系（所）
系(所) 主任
西安交通大学
批准日期
毕业设计(论文)任务书
理学院院物理系系应物82 班学生李建超
毕业设计(论文)课题全息光栅结构与表面等离子体共振激发的研究
毕业设计(论文)工作自2012 年 3 月 1 日起至2012 年 6 月22 日止毕业设计(论文)进行地点：理学院物理实验室（主楼E0110等）
课题的背景、意义及培养目标
目前表面等离子体共振（SPR）技术在光学、显微技术及生物光学等领域中的应用前景受到了广泛的关注，研究它的理论为发展生物传感器、新型光子器件、新型光学传感器和测量技术提供了可能性。
研究全息光栅的制作工艺过程和光栅结构与表面等离子共振激发的关系，为获得结构简单的表面等离子体共振传感器奠定一定的基础。
设计(论文)的原始数据与资料
课题资料由信息光学等教材、网络检索文献获得，实验所需的系统讲义、仪器说明书由实验室提供。
课题的主要任务
1.学习表面等离子体共振（SPR）的理论和制作全息光栅的原理；
2.查阅文献，确定制作全息光栅的参数和工艺过程；
3.制作全息光栅；
4.制作符合实验室测量设备的、基于全息光栅的表面等离子体共振的样品；
5.对不同样品进行测试及理论分析和研究。
I
课题的基本要求(工程设计类题应有技术经济分析要求)
1.掌握制作全息光栅的理论和方法；
2.通过查阅文献确定制作光栅的参数及工艺过程；
3.掌握表面等离子体共振理论；
4.制作全息光栅；
5.制作测试样品；
6.分析讨论测试结果。
完成任务后提交的书面材料要求(图纸规格、数量，论文字数，外文翻译字数等)
主要参考文献
指导教师
接受设计(论文)任务日期
（注：由指导教师填写）学生签名：
II
西安交通大学
毕业设计(论文)考核评议书
理学院应用物理系(专业) 82 班级
指导教师对学生李建超所完成的课题为
全息光栅结构与表面等离子体共振激发的研究
的毕业设计(论文)进行的情况，完成的质量及评分的意见：该论文对全息光栅的结构和特性进行了研究，论述了全息光栅的制作方法及工艺流程；在实验的基础上，对正弦浮雕型全息光栅的制作工艺参数进行了定性和定量的分析和优化研究。本文还论述了表面等离子体共振和光栅表面结构的关系；对表面等离子体激元在光栅表面的共振现象进行了理论研究。论文结构严谨，论述清楚，实验充分，理论分析正确。
建议评分：良好
指导教师
年月日
毕业设计(论文)评审意见书
评审意见：本论文研究了全息光栅的制作工艺过程和光栅表面结构与表面等离子共振激发的关系，为获得结构简单的表面等离子体共振传感器奠定一定的基础。论文结构严谨，论述层次清晰，实验方案合理，分析方法正确，论文中所得出的结论对今后的研究工作有很好的参考价值。。
评阅人职称
年月日
III
毕业设计(论文)答辩结果
院
系(专业) 毕业设计(论文)答辩组对学生所完成的课题为
的毕业设计(论文)经过答辩,其意见为
并确定成绩为
毕业设计(论文)答辩组负责人
答辩组成员
年月日
IV
全息光栅结构与表面等离子体共振激发的研究
摘要
全息光栅是利用光学全息技术制作的光栅。就是利用光相干迭加原理，通过两束相干光形成干涉条纹，并把干涉场记录在全息底板上，通过一系列的工艺处理，使之具有光栅的特性。全息光栅的制备和结构对光学全息技术有着重要的影响。本文通过大量的实验, 对全息光栅制备的工艺方法中的各个环节进行了定性和定量的研究。包括10-60c/mm的低空间频率的银盐全息光栅和1400-2000c/mm的高空间频率的光刻胶全息光栅。讨论了显影液配方，显影时间，温度对光栅槽型的影响，对制作正弦浮雕型全息光栅的工艺方法进行了研究和优化。理论计算了全息光栅的衍射效率，并通过对漂白液的控制，提高了全息光栅的衍射效率。对不同的工艺条件制作的全息光栅槽型和衍射效率进行了比较，对结果进行了理论解释。最后利用中科SBC-12小型离子溅射仪对全息光栅镀金膜。在金膜厚度合适的条件下，光栅的表面金膜就能够激发等离子体共振激元。表面等离子体共振理论近年来被广泛的应用在各个研究领域，用一定波长的光打在镀了金属膜的光栅上面，当入射光满足共振角度和波失匹配条件的时候，就会以光栅耦合的方式产生表面等离子体共振激元，它对全息光栅的反射光和衍射光的角度、光强度产生影响。本文利用基于分光计的表面等离子体共振仪，对表面等离子体激元在光栅表面的共振现象进行了研究，在实验结果的基础上进行了理论分析，解释了不同激发参数对共振峰的影响。
关键词：全息光栅显影漂白表面等离子体共振光栅耦合
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ABSTRACT
The holographic grating is one use of the optical holographic technology. In the use of superposition principle, we can record the interference fringes formed by two beams of coherent light on the surface of holographic backplane. After a series of preparation process, the holographic backplane will has the characteristics as of gratings. The process and structure of the holographic grating have great infuluence on the development of optical holographic technology. With a large number of experiments,this essay does some qualitative and quantitative research on all aspects of the holographic grating preparation process. Including silver holographic gratings with lower spatial frequency from 10c/mm to 60c/mm and photoresist holographic gratings of higher spatial frequency from 1400c/mm to 2000c/mm. The effect of developing time, the recipe of developing solvent, the temperature of developing on the groove profile of a grating were discussed,and the production process of sinusoidal relief holographic grating was optimized. The theoretical calculation of the diffraction efficiency of light on holographic grating is done. Through the controlment of the bleach agent , the efficiency of the diffraction of light on holographic grating is improved. holographic grating groove on different process conditions and the diffraction efficiency is compared and the results is explained theoretically. Finally, the holographic grating become gold-plated in a small plasma-sputtering instrument namely Division SBC-12.With appropriate thickness, surface plasmon polaritons will be excited in the gold film. Surface Plasmon Resonance Theory in recent years has been widely used in various research fields physical, biological and chemical. While a certain wavelength of light hits the metal film plated on grating, if the incident angle meet the angle which a resonance occurs and the wavelength match resonance conditions, surface plasmon polaritons will have impact on the angle and the light intensity of the reflected light and diffracted light of holographic grating,which is so called the mode-coupling theory on grating of SPR. In this paper, experiments about surface plasmon on grating surface is done with a instrument combined spectrometer and surface plasmon resonance .And gives the experimental results a theoretical
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analysis.Explained the influence of different excitation parameters on resonance peak.
