表面等离子体共振技术的一些新应用

物理学和高新技术

3

表面等离子体共振技术的一些新应用

张天浩　　尹美荣　　方哲宇　　杨海东　　杨　嘉

2111

路彦珍　　杨会战　　康慧珍　　杨大鹏

南开大学物理科学学院光子学中心　天津　300071)

(2　石家庄机械化步兵学院文化教研室　石家庄　312000)1

1

1,

1

1

(1　弱光非线性光子学材料先进技术及设备教育部实验室　天津市信息光子材料与技术重点实验室

摘　要　　介绍了表面等离子体共振技术在表面等离子体共振传感器、扫描近场光学显微技术、薄膜光学和膜厚测量、全息成像技术、Q开关、精密角度测量等领域的新应用.

关键词　　表面等离子体共振,传感器,近场扫描光学显微镜,,Qresonancetechnology

2Hao　　YINMei2Rong　　FANGZhe2Yu　　YANGHai2Dong　　YANGJia

LUYan2Zhen　　YANGHui2Zhan　　KANGHui2Zhen　　YANGDa2Peng

2

1

1

1

1,

1

1

1

(1　PhotonicsResearchCenter,TheMOEKeyLabofAdvancedTechniqueandFabricationforWeak2LightNonlinearPhotonicsMaterials,

andTianjinKeyLabofPhotonicsMaterialsandTechnologyforInformationScience,NankaiUniversity,Tianjin300071,China)

(2　DepartmentofCulture,ShijiazhuangMechanizationMilitaryCollege,Shijiazhuang　312000,China)

Abstract　　Surfaceplasmonresonancetechnologyisreviewedanditsnewapplicationsinvariousfieldsaredescribed.Thesefieldsincludesurfaceplasmonresonancesensors,near2fieldscanningopticalmicroscopy,thinfilmopticsandthicknessmeasurement,holography,precisemeasurementofangles,andQswitching.

Keywords　　surfaceplasmonresonance,sensor,near2fieldscanningopticalmicroscopy,thinfilmhologra2phy,Q2switching

　　表面等离子波SPW(surfaceplasmonwave)也译

为表面等离子激元或表面电磁波,是沿金属和介质界面传播的表面电磁波.在一定条件下,SPW可与入射光TM(横磁波)极化能量耦合并被共振激发,这种现象称为表面等离子体共振SPR(surfaceplas2maresonance).20世纪70年代初,Otto和Kretschmann等人的著名工作引起了SPR技术的研

1　表面等离子体共振技术简介

只有在一定的配置下,空间传播的光才能与SPW发生耦合,图1是三种SPR配置方式.Otto型和Kretschmann型都是利用全内反射形成的隐逝波.Otto型金属和全内反射表面之间有约几十纳米的介质间隙,金属可以是半无限宽的.这种配置的应用较少.Kretschmann型采用真空蒸镀,磁控溅射等方法直接在全内反射表面镀一层几十纳米厚的金属

3　国家自然科学基金(批准号:60208002)、南开大学本科生创新

工程资助项目

2005-01-25收到初稿,2005-06-13修回

究热潮.此后SPR技术迅速发展起来,并在多个

学科领域得到应用,如生化传感器、物理特性测量仪器、光波导偏振器、表面非线性光学检测、表面膜层特性研究等.本文介绍国内外SPR技术的一些最新应用.

[1,2]

　通讯联系人.Email:zhyfang@http://doc.guandang.net

　34卷(2005年)12期

909

物理学和高新技术

膜,是应用最为广泛的配置形式.在两种隐逝波耦合方式中,入射光必须为p偏振光,因为只有p偏振光有垂直于金属-介质界面的电场分量.散射光栅型配置方式的数学形式十分复杂,结构相对简单.其耦合器件是表面为金属镀膜的光栅.此外,入射到粗糙金属表面的光也可与SPW发生耦合.

