表面等離子體子波光導(dǎo)傳感器

1、表面等離子體子共振（Surface Plasmon Resonance ）光波導(dǎo)傳感器 2006年3月Evaluation only.Created with Aspose.Slides for .NET 3.5 Client Pro.Copyright 2004-2011 Aspose Pty Ltd.1electron 電子photon 光子magnon 磁子 proton 質(zhì)子neutron 中子phonon 聲子 plasmon 表面等離子體子，是指金屬表面沿著金屬和介質(zhì)界面?zhèn)鞑サ碾娮邮杳懿?，由金屬和空氣界面上表面電磁波的激發(fā)而產(chǎn)生。plasmon具有波粒二象性,其粒子性體現(xiàn)為它是具有

2、能量的量子 , 其波動(dòng)性體現(xiàn)為它是在薄膜表面上傳播的電子疏密波。Evaluation only.Created with Aspose.Slides for .NET 3.5 Client Pro.Copyright 2004-2011 Aspose Pty Ltd.2金屬包層平板介質(zhì)波導(dǎo)用于集成光學(xué)器件，介質(zhì)波導(dǎo)中沉積金屬膜或在金屬膜基底上沉積介質(zhì)波導(dǎo)層；金屬對(duì)光頻有強(qiáng)力的吸收作用，電磁場(chǎng)僅在很薄的一層內(nèi)以衰減場(chǎng)形式存在；在光頻電場(chǎng)的作用下，在金屬層內(nèi)可激發(fā)出等離子體振蕩，即在金屬和介質(zhì)的交界面出現(xiàn)等離子體表面波（ Surface Plasma Wave-SPW ）；Evaluation o

3、nly.Created with Aspose.Slides for .NET 3.5 Client Pro.Copyright 2004-2011 Aspose Pty Ltd.3金屬的光頻特性金屬的電容率（介電常數(shù)）是復(fù)數(shù)，實(shí)部為負(fù)，且絕對(duì)值大于虛部：光在金屬中傳播必須考慮電導(dǎo)率的影響，麥克斯韋爾方程：波動(dòng)方程：Evaluation only.Created with Aspose.Slides for .NET 3.5 Client Pro.Copyright 2004-2011 Aspose Pty Ltd.4復(fù)折射率：電場(chǎng)矢量寫成：代入復(fù)折射率：折射率的實(shí)部決定波的相速度，虛部決定媒

4、質(zhì)的吸收而產(chǎn)生的波振幅的衰減，因此稱虛部為消光系數(shù)或衰減系數(shù)。衰減系數(shù) 如虛部等于0.005 的金屬，波長(zhǎng)為1.0m的光傳輸距離為36 m 。等離子體：宏觀上呈電中性、體內(nèi)所含正電荷數(shù)與負(fù)電荷數(shù)幾乎處處相等的多粒子系。金屬中的自由電子被局限在正離子構(gòu)成的晶體點(diǎn)陣內(nèi)作無(wú)規(guī)則運(yùn)動(dòng)，單位體積內(nèi)自由電子所帶的負(fù)電荷數(shù)與正離子所帶的正電荷數(shù)相等，呈等離子狀態(tài)。Evaluation only.Created with Aspose.Slides for .NET 3.5 Client Pro.Copyright 2004-2011 Aspose Pty Ltd.5等離子體表面波及存在的條件什么是等離子體表

5、面波SPW（ Surface Plasma Wave）？指在一定條件下，出現(xiàn)在金屬與電介質(zhì)分界面上傳播的平面電磁波，其振幅隨離開(kāi)分界面的距離按指數(shù)衰減。SPW存在條件：SPW一定是TM波（ P偏振光）；只存在于兩側(cè)電容率符號(hào)相反的分界面，在光頻范圍內(nèi)，金屬和電介質(zhì)的分界面存在SPW；SPW傳播常數(shù)：Evaluation only.Created with Aspose.Slides for .NET 3.5 Client Pro.Copyright 2004-2011 Aspose Pty Ltd.6表面等離子體子共振SPR （ Surface Plasmon Resonance ）利用光在發(fā)

