基于Matlab平台的光纤SPR光谱特性研究

刘春兰,苏于东,魏 勇,张永慧

(1.重庆三峡学院智能信息处理与控制重点实验室,重庆 404120；2.重庆三峡医药高等专科学校基础医学部,重庆 404100)

1 引 言

表面等离子共振(surface plasmon resonance,SPR)现象是光子和金属表面自由电子相互作用的结果,是基于金属表面全反射的一种光学现象[1]。波长调制型SPR光谱表现为反射谱在特定波长出现塌陷,我们称之为共振谷,当待检测溶液折射率、温度、或者浓度等发生变化时,共振谷位置会相应发生明显移动,故SPR可用于传感。SPR传感技术作为近年来的新兴热点已被广泛应用于生物医学、食品安全检测、化学样品分析等领域[2-5]。传统的基于棱镜的Kretschmann型SPR传感器已被广泛采用且商业化[6],因其测试系统复杂、体型庞大,往往价格昂贵且受可调参数影响其检测范围受限。而光纤SPR传感器具有体积小、所需样品少、可遥感测量等一系列优点,于近年来被广大研究学者青睐,且有望于投入生产生活。影响光纤型SPR传感器灵敏度及动态范围的主要参数有:光入射角度、所镀传感金属膜厚度、所镀传感金属膜种类、纤芯折射率等。针对以上因素,人们提出了各种各样的光纤SPR传感器结构,彭伟团队研磨多模光纤[7],刘志海团队研磨单模光纤[8],提出采用光纤研磨锥角的方法控制光入射角度达到改变光纤SPR光谱特性的目的,但光纤研磨对仪器和操作人员的操作技术都有较高要求。关于光纤SPR传感膜厚调节的光谱特性也有少量文献进行详细研究[9],需要对镀制金属膜进行实时监测。此外,有人提出使用蓝宝石光纤增加光纤折射率从而到达改变光纤SPR光谱动态范围的效果,但是蓝宝石光纤价格昂贵。因此为了制作和检测精确,以防实验费时费力之后还做无用功,仿真验证成为一种必要的科研手段,通过仿真验证为实验提供可靠且最优的实验参数,有助于更精确的完成实验,验证结论。

本文提出并创建了一种用于光纤SPR传感器传感参数验证的基于Matlab软件的可视化图形操作平台,并详细研究SPR的光谱特性。通过该操作平台可以分别验证光入射角度,金属传感膜厚度,金属传感膜种类对光纤SPR传感器动态范围和灵敏度的影响。此外还可根据实际需求构造并匹配具有不同调制方式的多通道SPR传感器,验证其最优参数,为实验提供合适的参数指导。

2 光纤SPR光谱研究机理

目前基于光纤的SPR传感器大多基于Kretchmann结构,由光纤-金属-待测介质三层介质构成。根据菲涅尔公式可以推导出整个传感系统的传输光反射率:

(1)

利用菲涅尔公式可以推导出各个界面的反射系数为:

(2)

(3)

其中,下角标0,1,2分别表示光纤、金属薄膜和待测介质,而k,l=1,2;kz1为金属膜中波矢量在z轴方向的分量;θ0为光波在光纤与金属膜界面的入射角;d1为金属膜厚度。

图1 Kretchmann结构特定参数的SPR曲线Fig.1 SPR curve of the Kretchmann structure with the specific parameters

根据以上计算方法,采用Matlab软件进行编程验证,若采用宽谱光源,以入射光波长为横坐标,反射率为纵坐标,光入射角度设置为75°,金属膜厚度为50 nm,金属膜种类为金,且对应导入金在不同波长下对应的介电常数表格,光纤折射率为1.467,待测介质折射率为1.386。得到如图1所示的反射光谱,经过计算可知该光谱在波长为1034 nm时会出现反射光谱大幅度衰减从而产生共振谷。

3 单通道光纤SPR光谱特性研究

从上述公式中可知影响该传感系统反射衰减光谱的主要因素有光入射角度、金属膜厚度、金属膜种类、光纤折射率、待测介质折射率。下面详细探讨以上参数对光纤SPR光谱特性的影响。