设入射光角频率为ω,入射角为θ,介质介电常数为εd,则x方向上的波矢kx为

1/2ωθ.(1)kx=εsind

c

2　SPR传感器

生化传感器已经广泛应用于高灵敏度生化检

[3]

测.1983年,Liedberg等人首次将SPR技术应用于生化传感器以来,在这一领域国内外每年都有大

[4]

量论文发表.BiacoreAB公司率先开发出首台商品化SPR仪器,现已有数家国外公司出售此类产品,这个产业每年的产值达几十亿美元.

这种传感器的原理基于SPR对金属表面介质折射率变化的敏感特性.图2是商业型的SPR传感器的一般结构.对于棱镜型SPR传感器,一般选择棱镜的形状可以是.,一般将金属膜镀,通过折射率与棱镜一致的匹配液将芯片固定在棱镜上.金属膜表面固定着一层具有分子识别功能的敏感膜.早期的SPR传感器将分子直接吸附在金属膜表面形成敏感膜,后来Mor2gan等人发明了一种经典的方法,在金膜表面先覆盖一层生物素(biotin),然后固定一单层抗生物素蛋

[5]

白链菌素(streptavidin).该方法可保证传感器表面的均一性和功能上的特异性.此外还有葡聚糖凝

胶法、LB膜法和分子印膜法等.微流通池处理系统是一个反应装置,有两个端口以便液体样品的进出.敏感膜与样品在流通池中发生反应,并将待识别的分子吸附在敏感膜上,同时敏感膜介电常数发生变化,由此导致共振角和共振波长的变化.

根据Maxwell方程,可以推导出SPW波矢ksp:

ksp

εMεa

=

cεM+1/2

,(2)

式中εM为金属介电常数的实部,εa为金属表面电

介质的介电常数,当kx=ksp时,就产生共振,共振角为

εMεa1/θ(3=arcsin.sp

a图1　三种SPR配置方式

共振时入射光能量转移到SPW,反射光最弱,称为

衰减全反射ATR(attenuatedtotalreflection,ATR),是SPR最显著的标志.

产生SPR时,SPW可增强几百倍,因此SPR具有显著的表面增强效应.此外,SPR对金属膜表面介质的光学特性、入射角、入射光的波长和偏振状态、金属膜及其表面介质的厚度等因素十分敏感,这些性质使SPR现象能在许多方面得到应用.

图2　SPR传感器的一般结构

检测时可采用固定入射光波长扫描入射角的方法,此时可观测到待检测分子结合前后共振角的变化;也可采用固定入射角扫描入射光波长的办法,此

物理

910

物理学和高新技术

时光源为复色光源,可观测到最佳共振波长的变化.SPR传感器灵敏度很高,一般在nmol量级以上.

[6]

此外还有相位检测的方法,Kabashin等人采用p偏振的入射光,经分束器后分为一束参考光和一束信号光,观察干涉条纹的分布和强度变化,从而推导出信号光的相位变化和样品折射率的变化.实

-8

验中观测到的最小折射率变化为4×10,比扫描

[7]

入射角的方法高两个数量级.Ho等人采用的入射光偏振方向为任意的,s偏振的光经棱镜-金属界面反射后相位变化不大,p偏振的光经棱镜-金属界面反射后相位发生突变.光束经过共振吸收后的出射光引入Mach-Zehnder干涉仪,然后将干涉图样输入计算机,通过比较由样品折射率变化引起的干涉图样的变化推算相位的变化.这种实验装置消除了由机械振荡或温度变化带来的相位转移.

[8]

图3所示为一种新的光纤型SPR传感器一段光纤的包层去掉,,膜.金属膜表面..当敏感膜与待测样品发生反应时,出射光强会发生变化,由此判断样品中是否含有待测目标分子及其含量.光纤型SPR传感器具有体积小、可实现远程测量等优点.按信号接受方式不同,可分为在线传输式和终端反射式两种.其中,对于终端反射式,光线经过两次共振吸收后传输到光纤光谱仪中进行检测,传感部位的光纤长度比在线传输式的短,不需要流通池,而且更适合于远程测量和组成阵列

.

SPR传感器的研究

[9]

.耦合器件 …… 此处隐藏：9112字，全部文档内容请下载后查看。喜欢就下载吧 ……