（凝聚态物理专业论文）长程表面等离子体共振技术在生物检测中的应用研究.pdf

华东师范大学2 0 1 1 届硕士学位论文 d i s s e 僦i o nf o rm a s t e r sd e g r e ei n2 01 1 u n i v e r s i t yc o d e ：10 2 6 9 s t u d e n tn u m b e r ：510 8 0 6 0 2 0 21 w e r s a p p l i c a t i o n o fl o n g r a n g es u r f a c e p l a s m o n r e s o n a n c e t e c h n o l o g y i nb i o l o g i c a ln e l d d e p a r t m e n t ：d e p a n i n e n to fp h y s i c s m 萄o r ： c o n d e n s e dm a t t e rp h y s i c s r e s e a u r c hf i e l d ： s u r f a c ep l a s m o ni 沁s o n a n c e s u p e r v i s o r ： a s s o c i a t ep r o f e s s o rj i a n gd o n g m e i ( h a d u a t es t u d e n t ：勺m gh l l i m a y2 0 1 1 帆9mm1 腓7洲2m 0m 9 iiiii叭y 华东师范大学2 0 l l 届硕士学位论文 华东师范大学学位论文原创性声明 郑重声明：本人呈享的学位论文骘岗耐胀振撼东枉掣切铆件碌燃、是 在华东师范大学攻读碗生博士( 请勾选) 学位期间，在导师的指导下进行的研究工作及取 得的研究成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含其他个人已经发表或撰写过 的研究成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均己在文中作了明确说明并表示 谢意。 期间在 作者签名： 日期：2 口j f 年石月工日 华东师范大学学位论文著作权使用声明 冲哟壶用砺艮人在华东师范大学攻读学位 学位论文，本论文的研究成果归华东师范大 学所有。本人同意华东师范大学根据相关规定保留和使用此学位论文，并向主管部门和相 关机构如国家图书馆、中信所和“知网”送交学位论文的印刷版和电子版；允许学位论文进 入华东师范大学图书馆及数据库被查阅、借阅；同意学校将学位论文加入全国博士、硕士 学位论文共建单位数据库进行检索，将学位论文的标题和摘要汇编出版，采用影印、缩印 或者其它方式合理复制学位论文。 本学位论文属于( 请勾选) () 1 经华东师范大学相关部门审查核定的“内部”或“涉密”学位论文枣， 于年月日解密，解密后适用上述授权。 ( 、2 不保密，适用上述授权。 聊签名盗益本人签名兰盎： 知| 1 年月2 日 华东师范大学2 0 1 1 届硕士学位论文 王萱硕士学位论文答辩委员会成员名单 姓名职称单位备注 到、得荔教旋雒森师彘大单皇 隔 - 豸潮擞掇耷在师彘夫尊 他丈妫翻放救律彘t j 币姘 华东师范大学2 0 1 1 届硕士学位论文 摘要 表面等离子体共振( s w f a c ：ep l a s m o nr e s o n a i l c e ，s p r ) 传感技术具有生物样品无需标 记，实时检测反应动态，准确性高，无背景干扰等优点，因此，该技术在生物科学领域应 用中取得了长足的发展。近年来，随着生物技术安全问题的日益突出，对检测方法的灵敏 度、稳定性、特异性等都提出了更高的要求。基于此，本论文通过将传统s p r 传感器进行 改善，引入了一种新的共振模式一长程表面等离子体共振( l o n g m g es u r f a c ep l a s m o n r e s o n a i l c e ，l s p r ) ，从理论上讨论了该种模式产生的机理，并从实验上研究了该类型的传 感器在食品安全和生物检测中的具体应用。 本论文详细研究了存在于介质金属界面上的表面等离子体波的传播特性，给出了表面 等离子体波的传播波矢，进一步讨论了三层膜结构对称与反对称情况下，长程表面等离子 体波的传播特性。介绍了表面等离子体共振的激发结构及激发条件；利用菲涅尔公式和多 层膜反射公式，建立三层棱镜耦合结构表面等离子体的数学模型。 建立了一套基于角度扫描模式的表面等离子体共振传感器。整个仪器包括光学系统， 机械转动系统和光电探测系统。