（光学工程专业论文）表面等离子体共振spr传感技术及在介质复折射率测量中的应用.pdf

博士论文 表面等离子体共振( s p r ) 传感技术及在介质复折射率测量中的应用 摘要 s p r 传感技术因其灵敏度高、待测物无需纯化、可实现免标记、实时和无损伤检测 等独特优点，在临床诊断、生化制药及环境检测等方面有广泛的应用前景。本论文以提 高s p r 传感的灵敏度和分辨率及拓展s p r 技术的应用范围为目的，在理论和实验上对 s p r 耦合结构、探测光束主要参数对s p r 传感器性能的影响及s p r 技术在吸收介质测 量方面的应用等作了较为系统深入的研究，论文取得的创新性成果主要有： 对比分析了四种棱镜耦合结构( 传统s p r 结构、长程s p r 结构、耦合等离子体波 导共振结构和波导耦合s p r 结构) s p r 传感器的性能及适用性条件，通过详实的数值 模拟，重点分析了在角度调制、波长调制和强度调制方式下，不同结构s p r 传感器直接 检测样品折射率变化和检测传感层折射率或厚度变化时的灵敏度、分辨率及线性测量范 围，对s p r 传感器耦合结构的优化设计有重要参考价值。 探讨了探测光束准直度、谱线宽度和偏振度对s p r 传感器的影响，发现三者中探测 光束准直度的影响最为显著。准直度的下降不仅使s p r 传感器分辨率降低，还会造成基 于强度检测的s p r 成像传感器各探测点间反射率和灵敏度差异。上述结果对s p r 传感 器中光源的设计有一定的指导意义。 提出了利用s p r 相位差法测量吸收介质复折射率的方法。在分析了生物组织的光学 特性后，利用该方法实验测量得到了i n t r a l i p i d 溶液( 仿生物组织) 和兔血的复折射率， 模拟得到实部和虚部的测量不确定度均可达1 0 4 量级。此外，以吸收介质复折射率的 l o r e n t z 模型为基础，研究了s p r 技术在检测吸收介质样品折射率实部和虚部变化方面 的应用。这些研究拓宽了s p r 技术的应用范围，并为混浊介质复折射率的高精度测量提 供了一个可能的方法。 研究了二维亚波长周期s p r 结构的传输特性并将其应用于折射率传感，分析了各参 数对透射增强峰的影响并给出了理论解释和定性分析。结果表明，在二维周期金属膜结 构上，既有由周期引起的表面等离子体共振，还有其它共振模式；通过调整结构可以得 到比棱镜耦合s p r 的共振峰细锐得多的共振峰，应用于折射率传感时可以获得更高的抗 噪声性能和分辨率。该研究可应用于新型s p r 传感器的设计制作。 关键词：表面等离子体共振( s p r ) ；表面等离子体共振耦合结构；探测光束； 复折射率；吸收介质：二维周期金属膜结构 博士论文表面等离子体共振( s p r ) 传感技术及在介质复折射率测量中的应用 a b s t r a c t t h et e c h n o l o g yo fs u r f a c ep l a s m o nr e s o n a n c e ( s p r ) h a sw i d ep r o s p e c ti nc l i n i c a l d i a g n o s i s ，b i o c h e m i c a lp h a r m a c e u t i c s ，e n v i r o n m e n t a ld e t e c t i o n ，e t c ，a s ar e s u l to fi t s p a r t i c u l a ra d v a n t a g e so fh i 曲s e n s i t i v i t y , n o n - p u r i f i c a t i o no fs a m p l e ，a n dt h ed e t e c t i o n 丽t h f r e el a b e l ，r e a lt i m ea sw e l la sn o n - t r a u m a t i c i no r d e rt oe n h a n c et h es e n s i t i v i t ya n d r e s o l u t i o no ft h es p rs e n s o r ，a n de x t e n dt h ea p p l i c a t i o no fs p rt e c h n o l o g y , t h es y s t e m i ca n d p r o f o u n dr e s e a r c h e sa r ei m p l e m e n t e dt h e o r e t i c a l l ya n de x