表面等离子体共振传感检测方法研究

胡 伟， 邢砾云,2， 孙玉锋， 王玮琪， 崔洪亮， 张天瑜

(1.吉林大学 仪器科学与电气工程学院，吉林 长春 130026；2.北华大学 电气信息工程学院，吉林 吉林 132021)

0 引 言

表面等离子体共振(surface plasmon resonance,SPR)是一种发生在金属与电介质界面的物理光学现象，对附着在金属表面的电介质折射率非常敏感，可以用于实时跟踪介质折射率的变化，检测出折射率不同的物质。SPR检测物质根据检测方式的不同，可以分为波长调制、相位调制、强度调制和角度调制等[1]。相位调制是指建立共振相位和折射率之间的关系，通过分析共振相位的变化从而获得被测物质的折射率，相位调制的检测装置复杂，分析结果比较困难，技术还不是很成熟[2～5]。强度调制是指改变入射光强，分析SPR光强度的变化，得到样品折射率的变化情况，强度调制技术系统抗干扰性不好，检测灵敏度偏低，系统不稳定[6,7]。波长调制是指入射角度一定,改变入射光波长，分析SPR反射率与波长的变化关系，得出样品折射率。角度调制是指固定的入射波长，分析SPR角度与反射率之间的关系，从而获得待测样品折射率值。波长和角度调制都能获得较高的精度，技术成熟，应用较多[8～12]。

本文将分析比较角度和波长调制这2种方法，基于SPR原理，对影响SPR的因素进行了仿真，找到影响SPR因素的最佳取值，然后对波长、角度调制2种方法进行仿真，分析结果，得出2种调制方式各自的特性，比较优劣，选择合适的检测方法。

1 SPR原理与检测技术

1.1 SPR原理和Kretschmann模型

金属中存在“自由电子”，当金属受到光线照射时，入射光子会使金属中的“自由电子”偏离原来的平衡位置，形成周期性的简谐振荡波，即表面等离子体波(SPW)，当入射光波矢与表面等离子体波矢共振时，就产生了SPR，入射光就会出现强烈的吸收现象，定义反射回来的光与入射光的比值为反射率R。

Kretschmann提出的棱镜耦合的全内反射方法是SPR传感器广泛应用的技术。如图1所示，Kretschmann模型主要包含棱镜、金属膜和样品3层。SPR现象就发生在金属膜和样品界面。令k代表模型层数，εj(j=0,1,2,…,k) 表示各层物质的介电常数，θ为入射角度，λ为入射光波长，在各层的波矢为kj(j=0,1,2,…,k)，图中kpx为光在平行界面的波矢分量，kspw为光在金属与样品界面的波矢，金属膜和样品厚度分别为dj(j=1,2,…,k)。

图1 Kretschmann模型

以Kretschmann模型进行讨论，rj,j+1为相邻界面上的折射率系数，反射率R计算公式为

R=|r0,k-1|2,

(1)

j=k-3,…,0，

(2)

(3)

(4)

(5)

取物质的介电常数ε和其折射率n的关系为ε=n2。

1.2 SPR检测技术

根据上述公式，用Matlab对SPR进行仿真，其中金属膜选用金膜，介电常数为-13.4+1.4i，厚度为50 nm，棱镜折射率为1.6(一般玻璃折射率)，样品厚度不影响结果，本文选为100 nm。

图2以He-Ne激光器的典型波长632.8 nm[13～15]光源，仿真得到入射角度—样品折射率—反射率关系的三维曲线。可以发现样品折射率在0～10范围内，许多的位置均有共振现象发生，并且不相同，因此,SPR可以用来检测一定范围内的不同样品。

图2 反射率、入射角度和样品折射率的关系曲线

1.3 参数选择

根据上面的讨论，金属膜厚度在50 nm附近共振现象较明显，以水为样品，改变金膜厚度，由图3可见，金膜厚度为45 nm(加线)时，反射率达到最小值，因此,选取金膜厚度为45 nm，以达到更明显的共振现象。

图3 金膜厚度选择

图4是选择金膜厚度为45 nm，其他条件不变，改变棱镜折射率得到的入射角与反射率的曲线。

图4 改变棱镜折射率仿真图

从图中可以发现，棱镜折射率逐渐增大时，对应共振角度逐渐减小，共振效果并没有大的改变，另外，当棱镜折射率为1.3时，共振现象不再明显，即当样品和棱镜折射率接近或相等时实验现象不明显，因此，棱镜折射率应根据不同实验的要求和样品折射率进行选择，本文选择SF1材质的玻璃，折射率为1.71。