3.1 光入射角度对光纤SPR光谱特性的影响

采用控制变量法,设定待检测光纤SPR传感器采用单模光纤锥角结构来进行实验检测,针对该测试系统,进行仿真验证,则其仿真参数如下:光纤纤芯折射率为1.475,金属膜种类为金膜,金膜厚度为50 nm,待测溶液折射率范围为1.333到1.383。当光入射角度分别为75°,77°,79°,81°时得到如图2所示的仿真曲线。从图2中可以看出,当光入射角度为75°时,其光谱检测动态范围为661.7～905.8 nm,经过计算其平均灵敏度为4882 nm/RIU；当光入射角度为77°时,其光谱检测动态范围为638.3～817.1 nm,经过计算其平均灵敏度为3576 nm/RIU；当光入射角度为79°时,其光谱检测动态范围为622.2～762.8 nm，经过计算其灵敏度为平均2812 nm/RIU；当光入射角度为81°时,其光谱检测动态范围为611.1～727.1 nm,经过计算，其灵敏度为平均2320 nm/RIU。通过仿真规律可知,随着光入射角度的增加,其动态检测范围向短波长方向移动,灵敏度降低,且动态检测范围随之变窄,低折射率光谱的共振谷深度随之变浅。通过以上规律可知实验的光入射角度小,灵敏度高,但是当光入射角度太小,受光源波长范围的影响,高折射率溶液将无法检测,故一般取光入射角度为75°。实际实验中,光纤SPR传感器通过锥角结构的剖磨实现光入射角度的改变,光入射角度与光纤研磨角度互余,故光纤研磨角度越大,灵敏度越高,实验中不可控条件影响较多,其共振谷深度受到较大影响,固光纤研磨角度不宜过大,即光入射角度不宜过小。入射角度增加,灵敏度变低,检测范围变大。

图2 不同光入射角度对应的检测仿真曲线Fig.2 The simulation curves with different grinding angles

3.2 金属膜厚度对光纤SPR光谱特性的影响

在检测范围相同的情况下,现有的光纤SPR技术一般采用透射式模型实现金属膜厚度调节光纤SPR的动态范围,即对光纤进行腐蚀镀膜操作。因镀膜涉及到靶材和膜厚监测,操作较为繁琐复杂,故我们对该结构进行仿真研究,其仿真参数如下:光纤纤芯折射率为1.475,金属膜种类为金膜,光入射角度为75°,待测溶液折射率范围为1.333～1.383。当金膜厚度分别为30 nm,40 nm,50 nm,60 nm时得到如图3所示的仿真曲线。

图3 不同金膜厚度对应检测仿真曲线Fig.3 The simulation curves with different gold film thicknesses

根据仿真结果可知,当金膜厚度为30 nm时,其共振谷很浅不利于观察,固不宜用于实验；当金膜厚度为40 nm时,通过图3观察可知,其光谱的动态检测范围为649.9～913.6 nm,其平均灵敏度为5274 nm/RIU；当金膜厚度为50 nm时,其光谱检测动态范围为661.7～905.8 nm,经过计算其平均灵敏度为4882 nm/RIU；当金膜厚度为60 nm时,其光谱检测动态范围为665.5～904.6 nm,经过计算其平均灵敏度为4782 nm/RIU。通过以上仿真规律可知,当金膜厚度小于50 nm时,随着金膜厚度的增加,其光谱的共振谷深度增加,其灵敏度增大,动态检测范围变化不大；当金膜厚度大于50 nm时,随着金膜厚度的增加,其光谱共振谷深度明显变浅,灵敏度随之缓慢减小,动态检测范围同样变化不大,但基本向长波长方向移动。因实际试验测试中存在不可控因素影响共振谷观察,固选择共振谷深度相对较大的50 nm厚度的金膜进行实验。

3.3 光纤折射率对光纤SPR光谱特性的影响

实际测试中,光纤的折射率基本是固定的,具有不同的折射率的光纤其测试效果均不同,为了真正指导实验,我们对不同光纤构成的光纤SPR传感的光谱特性进行仿真验证。经过以上关于膜厚和研磨角度的研究,我们设定如下仿真参数:光入射角度为75°,金属膜种类为金膜,金膜厚度为50 nm,待测溶液折射率范围为1.333～1.383。当光纤折射率分别为1.465，1.475，1.485，1.495得到如图4所示的仿真结果。

图4 不同纤芯折射率对应的检测仿真曲线Fig.4 The simulation curves with different fiber refractive index

根据图4可知,当光纤折射率为1.465时,其光谱的动态检测范围为683.8～895 nm,检测平均灵敏度为5280 nm/RIU,但是折射率为1.383的待测溶液已经检测不到了,即待测溶液的折射率范围缩小；当光纤折射率为1.475时,其光谱检测动态范围为661.7～905.8 nm,经过计算其平均灵敏度为4882 nm/RIU；当光纤折射率为1.487时,其光谱的动态检测范围为644.1～835.7 nm,经计算其平均灵敏度为3832 nm/RIU；当光纤折射率为1.497时,其光谱的动态检测范围为629.7～784.4 nm,经计算其平均灵敏度为3094 nm/RIU。通过以上仿真计算结果可知,随着光纤折射率的增大,其动态检测范围向短波长方向移动,灵敏度降低,当光纤折射率太低,可检测溶液的折射率范围变窄,检测受到限制,当光纤折射率很高时,虽然灵敏度低,因整体检测范围向短波长方向移动,可用于检测高折射率溶液。通过以上理论结果的分析可知,提高光纤折射率或者更进一步说提高纤芯折射率将成为提高可检测溶液折射率的一个研究方法。

