基于多孔金属层结构的表面等离子共振生物传感器

李继远 韩 梅

( 1)济南市半导体元件实验所，250014，济南； 2)山东电子职业技术学院，250200，济南 )

1 引 言

由于表面等离激元(Surface Plasmon Polariton, SPP)具有独特的光学特性, 在单分子探测[1]、新型显示[2]、太阳能电池[3]以及负折射材料[4]等方面有着重要的应用前景, 成为当前研究的学者广泛重视的热点领域之一.其中，表面等离子体共振(Surface Plasmon Resonance，SPR) 技术因具有无需标记、高灵敏、高特异性、实时和快速等优势，被广泛应用于生物传感器中[5].Marek Piliarik等[6]研究了一种基于金纳米棒阵列的局域表面等离激元(Localized Surface Plasmons，LSP)的高分辨率生物传感器，其折射率监测范围为1.33～1.43, 检测下限可达100 pM，有望对单个DNA分子产生响应.Yi Wang等[7]设计了一种基于光栅耦合的磁性纳米颗粒的长程表面等离激元(Long-range Surface Plasmons，LRSPs)传感器，实现了对细菌病原体的高灵敏度快速监测.然而，在较高折射率段的传感器却鲜见报到.

多孔金属结构因其独特的光学特性引起了广泛关注.刘劲松等[8]利用亚波长孔阵中的伪表面等离子体增强透射效应实现了对反常透射的控制.郭光灿等[9]用方孔阵列来研究非对称周期性对于通过周期排列的亚波长小孔的反常光透射现象的影响，通过旋转方孔阵列的角度来连续调节光的透射率以及水平与垂直偏振光的透射率之间的比值.本文利用独特的多孔金属层结构，设计了一种可同时应用于高折射率和低折射率监测的表面等离子共振生物传感器.与传统的表面等离子共振器件不同，此结构中产生的共振峰有两条，可实现在不改变普通可见光光源的情况下，对高折射率段进行有效检测.

2 表面等离激元原理

表面等离子激元是由光和金属表面自由电子的相互作用引起的一种电磁波模式,一般存在于金属与电介质的分界面处[10].SPP对表面环境具有很高的灵敏度, 被广泛地应用在生物传感上.

SPP是一种被约束于导体表面的非辐射的电磁波模式.一般情况下，这种电磁波的模式被以某种方式激发后并不能辐射出去，而会在垂直表面的两个方向上，电磁波能量均以指数形式迅速衰减.在金属与介质的交界面，SPP以表面等离子体波(Surface Plasmon Wave, SPW)的形式沿着表面传播，由于金属中欧姆效应的存在，其能量将逐渐耗尽，所以SPW只能传播有限距离，一般为微米或纳米数量级[11].

如图1所示,把入射光分解为电矢量E垂直于入射面的S 偏振光(TE波)和在入射面内的P偏振光(TM 波).由于S偏振光电矢量是与金属-介质分界面成平行方向，它不会阻碍电子的运动，不能在金属表面累积产生自由电子极化强度，也不会激发SPW，进而不会发生SPR现象；而对于P偏振光，其电矢量在分界面垂直方向上有分量，在金属中，原子核外围的电子在P光电场的作用下作垂直于界面的振动.在金属表面，电子的横向(垂直于分界面)运动受到表面的阻挡，因此在表面上形成了电子浓度的梯度分布，并由此形成局限于表面上的等离子体振荡，即表面等离子体波.

图1 金属-介质分界面

图2 SPP波的色散曲线

由麦克斯韦方程组和边界条件可得到介质平坦界面上传播的SPP波的色散关系,

(1)

(2)

γ是阻尼系数或电子运动的碰撞频率，ωp称为等离子角频率(金属内部的等离子振荡频率).

图3 传感器结构示意图

若要产生SPR现象，则要求SPW的波矢量与入射光在水平方向上的波矢量相匹配.从图2可以看出，在平面波直接入射的情况下， SPW的色散曲线总是在介质色散曲线的右侧，即在相同频率下, SPW的波矢量比光波矢量要大, 所以无法激发出SPP.因此，必须使用耦合器件使介质色散曲线与SPW色散曲线有交点，从而激发SPP[12].常用的耦合器件有棱镜型(Otto型和Kretschmann型) 、波导(光纤等)型和光栅型.

本设计采用波导耦合方式来激发SPP，其结构如图3所示.

宽带光耦合进石英波导中传播时，大部分光会形成全反射，而有一部分光将会以倏逝波的形式存在，光的传播常数表示为

(3)

其中ε1为石英波导的介电系数.当石英波导较待测介质有较大的折射率时，能够使SPW色散曲线与倏逝波的色散曲线有交点，满足波矢量匹配条件：kspp=kx，由此可以得出形成SPR现象时,

(4)

(5)

其中θspr为共振角.

