表面等离子体共振传感器的研究.doc

哈尔滨工业大学 2005 年本科生科技创新活动获奖作品集41表面等离子体共振传感器的研究表面等离子体共振传感器的研究康冬鹏 马少桢 姜 越指导教师：赵海发 刘建龙摘摘 要要：表面等离子体共振传感器是一种通过对表面等离子波的共振角的测量计算样品折射率（浓度）的光学传感器本文主要阐述了利用这种传感技术测量液体折射率（浓度）的方法包括实验理论基础及应用意义、实验用液体容器的设计、实验数据及分析以及存在问题及解决办法的讨论关键词关键词：表面等离子波；传感器；折射率1. 前言在固体理论中，等离子体是指由浓度相同的正、负电荷组成的体系，其中至少有一种电荷是可以迁移的金属中有自由移动的电子，电子间存在长程的库仑作用，在均匀正电荷背景中运动的电子气将会显示出某种集体相关的性质体系在宏观尺度上是电中性的，平衡时各处正、负电荷密度相等，但由于热起伏，局部平衡被破坏如在一微小区域内电子密度低于平均密度，其正电荷背景未被中和，正电荷过多就会对周围的电子有吸引作用，被吸引过来的电子又会使该区域聚集过多的负电荷，然后由于电子间的排斥而再度离开，如此反复便产生振荡这是一种纵向的集体振荡，称为金属中的等离子体振荡。

表面等离子波是一种在表面和界面上传播的横磁波（TM） 它的发现和利用一直是科学界所关注的课题：1902 年，Wood 等人根据衍射光栅的反常衍射现象，意识到表面等离子波（Surface plasmon wave, SPW）的存在，并在在光学实验中首次发现了表面等离子体共振（Surface plasmon resonance,SPR）现象在 1909 年，索末非（Sommerfeld）从麦克斯韦的电磁理论出发，引入了复介电常数的概念，得到了局限在表面附近的电磁波的波动解1941 年，Fano 根据金属和空气界面上表面电磁波的激发解释了这一现象1958 年，Turbader 首先对金属薄膜采用光的全反射激励的方法，观察 SPR现象 1971 年，Kretschmann 研究的 Kretschmann 结构为 SPR 传感器奠定了基础1983 年，Linkoping 等人将 SPR 应用于蛋白质与其抗原的相互反应的测定，表面等离子体共振传感器的研究42并由 Biacore AB 公司开发出 SPR 仪器此后 SPR 仪器和 SPR 生物传感器的研究全面展开并不断深入金属和介质交界面上的电荷层，在电磁波的激励下表面等离子体会发生共振现象，并能够影响电磁波的传播。

表面等离子波对介质的折射率的微小变化非常敏感，如果让样品媒介与介质接触，那么由于存在着吸附或者化学反应，介质的折射率将发生变化，并因此而影响共振条件，引起共振角的偏移因此表面等离子共振型传感器具有对样品环境中物质的微量变化进行检测的潜能根据这一原理，人们在应用上做了广泛、深入的探讨，如气体传感器、液体传感器、化学传感器和生物传感器等表面等离子共振型传感器具有测量准确度较高、响应快、体积小、机械强度大、抗电磁干扰能力强等优点，因此研究表面等离子共振型传感器可以更好地扩展其在生物化学、食品加工、医学分析和环境监测等领域中的应用按照不同的耦合方式，表面等离子体共振传感器（SPR sensor）可分为棱镜耦合式 SPR 传感器、集成光波导耦合式 SPR 传感器、光纤式 SPR 传感器和光栅耦合式 SPR 传感器，而按照测量方式又可分为角度指示型传感器，波长指示型传感器，光强指示型传感器和相位指示型传感器针对本实验目的，我们在实验时选择的是棱镜耦合式角度指示型传感器2. 原理2.12.1 表面等离子波的数学形式及产生条件表面等离子波的数学形式及产生条件如图 1 建立坐标轴，表面等离子波的特点是场强在界面处极大，并沿法向以指数衰减，故其试探解为：图 1 界面处坐标轴带入波动方程： 0)(x )(exp)exp(),(0)(x )(exp)exp(),(20221011 tzjxEtrEtzjxEtrErrrr哈尔滨工业大学 2005 年本科生科技创新活动获奖作品集43得：同时，由试探解可得电磁场形式为：带入边界条件可得：00 120yyEE以上三式说明只有当入射光的传播常数等于表面等离子波的波矢时（即横向共振条件） ，入射光才能耦合进金属膜，入射光的大部分能量转化为表面等离子波的能量，对应入射光的一个吸收峰（如图 2 所示） 。