p e r i m e n t a l l yo nt h es p rc o u p l i n g c o n f i g u r a t i o n ，t h ei n f l u e n c eo ft h ep r o b eb e a m sp a r a m e t e r so nt h ep e r f o r m a n c eo ft h es p r s e n s o ra n dt h ea p p l i c a t i o no fs p rt e c h n o l o g yo nt h ea b s o r b i n gm e d i u md e t e c t i o na n ds oo n i naw o r d ，t h ei n n o v a t i v ea c h i e v e m e n t sa r el i s t e da sf o l l o w s ： b yc o m p a r i s o n ，t h ep e r f o r m a n c ea n da p p l i c a b i l i t yo f f o u rp r i s mc o u p l i n gc o n f i g u r a t i o n s ( i n c l u d i n gt h ec o n v e n t i o n a ls p rl o n g e r a n g es p rc o u p l e dp l a s m o nw a v e g u i d e r e s o n a n c e a n dw a v e g u i d ec o u p l e ds p r ) o fs p rs e n s o r sa r e a n a l y z e d b a s e do nt h en u m e r i c a l s i m u l a t i o n ，t h es e n s i t i v i t y , r e s o l u t i o na n dl i n e a r i t ym e a s u r e m e n tr a n g eo ft h ed i f f e r e n ts p r s e n s o r sa r er e s e a r c h e di nd e t a i lu n d e rt h ea n g l e ，w a v e l e n g t ha n di n t e n s i t ym o d u l a t i o n s r e s p e c t i v e l y , w h e nt h e ya r eu s e dt od e t e c tt h es a m p l e sr e f r a c t i v ei n d e xv a r i a t i o na n dt h e s e n s i n gl a y e r sv a r i a t i o no ft h er e f r a c t i v ei n d e xo rt h i c k n e s s a se x p e c t e d ，a l lt h er e s u l t sa r e v a l u a b l ef o rt h ec o n f i g u r a t i o nd e s i g no fs p rs e n s o r s t h ei n f l u e n c eo ft h ep r o b eb e a m sc o l l i m a t e dd e g r e e ，b r e a d t ho fs p e c t r u ml i n ea n d p o l a r i z a t i o nd e g r e eo nt h es p rs e n s o ri s d i s c u s s e d t h er e s u l t ss h o wt h a tt h ec o l l i m a t e d d e g r e ei st h em o s tn o t a b l ef a c t o ra m o n g t h et h r e ep a r a m e t e r s c o n c r e t e l ys p e a k i n g ，t h ed r o p o ft h ec o l l i m a t e dd e g r e ew i l ln o to n l yd e c r e a s et h er e s o l u t i o nb u ta l s oi n d u c