6、生全反射時(shí)的消逝波, 激發(fā)金屬表面的自由電子產(chǎn)生等離子體表面波。當(dāng)消逝波與等離子體表面波傳播常數(shù)相等時(shí)發(fā)生共振，稱此時(shí)的入射角為共振角。設(shè)入射光角頻率為，在棱鏡底面全反射時(shí)的入射角為，則消逝波在界面x方向的傳播常數(shù)為：金屬表面等離子波傳播常數(shù)：共振角xEvaluation only.Created with Aspose.Slides for .NET 3.5 Client Pro.Copyright 2004-2011 Aspose Pty Ltd.7衰減全反射ATR ( Attenuated Total Reflection-ATR)一旦入射P偏振光與SPW耦合并產(chǎn)生共振，SPW可增強(qiáng)幾百

7、倍，稱為表面等離子體共振SPR 。衰減全反射(ATR)：因消失波的存在, 光線在界面處的全內(nèi)反射將產(chǎn)生一個(gè)位移D (古斯-漢森位移), 即將沿X 軸方向傳播一定距離。若光疏介質(zhì)對(duì)光線沒(méi)有吸收并無(wú)其它損耗, 則全內(nèi)反射強(qiáng)度并不會(huì)被衰減, 消失波沿光疏介質(zhì)表面在x 方向傳播約半個(gè)波長(zhǎng), 再返回光密介質(zhì)。反之, 光能會(huì)損失,這樣引起的能量損失稱為衰減全反射(ATR) Evaluation only.Created with Aspose.Slides for .NET 3.5 Client Pro.Copyright 2004-2011 Aspose Pty Ltd.8衰減全反射ATR ( Atte

8、nuated Total Reflection-ATR) 共振時(shí)界面處的全反射條件將被破壞, 呈現(xiàn)全反射衰減現(xiàn)象,使反射光能量急劇下降, 在反射光譜上出現(xiàn)共振峰，即反射率出現(xiàn)最小值，稱為衰減全反射ATR 。影響SPR的因素：金屬膜表面介質(zhì)的光學(xué)特性、厚度；入射光的入射角、波長(zhǎng)和偏振狀態(tài)； Evaluation only.Created with Aspose.Slides for .NET 3.5 Client Pro.Copyright 2004-2011 Aspose Pty Ltd.9等離子體表面波激發(fā)方式空間光與SPW耦合的典型結(jié)構(gòu)：Otto結(jié)構(gòu)：金屬和全內(nèi)反射表面之間有約幾十納米的介

9、質(zhì)間隙,金屬可以是半無(wú)限寬。入射光在棱鏡底面發(fā)生全內(nèi)反射, 而消失波作用于間隙與金屬界面, 并在此界面發(fā)生SPR。Kretschmann結(jié)構(gòu)：采用真空蒸鍍,磁控濺射等方法直接在全內(nèi)反射表面鍍一層幾十納米厚的金屬，應(yīng)用最廣。消失波透過(guò)金屬薄膜, 在金屬膜外側(cè)界面處發(fā)生表面等離子體子共振。棱鏡金屬介質(zhì)Otto結(jié)構(gòu)棱鏡金屬膜Kretschmann結(jié)構(gòu)Evaluation only.Created with Aspose.Slides for .NET 3.5 Client Pro.Copyright 2004-2011 Aspose Pty Ltd.10表面等離子體子其他激發(fā)方式 (a) two-l

10、ayer Kretschmann geometry, (b) excitation with a SNOM probe, (c) diffraction on a grating, (d) diffraction on surface features. Evaluation only.Created with Aspose.Slides for .NET 3.5 Client Pro.Copyright 2004-2011 Aspose Pty Ltd.11SPR傳感器的實(shí)際應(yīng)用SPR傳感器可獲取緊靠在金屬薄膜表面介質(zhì)層的光學(xué)常數(shù), 從而進(jìn)一步得到介質(zhì)的其它信息，如：由膜厚估計(jì)成膜物質(zhì)的結(jié)構(gòu)

