单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,外表等离子体子共振Surface Plasmon Resonance 光波导传感器,2023年3月,electron 电子,photon 光子,magnon 磁子,proton 质子,neutron 中子,phonon 声子,plasmon 外表等离子体子，是指金属外表沿着金属和介质界面传播的电子疏密波，由金属和空气界面上外表电磁波的激发而产生。,plasmon具有波粒二象性,其粒子性表达为它是具有能量的量子,其波动性表达为它是在薄膜外表上传播的电子疏密波。,金属包层平板介质波导,用于集成光学器件，介质波导中沉积金属膜或在金属膜基底上沉积介质波导层；,金属对光频有强力的吸取作用，电磁场仅在很薄的一层内以衰减场形式存在；,在光频电场的作用下，在金属层内可激发出等离子体振荡，即在金属和介质的交界面消失等离子体外表波 Surface Plasma Wave-SPW；,金属的光频特性,金属的电容率介电常数是复数，实部为负，且确定值大于虚部：,光在金属中传播必需考虑电导率的影响，麦克斯韦尔方程：,波动方程：,复折射率：,电场矢量写成：,代入复折射率：,折射率的实部打算波的相速度，虚部打算媒质的吸取而产生的波振幅的衰减，因此称虚部为消光系数或衰减系数。,衰减系数,如虚部等于0.005 的金属，波长为1.0m的光传输距离为36 m。,等离子体：宏观上呈电中性、体内所含正电荷数与负电荷数几乎处处相等的多粒子系。,金属中的自由电子被局限在正离子构成的晶体点阵内作无规章运动，单位体积内自由电子所带的负电荷数与正离子所带的正电荷数相等，呈等离子状态。,等离子体外表涉及存在的条件,什么是等离子体外表波SPW Surface Plasma Wave？,指在肯定条件下，消失在金属与电介质分界面上传播的平面电磁波，其振幅随离开分界面的距离按指数衰减。,SPW存在条件：,SPW肯定是TM波 P偏振光；,只存在于两侧电容率符号相反的分界面，在光频范围内，金属和电介质的分界面存在SPW；,SPW传播常数：,外表等离子体子共振SPR Surface Plasmon Resonance,利用光在发生全反射时的消逝波,激发金属外表的自由电子产生等离子体外表波。,当消逝波与等离子体外表波传播常数相等时发生共振，称此时的入射角为共振角。,设入射光角频率为，在棱镜底面全反射时的入射角为，则消逝波在界面x方向的传播常数为：,金属外表等离子波传播常数：,共振角,x,衰减全反射,ATR,(,Attenuated Total Reflection-ATR,),一旦入射P偏振光与SPW耦合并产生共振，SPW可增加几百倍，称为外表等离子体共振SPR。,衰减全反射(ATR)：,因消逝波的存在,光线在界面处的全内反射将产生一个位移D(古斯-汉森位移),马上沿X 轴方向传播肯定距离。假设光疏介质对光线没有吸取并无其它损耗,则全内反射强度并不会被衰减,消逝波沿光疏介质外表在x 方向传播约半个波长,再返回光密介质。反之,光能会损失,这样引起的能量损失称为衰减全反射(ATR),衰减全反射,ATR,(,Attenuated Total Reflection-ATR,),共振时界面处的全反射条件将被破坏,呈现全反射衰减现象,使反射光能量急剧下降,在反射光谱上消失共振峰，即反射率消失最小值，称为衰减全反射ATR。,影响SPR的因素：,金属膜外表介质的光学特性、厚度；,入射光的入射角、波长和偏振状态；,等离子体外表波激发方式,空间光与SPW耦合的典型构造：,Otto构造：金属和全内反射外表之间有约几十纳米的介质间隙,金属可以是半无限宽。入射光在棱镜底面发生全内反射,而消逝波作用于间隙与金属界面,并在此界面发生SPR。,Kretschmann构造：承受真空蒸镀,磁控溅射等方法直接在全内反射外表镀一层几十纳米厚的金属，应用最广。消逝波透过金属薄膜,在金属膜外侧界面处发生外表等离子体子共振。,棱镜,金属介质,Otto,结构,棱镜,金属膜,Kretschmann,结构,外表等离子体子其他激发方式,(a)two-layer Kretschmann geometry,(b)excitation with a SNOM probe,(c)diffraction on a grating,(d)diffraction on surface features.,SPR传感器的实际应用,SPR传感器可猎取紧靠在金属薄膜外表介质层的光学常数,从而进一步得到介质的其它信息，如：,由膜厚估量成膜物质的构造排列；,由介质的折射率、膜厚度、吸取系数计算吸附物质的质量,进而求得相互作用的生物大分子之间键的参数；,主要用于生物科学和生命科学领域：,抗原-抗体反响测定：用于免疫分析，选择不同抗体用于治疗、检测、诊断。