et h e n o n u n i f o r m i t yo fr e f l e c t i v i t ya n ds e n s i t i v i t yd i f f e r e n c e sa m o n gt h ep r o b es p o t sf o rt h e i m a g i n gs p r s e n s o rb a s e do nt h ei n t e n s i t yd e t e c t i o n t h e r e f o r e ，t h e s er e s u l t sc a ns u p p l ys o m e s i g n i f i c a n tg u i d a n c ef o r t h es o u r c ed e s i g no ft h es p r s e n s o r an e wm e t h o dw h i c hd e t e r m i n e st h ec o m p l e xr e f r a c t i v ei n d e xo fa b s o r b i n gm e d i u mw i t h s p rp h a s ed e t e c t i o ni sp r o p o s e d t h ec o m p l e xr e f r a c t i v ei n d e xo fi n t r a l i p i ds o l u t i o n s ( i m i t a t i n gt h eb i o l o g i c a lt i s s u e s ) a n dl e p o r i n eb l o o da r ee x p e r i m e n t a l l ym e a s u r e db yt h en e w p r o p o s e dm e t h o d ，o nt h eb a s i so fa n a l y z i n gt h eb i o l o g i c a lt i s s u e s o p t i c a lc h a r a c t e r s t h e s i m u l a t e dr e s u l t si n d i c a t et h a tt h em e a s u r e m e n tu n c e r t a i n t yo ft h ec o m p l e xr e f r a c t i v ei n d e x s r e a la n d i m a g i n a r yp a r t sc a nr e a c ht o10 珥f u r t h e r m o r e ，t h ea p p l i c a t i o no fs p rt e c h n o l o g yi n d e t e c t i n gt h ev a r i a t i o no fc o m p l e xr e f r a c t i v ei n d e xf o ra b s o r b i n gm e d i u mi ss t u d i e db a s e do n i l l a b s t r a c t 博士论文 t h el o r e n t zm o d e l h e n c e ，t h e s er e s e a r c h e se x t e n dt h ea p p l i c a t i o nr a n g eo fs p r t e c h n o l o g y , a n dp r o v i d ea p o s s i b l em e t h o dt h a th a sh i g h p r e c i s i o ni nt h em e a s u r e m e n to ft h ec o m p l e x r e f r a c t i v ei n d e xf o rt u r b i dm e d i u m 1 1 1 et r a n s m i s s i o nc h a r a c t e ro fat w o d i m e n s i o n a la n ds u b - w a v e l e n g t hs p rs t r u c t u r e w h i c hw i l lb ea p p l i e dt ot h er e f r a c t i v ei n d e xs e n s o ri ss t u d i e d n ee f f e c to fe a c hp a