11、排列；由介質(zhì)的折射率、膜厚度、吸收系數(shù)計(jì)算吸附物質(zhì)的質(zhì)量, 進(jìn)而求得相互作用的生物大分子之間鍵的參數(shù)；主要用于生物科學(xué)和生命科學(xué)領(lǐng)域：抗原- 抗體反應(yīng)測(cè)定：用于免疫分析，選擇不同抗體用于治療、檢測(cè)、診斷。蛋白質(zhì)相互作用分析；DNA 與蛋白質(zhì)相互作用分析，此前一直沒(méi)有簡(jiǎn)便快捷的方法；實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)DNA 分子間的相互作用：SPR不僅可用于研究蛋白質(zhì)- 蛋白質(zhì), 蛋白質(zhì)-DNA 之間的相互作用, 也可用于研究核酸間的相互作用,實(shí)時(shí)追蹤核酸反應(yīng)的全過(guò)程,包括基因裝配、DNA 合成延伸、DNA 的特異切割。藥物篩選及鑒定；藥物篩選是SPR 技術(shù)的另一個(gè)應(yīng)用熱點(diǎn)。Evaluation only.Created

12、 with Aspose.Slides for .NET 3.5 Client Pro.Copyright 2004-2011 Aspose Pty Ltd.12SPR 生物傳感器檢測(cè)過(guò)程：將一種具特異識(shí)別屬性的分子即配體固定于金屬膜表面；在復(fù)合物形成或解離過(guò)程中,金屬膜表面溶液的折射率發(fā)生變化；SPR實(shí)時(shí)檢測(cè)折射率變化，監(jiān)控溶液中的被分析物與該配體的結(jié)合過(guò)程；特點(diǎn)：實(shí)時(shí)過(guò)程檢測(cè)、無(wú)需標(biāo)記、耗樣最少等。Evaluation only.Created with Aspose.Slides for .NET 3.5 Client Pro.Copyright 2004-2011 Aspose Pty

13、 Ltd.13SPR傳感器基本結(jié)構(gòu)與耦合方式基本組成：光波導(dǎo)耦合器件金屬膜分子敏感膜耦合方式：Krestschmann棱鏡型Otto棱鏡型光纖在線傳輸式光纖終端反射式光柵型金屬膜分子敏感膜Evaluation only.Created with Aspose.Slides for .NET 3.5 Client Pro.Copyright 2004-2011 Aspose Pty Ltd.14光纖在線傳輸式光纖終端反射式光柵型Evaluation only.Created with Aspose.Slides for .NET 3.5 Client Pro.Copyright 2004-201

14、1 Aspose Pty Ltd.15SPR檢測(cè)方式、傳感器靈敏度 檢測(cè)方式：角度調(diào)制：固定in，改變in波長(zhǎng)調(diào)制：固定in ，改變in強(qiáng)度調(diào)制：固定in 、in，改變光強(qiáng)相位調(diào)制：固定in 、in，測(cè)相位變化傳感器靈敏度：特征參數(shù)：共振角(或共振波長(zhǎng)) 、共振半峰寬度 (共振峰高一半處的波寬) 和共振深度(共振峰的高度,即相對(duì)能量反射率) 。特征參數(shù)取決于金屬薄膜及其表面介質(zhì)的光學(xué)參數(shù):膜厚度d（一般在55nm 左右）、折射率n 和吸收系數(shù)k 。Evaluation only.Created with Aspose.Slides for .NET 3.5 Client Pro.Copyrig