KEYWORLDS：holographic grating developing solvent bleach
Surface Plasmon Resonance
mode-coupling theory on grating
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目录
绪论 (1)
第一章光学全息技术 (3)
1.1 全息的基本过程 (3)
1.2 全息的实现 (4)
1.3 全息图的特点 (4)
第二章全息光栅 (6)
第一节银盐干板（SHG）全息光栅理论及实验制备 (6)
2.1.1 光的干涉原理 (6)
2.1.2 低空间频率全息光栅的基本参数 (6)
2.1.3 银盐干板全息光栅的制备 (11)
第二节光刻胶理论及实验制备 (17)
2.2.1 光刻胶的关键参数 (18)
2.2.2 光刻胶全息光栅的衍射效率 (19)
2.2.3光刻胶理实验原理及工艺 (23)
第三节全息光栅表面镀金膜 (28)
3.3.1实验仪器： (28)
3.3.2全息光栅金膜涂层厚度控制 (30)
第三章光栅表面等离子共振激元 (32)
第一节表面等离子体共振激元基本理论 (32)
3.1.1 表面等离子体波的场分布特性 (32)
3.1.2 表面等离子共振色散曲线 (34)
3.1.3 表面等离子共振激元的几个特征长度 (34)
3.1.4 表面等离子共振的波失匹配 (36)
3.1.5 表面等离子共振的激发方式 (37)
第二节基于分光计的表面等离子体共振仪测量光栅结构 (40)
3.2.1 仪器原理结构 (40)
3.2.2 实验方法 (40)
3.2.3 金膜厚度对表面等离子体共振激发的影响 (42)
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3.2.4 光栅振幅对表面等离子共振激发的影响 (42)
3.2.5 不同入射波长对表面等离子共振的影响 (44)
3.2.6二次谐波对光栅表面等离子体共振的影响 (44)
结论与展望 (48)
参考文献： (49)
翻译 (51)
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绪论
随着激光技术的发展，全息技术越来越多地被应用于科研生产的各个领域。全息技术的产生物体在光的照射下会产生反射，这时物体上的每点都可看作是一个新的光源，这些新的光源发出的光以球面波的形式向四面八方传播，且频率与照射物体的光频率相同，这些光称之为物光。视觉成像理论认为，人眼之所以能看见外界物体，其直接原因并不是因为物体的客观存在，而是由于物体发出的光波到达人眼的视网膜，视神经细胞接收物光波而产生三维空间物像的视觉。因此，假设若只保留物光的场而去掉物体，当这些物光被人眼接收，人们仍然能看到原来的物体。依据这个原理，1947 年，匈牙利物理学家、诺贝尔物理学奖获得者丹尼斯·嘉柏（Dennis Gabor）提出了全息技术（Holography）。当时，丹尼斯·嘉柏提出的全息技术是为了提高电子显微镜的分辨率，但是随着科技的不断发展，全息技术被广泛应用到了社会生产生活的各个方面。
全息光栅是利用全息技术制作的光栅。就是利用光相干迭加原理，通过两束相干光形成干涉条纹，并把干涉场记录在全息底板上，通过一系列的工艺处理，使之具有光栅的特性。对于全息光栅结构和特性的研究有很多种方法，其中一种就是利用最近几年比较热门的表面等离子共振。
表面等离子激元研究的起源表面等离子体的研究最早可以上溯到20世纪50
年代的表面科学研究，Ritchie在研究高速电子穿越金属薄膜时的能量损耗时预测金属表面能够存在电子集体自激振荡。1959年，Powell和Swan通过一系列的电子轰击实验证明金属薄膜上电子集体振荡的存在，之后Stern和Ferrell把这种振荡形式称作表面等离子体，并首次推导了它的色散关系。要实现表面等离子体的有效激发还需要特殊的装置。1968年Otto用他首创的衰减全反射(Attenuated Total Reflection，ATR)方法在实验中实现光波频段的表面等离子体的激发。Kretsehmann 和Raether改进了Otto结构，提出了现在最广泛应用的激发SPR的Kretschmann模型。2003年Barnes和Ebbesen在Nature杂志上发表题为《Surface plasmon subwave length optics》的文章，标志着表面等离子体亚波长光学研究的兴起，传统光学
器件通过SPR这座桥梁逐渐向亚波长尺度延伸。通过适当的装置可以将光波耦合
1
进入金属结构来激发SPP，之后利用特殊的金属纳米结构对SPP进行传输和控制，最后再转换为辐射光波。这种转换、传输和控制过程实现了纳米尺度内对光的操纵，这是传统光学器件所无法比拟的。基于这个思想，大量基于SPR的具有实际应用价值的纳米光学器件被提出，这包括SPR反射镜、分束器、SPR干涉仪、纳米透镜等等。随着研究的推进，人们对于表面等离子体奇异传输现象的理解也逐渐深入，表面等离子体学(Plasmonic)作为一门新的学科逐渐兴起。可以说，表面等离子体光学起源于表面科学的研究，兴起于纳米加工技术的进步，随着光学器件小型化和集成化的需求的提高而快速发展。
利用表面等离子共振激元研究光栅结构，首先要能制作出适合表面等离子共振的全息光栅。因此本文对全息光删的工艺流程进行了详细的研究，最后对表面等离子共振激元和光栅的相互影响做了实验和理论的分析。
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第一章光学全息技术
1.1 全息的基本过程
全息的基本过程主要包括波前记录和波前再现两步[2]。波前记录是一个拍摄过程，也就是数据记录过程，波前记录原理如图1 所示。
图1-1 波前再记录意图
光源的光通过分光镜，一部份照射在目标物体上，物体在光源照射下产生漫反射并形成漫射式的物光束射到全息底片上，这部分光来自物方并携带有物体调制信号，故称为物光；同时光源通过分光镜的另一部分激光作为参考光束也射到全息底片上，由于和物光来自同一光源，满足形成干涉所需的相干条件，故而会和物光束叠加产生干涉，在全息底片上形成光的干涉条纹。通过这种方式可以把物体光波上各点的位相和振幅转换成在空间上变化的强度，从
而利用干涉条纹间的反差和间隔将物体光波的全部信息如振幅、相位等信息记录下来，干涉条纹的底片经过显影、定影等处理程序后，便成为一张图。这张记录着物体光波全部信息的图被称为全息图。这也是全息术这个称谓的由来。
波前记录是利用光的干涉原理记录物体光波信息的。波前再现是一个成象过程，即利用波前记录过程得到的数据成像的过程。由于波前记录将物光场分布和相干参考光波分布的双光束干涉条纹记录在全息干板上，因此只要利用记录下来的数据或信息恢复物光场就可以再现物体的像。波前再现的过程如图1-2所示。
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4
图1-2 波前再现示意图
1.2 全息的实现
实现全息分为全息记录和再现两步。全息记录：全息的概念是在光学基础上依据的光的波动特性提出来的，因此从理论上讲全息学的原理适用于各种形式的波动，如X 射线、红外线、微波、声波、超声波、电子波等各种波动形式都可以实现全息的记录和再现。通常的光学全息记录方法是将光源输出的光束分为两束，一束投射到全息记录干板上，称为参考光束；另一束投射到物体上，经物体反射或透射后，产生物光束也投射到全息记录干板上，两光束相干叠加在全息记录干板上形成光束干涉条纹，这就是一张全息图即干涉花样图。记录全息图样的介质称为全息干板。根据全息的原理可知全息干板记录的是物光和参考光形成的又细又密的干涉条纹，全息图犹如一个复杂的光栅。全息记录的过程是利用光的干涉原理实现的。
全息再现：
用一束与参考光束的波长和传播方向完全相同的光束照射全息图，由于全息图犹如一个记录了物体全部信息的复杂光栅，光通过光栅产生衍射，则可以观察到一幅非常逼真的原物体的立体图像。全息再现的过程是利用光的衍射原理实现的。
1.3 全息图的特点
由于全息图的记录和再现方法的特殊性，使它与普通照像有本质的区别，
主要有如下特点：
a. 图像三维
全息图存储了物光波的位相信息，全息图的衍射光波一般可给出两个像，即原始像和共轭像。所以再现像具有明显的视差特性，再现的图像立体感强，具有真实的视觉效应，可以看到逼真的立体物像。
b. 图像不可撕毁
全息图是以干涉条纹即干涉花样图存储了物体的信息，所以只要有干涉条纹存在，全息图的任一部分都可以再现出完整的原物图像。
c. 同一记录介质可重复记录
同一张全息记录介质可多次、重复曝光记录，并且只要每次记录时参考光的入射方向不同，就能再现各个不同物像，且互不干扰。
d. 波前复现物像有一定缩放