这个入射角（P角）称为共振角第二式说明只有界面两侧介电常数异号的情况下才能产生表面等220222120221,kk0)(x )exp(),,()(0)(x )exp(),,()(202020222101010111xEEEixExEEEixEzyzzyzrr0)(x )exp(),,()(0)(x )exp(),,()(202202222002021010111200101xEEkEjjxHxEEkEjjxHyzyyzy rr2121  21210 k2202 tEErr表面等离子体共振传感器的研究44离子波同时，垂直于入射面的电场强度为零，说明入射光应是一 TM 波图 2 不同浓度葡萄糖溶液光强的吸收峰（丛左向右依次为 5%、10%、25%、50%）2.22.2 不同液体的折射率及实现传感的原理不同液体的折射率及实现传感的原理 液体折射率表（化学纯的液体）物质名称分子式密度温度℃折射率丙醇CH3COCH30.791201.3593甲CH3OH0.794201.3290乙C2H5OH0.800201.3618苯C6H61.880201.5012二硫化碳CS21.263201.6276四氯化碳CCl41.591201.4607三氯甲烷CHCl31.489201.4467乙醚C2H5·0·C2H50.715201.3538甘油C3H8O31.260201.4730松节油0.8720.71.4721橄榄油0.9201.4763水H2O1.00201.3330表 1 液体折射率表由上表可知，不同液体的折射率也不同，对于同一种溶液，不同浓度也对哈尔滨工业大学 2005 年本科生科技创新活动获奖作品集45应着不同的折射率，换句话说，液体成分的微小变化对应折射率的变化，这样，通过测量液体的折射率可以探测到液体成分的变化。

这种探测过程在跟踪表面性质变化、化学反应进程及生物活性分子变化领域有着很实际的意义基于这种原理，可以使用同一个金属薄膜，分别用不同的样品与之表面接触，测量共振角，可以测得不同液体间折射率的区别，进而了解所测液体的成分，这就是SPR 传感器的传感原理2.32.3 表面等离子波的激发及表面等离子波的激发及 SPRSPR 传感器结构传感器结构如图 3，通过调整光线在棱镜底面的入射角，使入射光（TM 波）的波矢在界面方向的分量等于 SPW 的波矢，这样入射光的大部分的能量被耦合到表面，而棱镜底面全反射的光强明显下降这种激励方式称为衰减全反射技术（ATR，Attenuated Total Reflection） 图 3 激发 SPW 的 Kreschman方法（1、2 分别为金属和棱镜的介电常数）图 4 SPR 传感器结构采用上述 Kreschman 方法激发表面等离子波的传感器设计结构如图 4，其中三棱镜采用高折射率材料，金属层是在三棱镜底面利用真空蒸发镀膜工艺镀制厚度约为 50nm 的金层，样品盒利用聚四氟乙烯材料制作，具体结构见后面介绍。