r a m e t e r0 1 t h et r a n s m i s s i o np e a ki sa n a l y z e da n de x p l a i n e dt h e o r e t i c a l l y n l er e s u l t sm a n i f e s tt h a tn o t o n l ys p rw h i c hc a u s e db yt h ep e r i o db u ta l s o t h eo t h e rr e s o n a n c em o d e se x i s t i nt h e t w o d i m e n s i o n a lp e r i o d i cm e t a lf i l ma tt h es a m et i m e a sam a t t e ro ff a c t ，ar e s o n a n tp e a k w h i c hi sm u c hs h a r p e rt h a nt h a to ft h ep r i s mc o u p l i n gs p rc a nb eo b t a i n e db ya d j u s t i n gt h e p e r i o d i cc o n f i g u r a t i o n b a s e do nw h i c has e n s o rw i t hb e t t e r n o i s e r e s i s t a n c ea n dh i g h e r r e s o l v i n gp o w e rc a nb eg a i n e d i ns h o r t ，t h i ss t u d yc a nb eu s e di nt h ed e s i g no fn o v e ls p r s e n s o r s k e yw o r d s ：s u r f a c ep l a s m o nr e s o n a n c e ( s p r ) ；s p rc o u p l i n gc o n f i g u r a t i o n s ；p r o b eb e a m ； c o m p l e xr e f r a c t i v ei n d e x ；a b s o r b i n gm e d i u m ；t h es t r u c t u r eo ft w o d i m e n s i o n a lp e r i o d i cm e t a l f i l i i l i v 图表目录博士论文 图表目录 图1 1 外加电磁场作用下金属表面上形成的面电荷密度分布l 图1 2 不同样品折射率下s p r 反射率曲线3 图1 3 不同样品折射率下s p r 反射谱线3 图1 4 不同样品折射率下s p r 反射率曲线4 图1 5 不同样品折射率下s p r 相位差曲线4 图1 6 棱镜耦合结构示意图6 图1 7 金属光栅耦合结构示意图7 图1 8 光波导耦合结构示意图8 图1 9 光纤耦合结构示意图8 图2 1 由t m 波激发的s p w 16 图2 2 金属光栅激发表面等离子体共振18 图2 3 利用o t t o 结构激发金属表面等离子体共振1 9 图2 4 利用k r e t s c h m a n n 结构激发金属表面等离子体共振19 图2 5 基于棱镜耦合的多层膜结构。2 1 图3 1 四种棱镜耦合s p r 结构( a ) c s p r ( b ) l r s p r ( c ) c p w r ( d ) w c s p r 2 4 图3 2 不同结构( a ) 反射率曲线和( b ) 反射谱线。2 5 图3 3 共振角误差数值模拟框图2 8 图4 1 发散光束离散化模型3 2 图4 2 斜入射高斯光束3 3 图4 3 不同光束发散度下样品为( a ) 空气和( b ) 水的反射率曲线3 4 图4 4 ( a ) 共振峰宽度、( b ) 反射率最小值和( c ) 共振角随光束发散度的变化曲线3 5 图4 5 相同束腰半径不同束腰位置下样品为( a ) 空气和( b ) 水的反射率曲线3 6 图4 6 高斯光束入射场展开谱线。3 6 图4 7 相同束腰位置不同束腰半径下样品为( a ) 空气和( b ) 水的反射率曲线3 7 图4 8 ( a ) 反射率最小值和( b ) 共振角随束腰半径的变化曲线3 7 图4 9 共振角误差随探测光束发散角的变化3 8 图4 1 0s p r 成像传感器发散光束离化模型3 8 图4 。