波前复现是利用衍射原理实现的，而衍射角与波长有关，因此采用不同波长的光波照射全息图时，就会得到放大或缩小的物像。
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第二章全息光栅
光栅是一种光学元件，其上有规则的配置这线、缝、槽或光学性质周期性变化的物质。从广义角度讲，任何一种装置和结构，只要它能给入射光的相位或振幅，或者两者同时加上一个周期性的空间调制，都可以称之为光栅。换言之，任何一种具有周期性的空间结构或者光学性能周期性变化（如透射率，折射率）的衍射屏统称为光栅。
决定光栅性能的基本参数有三个：光栅的周期（d），即光栅的空间频率（SF）的倒数；光栅的槽型（一个周期内的具体结构）；光栅的衍射效率（η）。
第一节银盐干板（SHG）全息光栅理论及实验制备
2.1.1 光的干涉原理
当两束相干光的平面波以一定的角度相遇时，在他们相遇的区域内便会产生干涉，其干涉图样在某一平面内是一系列平行等间距的干涉条纹，其强度分布则是按照余弦规律而变化，即干涉图样的强度分布是
I=I1 +I2+2A1A2cos(φ1-φ2) （2.1）
式中I1 =A12 I2 =A22 ;A1 .A2是两列平面波的振幅，φ1、φ2是对应的空间相位函数。当两束相干光的相位差为2π的整数倍时，即
φ1-φ2=2nπn=0、±1、±2…
（2.1）式便描述了两束相干光干涉锁形成的峰值强度面的轨迹，若能用记录介质将此干涉图样记录下来并经过适当处理，则就获得了一块全息光栅。
2.1.2 低空间频率全息光栅的基本参数
1).银盐干板全息光栅的空间频率控制
波长为λ的两束相干光与平面法线的夹角分别为θ1和θ2，它们之间的夹角θ=θ1+θ2这两束想干的平行光叠加时所产生的干涉图样是平行等间距，明暗条纹相间的直条纹，条纹间距d 可以由下式决定：
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d=λ/(sinθ1+sinθ2)
=λ/2sin[(θ1+θ2)/2]cos[(θ1+θ2)/2] （2.2）
当两束光对称入射时，即θ1=θ2=θ/2时：
d=λ/2sin(θ/2)
当θ很小时有
d=λ/θ（2.3）
所以当所制光栅空间频率较低时，两束光之间的夹角不大，就可以根据（2.3）式计算光栅的空间频率。具体的做法是：把透镜放在两束光的重合区域，则两束光在透镜的后焦面上会聚成两个光点，若两个光点之间的距离为X0 ，透镜的焦距为f,则有
θ= X0 /f
即光栅的空间频率为
υ=1/d= X0 /fλ（2.4）
所以在透镜焦面上放一个白屏，就可根据两点间距控制SF。
本文中所得光栅的空间频率SF为实验测得，（2.4）式仅供估算以及实验时的空间频率控制使用。
2).银盐干板全息光栅的槽型控制
光栅的槽型控制与全息干板的材料，曝光，显影等各个工艺流程都有相当大的关系，这是本次实验的一个重要方面。总的来说，与两个方面有关：记录干涉图样的条件，干涉图样的本身结构。
a: 干涉图样：
本实验两束相干光为一个激光器发出的光分光而成，同时，利用半反半透镜控制光强相等。所以为两束相位差为2nπ，光强相等的相干光叠加,由公式（2.1）可以看出，在干板上形成的干涉图样必然具有余弦周期结构。
b: 全息干板：
在光学稳定的平玻璃坯件上涂上一层给定型厚度的光致抗蚀剂或其他光敏材料的涂层。由激光器发生两束相干光束，使其在涂层上产生一系列均匀的干涉条纹，则光敏物质被感光。然后用特种溶剂溶蚀掉被感光部分，即在蚀层上获得干涉条纹的全息像。所制得为透射式衍射光栅；如在玻璃坯背面镀一层铝反射膜
7
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后，可制成反射式衍射光栅。
干涉图样是余弦条纹，当记录过程是线性时，即曝光底片变黑的程度与干涉图样的强度成正比时，所得光栅才具有与干涉场相似的周期结构。
下图为照相干板的感光特性，在全息技术中，一般用干板的振幅透射率与曝光量的关系曲线（τ~H υ）来描述。
图 2-1 银盐干板曝光量和振幅透过率曲线
振幅透过率H υ是出射光与入射光复振幅之比，曝光量τ是光强度与曝光时
间的乘积。
因为在（τ~H υ）曲线中只有中间一段近似为直线，所以又线性记录和非线
性记录两种情况。记录时，调整两相干光强度比值在2:1到10:1的范围内变化，若将曝光量控制在（τ~H υ）曲线的的直线范围内变化，这样记录的复振幅透射率
就与入射光的光强度变化有线性关系。因此，称为线性记录。
只要保证记录的时候为线性记录，则干板为为正弦光栅。但由于有后续的工艺影响，所以要同时保证线性显影，线性定影。由于定影对干板的影响作用不大，所以本实验将重点考虑显影对光栅槽型的影响。
3).银盐干板全息光栅的衍射效率
全息图的衍射效率直接关系到全息再现的亮度。通常把它定义为全息图的一级衍射成像光通量与照明全息图的总光通量之比。平面全息图分为振幅调制和相位调制两种。本实验中采用振幅调制的方法。
振幅型全息光栅中，有代表性的有两种，黑白光栅（矩形光栅）和正弦光栅。如图 2-2
所示。
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-d/2 0 d/2 a 矩形光栅 b 正弦光栅
图 2-2 两种光栅示意图
假设衍射屏具有一维的周期性结构，即在该处的波前上光瞳函数U 0（x ）是沿x 方向的周期性函数。利用菲涅尔衍射积分公式计算一下复振幅分布U （θ）。 P θ点的总复振幅为
U (θ)=∑C ∫U 0(x j )N
j=1e ikr j dx j (2.5)
其中r j =L j -x j sin θ,而x j 是从各单元的中心算起的，故
∫U 0(x j )e ikr j dx j =e ikr j ∫U 0(x)d/2
?d/2exp?(?ikxsinθ)dx (2.6) 由于U 0（x ）的周期性，上面的积分对个单元都是一样的，故可将xj 的下标j 略去，代入（2.4）式后还可以作为公共因子从求和号中提出来。于是得
U (θ)=C （∑
e ikr j ）∫U 0(x )d 2?d 2exp?(?ikxsinθ)dx N j=1=N （θ）U (θ) (2.7)
其中 N （θ）=?∑e ikr j N j=1
称为N 元干涉因子，U （θ）称为单元衍射因子。
引入符号β=πd sin θ/λ,按等比级数公式，最终可以将N （θ）写成
N (θ)=sinNβ
sinβ (2.8)
上式的N (θ)就是缝间干涉因子。从这里的推导可以看出，这个因子的形成是很普遍的，它只依赖于N 单元的空间周期排列，与个别单元的内部性质毫无关系。这就是说，它不仅与单缝的缝宽无关，与每个单元是否简单的为一条缝也无关。 普遍的说，衍射单元的性质要用波前上的瞳函数来表征，对于一条宽度为a 的缝来说，瞳函数的形式如图2-2 a ,在-a/2到a/2之间透光，U 0（x ）是个常量，在此范
围外遮光，U0（x）为0，即此U0（x）是一个阶跃函数，对于这种瞳函数，其单元衍射因子为
U(θ)∝sinα/α
其中α=k a sinθ/2=πa/λ,这便是前面得到的单缝衍射因子。
正弦型光栅的光瞳函数如图2-2 b 所示，它正比于[1+cos(2πx/d)]。可以设想，这时衍射屏是一张间隔为d的干涉条纹的照相底片，它的透射具有上述函数形式。对于这种正弦光栅，单元衍射因子为
U(θ)∝?sinβ
β+1
2
sin?(β?π)
β?π
+1
2
sin?(β+π)
β+π
(2.9)
其中β=k d sinθ/2=πd/λ.可以看出，它由三项组成，每项的函数形式与单缝衍射因子一样，只是缝宽和中心位置不一样，三项的中心分别位于其β=0、±π处。这正是N(θ)的0级和±1级的主极大所在处。除此之外，所有N(θ)的其他主极大都与U(θ)的零点重合。所以二者相乘的结果，就只剩下0、±1级三级主极大。±1级主极大的振幅为0级主极大之半，强度为其的1/4。
正弦型振幅光栅，其振幅透过率一般可以表示为
t(x)=t0+t1cos2πξx=t0+1
2
t1[exp(j2πξx)+exp(?j2πξx)]（2.10）ξ为全息图上条纹的空间频率；t0为平均透射系数；t1为调制幅度，它与记录时参考光和物光光束之比及记录介质的调制传递函数有关。在理想条件下t(x)可在0和1之间变化。当to=1/2,t1=1/2时，能达到这一最大变化范围。
此时t(x)=t0+t1cos2πξx=1
2+1
4
t1[exp(j2πξx)+1
4
exp(?j2πξx)]
假定用振幅为C o的平面波垂直照射全息光栅，则透射光场为
?U t(x)=C0t(x)=1
2C0+C0
4
exp(j2πξx)?+?C0
4
exp(?j2πξx)(2.11)
对于与再现有关的正负一级衍射光，它们的强度为（C o/4）的平方。因此，衍射效率为
η=（C0/4）2
S?
C02S?