该传感器能够进行反射光信号的采集与处理，利用自行设 计的流通池，可以方便的对生物溶液进行快速检测，实现实时监控。 实验研究了传统表面等离子体共振传感器与长程表面等离子体共振传感器中传感芯片 的最优化设计，并分析比较了两种传感器的灵敏度。 利用建立的表面等离子体共振仪对两种不同生物溶液的浓度进行检测，对比研究了传 统表面等离子体共振传感器与长程表面等离子体共振传感器在检测生物溶液中的灵敏度。 结果表明，长程表面等离子体共振传感器对生物溶液浓度的改变更加的敏感，其灵敏度是 传统表面等离子体共振传感器的2 倍，且该传感器具有很好的重复性与稳定性。最后，使 用多点测量的方法建立两种生物溶液的标准曲线，用以对大肠杆菌和人羊膜成纤维细胞溶 液的浓度进行实时检测。 关键词：长程表面等离子体共振，食品安全，生物检测，灵敏度 华东师范大学2 0 1 1 届硕士学位论文 a b s t r a c t s i n c et 1 1 es u r f a c ep l a s m o nr e s o n a n c e ( s p r ) p h e n o m e n o nw a sr e c o g n i z e d ， i th a sb e e n r e c e i v i i 培i 1 1 c r e a s i n ga t t e n t i o nc o n t i n u o u s l y t h et e c h i l i q u eo 疗e r ss e v e r a la d v a n t a g e s ，s u c ha s l i t t l em a t e r i a l ，f 瓠tr e s p o n s ea n dr e a lt i m ea i l a l y s i s a l t h o u g ht h et e c l m o l o g yo fs p rb i o s e i l s o r h a sm a d es i g l l i f i c a n tp r o g r e s s ，l l i g h e rr e s o l u t i o nf o rd e t e c t i o no fb i o l o g i c a lm o l e c u l e si su r g e n t l y d e s i r e d o n em e t h o dt 0i r n p r o v et h er e s o l u t i o no ft h es p rb i o s e i l s o ri st h e 印p l i c a t i o no ft h e m u l t i l a y e rc o n f i g u r a t i o nl ( i l o w na sl o n g r a l l g es u r ：f - a c ep l a s m o nr e s o i 瑚c e ( l s p r ) b i o s e i l s o r i nt h i sp a p e r ，p r o p a g a t i o nc h a r a c t e r i s t i c so fs u r f a c e p l a s m o nw a v ei nm ed i e l e c t r i cb u 虢r l a y e r m e t a li n t e r f - a c ei si n t r o d u c e df i r s t l y f u r t h e r ，t l l el o n g - 瑚g es u r f a c ep l a s m o nw a v ev e c t o r b a s e do nt h r e e l a y e rs 饥i c t l l r ei sd i s c u s s e da 1 1 dt h ee x c i t a t i o ns t r u c t u r ea i l de x c i t a t i o nc o n d i t i o ni s d e s c r i b e d af o u r - p h a s en 啪e r i c a lm o d e lb a s e do np r i s mc o u p l ei s g e n e r a t e d 丘i o mf r e s n e l e q 咖i o na 1 1 dm u l t i l a y e rr e n e c t i o n a h o m e - b u i l t 印p a r a t u sb a s e do nt h el ( r