1 1 ( a ) 气相和( b ) 液相检测时反射率随折射率变化曲线3 9 图4 1 2 样品为( a ) 空气和( b ) 水时由光束发散度造成的反射率不均匀性4 0 图4 1 3 对应( a ) 气相和( b ) 液相检测时三个探测点处的反射率随折射率变化曲线4 0 图4 1 4 不同光束发散度下样品为( a ) 空气和( b ) 水的反射谱曲线4 1 博士论文表面等离子体共振( s p r ) 传感技术及在介质复折射率测量中的应用 图4 1 5 共振波长误差随探测光束发散角的变化4 1 图4 1 6s p r 反射率测量装置示意图( 样品为空气) 4 2 图4 17 棱镜内光路图4 2 图4 18 实验测量s p r 反射率曲线4 3 图4 19 光束光谱分布图4 4 图4 2 0 不同谱线宽度下样品为( a ) 空气和( b ) 水的反射率曲线4 4 图4 2 1 样品为( a ) 空气和( b ) 水时不同偏振度下反射率曲线4 6 图4 2 2 样品为( a ) 空气和( b ) 水时不同偏振度下反射谱曲线4 6 图4 2 3 椭圆偏振法测量s p r 相位差原理图4 7 图4 2 4 样品为水时不同偏振度下的相位差曲线( 计算参数与图4 3 相同) 4 9 图5 1 光的吸收5 0 图5 2 ( a ) 不同实部相同虚部和( b ) 不同虚部相同实部折射率样品的s p r 反射率曲线图5 2 图5 3 共振角和反射率最小值与样品折射率( a ) 实部和( b ) 虚部关系5 2 图5 4 ( a ) s p r 反射率曲线( b ) s p r 反射率最小值与样品折射率虚部的关系5 3 图5 5 ( a ) 不同实部相同虚部和( b ) 不同虚部相同实部折射率样品的s p r 相位差曲线图5 3 图5 6 不同虚部相同实部折射率样品的s p r 相位差曲线图( 金膜厚3 7 n m ) 5 4 图5 7 生物组织的等效散射颗粒模型5 7 图5 8 椭圆偏振法测量s p r 相位差实验装置示意图5 8 图5 9 水的s p r 反射率测量结果5 9 图5 10 不同检偏角下透射光强及拟合曲线6 0 图5 1 1 检偏角示值误差测量示意图6 0 图5 1 2 偏振片示值误差测量值6 1 图5 13 ( a ) 蒸馏水和( b ) 酒精的s p r 相位差测量值和理论值6 2 图5 1 4 ( a ) i n t r a l i p i d 溶液和( b ) 兔子血液的s p r 相位差测量值和理论值6 3 图5 15 复折射率误差数值模拟框图6 4 图5 1 6i n t r a l i p i d 5 溶液折射率( a ) 实部和( b ) 虚部的误差分布直方图6 4 图5 1 7l o r e n t z 模型下样品折射率实部和虚部随角频率变化图6 6 图5 18 透明与吸收介质样品s p r 反射谱对比6 7 图5 1 9 不同折射率实部样品的( a ) s p r 反射率曲线和( b ) s p r 相位差曲线6 7 图5 2 0s p r 共振角随吸收介质样品折射率实部的变化曲线图6 8 图5 2 1s p r 反射率随吸收介质样品折射率实部的变化曲线图6 9 图5 2 2s p r 相位差随吸收介质样品折射率实部的变化曲线图6 9 图5 2 3 不同折射率虚部样品s p r 反射曲线7 1 图5 2 4 不同折射率虚部样品s p r 相位差曲线7 1 i x 图表目录博士论文 图5 2 5s p r 反射率随样品折射率虚部的变化曲线图7 2 图5 2 6s p r 相位差随样品折射率虚部的变化曲线图7 2 图5 2 7s p r 共振角随样品折射率虚部的变化曲线图7 3 图5 2 8 不同折射率实部吸收介质传感层的( a ) s p r 反射率曲线和( b ) s p r 相位差曲线7 4 图5 2 9s p r 共振角随吸收介质传感层折射率实部的变化曲线图7 4 图5 3 0s p r 反射率随吸收介质传感层折射率实部的变化曲线图7 5 图5 3 1s p r 相位差随传感层折射率实部的变化曲线图7 5 图5 3 2 不同折射率虚部传感层s p r 反射曲线7 7 图5 3 3 不同折射率虚部传感层s p r 相位差曲线7 7 图5 3 4s p r 反射率随传感层折射率虚部的变化曲线图7 7 图5 3 5s p r 相位差随传感层折射率虚部的变化曲线图7 8 图5 3 6s p r 共振角随传感层折射率虚部的变化曲线图7 8 图5 3 7 不同厚度传感层的( a ) s p r 反射曲线和( b ) s p r 相位差曲线7 9 图5 3 8s p r 共振角随吸收介质传感层厚度的变化曲线图8 0 图5 3 9s p r 反射率随吸收介质传感层厚度的变化曲线图8 0 图5 4 0s p r 相位差随吸收介质传感层厚度的变化曲线图8 1 图6 1 散射矩阵法示意图。