=6.25%(2.12) 式中，S h表示全息图照明光的面积。事实上，并不存在一种介质能使t从0到1之间变化的整个曝光量范围都是线性的。因而，在线性记录条件下正弦型振幅全息图的衍射效率比6.25%还要小，所以6.25%是最大衍射效率。
如果全息图不是正弦的，而透过率t(x)的变化作为x的矩形函数，透和不透各占一
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表面等离子体共振实验 姚付强 2012326690046 应用物理学12（2）班 实验目的： 1. 了解全反射中消逝波的概念。 2. 观察表面等离子体共振现象，研究共振角随液体折射率的变化关系。 3. 进一步熟悉和了解分光计的调节和使用。 实验原理： 当光线从光密介质照射到光疏介质，在入射角大于某个特定的角度（临界角）时，会发生全反射现象。但在全反射条件下光的电场强度在界面处并不立即减小为零，而会渗入光疏介质中产生消逝波。若光疏介质很纯净，不存在对消逝波的吸收或散射，则全反射的光强并不会衰减。反之，若光疏介质中存在能与消逝波产生作用的物质时，全反射光的强度将会被衰减，这种现象称为衰减全反射。 如果在这两种介质界面之间存在几十纳米的金属薄膜，那么全反射时产生的消逝波的P 偏振分量将会进入金属薄膜，与金属薄膜中的自由电子相互作用，激发出沿金属薄膜表面传播的表面等离子体波。表面等离子体共振原理如图所示。 对于某一特定入射角，消逝波平行于金属(电介质)界面的分量与表面等离子体波的波矢（或频率）完全相等，两种电磁波模式会强烈地耦合，消逝波在金属膜中透过并在金属膜与待测物质界面处发生等离子体共振，导致这部分入射光的能量被表面等离子体波吸收，能量发生转移，反射光强度显著降低，这种现象被称为表面等离子体波共振。 当发生共振时，表面等离子体共振角与液体折射率的关系由以下公式表示 2 2 122 10Re Re )sin(n n n sp +=εεθ 其中 sp θ 为共振角， 0n 为棱镜折射率，2n 为待测液体折射率，1Re ε 为金属介电
常数的实部。 实验仪器 表面等离子体共振实验仪器装置如图所示。主要由分光计、激励光源、偏振片、硅 光电池、光功率计、半圆柱棱镜（内充液体介质）。 实验内容 1. 调整分光计 2. SPR传感器中心调整 3. 测量某一液体的共振角 数据处理 最大光强为126 光强126 121 115 107 97 92 91 83 86 87 88 89 93 1.0 0.96 0.91 0.85 0.77 0.73 0.72 0.66 0.68 0.69 0.70 0.71 0.74 相对光 强 63 65 66.5 68 69.5 71 72.5 73 73.5 74 75.5 77 78.5 入射角 （°）
第26卷第1期 深圳大学学报理工版 Vol 126No 112009年1月 JOURN AL OF SHE NZHEN UN I V ERS IT Y S C IE NCE AND E NGI N EER I NG Jan 12009 文章编号:100022618(2009)0120016204 【光学工程】 收稿日期:2008206223;修回日期:2008211212 基金项目国家自然科学基金资助项目(636);深圳市科技计划资助项目()作者简介闫培光(2),男(汉族),山东省潍坊市人,深圳大学副教授、博士2y @z 11通讯作者阮双琛(632),男 (汉族),深圳大学教授、博士生导师2@z 11微结构光纤表面等离子体共振传感器研究 闫培光1,邢凤飞2,阮双琛1,李乙钢2 (1.深圳市激光工程重点实验室,深圳大学电子科学与技术学院,深圳518060;2.南开大学物理科学学院,天津300071) 摘 要:采用有限元法模拟微结构光纤表面等离子体共振传感器.计算其共振波长和强度,为证实表 面等离子体共振的产生,对比不同位置处传导模的分布.环形大孔中液体样品的折射率提高后,共振波长向长波移动,且共振峰值强度增大.该微结构光纤表面等离子体传感器对折射率变化的灵敏度达到10-4 . 关键词:表面等离子体共振;微结构光纤;传感器;折射率;共振波长中图分类号:TP 212;T N 253;T N 136 文献标识码:A 光纤表面等离子体共振(surface 2pals mon 2reso 2nance,SPR )传感器在化学、生物、环境与医药等领域具有重要应用[1].光纤SPR 传感器在传感机理上主要有两类:①利用倏逝场效应 [2] ,通过腐蚀或 研磨掉包层后在纤芯表面镀金属膜,或在锥形光纤表面镀金属膜;②在纤芯内写入长周期光栅 [3] ,将 芯内的模式在某一特定波长转化成包层高阶模,使高阶模与等离子体实现相位匹配.这两种光纤SPR 传感器对测量样品折射率(n )的检测灵敏度能达到10-6 量级 [425] ,但第一类SPR 传感器利用锥形光纤, 封装困难;第二类SPR 传感器只有小部分传导光发生SPR 耦合,不利于传感器灵敏度的进一步提高. 新型微结构光纤[6] (m icr ostructured 2op tical 2fi 2 ber,MOF)已应用于产生超连续谱[728] 和光纤激光 器 [9211] .其独特结构为传感器设计提供了新思路, MOF 预制棒制作灵活,可改变包层空气孔阵列控制传导光.2006年,Hassani A 指出,在SPR 传感[12] 方面MOF 主要有两个优点:①可在靠近纤芯的气孔内壁镀金属膜(如金膜和银膜),而不必像常规光纤那样腐蚀掉包层或拉很细的锥,从而使传感器设计不存在封装问题;②MOF 易于实现等离子体与传导模式的相位匹配.在纤芯内引入小气孔降低传 导模的有效折射率(n eff ),便于实现纤芯传导模与等离子体波的共振耦合.当微流体流经镀膜的包层 气孔时,其n 值的变化引起透射损耗峰的变化能够被实时检测. 对MOF 传感的理论研究有多极法 [13] 和边界积 分法[14]等.本文用有限元法对MO F 2SPR 传感器进行研究,模拟MOF 2SPR 共振波长(λR )和强度,对共振峰处SPR 现象进行讨论.研究表明,随着液体样品n 值的提高,MOF 2SPR 共振峰的中心波长向长波移动,且峰值强度随之改变.文中对MOF 2SPR 的灵敏度进行了探讨. 1 光纤参数 MOF 结构如图1.中间气孔直径d 1=115μm ,第一层气孔直径d 2=118μm ,气孔间距Λ=218 μm.其中,传导模主要限定在第一层气孔内,改变d 1可调节纤芯内传导模的n eff ,使传导模能够充分激发等离子体.应指出的是,尽管d 2/Λ>0145,但由于纤芯气孔的存在,光纤仍然保持单模条件.3个环形大孔是待测液体的通道,设液体的n =1133,环形大孔内侧壁镀金膜.3个环形孔MO F 的制作工艺相对成熟;其较大孔径便于液体在内部流动.环形大孔内径为1112μm ,外径大小不影响计算结果,光纤制作时可增大环形孔. 据Drude 关系式[12],金的介电常数εA u ( ω)=j z :0777*******:1977.E mail:anp g s u edu cn :19.E m ai l : scruan s u edu cn h ttp://o urna l .s u.e du .cn
表面等离子体共振原理及其应用 李智豪 1.表面等离子体共振的物理学原理 人们对金属介质中等离子体激元的研究, 已经有50多年的历史。1957年Ritchie发现, 高能电子束穿透金属介质时, 能够激发出金属自由电子在正离子背景中的量子化振荡运动, 这就是等离子体激元。后来,人们发现金属薄膜在入射光波照射下, 当满足特定的条件时, 能够激发出表面等离子体激元, 这是一种光和自由电子紧密结合的局域化表面态电磁运动模式。由于金属材料的吸收性质,光波沿金属表面传播时将不断被吸收而逐渐衰减, 入射光波的能量大部分都损耗掉了, 造成反射光的能量为最小值, 这样就把反射光谱的极小值与金属薄膜的表面等离子体共振联系了起来。 1.1 基本原理[1] 光与金属物质的相互作用主要是来自于光波随时间与空间作周期性变化的电场与磁场对金属物质中的电荷所产生的影响,导致电荷密度在空间分布中的变化以及能级跃迁与极化等效应,这些效应所产生的电磁场与外来光波的电磁场耦合在一起后,表达出各种不同光学现象。 等离子体是描述由熔融状态的带电离子所构成的系统,由于金属的自由电子可当作高密度的电子流体被限制于金属块材的体积范围之内,因此亦可类似地将金属视为一种等离子体系统。当电磁波在金属中传播时,自由电子会随着电场的驱动而振荡,在适当条件下,金属中传播之电磁波其电场振荡可分成两种彼此独立的模态,其中包含电场或电子振荡方向凡垂直于电磁波相速度方向的横波模态,以及电场或电子振荡方向凡平行波的传播方向纵波模态。对于纵波模态,自由电子将会沿着电场方向产生纵向振荡的集体运动,造成自由电子密度的空间分布会随时间之变化形成一种纵波形式之振荡,这种集体运动即为金属中自由电子之体积等离子体振荡。 金属复介电常数的实部相对其虚部来说,往往是一个较大的负数,金属的这种光学性质,使金属和介质的界面处可传输表面等离子波,使夹于两介质中间的金属薄膜可传输长程表面等离子波。这两类表面波具有不同于光导波的独特性质,例如,有效折射率的存在范围大、具有场
