表面等離子體共振傳感檢測方法研究

胡 偉， 邢礫云,2， 孫玉鋒， 王瑋琪， 崔洪亮， 張天瑜

(1.吉林大學 儀器科學與電氣工程學院，吉林 長春 130026；2.北華大學 電氣信息工程學院，吉林 吉林 132021)

0 引 言

表面等離子體共振(surface plasmon resonance,SPR)是一種發生在金屬與電介質界面的物理光學現象，對附著在金屬表面的電介質折射率非常敏感，可以用于實時跟蹤介質折射率的變化，檢測出折射率不同的物質。SPR檢測物質根據檢測方式的不同，可以分為波長調制、相位調制、強度調制和角度調制等[1]。相位調制是指建立共振相位和折射率之間的關系，通過分析共振相位的變化從而獲得被測物質的折射率，相位調制的檢測裝置復雜，分析結果比較困難，技術還不是很成熟[2～5]。強度調制是指改變入射光強，分析SPR光強度的變化，得到樣品折射率的變化情況，強度調制技術系統抗干擾性不好，檢測靈敏度偏低，系統不穩定[6,7]。波長調制是指入射角度一定,改變入射光波長，分析SPR反射率與波長的變化關系，得出樣品折射率。角度調制是指固定的入射波長，分析SPR角度與反射率之間的關系，從而獲得待測樣品折射率值。波長和角度調制都能獲得較高的精度，技術成熟，應用較多[8～12]。

本文將分析比較角度和波長調制這2種方法，基于SPR原理，對影響SPR的因素進行了仿真，找到影響SPR因素的最佳取值，然后對波長、角度調制2種方法進行仿真，分析結果，得出2種調制方式各自的特性，比較優劣，選擇合適的檢測方法。

1 SPR原理與檢測技術

1.1 SPR原理和Kretschmann模型

金屬中存在“自由電子”，當金屬受到光線照射時，入射光子會使金屬中的“自由電子”偏離原來的平衡位置，形成周期性的簡諧振蕩波，即表面等離子體波(SPW)，當入射光波矢與表面等離子體波矢共振時，就產生了SPR，入射光就會出現強烈的吸收現象，定義反射回來的光與入射光的比值為反射率R。

Kretschmann提出的棱鏡耦合的全內反射方法是SPR傳感器廣泛應用的技術。如圖1所示，Kretschmann模型主要包含棱鏡、金屬膜和樣品3層。SPR現象就發生在金屬膜和樣品界面。令k代表模型層數，εj(j=0,1,2,…,k) 表示各層物質的介電常數，θ為入射角度，λ為入射光波長，在各層的波矢為kj(j=0,1,2,…,k)，圖中kpx為光在平行界面的波矢分量，kspw為光在金屬與樣品界面的波矢，金屬膜和樣品厚度分別為dj(j=1,2,…,k)。

圖1 Kretschmann模型

以Kretschmann模型進行討論，rj,j+1為相鄰界面上的折射率系數，反射率R計算公式為

R=|r0,k-1|2,

(1)

j=k-3,…,0，

(2)

(3)

(4)

(5)

取物質的介電常數ε和其折射率n的關系為ε=n2。

1.2 SPR檢測技術

根據上述公式，用Matlab對SPR進行仿真，其中金屬膜選用金膜，介電常數為-13.4+1.4i，厚度為50 nm，棱鏡折射率為1.6(一般玻璃折射率)，樣品厚度不影響結果，本文選為100 nm。

圖2以He-Ne激光器的典型波長632.8 nm[13～15]光源，仿真得到入射角度—樣品折射率—反射率關系的三維曲線。可以發現樣品折射率在0～10范圍內，許多的位置均有共振現象發生，并且不相同，因此,SPR可以用來檢測一定范圍內的不同樣品。

圖2 反射率、入射角度和樣品折射率的關系曲線

1.3 參數選擇

根據上面的討論，金屬膜厚度在50 nm附近共振現象較明顯，以水為樣品，改變金膜厚度，由圖3可見，金膜厚度為45 nm(加線)時，反射率達到最小值，因此,選取金膜厚度為45 nm，以達到更明顯的共振現象。

圖3 金膜厚度選擇

圖4是選擇金膜厚度為45 nm，其他條件不變，改變棱鏡折射率得到的入射角與反射率的曲線。

圖4 改變棱鏡折射率仿真圖

從圖中可以發現，棱鏡折射率逐漸增大時，對應共振角度逐漸減小，共振效果并沒有大的改變，另外，當棱鏡折射率為1.3時，共振現象不再明顯，即當樣品和棱鏡折射率接近或相等時實驗現象不明顯，因此，棱鏡折射率應根據不同實驗的要求和樣品折射率進行選擇，本文選擇SF1材質的玻璃，折射率為1.71。

2 角度調制和波長調制

2.1 角度調制

角度調制是指通過單色光作為入射光激發SPR現象，改變入射角度，檢測反射光強度隨入射角度的變化情況。

圖5分別以空氣(n=1.0)、水(n=1.33)、煤油(n=1.45)、玻璃(n=1.58)為樣品進行仿真。

圖5 樣品不同折射率仿真曲線

由圖5可知，其他條件不變，樣品不一樣時，發生共振的角度明顯不同，反射率的強度變化情況也不同，而且，當樣品折射率與棱鏡折射率接近時，共振現象不再明顯，甚至沒有共振。因此，當選擇合適的棱鏡折射率，以已有樣品的共振條件設定檢測裝置，改變被測物質時，共振現象將改變或消失，所以,該方法能鑒別不同物質。