2 角度调制和波长调制

2.1 角度调制

角度调制是指通过单色光作为入射光激发SPR现象，改变入射角度，检测反射光强度随入射角度的变化情况。

图5分别以空气(n=1.0)、水(n=1.33)、煤油(n=1.45)、玻璃(n=1.58)为样品进行仿真。

图5 样品不同折射率仿真曲线

由图5可知，其他条件不变，样品不一样时，发生共振的角度明显不同，反射率的强度变化情况也不同，而且，当样品折射率与棱镜折射率接近时，共振现象不再明显，甚至没有共振。因此，当选择合适的棱镜折射率，以已有样品的共振条件设定检测装置，改变被测物质时，共振现象将改变或消失，所以,该方法能鉴别不同物质。

角度调制可以达到较高的精度，但是也要求角度调整的装置非常精密，同时需要步进电机调整光学系统，使入射光的角度改变，完成检测，高分辨率的步进电机在要求的角度范围扫描一周需要的时间会比较长，实时性不好。

2.2 波长调制

波长调制是指通过准直的、入射角度固定的多波长的入射光激发SPR现象，波长变化情况下，检测入射光和表面等离子耦合强度变化。

图6是以入射角度为57 °(图5虚线)，波长范围为400～1 000 nm，其他条件不变，得到的入射波长与反射率的关系曲线。从图中可以发现,样品折射率为1.33的样品在可见光波长范围内(共振波长为646.823)发生了比较明显的共振，与图5仿真结果相符，同时，在给定波长范围内，其他3种样品都没有明显的共振情况,因此，该方法也可以有效地鉴别出折射率不同的物质。

图6 不同波长下共振曲线

波长调制需要较宽波长范围的光源，且输出光强稳定。在各种连续光源中，卤钨灯是比较理想的宽带光源，其波长范围一般是360～2500 nm。检测装置可以使用光谱仪或CCD检测装置，可以达到较高检测精度。

2.3 角度调制与波长调制比较

为找到较好检测方法，现将2种方法进行比较。表1为样品折射率从1.325～1.340扫描，采用角度调制得到的样品折射率与反射率的关系。表2为采用波长调制，在相同折射率范围下扫描得到的样品折射率与反射率的关系。

表1 角度调制不同折射率对应反射率关系

表2 波长调制不同折射率对应反射率的关系

比较表1、表2可以看出:波长调制对样品折射率的分辨率比角度调制好，当样品折射率变化为0.001时，角度调制对应的反射率变化是0.001量级，有的甚至更小，而波长调制的反射率除了特别接近共振折射率外，可以达到0.01,甚至更大，更加容易测量和分辨折射率接近的物质，扩大了测量范围。同时也避免了精密机械结构的构造和长时间的角度扫描。

4 结 论

结合仿真结果，得出SPR共振技术可以在一定范围内检测样品折射率。以水为样品，得到当金属膜厚度选择在45 nm时，SPR共振现象最明显；棱镜折射率选择为1.71，获得较小入射角，方便搭建，同时能减少样品折射率与棱镜折射率接近共振减弱的影响。通过对角度调制和波长调制的仿真，得出2种方法均能实现对物质折射率的检测。但波长调制能够达到更高的分辨率(对0.001的折射率变化能较好分辨)，能够对更大范围的物质进行检查，同时检查装置的搭建也更加方便。

参考文献:

[1] 吴平辉，顾菊观，刘 彬,等.波长检测型表面等离子体共振传感器的实验研究[J].激光与光电子学进展,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，张崇磊，王 蓉，等.差分干涉表面等离子体共振传感器的优化与验证[J].光学精密工程,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，梁大开，张 伟，等.基于强度调制的光纤SPR系统的研究[J].压电与声光,2009,31(1):44-45.

[8] 郝 鹏,吴一辉.基于噪声分析的波长表面等离子体共振分析仪的数据处理[J].光学精密工程,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,叶红安.波长与角度共同调制的SPR检测技术研究[D].哈尔滨：黑龙江大学,2010:27-29.

[13] 邢冰冰，耿照新，王继业，等.表面等离子体共振传感器的仿真[J].传感器与微系统,2010,29(7):56-59.

[14] 吕 强，黄德修.表面等离子体共振光电传感系统的研究[D].武汉：华中科技大学，2007:5-8.

[15] 李海波，徐抒平，刘 钰，等.波长型SPR检测仪的灵敏度探讨[J].高等学校化学学报,2010,31(11):2157-2161.