表面等离子共振技术（Surface
张颖娱 综述
Plasmon Resonance SPR）
学号 10281036
生物物理系
摘要 : SPR 是一种物理光学现象，而且 SPR 对金属表面附近的折射率的变化极为敏感，利用这一性 质，将一束平面单色偏振光以一定角度入射到镀有薄层金膜的玻璃表面发生全反射时,若入射光的波向量与 金膜内表面电子的振荡频率匹配,光线即耦合入金膜引发电子共振,即表面等离子共振。以 SPR 原理设计的 生物传感器近来引起广泛的重视。 关键词 表面等离子共振 生物传感器 薄膜
1900 年,由 Wood 发现了光波通过光栅后,光频谱发生了小区域损失,这是关于 SPR 这一电磁场效应的最 早记载。1941 年,FanoU 发现这种“Wood 异常”是由于等离子波造成的。1958 年,Turbader 首先对金属薄膜 采用光的全反射激励的方法,观察表面等离子共振现象。 此后,至 60 年代 Otto 以及 1971 年 Kretschmann 分别 发表了里程碑性质的文章,激发了人们应用 SPR 于传感机制的热情,而 Kretschmann 结构也为 SPR 型传感器 奠定了基础。目前 SPR 被尝试用于测量各种物质的结构、特性及其的相互作用等。 1 SPR 生物传感器的基本原理： （如图 2 所示） 表面等离子振动是金属表面自由电子的一种集团运动,代表了一种表面带电的量子振动。在激励 SP 的 通常方法中,光入射在金属薄膜上,产生衰减场,衰减场的穿透深度 dp 为：
（1） 通常要求金属薄膜小于 60mm,达到衰减场中的 TM(横磁波)极化能量耦合并激发等离子态,耦合的数 量、 等离子体的强度受到了金属两侧材料的影响,如果在金属薄膜一侧加一层待测物质,试样与金属薄膜的耦 联影响了结构的折射率,从而影响了反射光、衰减以及等离子体共振。所以,可以把 SPR 型传感器看作等离 子体耦联效率的度量计。基原理如图 2 所示， 其中：
上述两个公式分别为沿表面传播的波矢量,其中:λ为入射光波长,εm 为金属介电常数 的实部,εd 为金属外介质的介电常数,np 为透镜的折射率,θ为入射光与表面法线的夹角。发生共振时,入射 光与法线的临界角为:
θ=arcsin[εmεd(εm+εd)εg]1/2
(4)
显然,共振角受到折射率(或介电常数)的影响,此时,金属膜外侧的衰减场为:
［收稿日期］2010－10－20 ［基金项目］重庆市教委科学技术资助项目（KJ101203）；重庆市科委自然科学基金计划资助项目（CSTC ，2010BB2352）．［作者简介］赵华君（1974－），男，重庆永川人，副教授，硕士生导师，主要从事信息光电子器件与微纳光子技术的研究． 2011年4月重庆文理学院学报（自然科学版） Apr.，2011第30卷第2期Journal of Chongqing University of Arts and Sciences （Natural Science Edition ）Vol.30No.2 局域表面等离子体研究进展 赵华君，程正富，石东平，张 东 （重庆文理学院电子电气工程学院，重庆 永川402160） ［摘 要］阐述了局域表面等离子体特性，金属纳米粒子的常用制备方法，以及不同形状、尺寸 等因素对局域表面等离子体光谱和灵敏度的影响，分析了表面增强拉曼散射的增强因子与金 属纳米粒子的等离子共振波长和拉曼激发波长之间的关系，介绍了局域表面等离子体在生物传感方面的应用． ［关键词］局域表面等离子体；金属纳米粒子；拉曼散射；传感［中图分类号］O614［文献标志码］A ［文章编号］1673－8012（2011）02－0031－06自1998年Ebbesen 等人先后发现透过金属 膜的纳米孔［1］、纳米狭缝及其阵列［2－3］ 具有增强透射现象以来， 表面等离子体（Surface polaritons ，SPs ）及其应用成为近年来光学领域的研究热点之一［4］ ．研究表明， SPs 是由入射光激发金属表面自由电子集体振荡而产生的一种表面波［5］ ，而入射光光子与纳米金属结构中的自由电子耦合匹配，形成表面等离子体共振（Surface plasmon resonance ，SPR ）和局域表面等离子体共振（Lo-calized surface plasmon resonance ，LSPR ）．目前，围绕SPs 的相关物理机理及应用展开了大量的研究，形成了SPs 亚波长光学．该领域主要研究亚波长尺度光与物质相互作用机理及相关特性， 取得了大量的研究成果，SPs 将在传感、全光开关、 光子集成电路、微细加工、超分辨成像、隐身斗篷等方面应用前景广阔［6］ ． 1局域表面等离子体特性 SPs 存在两种形式：一种是在连续金属膜表面传播传导型的SPs ，另一种局限于纳米粒子表面，称为局域表面等离子体（Localized surface po-laritons ，LSPs ）．SPs 和LSPs 都具有表面局域特性．因为各自色散关系的不同， 决定了它们是两种完全不同的激发态．SPs 的色散是一种传播模式，具有一维空间局域性．LSPs 局域在各种不同 形貌的曲面上，其色散关系一般和介质形貌密切 相关，是一种非传播模式，具有两维的空间局域性． 贵金属如金和银等，其介电常数在可见光的波段具有负的实部，虚部较小且是正数．这种条 件能够支持SPR ［7］ ．图1是激发产生表面等离子 体示意图， 由图1（a ）．可以看出，SPs 的色散曲线位于光波色散曲线的右侧，即SPs 的波矢大于同 频率自由空间中的光波矢，因此，当光波直接由空气入射到平滑金属表面时，并不能激发SPs．为了使SPs 波与外部的光波耦合，必须采用适当的方法，改变SPs 的色散曲线与光波色散曲线的相对位置，使SPs 的色散曲线向左移动，或使光波色散曲线向右移动，即两者有共同的频率和波数，进而产生共振，并激发产生SPs．SPs 共振激发时的波矢关系表示为 k sp = ω c ε1ε2（ε1+ε2槡 ）． （1） 其中，ε1是金属的介电常数，ε2是和它相邻电介 质的介电常数．ω是入射光频率， c 是真空中的光速．图1（b ）为SPs 共振激发时金属－介质界面 处的场分布［1］ ．传导型SPs 沿金属电解质界面的x 和y 方向可传播数十或数百微米，而在z 方向逐渐衰减，1/e 衰减长度约为200nm ，如图1（c ）所示．对于LSPs ，光与尺寸远远小于入射光波长的 1 3
表面等离子共振技术的研究 摘要：通过对表面等离子共振技术的原理研究，从而深入介绍表面等离子共振传感技术在现代生物科技和医学上的广泛应用，以及探讨未来表面等离子共振技术的应用领域和趋势。 关键词：表面等离子共振技术生物应用医学应用 表面等离子共振技术，英文简写SPR。随着SPR技术成为分析生物化学、药物研究和食物监控领域[1-3]中的一个不可缺少的部分，SPR生物传感器的应用将更加趋向多样化，特别是它在小分子检测盒脂膜领域的新兴应用将使其在未来药物发现和膜生物学中扮演一个越来越重要的角色。近几年，其发展尤为迅猛，随着SPR仪器的不断完善和生物分子膜构建能力的不断增强，SPR生物传感器应用前景极为广阔。 一、表面等离子共振技术简介 表面等离子共振技术，英文简写SPR。1983 年，瑞典科学家Liedberg 首次将SPR 技术应用于抗体抗原相互作用的测定，由此产生了世界上第一只SPR 生物传感器[4]由于SPR生物传感器作为一种强有力的动态检测手段，具有实时检测、无需标记、耗样量少等突出优点，在生物工程、医学、食品工业等多个领域都有广阔的应用前景，引起了世界范围的研究热潮[5]。 1.表面等离子共振技术的原理 表面等离子体共振又称SPR（Surface Plasmon Resonance），是一种物理光学现象[6]，它是由于入射光激发表面等离子体产生表面等离子波而形成的。当一束p偏振光在一定角度范围内入射到两种不同介质界面，如端面蒸镀有一层约50nm厚金膜的棱镜端面时，在棱镜与金膜界面将产生表面等离子波，当入射光波的传播常数与表面等离子波的传播常数相匹配时，引起金膜内自由电子产生共振，即表面等离子共振，入射光的一部分能量在金属表面发生迁移，从而使反射光在一定角度范围内大大减弱，使反射光在一定角度内完全消失的入射角为共振角。如果用于检测分析分子之间的反应动态时，先在芯片表面固定一层生物分子识别膜，然后将待测样品流过芯片表面，如果样品中有能够与芯片表面的生物分子识别膜相互作用的分子，引起金膜表面样品质量和折射率变化，从而导致共振角变化。通过实时监测SPR共振角所反映的生物分子动态结合和解离过程，可以获得被分析物的浓度、亲和力、动力学常数和特异性等信息。 二、表面等离子共振技术的应用 SPR生物传感器由于具有无需标记、在线检测、可再生、无样品前处理等优点[7]，在生命科学、药物残留、食品检测、疾病机理等方面有着广泛的应用前景。