8 3 图6 2 四面体单元8 8 图6 3 ( a ) - 维周期结构( b ) 平面波展开散射矩阵与有限元法模拟法结果比较9 1 图6 4 ( a ) 结构( b ) 文献模拟结果( c ) 有限元法模拟结果9 2 图6 5 周期排布小球结构实物图( a ) 、侧视图( b ) 和俯视图( c ) 9 2 图6 6 周期排布小球结构透射谱曲线。9 3 图6 7 ( a ) 结构( b ) 透射谱曲线9 3 图6 8 不同周期结构透射曲线比较9 4 图6 9 不同孔径大小结构透射曲线比较9 5 图6 1 0 ( a ) 入射光偏振态示意图( b ) 不同孔形状结构透射曲线比较9 6 图6 1 1 不同银膜厚度( a ) 和不同基底折射率( b ) 透射曲线9 6 图6 1 2 金属膜上下表面电荷分布图( a ) 对称分布( b ) 反对称分布9 7 图6 1 3 周期排布小球结构在空气和水中的透射曲线9 8 图6 1 4 介质层折射率分别为1 o 、1 1 、1 3 和1 4 时的透射曲线9 8 图6 1 5 不同孔形状大小的透射曲线比较9 9 图6 1 6 不同折射率( a ) 气相( b ) 液相样品透射曲线9 9 图6 1 7 共振波长与介质折射率关系1 0 0 x 博士论文表面等离子体共振( s p r ) 传感技术及在介质复折射率测量中的应用 表1 1 国外主要s p r 传感器及生产商信息9 表3 1 数值模拟样品折射率检测灵敏度及线性测量范围。2 6 表3 2 数值模拟传感层折射率检测灵敏度及线性测量范围2 6 表3 3 数值模拟传感层厚度检测灵敏度及线性测量范围。2 7 表3 4 共振角及共振波长的噪声极限分辨率2 9 表3 5 样品折射率检测分辨率2 9 表3 6 传感层折射率检测分辨率。3 0 表3 7 传感层厚度检测分辨率。3 0 表5 1 样品的复折射率值一6 3 表5 2 样品复折射率的测量不确定度。6 5 表5 3s p r 角度调制方式检测吸收介质样品折射率实部变化的灵敏度，单位：o r i u 6 8 表5 4s p r 强度调制方式检测吸收介质样品折射率实部变化的灵敏度，单位：r i u6 9 表5 5s p r 相位调制方式检测吸收介质样品折射率实部的灵敏度及线性测量范围 ( d 二= 5 0 n m ) 6 9 表5 6 入射角为7 0 0 时不同金膜厚度下s p r 相位调制方式检测吸收介质样品折射率实部 变化的灵敏度( 单位：r a d r i u ) 线性测量范围( 单位：m e ) 7 0 表5 7 几种调制方式检测吸收介质样品折射率实部的分辨率比较7 0 表5 8 几种调制方式检测样品折射率虚部的分辨率比较一7 3 表5 9s p r 角度调制方式检测吸收介质传感层折射率实部的灵敏度，单位：o r i u 7 4 表5 1 0 金膜厚度为5 0 n m 不同衰减系数下s p r 强度型传感器的灵敏度，单位：r i u 7 1 ； 表5 1 1s p r 相位调制方式检测吸收介质传感层折射率实部的灵敏度及线性测量范围 ( d 二= 5 0 n m ) 7 6 表5 1 2 入射角为7 l o 时不同金膜厚度下s p r 相位调制方式检测吸收介质传感层折射率 实部的灵敏度( 单位：r a d r i u ) 线性测量范围( 单位：a l u ) 7 6 表5 1 3 几种调制方式检测吸收介质传感层折射率实部的分辨率比较7 6 表5 1 4 几种调制方式检测传感层虚部分辨率比较7 9 表5 1 5 不同衰减系数下s p r 强度型传感器的灵敏度，单位：n m 8 0 表5 1 6 金膜厚度为5 0 n m 不同衰减系数下s p r 相位型传感器的灵敏度及线性测量范围 81 表5 1 7 入射角为7 1 0 时不同金膜厚度下s p r 相位型传感器的灵敏度( 单位：r a d n m ) 线性测量范围( 单位：n m ) 8 1 表5 18 几种调制方式检测传感层厚度分辨率比较8 1 x i 声明 本学位论文是我在导师的指导下取得的研究成果，尽我所知，在 本学位论文中，除了加以标注和致谢的部分外，不包含其他人已经发 表或公布过的研究成果，也不包含我为获得任何教育机构的学位或学 历而使用过的材料。与我一同工作的同事对本学位论文做出的贡献均 已在论文中作了明确的说明。 研究生签名：鼬 p d 尸年卢月艿日 学位论文使用授权声明 南京理工大学有权保存本学位论文的电子和纸质文档，可以借阅 或上网公布本学位论文的部分或全部内容，可以向有关部门或机构送 交并授权其保存、借阅或上网公布本学位论文的部分或全部内容。