e t s c h m a n nc o n f i g u r a t i o nw a sc o n s t m c t e df o rm i s s t u d y t h es p r b i o s e n s o rc o m p r i s e st h r e eb a s i cp a n s ，t h eo p t i c a ls y s t e m ，t h em e c h a n i c a lr o t a t i n g s y s t e ma 1 1 dt l l eo p t i c a ld e t e c t i o ns y s t e m t h ee m i r ei i l s t n j m e mc a nd e t e c tb i o l o g i c 2 l ls o l u t i o l l s m p i d l ya 1 1 da c l l i e v el i n ec o n t i n u o u sm o l l i t o r i n g 1 1 1 es e n s o rc h i po fc o n v e n t i o n a ls u r f a c ep l a s m o nr e s o n a l l c eb i o s e n s o ra i l dl o n g r a n g es u 血c e p l a s m o nr e s o n a n c eb i o s e n s o ri so p t i m i z e d ， r e s p e c t i v e l y p e r f 0 加a n c eo fm el s p r - b a s e d b i o s e n s o rw a sc o m p a r e dt ot 1 1 a to f m ec o n v e n t i o n a ls u r f a c ep l a s m o nr e s o n a n c e ( c s p r ) b i o s e n s o r i ns e r i e so f e x p e r i ：m e n t s a m u l t i l a y e rs e n s o rc m pa n ds e n s o rs e t - u ps u p p o r t i n gl s p rh a 、，eb e e np r e p a r e d t os e e w h e t h e rt h el s p r b a s e db i o s e n s o rh a sab e t t e rp e o 珊a n c e ，w ed os e r i e so fe x p e r i m e n t st 0 d e t e c tc o n c e n t r a t i o n so ft 、v ob i o l o g i c a ls o l u t i o n sa l l dc o m p a r e dr e s u l t sw i mt h o s eo b t a i n e db y c s p r - b a s e db i o s e i l s o r t h er e s u l t ss h o wt 1 1 es e l l s i t i v 时o fl s p r b a s e db i o s e i l s o r 、a su pt o 2 - f o l d 黟e a t e rm a j lt h a to fc s p r b a u s e db i o s e n s o r f i n a l l y ，s t a i l d a r dc u n ，e so f 铆ob i o l o g i c a l s o l u t i o i l sa r ee s 切b l i s h e db a s e do ns i n g l e - l a y e r c o n f i g u r a t i o na i l dm u l t i l a y e rc o i l f i g u r a t i o i l ， r e s p e c t i v e l y k e ”v o r d ：l o n g - r a l l g es u 渤c ep l a s m o nr e s o n a n c e ，b i 0 1 0 9 i c a ld e t e c t i o n ，s e n s i t i v i 够 2 4 机械转动系统2 3 2 5 光电探测系统2 3 2 6 