表面等离子体共振传感器 程玉培 1433591 摘要:表面等离子体子共振(SPR) 技术是一种简单、直接的传感技术。它通过测量金属表面附近折射率的变化, 来研究物质的性质。表面等离子体子共振传感器已经成为生物传感器研究领域的热点。 关键词表面等离子体子共振传感器生物分子间相互作用 前言 生物化学是运用化学的理论和方法研究生命物质的边缘学科。其任务主要是了解生物的化学组成、结构及生命过程中各种化学变化。化学的核心是化学键，即分子间的相互作用，而要研究生命过程中的各种化学变化，归根到底就是要研究生物分子之间的相互作用。生物分子之间的相互作用是生命现象发生的基础，研究生物分子之间的相互作用可以阐明生物反应的机理，揭示生命现象的本质。近年来，研究生物分子之间相互作用的技术不断出现，其中表面等离子体共振（Surface Plasmon Resonance，SPR）在生物学以及相关领域的研究应用取得了很大进展，SPR技术可以现场，实时地测定生物分子间的相互作用而无需标记，可以连续监测吸附和解离过程，并可以进行多种成分相互作用的研究。 1 表面等离子体共振传感器概述 1.1 表面等离子体共振传感器简介 表面等离子体子共振( surface plasmon resonance , SPR) 是一种物理光学现象。利用光在玻璃界面处发生全内反射时的消失波, 可以引发金属表面的自由电子产生表面等离子体子。在入射角或波长为某一适当值的条件下, 表面等离子体子与消失波的频率和波数相等,二者将发生共振, 入射光被吸收, 使反射光能量急剧下降, 在反射光谱上出现共振峰(即反射强度最低值) 。当紧靠在金属薄膜表面的介质折射率不同时, 共振峰位置将不同。 1.2 表面等离子体共振传感器研究背景及现状 表面等离了体共振效应的发现可以追溯到上世纪初。关于SPR效应的最早记载是源于1902年Wood发现光波通过光栅后，光频谱出现小区域内的能量损失现象。1941年，Fano针对这一现象根据金属和空气界面上表面的电磁波理论和边界条件进行了详尽的解释。1957年，当高能电了通过金属薄膜时，Ritchie发现能量损耗不仅发生在体积等离了体频率处，在更低频率处也发生了，于是认为这与金属薄膜界面特性有关。1958年，Turbader为了观察SPR现象，对金属薄膜采用光的全反射激励的方法。 1960年，Stern和Farrell首次提出了表面等离
第四章表面等离子体共振技术 --学习总结通过表面等离子体共振技术的学习，我主要掌握了以下的一些基本知识： 一、金属表面的等离子体振动 表面等离子体振动，其角频率ωs与体积等离子体的不同，它们之间存在以下关系： 则这种特殊表面的等离子体振动的角频率ωms为：Array 二、产生表面等离子体共振的方法 面等离子体波（Surface plasma wave，SPW） 质中逐渐衰减。表面等离子体波是TM极化波，即横波，其磁场矢量与传播方向垂直，与界面平行，而电场矢量则垂直于界面。 在半无穷电介质和金属界面处，角频率为 式中c是真空中的光速，εm和εa分别是金属和电介质的介电常数。表面等离 εm=εmr+iεmi）。金属的εmr/εmi 电磁波在真空中的速度c与在不导电的均匀介质中的速度v之比称为电介质的折射率n： 则：Array 频率为ω 要使光波和 （ka）总是在ω（ 从不交叉，即ω（ 因此， 要设法移动ω（ 的。
场在金属与棱镜的界面处并不立即消失，而是向金属介质中传输振幅呈指数衰减的消失 kev为： 通过调节θ 共振，有： 由上式可见，若入射光的波长一定，即ωa一定时，ns 条件；若θ0一定时，ns改变，则必须改变ωa 波长λ来实现。此时θ0和λ分别称为共振角和共振波长。 右图为典型的SPR光谱 三、SPR传感器 1、基本原理 表面等离子体子共振的产生与入射光 的角度θ、波长λ、金属薄膜的介电 常数εs及电介质的折射率ns有关， 发生共振时θ和λ分别称为共振角度 和共振波长。对于同一种金属薄膜， 如果固定θ，则λ与ns有关；固定λ， 则θ与ns有关。 如果将电介质换成待测样品，测出共 振时的θ或λ，就可以得到样品的介 电常数εs或折射率ns；如果样品的化 学或生物性质发生变化，引起ns的改 变，则θ或λ也会发生变化，这样， 检测这一变化就可获得样品性质的变 化。 固定入射光的波长，改变入射角，可 得到角度随反射率变化的SPR光谱；同样地，固定入射光的角度，改变波长，可得到波长随反射率变化的SPR光谱。SPR光谱的改变反映了体系性质的变化。 2、基本结构 一般来说，一个SPR传感器的包括：光学系统、敏感元件、数据采集和处理系统。 敏感元件主要指金属薄膜及其表面修饰的敏感物质，用于将待测对象的化学或生物信息转换成折射率的变化，是SPR传感器的关键。从SPR的原理可知，实际上是样品的折射率的变化引起SPR光谱的变化。 4种检测方式： 1.角度调制：固定λin，改变θin 2.波长调制：固定θin ，改变λin 3.强度调制：固定θin 、λin，改变光强 4.相位调制：固定θin 、λin，测相差 3、应用 用SPR可获得的信息： 1.两个分子之间结合的特异性 2.目标分子的浓度 3.结合以及解离过程的动力学参数
表面等离子体激元简介一．表面等离子体激元表面等离子体（Surface Plasmons）的出现提供了一种在纳米尺度下处理光的方式。表面等离子体通常可以分成两大类——局域表面等离子体共振（Localized Surface Plasmon Resonance）和表面等离子体激元（Surface Plasmon Polaritons）。局域表面等离子体共振专指电磁波与尺寸远小于波长的金属纳米粒子中的自由电子的相互耦合，这种等离子体只有集体共振行为，不能传播，但可以向四周环境辐射电磁波。局域表面等离子体共振可以通过光直接照射产生。表面等离子体激元指的是在金属和电介质分界面上传播的一种元激发Excitations），这种元激发源自电磁波和金属表面自由电子集体共振的相互耦合。表面等离子体激元以指数衰减的形式束缚在垂直于传播的方向，由于它的传播波矢要大于光在自由空间中的波矢，电磁波被束缚在金属和电介质的分界面而不会向外辐射，也正是因为这种独特的波矢特性，表面等离子体激元的激发需要满足一定的波矢匹配条件。二．SPPs的激发和仿真方法由于SPSs的波矢量大于光波的波矢量，或者说SPPs的动量与入射光子的动量不匹配，所以不可能直接用光波激发出表面等离子体波。为了激励表面等离子体波，需要引入一些特殊的结构达到波矢匹配，常用的结构有以下几
种：（1）棱镜耦合：棱镜耦合的方式包括两种，一种是Kretschmannt方式；另一种是Otto方式。（2）采用波导结构（3）采用衍射光栅耦合（4）采用强聚焦光束（5）采用近场激发。目前主要的仿真方法有以下三种（1）时域有限差分法(finite difference time domain，FDTD)：FDTD方法是把Maxwell方程式在时间和空间领域上进行差分模拟，利用蛙跳式(leaf flog algorithm)空间领域内的电场和磁场进行交替计算，电磁场的变化通过时间领域上更新来模仿。优点是能够直接模拟场的分布，精度比较高，是目前使用较多的数值模拟方法之一。（2）严格耦合波法(rigorous coupled—wave analysis，RCWA)：该方法是分析光栅的有利工具，它是基于严格的矢量maxwell 方程来分析。由于在很多的表面等离子的结构中都会引入衍射光栅结构，所以RCWA方法也被越来越多的学者用来分析相关的问题，并且取得了不错的效果。（3）限元法(finite element method,FEM)：该方法是从变分原理出发，将定义域进行有限分割，离散成有限个单元集合。通过区域剖分和分偏差值，把二次泛函的极值问题化为普通多元二次函数的极值问题，后者等价于一组多元线性代数方程的求解。该方法分析的是一种近似结果，不过很多的问题能近似模拟，目前应用也比较广泛。三．SPPs的若干应