宽带光源在耦合进入石英波导后，不同波长λi的光线将以不同的全反射θi向前传播.当θi等于共振角度θspr时，该波长的光波能量将发生衰减，形成所谓SPR 凹谷.介质折射率不同时，共振波长将不同.由于生物大分子在光纤SPR传感器表面的相互作用，能够引起折射率的较大变化.因此在硅基波导的出口端检测输出光强度与波长分布的关系，就能根据共振波长的改变程度进行生物反应的定量分析.

3 传感器仿真

图4 传感器几何模型

本文利用时域有限差分法来实现真实物理现象的仿真，构建的几何模型如图4所示.构建过程为：在石英波导材料上旋涂电子束光刻胶， 接下来采用电子束光刻(Electron Beam Lithography, EBL)技术将二维周期圆孔图样直接刻写到光刻胶上，用镀膜机镀上一层金属，然后再去除光刻胶和附着于光刻胶上的圆形金属层，从而得到二维圆孔状的金属层结构.

(a) (b)图5 Au折射率随波长变化关系及其拟合曲线

下面以一个周期的圆孔作为仿真区域对传感器进行仿真.定义厚度为2 mm的石英波导，并在上侧沉积一层厚度为50 nm的金层，图5为Au在0.40～0.75 mm波长范围内折射率值的FDTD拟合曲线，可以看出利用FDTD拟合可以很好的模拟金在不同波长下的色散特性.定义仿真区域的周围为周期性边界条件，定义光的入射波长为400～750 nm，定义金属层上侧为待测介质，令其折射率为nd=1.45.以上述模型为基础，进行传感器的仿真.

图6 (a) 折射率1.45时候的反射谱; (b) 675 nm时，圆孔处的表面等离子体共振.

宽带光源耦合进硅基波导，入射到金属层，图6(a)为折射率1.45时候的反射谱.可以看出在波长为675 nm 处出现了尖锐的凹谷，因此在此波长上产生了强烈的表面等离子共振现象.图6(b)给出了入射波长为675 nm时圆孔处的光场能量分布图，如图6(b)所示，偏振方向平行于x轴的平面波垂直入射到圆孔上.由传统表面等离激元的理论可知，只有电场方向垂直于金属-介质分界面的TM模才能激发表面出表面等离激元从而产生SPR现象.在圆的上下两侧，由于其切向平行入射光场的偏振方向，因此不能够激发等离子震荡.而在圆的左右两侧，其切向垂直于入射光场的偏振方向，因此可以激发等离子震荡，与理论相吻合.

图7 不同折射率下多孔金属结构的反射光谱.

为了得到传感器的灵敏度，我们对不同折射率待测介质条件下的传感器响应特性进行了研究.

图7(a)显示了不同待测折射率下，多孔金属层结构的反射谱.可以看出，随着折射率的增大，共振峰向长波方向移动.与传统的表面等离子共振器件不同，此结构中产生的共振峰有两条.如图7(b)所示, 当折射率由1.3变化到1.6时，共振波长由628 nm移动到733 nm, 传感器的灵敏度为350 nm/RIU, 此共振峰为传统表面等离子共振产生的共振峰，共振深度较深，被广泛应用于折射率检测，生物传感等领域.当折射率继续增大时候 此共振波长便移动到可见光波段之外.本文设计的基于多孔的表面等离子共振传感器可以有效的解决这个问题，当折射率继续增大时，透射曲线将出现另一组共振峰，原因可能归结于多孔金属结构中支持的为表面等离子波.如图7(c),当折射率从1.7 变化到2.3时，共振波长由582 nm移动到741 nm, 传感器的灵敏度为265 nm/RIU.可在不改变普通可见光光源的情况下，在高折射率检测场合得到重要应用.

4 结 语

本文介绍了一种基于多孔金属层结构的表面等离子共振的生物传感器.基于时域有限差分法对传感器的SPR性能进行了理论仿真研究.与传统的表面等离子共振器件不同，此结构中产生的共振峰有两条.普通白光光源入射下，当折射率由1.3变化到1.6时，共振波长由628 nm移动到733 nm, 传感器的灵敏度为350 nm/RIU,当折射率从1.7 变化到2.3时，共振波长由582 nm移动到741 nm, 传感器的灵敏度为265 nm/RIU.因此，可同时应用于高折射率和低折射率监测场合；在不改变普通可见光光源的情况下，在高折射率检测场合得到重要应用.该传感器有望在化学、生物医学、环境污染、食品安全以及石化检测等方面得到广泛应用.