软件测试系统2 4 2 7 本章小结2 4 第三章长程表面等离子体共振技术实验研究2 5 3 1 优化传感芯片膜层厚度配比2 5 3 2 c s p r 与l s p r 灵敏度比较3 4 3 3 本章小结3 7 第四章长程表面等离子体共振技术在食品安全中的应用3 8 4 1 引言3 8 4 2 实验材料与方法3 8 4 3 实验结果与讨论3 9 4 4 标准曲线的建立4 2 4 5 本章小结4 3 第五章长程表面等离子体共振技术在生物检测中的应用4 4 5 1 引言4 4 5 2 实验材料与方法4 4 5 3 实验结果与讨论4 5 华东师范大学2 0 l l 届硕士学位论文 5 4 标准曲线的建立4 8 5 5 本章小结4 9 第六章总结与展望5 0 1 1 研究背景 华东师范大学2 0 1 l 届硕士学位论文 第一章绪论 随着生物技术的发展以及生物产品应用得越来越广泛，生物快速，安全检测是我们不 得不面临的问题。目前我们国家虽然制定相关的生物检验方法，但由于检测方法均采用传 统方法，耗时、费事，需要大量样本，一般测需要24 小时甚至更长时间，且存在国内试 剂供应不配套等问题，很难适应公共卫生事件应急处理快速反应的需要。随着生物技术安 全问题的日益突出，对检测方法的先进性、灵敏度、特异性等都提出了更高的要求。 表面等离子体共振( s u r f a c ep l a s m o nr e s o n a l l c e ，s p r ) 检测技术是一种新型的生物化 学检测技术，作为一种作用于介质表面的技术【1 】，这种传感技术的优点是：准确性高，能 实时监测反应动态过程，分析样品不需要纯化，生物样品无需标记，无背景干扰等优点， 在生物科学领域应用中取得了长足的发展。 s p r 检测技术是基于一种表面等离子体谐振的物理光学现象【2 1 。常用的s p r 传感装置 是在棱镜表面覆盖一层金属薄膜( 金或银) ，然后与另一种分析物介质相接触。采用金属薄 膜是由于其特殊的物理性质所决定的，金属之所以可以导电，是由于其内部具有可以自由 移动的价电子，金属的价电子是被整个晶格所共有的，金属正离子被束缚在晶格上，而价 电子可以在晶格内部自由运动，即通常所说的自由电子气模型p j 。在自然状态下，金属表 面及其内部的自由电子做无规则的运动。当一束光照射到金属表面时，入射光波与金属导 体表面的自由电子会产生相互作用，使得金属表面的自由电子做集体运动，称为表面等离 子体子共振。当光线从光密介质照射到光疏介质时，在入射角大于某个特定的角度( 临界角) 时，会发生全反射( t o t a li n t e m a lr e n e e t e d ，t i r ) 现象。但是光波的能量在界面处并不是完 全被反射，而是部分的进入光疏介质，产生倏逝波( e v a i l e s c e 血 ，a 、r e ) 【4 】。由于在两种介质 界面之间存在几十纳米的金属薄膜，那么全反射时产生的倏逝波的p 偏振分量( p 波) 将会进 入金属薄膜，与金属薄膜中的自由电子相互作用，激发金属薄膜表面电子的振荡，发出沿 金属表面传播的表面等离子体波( s u r f a c ep l a l s m o nw a v e ，简称s p w ) 。当入射光的波向量与 金属表面等离子体波的振荡频率相匹配时，入射光的能量被耦合入表面等离子体内，光能 大量的被吸收，从而使全反射的反射光能量急剧下降，在反射谱上出现共振吸收峰。此时 入射光的角度即为共振角度，当角度一定时，可以通过改变入射光的波长来调节波向量， 华东师范大学2 0 1 l 届硕士学位论文 使波向量与表面等离子体波的振荡频率相匹配，此时的波长为共振波长。 研究发现，s p r 对吸附在金属薄膜表面介质的折射率变化特别敏感岭】，当入射光的波 长固定时，激发表面等离子体的共振角度主要和金属薄膜的介电常数及吸附在金属表面的 分析物的折射率密切相关。因此当在确定金属的种类及薄膜厚度，即确定金属薄膜的介电 常数后，就会得到共振角度与分析物折射率的对应关系，从而可以研究电介质的性能。 s p r 传感器的工作特点决定了它特别适合在生物检测中的研究，传统表面等离子体共 振( c s p r ) 检测技术在生物科学领域应用中取得了长足的发展，目前己研制出各种类型的 s p r 传感器。但其本身也存在缺点： 1 由于表面等离子体波( s p m 是一种在金属和介质表面上传播的电磁波，其振幅随离开 界面的距离呈指数衰减，有效穿透深度一般为1 0 0 6 0 0 m 一1 ，因此s p w 对界面介质折射率 的改变非常敏感，适用于界面相互作用的研究。但是在生物检测技术中，被检测的生物分 子通常都是大分子，如病毒，细菌，蛋白质等，其分子粒径均大于表面等离子波的穿透深 度。