表面等离子体共振传感器的研究.doc

表面等离子体共振传感器的研究 康冬鹏 马少桢 姜 越 指导教师：赵海发 刘建龙 摘 要：表面等离子体共振传感器是一种通过对表面等离子波的共振角的测量计算样品折射率（浓度）的光学传感器。本文主要阐述了利用这种传感技术测量液体折射率（浓度）的方法。包括实验理论基础及应用意义、实验用液体容器的设计、实验数据及分析以及存在问题及解决办法的讨论。 关键词：表面等离子波；传感器；折射率 1. 前言 在固体理论中，等离子体是指由浓度相同的正、负电荷组成的体系，其中至少有一种电荷是可以迁移的。金属中有自由移动的电子，电子间存在长程的库仑作用，在均匀正电荷背景中运动的电子气将会显示出某种集体相关的性质。体系在宏观尺度上是电中性的，平衡时各处正、负电荷密度相等，但由于热起伏，局部平衡被破坏。如在一微小区域内电子密度低于平均密度，其正电荷背景未被中和，正电荷过多就会对周围的电子有吸引作用，被吸引过来的电子又会使该区域聚集过多的负电荷，然后由于电子间的排斥而再度离开，如此反复便产生振荡。这是一种纵向的集体振荡，称为金属中的等离子体振荡。 表面等离子波是一种在表面和界面上传播的横磁波（TM）。它的发现和利用一直是科学界所关注的课题： 1902年，Wood等人根据衍射光栅的反常衍射现象，意识到表面等离子波（Surface plasmon wave, SPW）的存在，并在在光学实验中首次发现了表面等离子体共振（Surface plasmon resonance,SPR）现象。 在1909年，索末非（Sommerfeld）从麦克斯韦的电磁理论出发，引入了复介电常数的概念，得到了局限在表面附近的电磁波的波动解。 1941年，Fano根据金属和空气界面上表面电磁波的激发解释了这一现象。 1958年，Turbader首先对金属薄膜采用光的全反射激励的方法，观察SPR现象。 1971年，Kretschmann研究的Kretschmann结构为SPR传感器奠定了基础。 1983年，Linkoping等人将SPR应用于蛋白质与其抗原的相互反应的测定，并由Biacore AB公司开发出SPR仪器。此后SPR仪器和SPR生物传感器的研究全面展开并不断深入。 金属和介质交界面上的电荷层，在电磁波的激励下表面等离子体会发生共振现象，并能够影响电磁波的传播。表面等离子波对介质的折射率的微小变化非常敏感，如果让样品媒介与介质接触，那么由于存在着吸附或者化学反应，介质的折射率将发生变化，并因此而影响共振条件，引起共振角的偏移。因此表面等离子共振型传感器具有对样品环境中物质的微量变化进行检测的潜能。根据这一原理，人们在应用上做了广泛、深入的探讨，如气体传感器、液体传感器、化学传感器和生物传感器等。表面等离子共振型传感器具有测量准确度较高、响应快、体积小、机械强度大、抗电磁干扰能力强等优点，因此研究表面等离子共振型传感器可以更好地扩展其在生物化学、食品加工、医学分析和环境监测等领域中的应用。 按照不同的耦合方式，表面等离子体共振传感器（SPR sensor）可分为棱镜耦合式SPR传感器、集成光波导耦合式SPR传感器、光纤式SPR传感器和光栅耦合式SPR传感器，而按照测量方式又可分为角度指示型传感器，波长指示型传感器，光强指示型传感器和相位指示型传感器。针对本实验目的，我们在实验时选择的是棱镜耦合式角度指示型传感器。 2. 原理 2.1 表面等离子波的数学形式及产生条件 如图1建立坐标轴，表面等离子波的特点是场强在界面处极大，并沿法向以指数衰减，故其试探解为： 图1 界面处坐标轴 带入波动方程： 得： 同时，由试探解可得电磁场形式为： 带入边界条件可得： 以上三式说明只有当入射光的传播常数等于表面等离子波的波矢时（即横向共振条件），入射光才能耦合进金属膜，入射光的大部分能量转化为表面等离子波的能量，对应入射光的一个吸收峰（如图2所示）。这个入射角（P角）称为共振角。第二式说明只有界面两侧介电常数异号的情况下才能产生表面等离子波。同时，垂直于入射面的电场强度为零，说明入射光应是一TM波。 图2 不同浓度葡萄糖溶液光强的吸收峰（丛左向右依次为5%、10%、25%、50%） 2.2 不同液体的折射率及实现传感的原理 液体折射率表（化学纯的液体） 物质名称 分子式 密度 温度℃ 折射率 丙醇 CH3COCH3 0.791 20 1.3593 甲 CH3OH 0.794 20 1.3290 乙 C2H5OH 0.800 20 1.3618 苯 C6H6 1.880 20 1.5012 二硫化碳 CS2 1.263 20 1.6276 四氯化碳 CCl4 1.591 20 1.4607 三氯甲烷 CHCl3 1.489 20 1.4467 乙