角度調制可以達到較高的精度，但是也要求角度調整的裝置非常精密，同時需要步進電機調整光學系統，使入射光的角度改變，完成檢測，高分辨率的步進電機在要求的角度范圍掃描一周需要的時間會比較長，實時性不好。

2.2 波長調制

波長調制是指通過準直的、入射角度固定的多波長的入射光激發SPR現象，波長變化情況下，檢測入射光和表面等離子耦合強度變化。

圖6是以入射角度為57 °(圖5虛線)，波長范圍為400～1 000 nm，其他條件不變，得到的入射波長與反射率的關系曲線。從圖中可以發現,樣品折射率為1.33的樣品在可見光波長范圍內(共振波長為646.823)發生了比較明顯的共振，與圖5仿真結果相符，同時，在給定波長范圍內，其他3種樣品都沒有明顯的共振情況,因此，該方法也可以有效地鑒別出折射率不同的物質。

圖6 不同波長下共振曲線

波長調制需要較寬波長范圍的光源，且輸出光強穩定。在各種連續光源中，鹵鎢燈是比較理想的寬帶光源，其波長范圍一般是360～2500 nm。檢測裝置可以使用光譜儀或CCD檢測裝置，可以達到較高檢測精度。

2.3 角度調制與波長調制比較

為找到較好檢測方法，現將2種方法進行比較。表1為樣品折射率從1.325～1.340掃描，采用角度調制得到的樣品折射率與反射率的關系。表2為采用波長調制，在相同折射率范圍下掃描得到的樣品折射率與反射率的關系。

表1 角度調制不同折射率對應反射率關系

表2 波長調制不同折射率對應反射率的關系

比較表1、表2可以看出:波長調制對樣品折射率的分辨率比角度調制好，當樣品折射率變化為0.001時，角度調制對應的反射率變化是0.001量級，有的甚至更小，而波長調制的反射率除了特別接近共振折射率外，可以達到0.01,甚至更大，更加容易測量和分辨折射率接近的物質，擴大了測量范圍。同時也避免了精密機械結構的構造和長時間的角度掃描。

4 結 論

結合仿真結果，得出SPR共振技術可以在一定范圍內檢測樣品折射率。以水為樣品，得到當金屬膜厚度選擇在45 nm時，SPR共振現象最明顯；棱鏡折射率選擇為1.71，獲得較小入射角，方便搭建，同時能減少樣品折射率與棱鏡折射率接近共振減弱的影響。通過對角度調制和波長調制的仿真，得出2種方法均能實現對物質折射率的檢測。但波長調制能夠達到更高的分辨率(對0.001的折射率變化能較好分辨)，能夠對更大范圍的物質進行檢查，同時檢查裝置的搭建也更加方便。

參考文獻:

[1] 吳平輝，顧菊觀，劉 彬,等.波長檢測型表面等離子體共振傳感器的實驗研究[J].激光與光電子學進展,2012,49:1-4.

[2] Wang Cheng,Ho Ho Pui,Shum Ping.High performance spectral-phase surface plasmon resonance biosensors based on single and double-layer schemes [J].Optics Communications,2013,291(1-3):470-475.

[3] Zhang Chonglei,Wang Rong,Min Changjun,et al.Experimental approach to the microscopic phase-sensitive surface plasmon resonance biosensor[J].Applied Physics Letters,2013,102(1):011114/1-011114/5.

[4] 王弋嘉，張崇磊，王 蓉，等.差分干涉表面等離子體共振傳感器的優化與驗證[J].光學精密工程,2013,21(3):672-679.

[5] Wu Chien Ming,Pao Ming Chi.Sensitivity-tunable optical sensors based on surface plasmon resonance and phase detection[J].Optical Express,2004,12:3509-3514.

[6] Kuo Wen Kai,Chang Chih Hao.Experimental comparison between intensity and phase detection sensitivities of grating coupling surface plasmon resonance[J].Applied Physics A,2011,104(3):765-768.

[7] 胡耀明，梁大開，張 偉，等.基于強度調制的光纖SPR系統的研究[J].壓電與聲光,2009,31(1):44-45.

[8] 郝 鵬,吳一輝.基于噪聲分析的波長表面等離子體共振分析儀的數據處理[J].光學精密工程,2009,17(9):2159-2164.

[9] Lee Ju Yi,Mai Li Wei,Hsu Cheng Chih,et al.Enhanced sensitivity to surface plasmon resonance phase in wavelength-modulated heterodyne interferometry[J].Optics Communications,2012,289:28-32.

[10] Lee Kyeong Seok,Lee Taek Sung,Kim Inho,et al.Parametric study on the bimetallic waveguide coupled surface plasmon resonance sensors in comparison with other configuretions[J].Journal of Physics D：Applied Physics,2013,46:1-8.

[11] Sun Zhanliang,He Yonghong,Guo Jihua.Surface plasmon resonance sensor based on polarization interferometry and angle mo-dulation[J].Applied Optics,2006,45(13):3071-3074.

[12] 宿文玲,葉紅安.波長與角度共同調制的SPR檢測技術研究[D].哈爾濱：黑龍江大學,2010:27-29.

[13] 邢冰冰，耿照新，王繼業，等.表面等離子體共振傳感器的仿真[J].傳感器與微系統,2010,29(7):56-59.

[14] 呂 強，黃德修.表面等離子體共振光電傳感系統的研究[D].武漢：華中科技大學，2007:5-8.

[15] 李海波，徐抒平，劉 鈺，等.波長型SPR檢測儀的靈敏度探討[J].高等學校化學學報,2010,31(11):2157-2161.