因此，传统表面等离子共振效应无法有效地检测生物分子体折射率的改变。 2 在生物检测技术中，由于某些被检测的生物分子很难吸附在金属膜的表面，因此实验 中通常会在金属膜表面添加吸附层，但由于传统结构中表面等离子体波的穿透深度浅，因 此共振角度的改变描述的是分界面折射率的改变情况。因此添加吸附层会对测得的共振角 度产生微小的扰动，而这种扰动是我们不希望得到的，即所谓的噪声。 3 传统表面等离子共振效应( c s p r ) 及其共振理论已有多年的研究，c s p r 传感器的应 用也已十分成熟，并且己经达到了极限测量精度。 因此，近几年长程表面等离子体共振( l r s p ) 技术的研究成为热点。用于产生l s p r 的结构为类似三明治结构，即缓冲层，金属层，分析物，多层膜结构的优势在于，合理的设计 膜层结构能够有效的减少共振峰半高宽，增加等离子体对分析物的穿透深度，提高传感器 的灵敏度，甚至能够激发不同穿透深度的表面等离子体模式。 当达到表面等离子体共振的条件时，金属层两侧表面分别激发表面等离子波，当金属 层的厚度足够薄时，两侧表面产生的表面等离子体波具有相同的传播常数能够相遇并耦合， 从而在金属层的表面形成了两种新的模式，低损耗的长程表面等离子体( l s p r ) 和高损耗 的短程表面等离子体【7 1 。其中耦合的l s p r 模式电场分布是对称的，电磁能量主要集中在两 边的介质中，金属中场强所占的分量较少，因此由金属所引起的损耗相对较少，这种波传 输距离很长( 可达厘米量级) ，因此称为长程表面等离子体。在生物检测技术中，我们更加 2 其损耗 其分辨 去生物 标记物 用是一 ，获得 直接将 等待分析的生物溶液通入到流通池，而不需要对待测生物样品进行任何纯化过程，因此可 以直接将生物样品如血清，组织培养液，细胞溶液等进行测量。 5 长程表面等离子体共振生物传感器对金属传感层的选择更加宽泛，传感层不仅适用 于高反射、低吸收金属( 如a g 、a u ) ，同样适用于高吸收金属，如v ，p d ，n ，1 等。而在传 统表面等离子体共振生物传感器中，上述高吸收金属不能产生明显的共振现象。l s p r 生物 传感器中采用高吸收金属的优势在于：高吸收金属，如p d ，能够与不同浓度的气体反应， 反应产物的折射率随反应气体浓度的不同而改变u ，共振曲线上便体现在共振角度的改 变。因此，能够利用长程表面等离子体共振生物传感器对气体浓度进行实时检测。 6 对于生物传感器中经常应用的三角形棱镜来讲，由于某些大折射率分析物所导致的 内角较大，三角形棱镜的外角无法有效地检测到，而通过采用合理的多层膜结构，既可有 效的减小共振角，又可提高灵敏度。 由于多层膜结构能够激发两种模式，短程表面等离子体和长程表面等离子体，且两种 模式由于电场分布不同导致对分析物的穿透深度有较大差异，因此可分别用来分析界面相 互作用及体折射率的改变情况。 短程表面等离子体对分析物的穿透深度浅，对分乔面的改变情况非常敏感，因此共振 角度的改变描述的是分界面折射率的改变。长程表面等离子体的穿透深度较深，因此可用 来检测大分子，如蛋白质，病毒等体折射率的改变情况。 1 2 研究现状及发展趋势 华东师范大学2 0 1 1 届硕士学位论文 近年来，由于长程表面等离子体共振传感器具有较高的灵敏度，因此在生物检测方面 受到越来越多的关注。 2 0 0 1 年，n e n n i n g e r 小组采用波长调制型模式，以氟化镁和t e f l o na f 作为介质缓冲 层设计了高分辨的传感器u “。文章研究了介质缓冲层的厚度和传感层的厚度对半高宽及灵 敏度的影响，利用优化的传感器对乙醇的的折射率进行了检测。结果表明，无论是以氟化 镁还是t e f l o na f 作为介质缓冲层，其灵敏度均高于c s p r 传感器。为以后生物传感器的研 究奠定了基础。 2 0 0 5 年，以w a r k 为代表的研究人员第一次将长程结构的传感器应用于生物分子的动 力学研究中u “。在利用表面等离子体共振传感器检测d n a 分子的杂交吸附实验中，基于长 程结构生物传感器的响应强度更高，灵敏度更好。 2 0 0 9 年，m v a l a 小组利用长程表面等离子体共振传感器对生物大分子，如蛋白质、 细菌等进行了检测u “。结果表明，长程结构的生物传感器对生物溶液折射率改变的灵敏度 达到了5 9 0 0 0 n i i l r i u ，说明对生物大分子浓度的改变远远高于传统结构的传感器。 由于表面等离子体共振传感器应用范围的广泛，因此越来越受到国内外对其研究的重 视，相关的研究成果也经常被报道，其研究和发展方向也有了新的进展： 小型化，便携化；近年来，小型化已经成为分析仪器的个重要发展方向，对于生物 传感器也是如此。