一种表面等离子共振传感器
阅读：189发布：2020-05-11
专利汇可以提供一种表面等离子共振传感器专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本 发明 公开了一种基于平面介质栅耦合的 表面等离子共振 传感器 ，包括平面介质栅，纳米厚度金属膜和玻璃基底，所述的平面介质栅的上表面与环境介质 接触 ，环境中被探测物质的折射率改变导致入射波矢量的改变，导致平面正弦栅的衍射谱的改变；所述的平面介质栅的下表面与纳米厚度金属膜相连，平面介质栅引入的额外波矢量，能在界面处激发表面等离子共振效应。平面介质栅由光折变材料组成，其 介电常数 在空间上正弦分布；所述平面介质栅光栅矢量K可以倾斜。此传感器具有制备简单，由于每层都是平面结构易于光学集成，可以向低成本，集成化，阵列化发展，且工作稳定和灵敏度高的优点，在矿井安全，空气污染等领域提供了有效的研究手段。，下面是一种表面等离子共振传感器专利的具体信息内容。
一种表面等离子共振传感器
技术领域
背景技术
[0002] 表面等离子共振（SPR）是一种物理现象，当入射光以临界角入射到两种不同折射率的介质界面（比如玻璃表面的金或银镀层）时，可引起金属自由电子的共振，由于电子吸收了光能量，从而在反射光强的响应曲线看到一个最小的尖峰，此时对应的入射光波长为共振波长，对应的入射角为共振角。根据这一原理研制的表面等离子体传感器在检测、 分析生物分子间的相互作用等方面得到广泛的应用。由于其具有体积小、 测量准确度高、 抗电磁干扰能力强，因此表面等离子共振传感器在生物医学、 环境保护、 食品及化学等领域具有广泛的应用前景。
[0003] Kretschmann利用衰减全反射棱镜藕合方法, 实现光激发表面等离子波, 为SPR传感器的商用化奠定了基础。表面等离子共振传感技术作为一种新型的光电检测技术近年来己经在国外得到了迅速的发展和应用。瑞典的BIAcore AB、美国的Affinity Sensors、Texas Instrument，日本的Nippon Laser Electronics等公司相继有产品投入商用。在我国，对此类SPR生化分析仪的需求也日趋迫切，对其研制和开发也是非常必要和紧迫的。值得一提的是中科院电子所开发的SPR-2000型产品是我国自主研发的SPR传感仪,最近又获得新的进展。此外国内开展此项研究的科研院校还有清华大学精密仪器与机械学系余兴龙课题组，吉林大学宋大千课题组，浙江大学王晓萍课题组以及南京航空航天大学梁大开课题组在这方面取得了不错的进展。从目前产品的结构原理来看，无论是国外的BIAcore AB，还是中科院SPR-2000型表面等离子共振生化分析仪均属于棱镜结构，而且几乎都是采用角度调制模型建立起来的SPR生化分析仪器。尽管这些仪器采用了先进的虚拟仪器技术以及嵌入式微控制器为主体的仪器系统，由于系统中需要一套精确测角机构和角度调整装置，增加了仪器的构建难度和成本。
[0004] 提高传感器性能, 实现阵列化、集成化, 采用新型传感装置和检测技术, 以及拓展新的应用领域已成为当前及未来传感器发展的主要方向。其中结合光栅、光波导，光纤技术的SPR传感器在降低成本, 实现小型化、集成化及高稳定性等方面有独特优势, 可推动传感器的普及和拓展新的应用领域。
发明内容
[0005] 本发明所要解决的技术问题是提供一种表面等离子共振传感器，具有低成本，微型化，阵列化的特点。
[0006] 为解决上述技术问题，本发明的技术方案是：一种表面等离子共振传感器，包括纳米厚度金属膜和玻璃基底，其特征在于，还包括平面介质栅,所述的平面介质栅的上表面与环境介质接触，下表面与所述纳米厚度金属膜相连；所述平面介质栅的厚度为60nm-200nm，可调度为0.05-0.15，所述纳米厚度金属膜的厚度为50nm-200nm。环境中被探测物质的折射率改变导致入射波矢量的改变，导致平面正弦栅的衍射谱的改变；平面介质栅引入的额外波矢量，能在界面处激发表面等离子共振效应。所述的平面介质栅由常见的重铬酸盐明胶材料组成。所述平面介质栅的光栅矢量方位角为大于0°小于180°。所述纳米厚度金属膜为表面连续的金属膜。
[0008] 与金属光栅或其他面型介质栅比，平面正弦栅除了光栅周期，厚度可以控制外，还增加了光栅矢量K可控，设计更加灵活。通过调光栅矢量K，就可以间接的调制界面沿X方向的光栅周期，从而调制表面等离子的共振波长，消除了制备不同周期的光栅需要不同波长激光制备的弱点。附图说明
