光纤表面等离子体共振传感器理论研究[新版].ppt

基于等离子体共振效应的光纤表面等离子体共振传感器的理论研究付丽辉;尹文庆【摘要】Based on the theory of Surface Plasmon Resonance( SPR) ,the technique of Surface Plasmon Resonance was de-scribed and a detailed mechanism of the Fiber-Optic sensing was discussed.The influence of the real and imaginary part of metal membrane’dielectric constant,the thickness of the metal,the refraction index of the fiber core and environment medium,and SPR reflective spectral properties were simulated by MATLAB.The main performance parameters of SPR sensors were respectively dis-cussed.Finally,based on the research of influential factor in inspiring SPR phenomenon and the change regularities of reflective spectrum with performance parameters,the feasibility of wavelength modulating SPR Sensors was discussed,which provided a the-oretic guide for improving the sensitivity and accuracy of Surface Plasmon Resonance( SPR) sensor and the optimization design of fiber SPR sensor system.%以等离子共振效应为基础，对等离子共振以及光纤传感的结构细节进行阐述，利用MATLAB软件模拟研究金属膜复介电常数虚部及实部、金属膜层厚度、光纤纤芯折射率、环境介质折射率对光纤表面等离子体共振反射谱性质的影响，对这些参数在性能特点上进行分别讨论，最后，在研究影响激发SP R现象因素和反射谱随性能参数变化规律的基础上，讨论了光纤SP R传感器波长调制型测量方法的可行性。

表面等离子体共振生物传感器（一）表面等离子体共振生物传感器的检测原理表面等离子体共振（surface plasmon resonance，SPR）实际上是一种物理光学现象。

简单地说，表面等离子体（SP）是由沿着金属和电介质间界面传播的电磁波形成的。

当平行表面的偏振光以称之为SP共振角入射在界面上，发生衰减全反射时，入射光被耦合入SP内，光能大量被吸收，在这个角度上SP共振引起界面反射光显著减少。

由于SPR对金属表面电介质的折射率非常敏感，不同电介质其SP共振角不同。

同种电介质，其附在金属表面的量不同，则SPR的响应强度也不同。

基于这种原理的生物传感器通常将一种具特异识别属性的分子即配体固定于金属膜表面，监控溶液中的被分析物与该配体的结合过程。

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，随即被SPR生物传感器检测出来。

（二）SPR生物传感器的传感过程SPR生物传感器系统与其他光生物传感器系统一样，需要光源、光路、光电耦合器件或光谱分析设备、反应池、液流控制系统。

其整个传感过程如图-1所示。

生物分子相互作用的信息经敏感膜通过SPR 现象转换为光信号，再经光电信号检测与配套软件分析计算，最后得出实际所需的信息及相关参数。

图-1 表面等离子体共振生物传感器的检测流程（三）SPR生物传感器在检验医学领域的应用SPR技术用于生物学领域的研究，可以追溯到1983年，当年瑞典科学家Liedberg等首次将SPR技术运用于IgG抗体与其抗原相互反应的测定。

SPR生物传感器的研究从此全面展开并不断深入。

目前，SPR传感器的理论分析、器件研制和实用系统开发日趋完善。

作为传统的临床监控装置的一种补充仪器，SPR光学生物传感器发挥了越来越大的作用。

已证明了运用SPR生物传感器监测和定量测定患者血清中的生物药剂和抗体滴度的可行性，这项研究展示了SPR 生物传感器独特地适用于监控微弱的生物活性物质（10～1000μmol/L）的相互作用，而且能够在不需要膜表面再生的情况下连续地工作。