表面等离子共振技术 北京大学力学系生物医学工程专业2003级，郭瑾 摘要：表面等离子共振技术自80年代发展起来后，目前在生物医学领域已有了广泛应用，发挥着重要作用。本文就表面等离子共振技术的原理和其在蛋白质组学、抗原－抗体研究和药物筛选中的应用做了简要阐述。 关键词：表面等离子共振，隐失波，蛋白质组学，抗原－抗体相互作用，药物筛选 表面等离子共振技术（surface plamon resonace technology,SPR 技术）是上个世纪80年代发展起来的以生物传感芯片（biosensor chip）为中心的一种新技术，由Biacore AB公司开发。此后人们开始研究用各种方法改进SPR的性能、简化仪器系统，并试图用SPR技术测量不同的生化物质，如DNA-DNA间的生物特异性相互作用【1】，蛋白质折叠机制的研究【2】，微生物细胞的检测【3】，抗体－抗原分子相互作用的研究【4】等。本文对于表面等离子共振技术的原理和其在生物医学领域的应用作了简要的综述。 一、表面等离子共振技术的原理 全内反射是一种普遍存在的光学现象。考虑一束平面光波从介质1表面进入到介质2中。入射光在介质1表面上一部分发生反射，另一部分则透射进介质2。入射角和透射角之间满足关系式： n1sinθ1=n2sinθ2 这里n1是介质1的折射率，n2是介质2的折射率。当入射角增大，增大到临界角θc 时,这时的透射角为90°；当入射角继续增大到大于临界角时，光不再透射进介质2，也就是发生了全反射。由snell定律可知： θ2=90° θc=sin-1(n2/n1) 由上式可知，当n2 表面等离子共振的原理及在生物医学中的应用 精神卫生研究所张瀚迪学号：10281335 摘要：表面等离子共振技术是近年来迅速发展起来的用于分析生物分子相互作用的一项技术，它利用全反射时入射光可以和金属表面的等离子发生共振的原理，探测生物分子之间是否发生作用以及反应的动力学参数。该技术目前已广泛应用于免疫学、蛋白质组学、药物筛选、蛋白质与核酸相互作用等各个领域，并获得了许多用其它方法无法得到的动力学数据。 导言：表面等离子共振技术是一项用于分析生物大分子之间的相互作用的技术，它可以定性的判断两分子之间是否有相互作用，比较一种分子与其他几种分子之间相互作用的强弱，也可以实时定量的测定分子间相互作用的亲和力参数（平衡常数）和动力学参数（速率常数），甚至热力学参数（反应的焓）。该技术是利用了物理光学的原理（下文详述），在研究两分子相互作用时，将一种分子固定在传感片表面，而另一种分子的溶液流过其表面，两种分子的结合会使传感片表面的折射率改变，因此检测两分子间的相互作用。1983年，瑞典LINKOPING理工学院应用物理实验室Liedberg等人首先把它用于IgG与其抗原相互作用的检测[1]，并由BIAcore公司开发出SPR传感器。此后SPR传感器的研究与改进迅速发展，其在生物医学中的应用也日益广泛。 表面等离子共振技术的基本物理光学原理：如果光波从光密介质（折射率大）射向光疏介质（折射率小），比如由玻璃射向空气，且入射角大于临界角时，没有折射光产生，入射光全部反射回去，这一现象称为全反射。全反射时光波在两介质分界面的行为是什么样的呢？深入研究指出，全反射时光波将透入第二介质（光疏介质）很薄的一层表面（深度约为光波的波长），并沿界面流动约半个波长再返回第一介质（光密介质）。透入第二介质的光波称为倏逝波。如Fig 1 所示。 倏逝波是一个沿x方向传播的振幅在z方向（垂直于两介质界面的方向）按指数衰减的波。倏逝波最后仍返回第一介质，总的来说光的能量没有进入第二介质。 在两介质的界面镀上一层很薄的金属薄膜，薄膜厚度在倏逝 表面等离子共振技术 Surface Plasmon Resonance technology，SPR 北京大学基础医学院05级医学实验 马吟醒 朱倩 薛夏沫 黄辰 [摘要] 表面等离子共振技术，英文简写SPR，是从20世纪90年代发展起来的一种新技术，其应用SPR原理检测生物传感芯片（biosensor chip）上配位体与分析物之间的相互作用情况，广泛应用于各个领域。本综述主要介绍SPR的历史、工作原理、应用以及研究发展的前景。 [完成时间] 2008年6月 [引言] 1902年，Wood在一次光学实验中，首次发现了SPR现象并对其做了简单的记录，但直到39年后的1941年，一位名叫Fano的科学家才真正解释了SPR现象。之后的30年间，SPR 技术并没有实质的发展，也没能投入到实际应用中去。1971年Kretschmann为SPR传感器结构奠定了基础，也拉开了应用SPR技术进行实验的序幕。1983年，Liedberg首次将SPR 用于IgG与其抗原的反应测定并取得了成功。1987年，Knoll等人开始研究SPR的成像。到了1990年，Biacore AB公司开发出了首台商品化SPR仪器，为SPR技术更加广泛的应用开启了新的乐章。简言之，SPR是用来进行实时分析，简单快捷的监测DNA与蛋白质之间、蛋白质与蛋白质之间、药物与蛋白质之间、核酸与核酸之间、抗原与抗体之间、受体与配体之间等等生物分子之间的相互作用。SPR在生命科学、医疗检测、药物筛选、食品检测、环境监测、毒品检测以及法医鉴定等领域具有广泛的应用需求。 [正文] 一、表面等离子共振原理： 1.消逝波： 根据法国物理学家菲涅尔所提出的光学定理： n1 sinθ1 = n2 sinθ2 可知，当光从光密介质射 入光疏介质，入射角增大到某一角度，使折射角达 到90°时，折射光将完全消失，而只剩下反射光， 这种现象叫做全反射。（图1）当以波动光学的角度来研究全反射时，人们发现当入射光到达界面时并不是直接产生反射光，而是先透过光疏介质约一个波长的深度，再沿界面流动约半个波长再返回光密介质。则透过光疏介质的波被称为消逝波。（图2） 图1 图2 2.等离子波 等离子体通常指由密度相当高的自由正、负电荷组成的气体，其中正、负带电粒子数目几乎相等。把金属表面的价电子看成是均匀正电荷背景下运动的电子气体，这实际上也是一种等离子体。当金属受电磁干扰时，金属内部的电子密度分布会变得不均匀。因为库仑力的存在，会将部分电子吸引到正电荷过剩的区域，被吸引的电子由于获得动量，故不会在引力与斥力的平衡位置停下而向前运动一段距离，之后电子间存在的斥力会迫使已经聚集起来的电子再次离开该区域。由此会形成一种整个电子系统的集体震荡，而库仑力的存在使得这种集体震荡反复进行，进而形成的震荡称等离子震荡，并以波的形式表现，称为等离子波。 3.SPR光学原理 表面等离子共振技术（surface plasmon resonance technology, SPR）综述 作者：刘闯等来源：北京大学单分子与纳米生物学实验室 摘要：SPR技术作为检测，分析生物分子相互作用的有效工具，有些国家已经生产出成熟的商业化的SPR传感系统。对SPR生物传感器的工作原理，应用领域，最新进展作出阐述，并对其在生物分子检测领域的应用和研究发展前景进行了讨论。 引言：表面等离子共振技术（surface plasmon resonance technology, SPR）是20世纪90年代发展起来的一种生物分子检测技术，是基于SPR检测生物传感芯片（biosensor chip）上配位体与分析物作用的一种前沿技术，在20世纪初，Wood观测到连续光谱的偏振光照射金属光栅时出现了反常的衍射现象，并且对这种现象进行了公开描述。1941年，Fano用金属与空气界面的表面电磁波激发模型对这一现象给出了解释。1957年，Ritchie发现，当电子穿过金属薄片时存在数量消失峰。他将这种消失峰称之为“能量降低的”等离子模式，并指出了这种模式和薄膜边界的关系，第一次提出了用于描述金属内部电 子密度纵向波动的“金属等离子体”的概 念。2年后，Powell和Swan用实验证实了Ritche的理论。随后，Stem和Farrell 给出了这种等离子体模式的共振条件，并将其称为“表面等离子共振技术（surface plasmon resonance , SPR）”。1968年，Otto和Kretschmann等人研究了金属和介质界面用光学方式激发SPR的问题。并分别设计了两种棱镜耦合方式。此后， SPR技术获得了长足的发展。1990年，国际上第一台商业生产的生物传感器在瑞典的Biocore公司诞生。实践证明，SPR传感器与传统检测手段比较，具有无需对样品进行标记，实时监测，灵敏度高等突出优点。所以，在医学诊断，生物监测，生物技术，药品研制和食品安全检测等领域有广阔的应用前景。 基本原理 1 消失波，在波动光学没有发展起来以前，菲涅尔定理很好地描述了光在介质表面的行走路径。