15、ht 2004-2011 Aspose Pty Ltd.16角度調(diào)制原理SPR傳感器單色光源，即固定波長(zhǎng)；SPR對(duì)附著在金屬薄膜表面的介質(zhì)折射率非常敏感,當(dāng)表面介質(zhì)的屬性改變或者附著量改變時(shí)，共振角將不同。因此，SPR譜（共振角對(duì)時(shí)間的變化）能夠反映與金屬膜表面接觸的體系的變化。Evaluation only.Created with Aspose.Slides for .NET 3.5 Client Pro.Copyright 2004-2011 Aspose Pty Ltd.17波長(zhǎng)調(diào)制原理SPR傳感器固定入射角而改變波長(zhǎng)；光源發(fā)出的復(fù)色光，經(jīng)準(zhǔn)直后變成平行偏振光以一定的角度照射，在棱鏡底

16、部全反射，攜帶被測(cè)信息輸出經(jīng)透鏡進(jìn)光纖，由光柵對(duì)不同波長(zhǎng)分光（光柵單色儀），CCD檢測(cè)不同波長(zhǎng)光的強(qiáng)度。Evaluation only.Created with Aspose.Slides for .NET 3.5 Client Pro.Copyright 2004-2011 Aspose Pty Ltd.18相位調(diào)制原理SPR傳感器橫向塞曼激光器能直接輸出正交偏振態(tài)、低頻差的線偏振光，P 偏振光能激發(fā)等離子體共振；S 偏振光與P 偏振光之間的頻差穩(wěn)定，卻可以細(xì)分提高相位分辨率；SPR共振發(fā)生時(shí),P 偏振光的相位變化,而S 偏振光幾乎不變,兩分量之間產(chǎn)生相位差。相位差隨生物分子與傳感層上的分子

17、結(jié)合強(qiáng)度和速率變化。利用雙頻干涉原理檢測(cè)相位變化。1：橫向塞曼穩(wěn)頻激光器；7、13：偏振片；8、12：光電接收器；9、11：前置放大器10：相位計(jì)14 ：計(jì)算機(jī)26：SPR傳感器Evaluation only.Created with Aspose.Slides for .NET 3.5 Client Pro.Copyright 2004-2011 Aspose Pty Ltd.19SPR 傳感器其他應(yīng)用 其他應(yīng)用：航天醫(yī)學(xué)、生物芯片（利用SPR 相位調(diào)制檢測(cè)蛋白質(zhì)芯片）、掃描近場(chǎng)光學(xué)顯微技術(shù)、薄膜光學(xué)和膜厚測(cè)量、全息成像技術(shù)、Q開(kāi)關(guān)、精密角度測(cè)量等領(lǐng)域。 Evaluation only.Cr

18、eated with Aspose.Slides for .NET 3.5 Client Pro.Copyright 2004-2011 Aspose Pty Ltd.20SPR應(yīng)用于近場(chǎng)掃描光學(xué)顯微技術(shù)NSOM 的光纖微探針尖端無(wú)法做得很細(xì),因此分辨率只能達(dá)到十幾納米,不能象STM和AFM那樣達(dá)到原子級(jí)分辨率。SPW 在金屬表面?zhèn)鞑r(shí),遇到雜質(zhì)、缺陷等將會(huì)發(fā)生散射,此處共振的SPW作圓錐輻射,圓錐頂角與入射角相同。若AFM的實(shí)心針尖在金屬表面掃描,將作為一個(gè)散射中心,輻射出的圓錐形光攜帶針尖處的信息. 由于圓錐輻射光比較微弱, 一般用一個(gè)鎖相放大器以 一定頻率驅(qū)動(dòng)微懸臂,并檢 測(cè)光電轉(zhuǎn)換器件的輸出信 號(hào)中的同頻成分.Evaluation only.Created with Aspose.Slides for .NET 3.5 Client Pro.Copyright 2004-2011 Aspose Pty Ltd.21薄膜光學(xué)和膜厚測(cè)量在Kretschmann型SPR配置中的金屬膜上覆蓋待測(cè)薄膜,依據(jù)測(cè)得的ATR 曲線, 可以用雙層膜菲涅爾公式擬合計(jì)算待測(cè)薄膜的光學(xué)