密堆微球模板， 然后在 40mTorr的压力下对基片 上的微球模板进行O2等离子体刻蚀， 氧气 流量为10sccm， 功率为25W， 射频功率为10W， 持续350s， 对单层密堆积微球模板进行不同的 反应离子刻蚀， 以此获得不同大小的微球， 进而控制所能形成不同直径大小的纳米Ag球体， 随后采用电子束沉积系统在基片表面依次物理沉积Ti薄膜、 Ag薄膜， 可先将带有PS微球模 板的基片定位到沉积室中， 基片表面垂直于入射方向， 在高真空条件下沉积厚度为10nm的 Ti薄膜， 随后以0.3nm/s速度沉积厚度为70nm的Ag膜。 膜厚度和沉积速率通过石英晶体微量 天平进行监控。 之后用胶带除去基底表面微球模板， 将基片浸泡在甲苯溶液中去除残余的 微球模板 。 经过水洗后， 获得 粒子直径大小不同， 分布不均匀的Ag纳米 球。 8.根据权利要求1和权利要求6所述的一种宽光谱高灵敏度高通量的生物化学传感器， 其特征在于： 所述金属颗粒层的制备方法包括:将50毫升10‑2mol·L‑1AgNO3注入装有450毫 升水的烧瓶， 搅拌并加热至沸腾， 然后注入10毫升l％柠檬酸钠溶液， 持续搅拌并加热沸腾 40分钟， 制备出黄绿色的银胶体， 由于制备的银胶体带有负电性， 因此可以利用正电性电解 质PDDA与带负电的银颗粒间的静电相互作用进行组装， 步骤如下:先对玻璃基底进 行清洗， 将基底依次在体积比1:1的乙醇一丙酮溶液、 乙醇和水中超声清洗20分钟， 然后置入沸腾的 Piranha溶液(浓度为98％的H2SO4与30％的H2O2按体积比3:1配制)浸泡30分钟， 取出用去离 子水冲洗3次， 氩气吹干， 然后将 干燥基底浸入1％PDDA溶液浸泡30 分钟使表 面带上正电荷， 取出用去离子水冲洗3次， 氩气吹干， 再将覆盖有PDDA的基底浸入银胶体中浸泡 1小时， 取出 后用去离 子水冲洗 3次， 氩气吹干 。 9.根据权利要求1至8任一项所述的一种宽光谱高灵敏度高通量的生物化学传感器的 检测待测溶液或待测气体的折射率变化或物性变化的传感方法， 其特征在于： 包括以下步 骤： 步骤1： 将所述宽带光源发射谱的频率范围等分为n个频率宽度为Δf的频段， n为大于3 的整数， 各 频段的中心频率 为f1,f2,…fn； 步骤2： 假设入射到所述金属颗粒层表面各部位的光的光强均匀、 光谱均一， 第t个时刻 (t为整数)时所述阵列式探测芯片中n个像元所探测到的光 强度减去环境噪声后的值， 记 为 It1,It2,…Itn；权　利　要　求　书 2/3 页 3 CN 114544557 A 3