[0009] 下面结合附图和具体实施方式对本发明的技术方案作进一步具体说明。
[0010] 图1为本发明表面等离子共振传感器的截面示意图，图2为实施例1的反射谱。
[0011] 图3为实施例2的反射谱。
[0012] 图4为实施例3的反射谱。
[0013] 图5为实施例4的反射谱。
[0014] 图6为实施例5的反射谱。
具体实施方式
[0015] 如图1所示的本发明表面等离子共振传感器截面示意图，包括平面介质栅1、纳米厚度金属膜2和玻璃基底3，平面介质栅1的厚度为60nm-200nm，折射率调制度为0.05-0.15，平面介质栅的上表面与环境介质接触，下表面与纳米厚度金属膜2相连,环境介质折射率在图2~图6中用n1表示；纳米厚度金属膜的下表面与玻璃基底的上平面连接。
纳米厚度金属膜的厚度为50nm-200nm。光栅矢量K方位角在大于0°小于180°的范围内可调。
纳米厚度金属膜的厚度为50nm-200nm。光栅矢量K方位角在大于0°小于180°的范围内可调。
[0016] 下面给出几个具体实施例，在下列实施例中，选择平面介质栅的光栅周期比相应光源的波长小，即为亚波长光栅，比如白光光源，周期可选400~600nm，如果是光通信波段（1300-1600nm）,周期可选1000-1200 nm较好。 另外光栅材料可选重铬酸盐明胶，未调制时的折射率对应为1.50，可获得较大折射率调制度，是理想的制备平面正弦光栅材料。
[0017] 实施例1本实施例的表面等离子共振传感器的平面介质栅的周期为500nm,厚度为60nm，光栅矢量K方位角为120º，折射率为1.5，调制度为0.15。纳米厚度金属膜选用贵金属银膜，厚度为100nm。所述的玻璃基底折射率为1.46。在环境折射率为1或1.1，垂直入射的条件下，得到如图2所示的检测图谱。
[0018] 图中表明该实例参数下表面等离子共振吸收峰尖锐，全宽半高（FWHH）为4nm；另一方面环境折射率改变0.1，共振波长改变了42nm，灵敏度为420nm每折射率单位。该实例具有良好的环境折射率传感性能，品质因子（灵敏度/全宽半高）为105。
[0019] 实施例2本实施例的表面等离子共振传感器的平面介质栅的周期为500nm,厚度为60nm，光栅矢量K方位角为120º，折射率为1.5，调制度为0.05。纳米厚度金属膜选用贵金属银膜，厚度为100nm。所述的玻璃基底折射率为1.46。在环境折射率为1或1.1，入射角为0°的条件下，得到如图3所示的检测图谱。与实例1参数相比，仅折射率调制度减小，由图3可知，反射共振吸收峰的位置没变，只是深度稍变浅，而灵敏度，全宽半高及品质因子都没变。
[0020] 实施例3本实施例的表面等离子共振传感器的平面介质栅的周期为500nm，厚度为60nm，光栅矢量K方位角为120º，折射率为1.52，调制度为0.1。纳米厚度金属膜选用贵金属银膜，厚度为100nm。所述的玻璃基底折射率为1.72。在环境折射率为1或1.1，垂直入射的条件下，得到如图4所示的检测图谱。与图3接近，说明在配备重铬酸盐明胶的溶液时引起的误差导致光栅折射率的微小变化对传感性能的影响不大，。
[0021] 实施例4本实施例的表面等离子共振传感器的平面介质栅的周期为600nm，厚度为100nm，光栅矢量K方位角为90º，折射率为1.50，调制度为0.08。纳米厚度金属膜选用贵金属银膜，厚度为200nm。所述的玻璃基底折射率为1.72。在环境折射率为1或1.1，入射角为10°的条件下，得到如图5所示的检测图谱。灵敏度为290nm每折射率单位，全宽半高也相应变小为3，这样品质因子为96.7。
[0022] 实施例5本实施例的表面等离子共振传感器的平面介质栅的周期为1000nm，厚度为200nm，光栅矢量K方位角为90º，折射率为1.5，调制度为0.15。纳米厚度金属膜选用贵金属银膜，厚度为100nm。所述的玻璃基底折射率为1.46。在环境折射率为1.3或1.4，入射角为0°的条件下，得到如图6所示的检测图谱。该实例适用光通信波段，传感性能与可见光波段相似，灵敏度为540纳米每单位折射率，全宽半高为5nm，品质因子为108。
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