第34卷第5期2004年9月　东南大学学报(自然科学版)JOURNAL OF SOU THEAST UNIV ERSITY (Natural Science Edition )Vol 134No 15Sept.2004光纤表面等离子体波传感器的理论研究曹振新　吴乐南　王　兴　戴　戈(东南大学无线电工程系,南京210096)摘要:利用光纤表面等离子体共振(SPR )技术设计了光纤表面等离子体波传感器.该传感器与传统棱镜SPR 传感器相比有很多优点.由于引入了光纤结构,SPR 传感器的计算变得相当复杂.此前,由于不能准确计算,其设计主要依赖于经验,从而严重影响了所设计的传感器的性能.根据光纤SPR 传感器的特点,在一定条件下把斜线作为子午线来处理,推导了光纤SPR 传感器中总反射系数的计算公式,实现了对光纤SPR 传感器的理论计算过程,同时与实验结果进行了对比,结果表明理论计算结果与实验相吻合,从而为系统地分析光纤SPR 传感器的性能提供了一个有效的手段,并且为实际设计光纤SPR 传感器提供了理论依据.关键词:物理光学;光纤传感器;表面等离子体波共振中图分类号:TP21211 文献标识码:A 文章编号:1001-0505(2004)0520582203Theoretical study on optical f iber surface plasmon resonance sensorsCao Zhenxin Wu Lenan Wang Xing Dai G e(Department of Radio Engineering ,Southeast University ,Nanjing 210096,China )Abstract :Optical fiber surface plasmon resonance (SPR )sensors can be designed based on SPR technique ,which have many advantages compared with traditional prism SPR sensors.However ,the theoretical calculation is very difficult and complex because of their special configuration.Thus ,previous optical fiber SPR sensors were designed mainly depending on experience and their perfor 2mance were poor.For optical fiber SPR sensors ,the skew ray propagated along within the fiber core can be viewed as meridian line approximately according to the characteristics of optical fiber SPR sensors.Consequently ,total reflection coefficient equation of optical fiber SPR sensors is deduced and theoretical calculation of optical fiber SPR sensors is parison shows that theory output of the sensor is well consistent with experimental data.The work provides an effective means for designing and further studying optical fiber SPR sensors.K ey w ords :physical optics ;optical fiber sensors ;surface plasmon resonance收稿日期:2004204221.基金项目:江苏省研究生创新计划资助项目.作者简介:曹振新(1976—),男,博士生;吴乐南(联系人),男,博士,教授,博士生导师,wuln @. 表面等离子体波共振技术[1]的研究始于20世纪60年代,至今已有长足发展.