基于波长调制SPR折射率测量系统研究

【摘要】：表面等离子激元共振（Surface Plasmon Resonance, SPR）现象对于与产生表面等离子激元的金属薄膜相接触介质（或膜层）的折射率极其灵敏，基于这种特性，SPR传感检测技术倍受关注，并且得到快速发展，已在生物传感、化学分析、药品研发、食品安全、环境监测、医学诊断等领域得到广泛应用。SPR传感器有四种调制方式，即角度、波长、强度和相位调制。本论文将开展基于波长调制的SPR传感检测技术研究，拟解决的关键问题包括：金属薄膜色散特性的准确测定；折射率测量过程中量程与灵敏度及分辨率相互制约问题；气体敏感膜的波长敏感特性的快速分析等。 采用波长调制SPR检测技术，确定金属薄膜的厚度和光学色散特性。金属薄膜复折射率和厚度的准确测量对SPR传感技术十分关键，其原因有两点：金属薄膜本身是SPR传感器的重要组成部分，其介电常数和厚度直接决定了传感器的性能；利用SPR技术分析其它介质时，金属薄膜本身的光学和几何参数必须首先被精确测量。对于波长调制型SPR传感器，则需要获得覆盖一定波长范围的金属薄膜的介电常数信息，即金属薄膜的色散特性。目前已报道的利用SPR技术测量金属薄膜在某一单波长处以及数个波长处（色散）的介电常数，均采用的是角度调制方法。利用角度调制方法研究色散特性，研究方法本身就注定了测量过程的复杂性和较大的离散性，原因是对于数十个波长中的每个波长，都要分别重复进行角度扫描测量。本论文中，我们将采用波长调制方法，也就是利用表面等离子激元的频谱特性，来测量金属薄膜色散特性和厚度。利用宽带光源（卤钨灯），只须进行一次角度扫描，即可同时测定几十个波长处金属薄膜的介电常数和膜厚，进而获得相应的色散曲线。 波长与角度共同调制型SPR折射率测量系统研究。对于波长调制型SPR传感器，其折射率检测灵敏度随波长的增加而提高。我们将采用处于长波长处且带宽相对较窄的宽带光源（700nm~900nm），利用表面等离子激元的反射功率谱来测量周围介质的折射率，从而获得相对较高的灵敏度和分辨率。但是光源带宽的减小，必然使可测量折射率的量程缩小。为了解决量程与灵敏度及分辨率之间相互制约问题，我们将采取分段测量方法：将入射光调变到几个不同的入射角，每个入射角对应于不同的折射率测量范围，通过波长与角度共同调制的方法，既覆盖整个折射率测量范围，又提高了检测灵敏度和分辨率。 利用表面等离子激元的频谱特性分析SPR传感膜的波长敏感特性。我们将以乙醇气体敏感膜（Cr-Au-TiO2三层膜系）为例，利用表面等离子激元的频谱特性，准确、方便地给出敏感膜系的波长-折射率变化关系，进而给出敏感膜的波长灵敏度特性。这种分析方法，对于敏感膜的设计、优化和制备提供了有效的实验检测手段。