将生物传感器小型化的优点是大大降低成本，从而能够更快的进入各个 检测领域和分析领域。这一趋势要求改进仪器的结构，并且实现仪器的便携化和易用化。 提高灵敏度；表面等离子共振生物传感器的一个重要研究方向就是如何提高灵敏度。 除了对传感器结构优化、对膜系进行改进外，传感新机制等的实验研究同样非常活跃，国 外一些学者开展了金属膜系优化和能量藕合新机制的研究。用纳米材料制作周期性结构， 以增强表面等离子效应；在金膜上同时生长金纳米粒子和其它纳米粒子介质，生成金属复 合膜基底，将可以大大地提高传感器的分辨率和灵敏度。s t e i n e r 等人采用了离子注入技 术u 引，利用银离子团在棱镜与银膜界面处的电场放大作用，提高s p r 方法的灵敏度。同时， 由于离子注入技术采用的是高能金属离子，在光学支持体表面可形成非常稳定牢固的离子 注入银团簇( i o n i m p l a n t e ds i l v e rc l u s t e r s ) ，从而极大地提高了传感芯片的使用寿命。 与多种技术联用，呈现多样化发展；目前已经有报道的连用技术有，将光声光谱和光 4 华东师范大学2 0 l i 届硕士学位论文 热偏转光谱与表面等离子体传感器中常用的光电二极管阵列检测器相配合，用来提高传感 器的灵敏度m 3 ；与质谱等高灵敏度分析仪器的联用，与电化学方法的联用，将声光可调滤 光片用于波长的控制和调节等1 6 1 。由于不同的工作场合，对表面等离子体共振传感器的性 能要求不同，研究人员致力于开发出具有不同性能，满足不同场合需要的传感器。 1 3 表面等离子体共振生物传感器的工作原理 表面等离子体子共振( s u r f a c e p l a s m o n r e s o n a n c e ，s p r ) 是发生在金属薄膜与电介质分 界面上的一种物理光学现象，利用光在界面处发生全内反射时的倏逝波，引发金属表面的 自由电子产生表面等离子体子。通过调整入射光角度或波长到某一值，光耦合进入金属薄 膜，从而与介质金属界面的表面等离子体波发生共振。 为了更好地理解这种物理光学现象，我们首先讨论了表面等离子体的特性，并从理论 上分析了长程表面等离子体波的传播特性及共振条件和共振结构，最后计算了基于棱镜耦 合结构的多层膜反射系数。 1 3 1 表面等离子体 表面等离子体是等离子体物理学的一个分支，它主要研究的是等离子体在物质的表面 和界面上的性质。表面等离子体存在于金属的表面，是一种表面电磁波，符合麦克斯韦电 磁波理论1 。麦克斯韦电磁波理论表明，表面电磁波能够沿金属表面或者在金属膜上传播， 并且具有很宽的本征频率。表面等离子体的色散关系钟。、位于光线的右侧，这表明，在具 有相同的能量砌的情况下，表面等离子体具有较大的波矢u 。因此，在通常情况下，表 面等离子体不会向外辐射出光，所以表面等离子体又称作非辐射表面等离子体驯，它描述 了表面电荷密度的波动，其强度在表面上具有最大值，并且沿垂直于表面的方向向空间呈 指数性衰减，具有表面波的特征。表面等离子体的波动方程如下： e = 岛e ) ( p f ( t x 也z 一刎) 】 ( 1 1 ) 其中，厶为表面等离子体波电场的振幅，e x p f ( 后。x 红z 一刎) 】代表相位因子，z o 时 取正号，z 0 ，介质2 为传感金属， 岛= 2 一晦：( q ： 0 ) 。x 轴为分界面上表面等离子体波的传播方向，z 轴垂直于传播平面， 且在金属与介质的分界面上z = o 。 z l 气介质 x 毛金属 七= 一i 毛 f 竹 图1 1 表面等离子体波沿界面传播( s p wp r o p a g a t i n g0 nt h ei n t e r f a c e ) 对于各相同性的两种介质，其分界面上传播的电磁波为横磁波( t m ) ，由磁场分量和 电场分量表示。磁场分量q 为： b = 风厂( z ) e x p f 一缸) 】 ( 1 2 ) 电场分量由m a x w e l l s 方程得出： e = 去鲁弦恚q 3 ， 其中，后为表面等离子体波的波矢，七= t 一啦，平行于传播平面。凰是常数。( z ) 是 磁场分量沿z 轴方向的函数【厂( z ) = 1 】： 厂( z ) = 矿邓，z 0 ，脓掳蜊1 ( 1 4 ) 厂( z ) = e 掣，z o 。上述公式得出的表面等离子体波矢是金属材料无损耗时的 理想情况，衰减系数均为实数且，分别为： q ( 去于 。沼协 2 ( 去) - ( 1 8 c ) 喊( 赢 ；( 掣 ； 。9 幻 ( 赢) ； 掣 ； 。