利用该技术设计的传感器也从传统的棱镜表面等离子体波共振(SPR )传感器[2,3]变为光纤SPR 传感器[4,5].相比于棱镜SPR 传感器,光纤SPR 传感器有很多独特的优点[4,6],比如体积小、操作简单,并且可以实现在线实时远距离检测和监测等.但是光纤SPR 传感器的理论分析由于引入了光纤结构而变得十分困难.棱镜SPR 传感器由于结构简单,采用传统的Fresnel 公式就可以计算,而对于光纤SPR 传感器的计算目前尚未有完整的方法.本文根据光纤SPR 传感器中的特殊结构,利用SPR 传感器的共振条件,把对斜光线的计算简化为对子午光线的计算.通常,光纤SPR 传感器中的入射光不是在特定入射角入射的,而是含有所有的传播模式.本文考虑了所有的传播模式,系统地对光纤SPR 传感器的理论计算公式进行了推导和分析,给出了实际算例.算例结果与实验数据有着良好的一致性.1　棱镜SPR 传感器中的理论计算利用Fresnel 公式,可以得出棱镜SPR 传感器中p光反射系数的计算公式[5]r p(λ,n0,n1,n2,Ψ,d)=r p01+r p12exp(2i k1z d) 1+r p01r p12exp(2i k1z d)(1)式中r p01=ε/k0z-ε1/k1zε/k0z+ε1/k1zr p12=ε1/k1z-ε2/k2zε1/k1z+ε2/k2zk0x=ωcεsinθ,　k0z=ωc2ε-k20xk1z=ωc2ε1-k20x,k2z=ωc2ε2-k20xεi=n i2 i=0,1,2;　λ=2πcn0ω其中,r p为双层界面的p光总反射率;r p01和r p12分别为棱镜与金属界面的反射率和金属与环境介质的反射率;d为金属层的厚度;ε0,ε1,ε2和n0,n1, n2分别为棱镜、金属、环境介质的介电常数和折射率;Ψ为入射角;k i,j(i=1,2,3,j=x,z)为各介质中的光波波矢分量;c为光速;ω为光波频率.显然在棱镜SPR传感器中入射光波在棱镜底部全反射只有一次,入射角可以精确控制.对于光纤SPR传感器,情况要复杂很多,主要因为:①光线在光纤中多次全反射,并且在不同传播模式下反射次数不同;②光线在光纤中传播时精确控制入射角比较困难,而是考虑所有入射角的情况.此外,斜光线的传播也会带来计算的困难.2　光纤SPR传感器中的理论计算通常,光线在光纤中传输存在2种方式:①沿着子午面传播的子午线;②是不经过子午面的斜线.子午线的传播总是在同一个平面的.但是斜线的传播则不然,它与光纤中心轴不在同一个平面,每进行一次全反射,平面的方位就要改变一次,光路轨迹是空间的螺旋曲线.显然,对于斜线的计算更为复杂.但由于光纤SPR传感器的特殊性,可以对其进行简化.首先讨论斜光线传输的情况.斜光线在光纤中传播示意图如图1所示.设光线I in以入射角α通过界面x O′y入射到光纤纤芯中.入射光线在Q点产生全反射.其中,斜线KQ与光纤轴OO′既不平行,也不相交;H为K在端面上的投影;θ为斜光线和光纤轴方向之间的夹角,γ为轴角;T为H在O T 线上的垂足;H T垂直于O T.与普通光纤相比,光纤SPR传感器中光线的图1　圆柱光纤中斜光线的传播示意图传输有其特殊性.光纤SPR传感器中采用的光纤纤芯通常是400～600μm,去除光纤的包层和涂覆层后镀上金属层.通常传感器长度是5～20mm.图2中,斜光线的电场量在x轴和y轴分解为E x和E y(因为在SPR传感器中主要考虑电场量).显然E x只在光纤柱面的切向起作用,而E y在光纤柱面的轴向起作用.由于光纤柱面切向点形成一个圆,而不是一个平面,所以会减弱E x对表面等离子体的激发,相比于轴向E y,它的作用很小,可以忽略,只需讨论E y.同时由于E y直接与轴角γ相关,所以综合考虑E y和轴角γ,即可将斜光线对激振表面等离子体共振贡献等同于子午线的作用.如果轴角γ等于0,则完全转变为子午线的传播,E x分量等于0.图2　斜光线在光纤端面的投影图做了上述简化,只需讨论子午光线在光纤中传输情况以及对表面等离子体共振的作用.首先假定入射光线是单色平面光,入射角是α,光纤SPR传感器的探头长度为L,并且光线沿着子午面传播,如图3所示.则光线在探头中发生全反射的次数N为N(L,D,Ψ)=LD tanΨ(2)实际上,光纤SPR传感器中,入射光的入射角不是单一的,而是从临界角Ψc一直变化到90°,分别对应着不同的传播模式.但是这些传播模式在光图3　子午线在光纤中传播示意图385第5期曹振新,等:光纤表面等离子体波传感器的理论研究纤中的能量分布是不均匀的,而是类似于高斯分布.