对 于保密论文，按保密的有关规定和程序处理。 研究生签名：送趣趣沁吵年p 月 s 日 博士论文 表面等离子体共振( s p r ) 传感拉木厦在舟质复折射率嗣量中的应用 1 绪论 1 1 表面等离子体共振简介 随着温度的升高，一般物质依次表现为固态、液态和气态，它们统称为物质的三态。 当气体温度进一步升高时，其中许多、甚至全部分子或原子将由于激烈的相互碰撞而离 解为电子和正离子，这时物质将进入一种新的状态，即主要由电子和正离子( 或是带正 电的核) 组成的状态。这种状态的物质叫做等离子体( p l a s m a ) 。等离子体f p l 踟a ) 一 词是1 9 2 9 年t o t t k s 和l o n g m m r 吲在研究气体放电中的振荡时首次提出的概念，现在物 理学上已经用它来表示物质的第四态。 表面等离子体( s u r f a c ep l a s m o n ) 中的等离子体( p l a s m o n ) 一词来源于等离子体 ( p l a s m a ) ，但二者的物理意义却不相同。目前，在现有的中文文献中，由于p l a t o o n 一 词有几种币同的译法，所以s u r f a c e p l a s m o n 一词的译法也不尽相同，主要的几种译法有 表面等离子体、表面等离激元、表面等离子体激元和表面等离子体子等等【3 i 。本文统称 为表面等离子体。下面我们将从表面等离子体( s u r f a c ep l a t o o n ) 概念的提出，来理解其 物理意义。 1 9 0 2 年，w o o d 等人在研究金属光栅衍射时就发现光强会出现不规则的增强或减弱， 但其物理原因并不十分清楚，将其称之为“w o o d 异常”并做了公开介绍i ”。事实上，这就 是s p r 现象的首次发现。1 9 4 1 年，f 柚。根据金属，空气界而上表面电磁波的激发解释了 “w o o d 异常”现象p 】。随后有人提出了体积等离子体的概念，认为这是金属中体积电子密 度的一种纵向波动。1 9 5 7 年，r j k l l i e 注意到，当高能屯了通过金属薄片时，不仅在体 积等离子体频率处有能量损失峰，在更低频率处也有能量损失峰，并认为这与金属薄膜 的界面有关州。1 9 5 9 年，p o w e l l 和s w a n 通过实验证实了r i t c h i e 的理论i ”。1 9 6 0 年，s 把m 和f a r r e l l 研究了此种模式产生共振的条件并首次提出了表面等离子体的概念【8 。 崩11 外加屯磁场作用下金届表面上形成的面电荷密度分布 当一t m 波从电介质经由界面入射至金属中时，自由电子会在电介质，金属表面处累 l 绪论博士论文 积产生表面极化电荷( 如图1 1 所示) ，这些表面电荷密度的空间分布沿着金属表面产生 纵波( 疏密波) 形式的振荡，此即金属的表面等离子体波( s u r f a c ep l a s m o nw a v e ，s p w ) 。 s p w 为在界面上传播的、能量局限在表面附近的t m 波，其振幅在垂直界面方向按指 数衰减，是光与电介质金属界面相互作用的结果。当入射电磁波沿界面方向波矢分量与 s p w 的波矢相同时，即可激发表面等离子体共振( s u r f a c ep l a s m o nr e s o n a n c e ，s p r ) 9 1 。 共振时，入射电磁波的能量被s p w 吸收，使得反射电磁波能量急剧下降，在反射谱上 可以观察到明显的吸收峰。 1 2s p r 传感器研究概况 o t t o 和k r e t s c h m a n n 提出的产生s p r 的两种结构【1 0 ，1 1 1 ，为s p r 研究带来了里程碑 式突破。尤其是k r e t s c h m a n n 的设计为s p r 传感器的研究奠定了基础，之后许多科研工 作者在k r e t s c h m a n n 模型的基础上展开了s p r 仪器和s p r 生物传感器的全面研究。从 s p r 检测技术的建立到现在，在短短的2 0 多年内，利用该技术在免疫检测、药物代谢 及其蛋白质动力学等领域已经取得了很多的科研成果，并且建立了一系列的检测和分析 方法。 1 2 1s p r 传感原理 在金属电介质界面传播的s p w 的波矢对电介质的折射率非常敏感。当电介质折射 率发生极细微的变化时，共振吸收峰的位置也会发生相应的改变，可在反射曲线或反射 谱中直接观测到【1 2 】。s p r 传感技术就是利用上述原理对金属表面的被分析物进行检测 的。例如可以通过测量与金属接触溶液的折射率变化，再结合溶液浓度与折射率的关系 就可以对溶液浓度进行检测。