9 其中，考= 最+ + q ：，波矢的实部t 决定了表面等离子体的振动频率，虚部砖则相 7 华东师范大学2 0 l l 届硕士学位论文 当于表面等离子体波的阻尼因子，表示表面等离子体波在沿界面传播的过程中，振幅以指 数的形式衰减，同时也说明金属介电常数的虚部仅仅影响损耗特征，对其它的特性影响不 大。 在可见光和近红外区域，对于金，银等反射率较高的传感层金属，其介电常数满足 2 = 一砖2 q 2 ，蠢2 毛，从( 1 9 a ) 、 ( 1 9 b ) 中可以得出： ( 惫闷基一，： 。1 蚴 喊热( 焘于 。_ 叻 上述公式是表面等离子体波在实际金属中传播时的波矢情况。由公式( 1 1 0 a ) 可以得 出，金属介电常数的实部越大，表面等离子体波波矢的实部越接近极限值岛爿坨，同时波矢 的虚部越趋近于零，说明表面等离子体波在系统中的损耗越小，场的效应越强。 1 3 3 长程表面等离子体共振理论 1 3 3 1 对称长程表面等离子体共振理论 产生长程表面等离子体共振效应的膜系结构为三明治结构，即介质金属介质。如下 图1 2 所示，介质2 为金属，其复介电常数为岛，岛、岛为介质的介电常数，且均为实数。 当介电常数满足毛= 乞时，我们称这种结构为对称结构；反之q 岛时，这种结构叫非对称 结构。 8 华东师范大学2 0 l l 届硕士学位论文 ， s e m i i n f i n i tem e d i u l te l m e t a l 屯。暑，2 一，2 矗 s e m i i n f i n i tem e d i 吼 f ， 。_ 。_ - k 图1 2 三层膜系结构示意图 首先讨论对称结构q = 岛时，表面等离子体波的振动情况。依据界面连续性条件2 1 | ， 得到膜系结构的色散方程为： 蛐c 咖一羰 。j 。 ： 其中，弓= 后2 一砖勺，j = 1 ，2 ，3 ；七= t 一魄 考虑到对称结构q = 岛，代入( 1 1 1 ) 中，解分两种情况讨论： 第一种情况：l 蓑l 的q 反对称模，色散方程为： 删掣) ：盟 ( 1 1 2 z 第二种舰矧 的髟对称槐色散方酰 鼬c 等= 普 ( 1 1 3 ) 当d 一时，由( 1 1 2 ) 、( 1 1 3 ) 两式可以推导出：q 呸+ 乞喁= 0 ，即上面所讨论的 两个半无限大分界面的模型。此时对称模与反对称模约化为为金属与介质分界面上的表面 等离子体波，且两者是简并的。当d 逐渐减少，并d o 时，两支表面波将相互耦合，成为 完全不同的对称模和反对称模。 9 华东师范大学2 0 1 l 届硕士学位论文 对于对称模，当d _ o 时，有一o ，说明对称模式的波损耗极小，表明对称模式的 波相对于普通表面等离子体波可以传播更长的距离，因此被称为长程表面等离子体波。 对于反对称模，当d o 时，、口，均趋向于无穷大，说明损耗极为严重，因此被称 为短程表面等离子体波。 由于对称模具有传统表面等离子体波不具有的优点，因此我们更关心对称模即长程表 面等离子体波的共振模式。 对于对称模( 1 1 3 ) 式中，当d 足够小时，满足l 掣i o 时，由式( 1 2 0 b ) 得出， 边界条件为毛= o ，即彳2 = 酽，将么2 = 代入公式中，得出在有损耗的实际系统中，金属 薄膜的截止厚度为： 如= 志c 熬】1 2 ( 1 2 3 ) 上述分析得出，并非所有非对称结构都能产生长程表面等离子体共振现象，只有介质 l 与介质3 的介电常数满足( 1 2 0 ) 式要求时，才能有效地激发长程表面等离子体共振。当 岛一岛大于。越，则由于金属界面两侧激发的表面等离子体波不能有效地耦合，从而使得长 程表面等离子体共振现象不能出现。 从式( 1 - 2 0 b ) 中可以分析，当金属薄膜的厚度d 固定不变，随着的改变使得系数a 越趋近于b 时，t 则越趋近于零且长程对称模式波的传播长度趋近于无穷大。( 1 2 0 b ) 中 还可分析出，七i 的大小与金属薄膜的厚度d 密切相关，并且随着的增大变的更加明显。 因此在多层膜系结构中，轻微的反对称结构更加有利于长程表面等离子体模式的激发，并 且波的传播特性与介质介电常数差值和金属薄膜的厚度d 密切相关。 在有损耗的实际系统中，上述得出的截止条件为么2 = b 2 ，当 毛；对于波长为九= 6 3 2 8 ，z 聊的入射光，代入公式( 1 2 5 ) ，计 算出一0 3 ：对于波长为凡= 3 3 9 1 脚的入射光，代入公式( 1 2 6 ) ，得一o 0 1 。 综上所述，即使在有损耗系统的非对称结构中，只要金属薄膜两侧介质的介电常数相 接近，就能有效地激发出长程表面等离子体共振效应。 