根据文献[4],计算出的模式密度分布函数如下:I (α)=(18510+36914α-1071α2+133α3-41754α4)/103760(3)根据式(1)～(3)可以写出光纤SPR 传感器中p 光的总反射系数为R p (d ,l ,t ,n 2(λ,t ),n 1(λ),n 3(λ))=1M∑Mi =1r p　(αi ,l ,t ,n 1(λ,t ),n 2(λ),n 3(λ))N (L ,D ,αi)I (αi )(4)式中,α与Ψ的关系为n 0sin α=n 1cos Ψ,Ψc ≤Ψ<90;M 为传播模式数.根据文献[7]中的数据,在400～1000nm 之间,可以拟出金和银的色散公式为εg (λ)=(-713667×10-5λ2+01029084λ+513773)+i (317476×10-5λ2-01056876λ+221641)(5)εs (λ)=(-511596×10-5λ2-010033253λ+612403)+i (311776×10-6λ2-01002018λ+0154037)(6)光纤纤芯的色散公式[4]为n c (λ)=111399×10-10λ3+219294×10-7λ2- 216420×10-4λ+115356(7)3　实际算例假定金属是银,膜层厚度40nm ,石英光纤纤芯折射率11458,数值孔径0137,光纤传感器探头长度15mm ,光纤直径600μm ,环境介质折射率113330,入射采用p 光.根据式(4)、(5)、(7)计算可以获得光纤SPR 传感器的输出光谱曲线,如图4中虚线所示.理论计算结果表明,在520nm 处光纤SPR 传感器发生了表面等离子体波共振,并且曲线比较尖锐.图4　光纤SPR 传感器的理论和实验输出曲线实验中,光纤SPR 传感器设计的所有参数同上,采用美国Starlnet 公司的EPP2000光纤光谱仪,测试曲线如图4中的实线所示.与理论计算曲线相比,共振波长相同,但是曲线峰谷值和开口宽度有一定的差异.原因是:①理论模型中只考虑了子午线的传播,对斜线的传播作了近似.理论计算中,光线在光纤中传播的入射角范围是临界角到90°.事实上,斜线的传播角会复杂一些,所以带来了一定的偏差;②采用文献中的数据拟合的银膜色散特性曲线有一定偏差.尽管存在一些差异,但是采用的理论计算模型和实验结果还是有着非常好的一致性,尤其是在光谱分析时,上述2个差异可以忽略.4　结　语仿真计算和实验结果表明,光纤SPR 传感器中所采用的理论模型和总反射系数的计算公式是合理的.因此,本文的理论模型可以进一步指导光纤SPR 传感器的设计,同时也为光纤SPR 传感器的系统研究提供了理论支持.参考文献(R eferences)[1]Otto A.Excitation of nonradiative surface plasma wavesin silver by the method of frustrated total reflection [J ].Z Physik ,1968,216:398410.[2]Ktretschmann E.The determination of the optical con 2stants of metals by excitation of surface plasmons [J ].Z Physik ,1971,241:313324.[3]郭继华,刘　通,神　帅.表面等离子体波检测的新技术研究[J ].光学学报,1996,16(9):13221325.Guo Jihua ,Liu Tong ,Shen Shuai.A new technique for studying surface plasma [J ].Acta Optica Sinica ,1996,16(9):13221325.(in Chinese )[4]Jorgenson R C.Surface plasmon resonance based bulk op 2tic and fiber optic 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表面等离子体共振介绍表面等离子体共振（Surface Plasmon Resonance，简称SPR）是一种重要的光学现象，它在材料科学、生物医学和光电技术等领域具有广泛的应用。

