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1、表面等离子体子共振 (Surface Plasmon Resonance ) 光波导传感器,2006年3月,electron 电子 photon 光子 magnon 磁子 proton 质子 neutron 中子 phonon 声子 plasmon 表面等离子体子,是指金属表面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表面电磁波的激发而产生。 plasmon具有波粒二象性,其粒子性体现为它是具有能量的量子 , 其波动性体现为它是在薄膜表面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收作用,电
2、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出现等离子体表面波( 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,且绝对值大于虚部: 光在金属中传播必须考虑电导率的影响,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: 折射率的实部决定波的相速度,虚部决定媒质的吸收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
3、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则运动,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。,等离子体表面波及存在的条件,什么是等离子体表面波SPW( Surface Plasma Wave)? 指在一定条件下,出现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一定是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:,表面等离子体子共振SPR ( Surface Plasmon Res
4、onance ),利用光在发生全反射时的消逝波, 激发金属表面的自由电子产生等离子体表面波。 当消逝波与等离子体表面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: 金属表面等离子波传播常数: 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可增强几百倍,称为表面等离子体共振SPR 。 衰减全反射(ATR): 因消失波的存在, 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), 即将沿X 轴方向传播一定
5、距离。若光疏介质对光线没有吸收并无其它损耗, 则全内反射强度并不会被衰减, 消失波沿光疏介质表面在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, 在反射光谱上出现共振峰,即反射率出现最小值,称为衰减全反射ATR 。 影响SPR的因素: 金属膜表面介质的光学特性、厚度; 入射光的入射角、波长和偏振状态;,等离子体表面波激发方式,空间光与SPW耦合的典型结构: Otto结构:
6、金属和全内反射表面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, 而消失波作用于间隙与金属界面, 并在此界面发生SPR。 Kretschmann结构:采用真空蒸镀,磁控溅射等方法直接在全内反射表面镀一层几十纳米厚的金属,应用最广。消失波透过金属薄膜, 在金属膜外侧界面处发生表面等离子体子共振。,表面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 sur
7、face features.,SPR传感器的实际应用,SPR传感器可获取紧靠在金属薄膜表面介质层的光学常数, 从而进一步得到介质的其它信息,如: 由膜厚估计成膜物质的结构排列; 由介质的折射率、膜厚度、吸收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- 抗体反应测定: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,此前一直没有简便快捷的方法; 实时监测DNA 分子间的相互作用:SPR不仅可用于研究蛋白质- 蛋白质, 蛋白质-DNA 之间的相互作用, 也可用于研究核酸间的相互作用
8、,实时追踪核酸反应的全过程,包括基因装配、DNA 合成延伸、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表面; 在复合物形成或解离过程中,金属膜表面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传感器基本结构与耦合方式,基本组成: 光波导耦合器件 金属膜 分子敏感膜 耦合方式:,Krestschmann棱镜型,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
9、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,改变in 波长调制:固定in ,改变in 强度调制:固定in 、in,改变光强 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表面介质的光学参数:膜厚度d(一般在55nm 左右)、折射率n 和吸收系数k 。,角度调制原理SPR传感器,单色光源,即固定波长; SPR对附着在金属薄膜表面的介质折射率非常敏感,当表面介质的属性改变或者附着量改变时,共振角将不同。
10、因此,SPR谱(共振角对时间的变化)能够反映与金属膜表面接触的体系的变化。,波长调制原理SPR传感器,固定入射角而改变波长; 光源发出的复色光,经准直后变成平行偏振光以一定的角度照射,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分辨率; SPR共振发生时,P 偏振光的相位变化,而S 偏振光几乎不变,两分量之间产生相位差。相位差随生物分子与传感层上的分子结合强度
11、和速率变化。 利用双频干涉原理检测相位变化。,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、 精密角度测量等领域。,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,因此分辨率只能达到十几纳米,不能象STM和AFM那样达到原子级分辨率。 SPW 在金属表面传播时,遇到杂质、缺陷等将会发生散射,此处共振的SPW作圆
12、锥辐射,圆锥顶角与入射角相同。 若AFM的实心针尖在金属表面扫描,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 一定频率驱动微悬臂,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配置中的金属膜上覆盖待测薄膜,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),S
13、PR技术具有灵敏度高、分辨率高等优点,特别适合纳米量级的膜厚测量,而且可以测量不透光的薄膜.,全息成像技术,底片为玻璃基底-银膜-光刻胶结构, 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。 成像光路结构是Kretschmann型SPR配置. 银膜表面共振的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,观察到了再现图像. 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。,