1 3 4l s p r 与c s p r 对分析物穿透深度的比较 表面等离子体波在介质金属界面沿x 轴方向传播的过程中，振幅沿垂直界面的z 轴方 向指数衰减2 2 1 ，当表面等离子体波的振幅衰减为1 e 时在z 轴传播的距离可表示为： 弘南2 南h 2 j ( 1 2 7 ) 我们以金属薄膜为银膜的结构为例，假定在长程三层对称结构模式中银膜厚度为 d = 2 5 删，介电常数乞= 一1 9 一o 5 f ；介质1 与介质3 的介电常数为q = 岛= 1 3 3 ，入射光 波长为6 3 2 8 m ：在传统两层表面等离子体共振模式中，银膜厚度为d = 5 0 删，环境介质 折射率为1 3 3 ，代入公式( 1 2 7 ) ，可得： 华东师范大学2 0 l l 届硕士学位论文 长程模式在介质中的穿透深度为：z ，船r = 1 4 0 0 ，z 聊 传统模式在介质中的穿透深度为：妒足= 2 0 0 力m 由此可以看出，长程表面等离子体波对分析物的穿透深度可达到微米量级，远远大于传 统表面等离子体波对分析物的穿透深度，穿透越深，对分析介质折射率的改变将会越敏感， 即灵敏度越高，因此长程表面等离子体波确实具有比传统表面等离子体共振波无法比拟的 优越性。 1 3 5 长程表面等离子体共振的激发 由于长程表面等离子体共振的激发条件与激发结构与传统表面等离子体共振相类似，因 此，我们以传统表面等离子体共振激发为例重点讨论激发条件及激发结构。当光从光密介 质入射进入光疏介质时，若入射角大于临界角，则在界面处会发生全反射。但是，光波的 电磁场强度在界面处并不能立即减小为零，而是部分地进入到光疏介质中，并且随着入射 深度以指数形式衰减，形成所谓的倏逝波，倏逝波的有效深度一般为1 0 0 2 0 0 n i i l m 。 若在与分析介质相接触的棱镜表面镀一层高反射率的金属薄膜，其厚度一般为几十纳 米。当光以一定的入射角透过棱镜照射到与金属薄膜的界面，并发生全反射时，由于金属 膜的厚度小于倏逝波的深度，在金属与分析介质的界面处，仍然存在倏逝波，其沿x 轴方 向的波矢分量为： k = 兰岛s i i l 口= s i l l 秒 ( 1 2 8 ) 其中，缈为入射光的角频率，c 为光速，氏是介电常数，口是入射光的入射角。 同时在金属与介质的界面上，将会激发金属薄膜内的自由电子，形成表面等离子体波， 其波矢为七，。当入射光波在x 轴方向的波矢分量等于界面上表面等离子体波的波矢分量， 即满足条件：丸，= 屯时，两种电磁波将发生共振耦合，此时入射光波的绝大部分能量被表 面等离子体波吸收，从而使得反射光强的能量大幅度下降，即界面上的表面等离子体被激 t l 土 反。 然而，当入射光直接入射到金属表面时，无法激发表面等离子体共振现象，因为，根据 前面内容分析，无论是长程表面等离子体波还是传统表面等离子体波，其沿x 轴的波矢分 量均满足：砗 s ：陀：而入射光波矢在x 轴上的分量为：k = qs i i l 9 爿陀。因此从 1 4 华东师范大学2 0 1 1 届硕士学位论文 质中入射的光波无法激发表面等离子体共振效应，必须借助一些耦合机制， 光波获得较高的波矢量从而达到激发表面等离子体共振的条件。 目前，常用的耦合机制有三种：棱镜耦合，衍射光栅耦合和光学波导耦合。 介绍。 才能使入 下面分别 ( 1 ) 棱镜耦合结构 棱镜耦合是基于金属薄膜的s p r 传感技术中最常见一种方式，通过利用介电常数较高 质产生全反射倏逝波场作为激发源的方式来激发s p r ，包含两种典型的结构： s c h m a n n 结构( 图1 3 ) 和0 t t o 结构( 图1 4 ) 。这两种形式检测的都是p 偏振入射 衰减全反射，均可使用三角形或者半球型的棱镜，其棱镜材料采用折射率较大的光学 。如图所示，这两种形式的区别在于：0 t t o 形式的装置中，棱镜的底部与金属膜之间 定的间隙，样品就置于此间隙中。该间隙的大小要求较严格，且间隙的取值非常重要， 或过小都不好，所以在使用和制作0 t t o 型装置上不方便，在s p r 中使用较少。 s c h m a n n 棱镜方式与o t t o 棱镜方式不同，金属薄膜直接镀在棱镜上，被测物质只与 薄膜接触，这种结构相对于o t t o 结构来说，制作简单，容易实现，并且能够获得很 精度，所以它是目前商业化的s p r 产品中大多采用的一种结构，并且受到了广泛应用。 图1 3k r e t s c h m a n n 结构 图1 40 t t o 结构 在k r e t s c h m a n n 棱镜方式中，入射光从棱镜中射到棱镜与金属薄膜分界面上，发生全 反射，由于金属薄膜厚度只有几十纳米，消失波能够穿透金属薄膜，在满足一定条件下激 发产生表面等离子体波，