,蛋白质相互作用分析；,DNA 与蛋白质相互作用分析，此前始终没有简便快捷的方法；,实时监测DNA 分子间的相互作用：SPR不仅可用于争论蛋白质-蛋白质,蛋白质-DNA 之间的相互作用,也可用于争论核酸间的相互作用,实时追踪核酸反响的全过程,包括基因装配、DNA 合成延长、DNA 的特异切割。,药物筛选及鉴定；药物筛选是SPR 技术的另一个应用热点。,SPR 生物传感器,检测过程：,将一种具特异识别属性的分子即配体固定于金属膜外表；,在复合物形成或解离过程中,金属膜外表溶液的折射率发生变化；,SPR实时检测折射率变化，监控溶液中的被分析物与该配体的结合过程；,特点：实时过程检测、无需标记、耗样最少等。,SPR传感器根本构造与耦合方式,根本组成：,光波导耦合器件,金属膜,分子敏感膜,耦合方式：,Krestschmann棱镜型,Otto棱镜型,光纤在线传输式,光纤终端反射式,光栅型,金属膜,分子敏感膜,光纤在线传输式,光纤终端反射式,光栅型,SPR检测方式、传感器灵敏度,检测方式：,角度调制：固定in，转变in,波长调制：固定in，转变in,强度调制：固定in、in，转变光强,相位调制：固定in、in，测相位变化,传感器灵敏度：,特征参数：共振角(或共振波长)、共振半峰宽度(共振峰高一半处的波宽)和共振深度(共振峰的高度,即相对能量反射率)。,特征参数取决于金属薄膜及其外表介质的光学参数:膜厚度d一般在55nm 左右、折射率n 和吸取系数k。,角度调制原理,SPR传感器,单色光源，即固定波长；,SPR对附着在金属薄膜外表的介质折射率特别敏感,当外表介质的属性转变或者附着量转变时，共振角将不同。因此，SPR谱共振角对时间的变化能够反映与金属膜外表接触的体系的变化。,波长调制原理,SPR传感器,固定入射角而转变波长；,光源发出的复色光，经准直后变成平行偏振光以肯定的角度照射，在棱镜底部全反射，携带被测信息输出经透镜进光纤，由光栅对不同波长分光光栅单色仪，CCD检测不同波长光的强度。,相位调制原理,SPR传感器,横向塞曼激光器能直接输出正交偏振态、低频差的线偏振光，P 偏振光能激发等离子体共振；,S 偏振光与P 偏振光之间的频差稳定，却可以细分提高相位区分率；,SPR共振发生时,P 偏振光的相位变化,而S 偏振光几乎不变,两重量之间产生相位差。相位差随生物分子与传感层上的分子结合强度和速率变化。,利用双频干预原理检测相位变化。,1：横向塞曼稳频激光器；,7、13：偏振片；,8、12：光电接收器；,9、11：前置放大器,10：相位计,14：计算机,26：SPR传感器,SPR,传感器其他应用,其他应用：,航天医学、,生物芯片利用SPR 相位调制检测蛋白质芯片、,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、,周密角度测量等领域。,SPR,应用于近场扫描光学显微技术,NSOM 的光纤微探针尖端无法做得很细,因此区分率只能到达十几纳米,不能象STM和AFM那样到达原子级区分率。,SPW 在金属外表传播时,遇到杂质、缺陷等将会发生散射,此处共振的SPW作圆锥辐射,圆锥顶角与入射角一样。,假设AFM的实心针尖在金属外表扫描,将作为一个散射中心,辐射出的圆锥形光携带针尖处的信息.,由于圆锥辐射光比较微弱,一般用一个锁相放大器以,肯定频率驱动微悬臂,并检,测光电转换器件的输出信,号中的同频成分.,薄膜光学和膜厚测量,在Kretschmann型SPR配置中的金属膜上掩盖待测薄膜,依据测得的ATR 曲线,可以用双层膜菲涅尔公式拟合计算待测薄膜的光学参数和膜厚。,如图配置可通过银膜和导电玻璃向液晶施加不同的电压，通过测量和计算,可以得出不同电压下液晶薄膜的厚度和介电常数,并借以推断不同电压下液晶分子的排列方式。,与其他膜厚测量方法相比如椭圆偏振仪，SPR技术具有灵敏度高、区分率高等优点,特殊适合纳米量级的膜厚测量，而且可以测量不透光的薄膜.,棱镜,银模+液晶+导电玻璃,全息成像技术,底片为玻璃基底-银膜-光刻胶构造,银膜厚度35nm,光刻胶厚度65nm.记录光路使用0.9mW的氦镉激光.曝光时间为25s.显影后将底片置于成像光路中。,成像光路构造是Kretschmann型SPR配置.银膜外表共振的SPW被全息照片上的刻痕散射并辐射光,从而产生全息虚像。,再现光束以76.36,60.17,44.94(对应波导层中的3 个模式TM0,TM1,TM2)射入时,观看到了再现图像.,优点是成像时不存在照明光的零级散射干扰;记录时的入射角和成像时的入射角无关。,