2.32.3 实验装置原理及实验光路的搭建实验装置原理及实验光路的搭建 在本实验中，我们使用的是波长 650nm 的 3mW 半导体激光器作为激发光，用偏振片将激光偏振方向定位为相对棱镜底面的 TM 波，再用透镜来对光路进行12表面等离子体共振传感器的研究46准直,然后经过小孔滤波器射向棱镜和样品组成的传感单元，传感单元放在θ/2θ 转台上，此精密转台由步进电极控制,它每转动 θ 角，反射光线转动2θ 角，探测器放在 2θ 转盘上，这样能够保证探测器时刻跟踪反射光，将反射光强随角度的变化记录下来传入计算机中实验仪器的另一个重要部分是其自准系统，本实验将光垂直入射到三棱镜侧面的角度定为零角度点，将角度坐标原点移动到这一点是每次测量前必须完成的工作方法是用一半透半反镜置于光路中（如图 5），当光线垂直棱镜侧面入射时，将有一束反射光沿原光路返回，经半反射镜反射，可以射向自准探测器在实验前，转动转台，将反射光点移动到小孔前一点，开始反转转台，当光点从小孔打出时，自准探测器会接收到光，对应在计算机上显示出以极为细锐的峰值，以这个角度为实验的零点，并开始测量图 5 实验用光路图1. 波长 650nm 半导体激光器 2.小孔 3.偏振片 4.半透半反镜 5.聚焦透镜 6.自准探测器 7.-2转台 8.一面镀金膜的三棱镜 9.液体盒 10.全反射光探测器1223 455106789哈尔滨工业大学 2005 年本科生科技创新活动获奖作品集47照片 1 实际光路照片3. 实验过程3.13.1 实验准备工作实验准备工作首先，我们阅读了一些相关的文献，对于表面等离子体共振传感器的一些应用价值有了一些认识，知道了这种传感技术在生物化学领域的应用。

利用假期，本组成员阅读了相关的英文文献，积累了一些基础知识上学期我们认真地学习集成光学这门课，为在实验中遇到的理论问题做好了相应的准备3.23.2 使用分光计测量棱镜的顶角及折射率使用分光计测量棱镜的顶角及折射率测量实验所用的棱镜的顶角和折射率是我们最先完成的工作，由于在基础物理实验中涉及过这方面工作，棱镜顶角的测量我们进行得很顺利但在进行棱镜折射率测量时我们遇到了困难：与基础物理实验中棱镜底面不透光不同，待测的三棱镜三侧面均为透明，使得有大量的杂散光出现使实验无法进行为了解决这一困难，我们组在晚间进行测量，同时将棱镜的一个面用不透光的纸挡住，终于得到了预期的效果3.33.3 制作待测液体样品盒制作待测液体样品盒在本实验中，为了使待测液体稳定地附于金膜表面，我们需要设计一种既密封，又容易注入排出，而且尺寸合适的液体样品盒我们先是根据棱镜的尺寸（镀膜侧面 11mm×22mm）和镜架的长度（约 3cm）初步确定液体盒为外径8mm，内径 3mm 的圆柱形开口容器，其与金膜表面的连接处用“O”形橡胶圈密封，在柱体侧面靠近打两孔分别作进出水口如图 6）表面等离子体共振传感器的研究48图 6 初步设计实验的液体盒设计图 7 最终确定使用的液体盒设计照片 2 两次设计出的液体盒比较，由近到远分别为最初设计和最终设计哈尔滨工业大学 2005 年本科生科技创新活动获奖作品集49照片 3 液体盒安装在棱镜上的效果随后，我们用这种液体盒进行了多次对于不同浓度蔗糖溶液的测量，很快总结出了这种设计的几个缺点：首先是盒体开口太小，使得液体与金膜的接触面过于小，容易产生影响实验结果的边界效应。

同时，过狭小的开口会使入射光点很容易打在液体与金膜接触区域以外，使测量范围变小其次，这种设计使得注入液体难度极大，因为出入水口都集中在盒底面附近，而且两者互相靠近，再加上由于盒体狭小，表面张力使得注入的一点水在盒底粘附，随后就从出水口流出，不能充满整个容器，达到与金膜接触的要求为了解决这一问题，我们决定在两方面改进最初设计：首先是容器尺寸问题：为了使其开口尽量大而且仍能符合镀膜区域尺寸，我们将新的液体盒的开口处设计成长条形（其中两短边为半圆，整个开口像被拉长的田径跑道，如图7），针对注水问题，新的液体盒的进出水口被分置在长边的两侧，距离很远，注水时两口上下摆放，液体一点点将空气顶出出水口，充满整个容器4. 实验结论表面等离子体共振传。