3.4 金属种类对光纤SPR光谱特性的影响

因金属的介电常数受入射光波长的影响,为了研究金属种类对光纤SPR光谱特性的影响,我们以入射光角度为横坐标,反射率为纵坐标，研究其光谱特性。仿真参数如下:入射光波长为632.8 nm,光纤折射率为1.475,外界介质折射率为1,金属膜厚度为50 nm,入射光角度从40°增至60°。我们考察金属介电常数实部和虚部对光纤SPR光谱特性的影响。其仿真结构如图5所示。图5(a)为金属介电常数虚部不变，实部分别改变0.6、0.8、1、1.2、1.4、1.6倍时的检测仿真曲线,从图中可以看出,随着实部的增大,共振谷向小入射光角度方向移动,即共振角度减小,且共振谷深度增加；图5(b)为金属介电常数实部不变，虚部分别改变0.6、0.8、1、1.2、1.4、1.6倍时的检测仿真曲线,从图中可以看出,随着虚部的增大,共振谷深度增加,共振谷基本不左右移动。通过上述分析可知,金属介电常数影响光纤SPR传感的共振角度,即通过改变金属膜的种类可以起到调节光纤SPR光谱特性的作用。

图5 不同金属种类对应的检测仿真曲线Fig.5 The simulation cures with different metalfilms

4 多通道SPR光谱特性研究

经过以上仿真结果分析可知,改变不同的参数,其检测范围,灵敏度均有差异,针对这些差异我们可以制作多通道光纤SPR传感器。以改变光入射角度为例,当在一个光纤传感器上具有两个不同研磨角度的锥角结构时,就形成了具有两个传感通道的双通道光纤SPR传感器。分别设置两个传感通道仿真参数如下:传感金属膜种类为金膜,金膜厚度为50 nm,光纤折射率为1.475,待测溶液折射率范围为1.333～1.383,两通道的光入射角度分别问75°和81°,得到如图6仿真结果。从图6中可知,双通道光纤SPR光谱具有两个共振谷,其光谱动态检测范围为609.8～907.1 nm,其检测平均灵敏度为5946 nm/RIU。通过仿真结果可知,其动态检测范围变宽,且灵敏度并不低于单通道光纤SPR传感。在实际需求中可采用不同的调节方式构成不同类型的多通道SPR传感器,并且可用不同的通道检测不同的待测物质,达到提高检测效率的目的。

图6 双通道光纤SPR光谱特性Fig.6 The spectral characteristics of the two-channel fiber SPR sensor

5 光纤SPR光谱特性研究平台的建立

根据以上仿真需求,利用Matlab软件的GUI模块搭建光纤SPR光谱特性研究的仿真平台如图7所示。其功能如下:可通过通道选择按钮进行选择,如若选择单通道,只需要在通道1或者通道2所对应参数框内进行参数输入,如若选择双通道,则需要在两个通道的参数框同时进行输入,参数分为光入射角度、金属膜厚度、待测溶液折射率、光纤折射率,均分为最大值、最小值和步长,需要固定时只需要将最大值、最小值输入相同的值,步长不必输入即可。金属膜种类通过金属介电常数表格的导入来实现选择。参数输入结束之后点击确认,即可在动态范围和灵敏度对应框内得到计算结果。需要保存数据，点保存按钮即可,使用完毕点击退出。该仿真平台还可随时进行功能扩充,比如进行两个以上的多通道的计算等。

图7 光纤SPR光谱特性研究仿真平台Fig.7 Simulation plateform of the fiber SPR spectral characteristics

6 结 论

本文细致研究了光入射角度、金属膜厚度、光纤折射率、金属膜种类对光纤SPR传感器光谱特性的影响。结果表明：随着光入射角度的增加,光纤SPR光谱动态范围向短波长方向移动,灵敏度降低；随着金属膜厚度的增加,光纤SPR光谱动态范围缓慢向长波长方向移动,灵敏度增加；随着光纤折射率的增加,光纤SPR光谱动态范围向短波长方向移动,灵敏度降低。此外，金属膜种类对光纤SPR光谱特性也有明显影响。根据以上研究规律,我们以角度调制为例创建双通道光纤SPR传感器的仿真模型,经仿真验证,其灵敏度和动态范围并不低于单通道SPR传感器,且可实现双通道同时传感。本文根据仿真规律,搭建了基于Matlab软件的可操作仿真界面,方便进行实验操作的参数验证,为实际实验提供参数优化和实验指导,以更快速高效地完成实验验证和研究。