SPR可以用来研究材料表面的光学特性，例如材料的折射率、吸收和散射等。

此外，SPR还可以应用于生物传感器、光子学器件和光学调制器等领域的研究和应用。

原理SPR的起源可以追溯到20世纪50年代，当时G. Hass和R.A. Johnson首次观察到金属薄膜与介质之间的共振现象。

SPR是在金属薄膜和介质（通常是液体）交界面上发生的一种电磁波与等离子体波的耦合现象。

当光线垂直入射到金属薄膜和介质的交界面上时，一部分光线会被反射，另一部分则会穿透进入介质。

当频率与材料的介电常数和金属的电子浓度匹配时，光子与金属表面的自由电子发生共振耦合，形成一种表面等离子体波。

这种表面等离子体波沿着金属-介质界面传播，并在与入射光的波长匹配的情况下达到最大值。

使用SPR的应用非常广泛，常见的应用领域包括：1. 传感器SPR传感器是一种基于SPR原理设计的生物传感器，它可以用来检测微量化合物的浓度变化或生物分子的相互作用。

传统的SPR传感器通常由金属薄膜、玻璃基板和流体通道组成。

当待测样品和另一种具有特定生物分子的分子层接触时，它们之间的相互作用会引起SPR信号的变化，从而实现对样品中目标分子的检测。

2. 光子学器件SPR也可以应用于光子学器件的设计和制造。

例如，在光纤通信系统中，SPR可以用来制造光纤耦合器、光纤接合器和光纤边缘滤光器等器件。

在这些器件中，SPR的共振效应可以实现对光的控制和调制，从而提高光信号的传输和处理效率。

3. 光学调制器SPR还可以应用于光学调制器的制造。

光学调制器是一种通过控制光信号的强度或相位来调制光波的器件。

使用SPR 原理设计和制造的光学调制器可以实现高速调制、高效率和宽频率范围的光学信号处理。

结论表面等离子体共振是一种重要的光学现象，具有广泛的应用潜力。

新型表面等离子体共振传感器的开发与应用研究第一章：绪论表面等离子体共振传感器是一种基于表面等离子体共振原理的生物分析传感器。

它具有高灵敏度、高选择性、实时检测和无需标记等特点，因此在生命科学、药物研发、环境监测、食品安全等领域有着广泛的应用。

目前，传统的表面等离子体共振传感器主要采用金属薄膜作为传感芯片。

然而，金属薄膜容易氧化、与生物分子接触时会产生静电效应，导致信号噪声增大，从而影响传感器的稳定性和精度。

因此，开发新型的表面等离子体共振传感器对于提高传感器性能和拓展应用领域具有重要意义。

第二章：新型传感器的开发1. 制备新型传感芯片为了克服金属薄膜存在的缺点，研究人员开始尝试使用其他材料作为传感芯片。

比如，石墨烯、二维材料、纳米线等材料具有较高的导电性和生物相容性，可以作为良好的传感芯片材料。

2. 探究新型传感器的灵敏度和选择性研究人员通过实验对比金属薄膜传感器和新型传感器的灵敏度和选择性，发现新型传感器具有更高的灵敏度和更好的选择性。

在特定条件下，新型传感器可以检测到更低浓度的生物分子，同时不会受到其他物质的干扰。

3. 分析新型传感器的稳定性和可重复性为了确保传感器的长期稳定性和可重复性，研究人员对新型传感器进行了稳定性和可重复性测试。

实验结果表明，新型传感器在很长时间内保持较好的稳定性和可重复性，可以满足实际应用需求。

第三章：新型传感器的应用研究1. 生命科学领域的应用新型表面等离子体共振传感器在生命科学领域有着广泛的应用。

比如，可以用于检测生物分子的相互作用，如蛋白质与抗体、核酸与蛋白质的结合等；可以用于研究细胞膜、细胞质等生物体系的相互作用；还可以用于分析药物与靶标的相互作用等。