利用s p r 传感技术检测生化反应时，首先将一层传感层( 如 配体类反应物) 固定在传感芯片金属膜上，然后将待分析样品( 受体) 以恒定速度通过 传感芯片。样品与传感层上分子间的相互作用，引起传感层的折射率变化或厚度变化， 使得s p r 光学信号也相应改变1 1 3 1 。 1 2 2s p r 传感器检测方式 s p r 传感器有多种检测方式，大致为：角度调制、波长调制、强度调制和相位调制 方式。前两种的应用最普遍，第三种受扰动影响产生的误差大，第四种灵敏度最高，但 光学及电路系统较复杂。 1 2 2 1 角度调制 在角度调制工作方式下，探测光为单色光，通常用激光作光源，改变入射角，检测 反射光的归一化强度随入射角的变化情况，并记录反射光强度最小时对应的入射角，也 就是共振角；通过共振角变化反演折射率、膜厚或浓度变化1 5 】。随着被测样品折射率 2 博士论文 表面等离子体共振( s p r ) 传感技术及在介质复折射率测量中的应用 增大，共振角增大，如图1 2 所示。 i n c i d e ma n g m ，d e g r e e 图1 2 不同样品折射率下s p r 反射率曲线 s p r 商用仪器多采用角度调制方式，角度的扫描通常有两种方法：一是通过转动装 置改变入射角，扫描各入射角度下的反射率，但这为检测带来很大不便，不适于实时性 较高的检测【1 6 1 ；二是通过采用扇形光束入射，包含一段入射角范围，由线形阵列c c d 接受反射光强，不需转动装置即可同时记录对应入射角范围下的反射强度，操作方便， 非常适于实时检测，如b i a c o r ea b 公司生产的b i a c o r et 1 0 0 就是采用该方式，但是因扇 形光束入射角范围有限( 或阵列c c d 检测范围有限) ，所以这种方式的检测范围较小。 1 2 2 2 波长调制 图1 3 不i 司样品折射率fs p r 反射谱线 在波长调制工作模式下，探测光为复色光，入射角固定，对反射光的光谱进行分析， 得到反射率随波长的变化曲线，并记录共振波长，通过共振波长变化反演折射率、膜厚 或浓度变化f 】7 - 捌。随着被测样品折射率增大，共振波长也增大，如图1 3 所示。 波长调制方式的入射光通常采用白光光源，平行光入射，检测装置采用光谱仪或 c c d 检测装置。如果采用激光光源，由于可调的宽度有限，检测系统复杂，造价也较 高。 3 l 绪论 博士论文 1 2 2 3 强度调制 在强度调制工作模式下，探测光为单色光，通常用激光光源，平行光入射，且入射 角度固定( 通常在共振吸收峰左侧1 3 高处) ，通过检测反射光强度的变化分析折射率、 膜厚或浓度的变化【2 0 。2 2 】。当入射角设在小于共振位置时，反射光强随折射率的增大而增 大，如图1 4 所示。 图1 4 不同样品折射率下s p r 反射率曲线 这种方法的结构简单，装置价格低廉，但稳定性差，抗干扰能力弱，无法区分所检 测的光强信号是由于样品折射率变化引起还是检测装置本身引起的【2 3 】。 1 2 2 3 相位调制 图1 5 不j 司样品折射率fs p r 相位差曲线 在相位调制工作模式下，探测光为单色光，入射角度也固定( 通常在共振角附近) 。 p 光激发s p r 时，反射前后除光强度发生较大变化外，相位也发生巨变，而s 光相位变 化相对小的多，所以可将s 光作为参考光，通过测量反射光中p 光和s 光相位差变化分 析折射率、膜厚或浓度的变化 2 4 , 2 5 ，如图1 5 所示。 目前用于s p r 相位检测的方法主要有外差干涉法1 2 6 。2 羽、空间干涉法【2 9 ，3 0 1 、剪切干 涉测量法【3 l ，3 2 1 、m a c h z e h n d e r 干涉仪法【2 4 ，3 3 1 和椭偏法 3 4 ，3 5 1 。外差干涉法测量过程中s 光和p 光严格共光路，抑制噪声和稳定性都较好，可用于生物分子相互作用的实时检测， 4 博士论文表面等离子体共振( s p r ) 传感技术及在介质复折射率测量中的应用 但是需要稳频，光路复杂，接收器件成本较高。空间干涉法测量相位变化分辨率较高， 可用于微阵列的实时相位检测，但是不能测量某一相位差绝对值。剪切干涉测量法和 m a c h z e h n d e r 干涉仪法虽然也能实现相位的实时检测，但前者不能定量分析，后者非共 光路，噪音较大，目前应用较少。椭偏法结构简单，只比普通角度调制型s p r 传感器增 加一个检偏器，严格共光路，既可以测量相位变化也可以测量相位差的绝对值，但是测 量时间较长，难以用于生化反应的实时检测。 1 2 3s p r 传感器主要指标 s p r 传感器有三个主要指标：检测灵敏度