（n1 sinθ1 = n 2 sinθ2 ）, 可以看出，当光从光密介质入射到光疏介质时（n1>n2）就会有全反射现象的产生。但以波动光学的角度来重新研究全反射的时候就会发现，全反射的光波会透过光疏介质约为光波波长的 项目名称金纳米粒子的局域表面等离子体共振性质与应用研究 推荐单位湖南科技大学 项目综述查看 主要完成人 1.黄昊文 制备了金纳米棒和核壳纳米棒，系统地研究了金属纳米粒子及复合物的局域表面等离子体共振性质；基于局域表面等离子体性质构建高灵敏度的生物传感器，并对血吸虫病、结核病等病患血清等实际生物样品进行了分析检测，取得了较满意的结果；基于局域表面等离子体共振信号的耦合放大效应和纳米复合物的表面等离子体性质的可调性，构建了对汞、银等重金属离子具有高选择性和高灵敏度的纳米化学传感器。本人在10篇代表作论文中排名第一且均为通讯联系人，在该项研究中的工作量占本人工作量的85%。 2.曾云龙 积极参与金纳米棒的局域表面等离子体性质构建高灵敏度的生物传感器，并对实际生物样品处理、分析检测进行设计，对局域表面等离子体性质调控和血吸虫病的分析检测方面做了大量工作；在代表性论文①中排名第三，③中排名第三，④中排名第四，⑥中排名第三，⑦中排名第七，⑧中排名第八，⑨中排名第三，在该项研究中的工作量占本人工作量的70%。 3.廖博 积极参与金纳米棒的局域表面等离子体性质构建高灵敏度的生物传感器，并对实际生物样品处理、局域表面等离子体性质调控和血吸虫病的分析检测方面做了大量工作；在代表性论文①中排名第五，④中排名第六，⑥中排名第五，⑦中排名第六，⑧中排名第七，在该项研究中的工作量占本人工作量的65%。 4.夏晓东 积极参与金纳米棒及核壳纳米棒的制备及局域表面等离子体性质研究，在基于金纳米棒的局域表面等离子体的调控及构建多通道分析方法的建立方面做了大量工作；在代表性论文③中排名第四，⑥中排名第六，⑨中排名第四，在该项研究中的工作量占本人工作量的60%。 主要完成单位湖南科技大学 论文、论著目录查看 2009 年 4 月 Journal of Chemical Engineering of Chinese Universities Apr. 2009文章编号：1003-9015(2009)02-0284-06 Ag纳米粒子生长动力学的局域表面等离子体共振研究 陈丽华1,2, 徐刚1, 徐雪青1, 王春平3 (1. 中国科学院广州能源研究所可再生能源与天然气水合物重点实验室, 广东广州 510640; 2. 中国科学院研究生院, 北京 100080; 3. 四川大学物理科学与技术学院, 四川成都 610000) 摘要：采用Meisel方法利用氧化还原反应制备Ag纳米粒子溶胶，通过对Ag纳米粒子局域表面等离子体共振(SPR) 吸收光谱的实时观测，研究了Ag纳米粒子形成的动力学过程，并着重探讨了温度对Ag纳米粒子生长过程的影响。实 验发现，SPR吸收峰的移动与实验条件有密切关系。采用恒温磁力搅拌直接加热的方式，Ag纳米粒子的SPR吸收峰 在整个反应过程中主要体现为红移，其反应动力学主要表现为零级反应，反应速率与温度符合Arrhenius关系，并粗略 估算了一定反应条件下的反应活化能；而采用恒温磁力搅拌水浴加热方式， SPR吸收峰则呈现红移→蓝移→红移交替 移动现象。初步探讨了SPR吸收峰的红、蓝移影响因素及其移动机理，得出SPR峰的移动方向是粒径大小与电荷转 移相互竞争的结果。 关键词：Ag纳米粒子；表面等离子体共振；吸收光谱；生长动力学 中图分类号：O433.51；O614.122 文献标识码：A Growth Kinetics of Ag Nanoparticles Studied by Localized Surface Plasmon Resonance CHEN Li-hua1,2, XU Gang1, XU Xue-qing1, WANG Chun-ping3 (1. The Renewable Energy and Gas Hydrate Key Lab, CAS, Guangzhou Institute of Energy Conversion, Guangzhou 510640, China; 2. Graduate University of CAS, Beijing 100080, China; 3.School of Physical Science and Technology, Sichuan University, Chengdu 610000, China) Abstract:Colloidal sols of Ag nanoparticles were fabricated with Meisel’s method via redox reactions. The growth kinetics of the Ag nanoparticles in some conditions was investigated in real time by the absorbance spectrum of localized surface plasmon resonance (SPR) of nano-Ag in which the influence of solution temperature was stressed. It reveals that the shift of the SPR peak with reaction time is strongly dependent on the experimental conditions. In case of direct heating method, the SPR peak shows merely red-shift. The reaction order was determined to be zero, the dependence of reaction rate on temperature follows the Arrhenius’ Law; and activation energy of reaction was calculated. In contrast, in case of water-bath heating method, red-shift alternats with blue-shift of the SPR peak in the initial stage of redox reaction, whereas only red-shift appears in the final stage. Such observations were tentatively attributed to the competition between the growth of Ag nanoparticle size which leads to red-shift and electron transfer which results in a change in free electron concentration of Ag and may cause red-shift or blue-shift of the SPR peak. Key words: Ag nanoparticles; surface plasmon resonance; absorbance spectrum; growth kinetic 1前言 银纳米粒子具有非常独特的光学特性。它在可见光区域展现出一个强烈的吸收带，此吸收带源于Ag 纳米粒子的自由电子与光波的相互作用—局域表面等离子体共振(localized surface plasmon resonance, 以 收稿日期：2007-11-08；修订日期：2008-04-30。 基金项目：国家自然科学基金资助项目(50876108)；国家863计划(2007AA05Z431)；粤港关键领域重点突破项目(200649851105) 资助。 作者简介：陈丽华(1981-), 女, 山东潍坊人，中科院广州能源研究所研究助理，中科院硕士生。通讯联系人：徐刚，E-mail：xugang@https://www.doczj.com/doc/209503005.html,表面等离子共振的原理及在生物医学中的应用
表面等离子共振技术
表面等离子共振技术SPR综述
金纳米粒子的局域表面等离子体共振性质与应用研究(湖科大)
Ag纳米粒子生长动力学的局域表面等离子体共振研究
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