2. 性能优异的环境监测新型表面等离子体共振传感器还可以用于环境监测领域，比如用于检测水中的重金属、污染物等有害物质的浓度。

由于新型传感器具有高灵敏度和高选择性的特点，可以快速、准确地检测有害物质的浓度，对于保障环境和人民健康具有重要意义。

表面等离子体共振效应表面等离子体共振效应是一种物理现象，指的是当光线照射到特定材料的表面时，由于表面的电子与光子发生共振，导致光的吸收或散射现象。

这一效应在光学、纳米科技和传感器等领域有广泛的应用和研究。

表面等离子体共振效应的产生与材料的电子结构有关。

当光线照射到材料表面时，光子的能量可以被表面的自由电子吸收。

如果光的频率与表面电子的共振频率相匹配，共振现象就会发生。

在共振状态下，光的能量被电子吸收，使得电子从基态跃迁到激发态，同时光的传播也受到电子的耗散和散射影响。

表面等离子体共振效应的发生与材料的光学性质密切相关。

常见的表面等离子体共振材料包括金属纳米粒子、金属薄膜和光子晶体等。

其中，金属纳米粒子由于其尺寸效应和量子效应的影响，具有较高的表面等离子体共振效应。

金属薄膜由于其导电性和反射率的特点，也常被用于表面等离子体共振研究。

光子晶体则是一种具有周期性结构的材料，通过调控其结构参数可以实现对光的调控和控制。

表面等离子体共振效应在光学领域有着广泛的应用。

一方面，通过调控材料的结构和光的频率，可以实现对光的吸收、透射和散射的调控，从而实现对光的传播和控制。

这种调控可以应用于光学器件、光学传感器、光子学芯片等领域。

另一方面，表面等离子体共振效应还可以用于增强光与物质的相互作用，提高传感器的灵敏度和检测限。

例如，利用表面等离子体共振效应可以实现对生物分子的检测和分析，应用于生物医学和生物传感器领域。

除了光学领域，表面等离子体共振效应还在纳米科技领域有重要应用。

通过利用表面等离子体共振效应，可以实现对纳米结构的控制和调控。

例如，在纳米材料的合成、纳米器件的制备和纳米加工等方面，表面等离子体共振效应都发挥着重要的作用。

此外，表面等离子体共振效应还可以用于纳米颗粒的聚集和自组装，从而实现对纳米结构的精确控制和调控。

表面等离子体共振效应是一种重要的物理现象，具有广泛的应用前景。

通过对材料结构和光学性质的调控，可以实现对光的传播和控制，应用于光学器件、传感器、纳米科技等领域。

表面等离子体共振传感器的原理与应用表面等离子体共振（Surface Plasmon Resonance, SPR）技术是一种非常重要的生物分子识别和量化的方法，这种技术最早由福克勒（Ritchie）于1968年提出。

表面等离子体共振传感器的原理是基于光的表面等离子体共振理论。

原理非常简单，一般而言都是在玻璃或金属表面涂上一层金膜。

当光线竖直入射于金膜表面时，会激发出表面等离子体波（surface plasmon wave），该波会沿着金膜表面传播，而且仅能传播到几个纳米的深度。

表面等离子体共振现象可以通过监测光在表面的反射来研究。

当物质吸附在金膜上时，其折射率改变会导致表面等离子体波的共振条件发生变化。

通过检测共振反射光的变化，可以定量测定吸附物的种类和数量。

因此，这种技术被广泛用于生物分子识别，包括了DNA、蛋白质、抗体、细胞等等的检测。

表面等离子体共振传感器利用生物分子相互作用的变化来检测生物分子的相互作用。

在传感器表面吸附上适当的受体分子，引入待检测的样品，如果样品中有与受体互相作用的物质，那么它们就会与试验表面固定的相应受体结合，从而改变表面等离子体波的性质，即激发出更大的反射光。

因此，可以通过控制等离子体共振产生的光信号的变化来识别样品中是否有特定分子的存在。

这种技术的信号响应速度快、高灵敏度、选择性强。

表面等离子体共振传感器已经广泛用于识别生物分子互作用，如果采用合适的表面修饰，甚至可以完全在水溶液中实现测量。

同时，SPR技术还被用于制备金属纳米粒子、染料散射和聚合物的结构表征等领域。

表面等离子体共振生物传感器作为一种新型的生物分析方法，已经为各种现代学科和技术领域的未来发展带来了广泛的应用前景。

SPR技术在生命科学、药物发现、病理生理学等领域可以实现快速的高通量分析，将成为新一代高通量功能性检测的突破口。

此外，在食品安全领域，表面等离子体共振传感器技术还可以用于食品的检测和质量控制，具有广阔的应用前景。