[发明专利]调谐长程SPR器件及利用该器件检测折射率的方法

说明书

本发明公开一种调谐长程SPR器件及利用该器件检测折射率的方法，该调谐长程SPR器件包括激光器、透镜、棱镜、LRSPR传感芯片、检测介质层、单元光电探测器、可调电压输出装置和数据处理系统；LRSPR传感芯片依次包括制备于棱镜底面上的氧化物导电层、外场调制介质层、缓冲介质层、金属功能层、表面修饰层和样品池；可调电压输出装置由数据处理系统控制；样品池用于盛放检测介质层，且样品池设置于表面修饰层的下表面处，其与样品池之间留有一间隙；检测介质层的液面与表面修饰层的下表面接触。本发明调谐长程SPR器件结构简单，其通过测量外场的信号可计算出检测介质层折射率的变化，其检测响应速度快，检测动态范围大，提高了传感器的实用性。

技术领域

本发明涉及传感器及传感器技术领域，尤其涉及一种调谐长程SPR器件及利用该器件检测折射率的方法。

背景技术

表面等离子SP是沿着金属和电介质间界面传播的由金属表面电荷的集体振荡形成的振动模式；表面等离子波SPW存在于两种介电常数符号相反(一般为金属与电介质)的介质界面上，并沿金属表面传播。当金属两侧介质层(即缓冲介质层和检测介质层)的折射率相同而且金属薄膜厚度很小时发生，这种情况下金属薄膜上下两介质表面同时产生的SPW产生交叠简并形成驻波，导致SPW 分成对称和不对称两种模式，其中对称模式由于传播过程中的衰减小于不对称模式,因而称为长程表面等离子LRSP结构。

长程表面等离子LRSP结构中，通过耦合器(比如棱镜、光栅和波导等)的光束中垂直于介质表面的波矢分量(TM模式)可以激发金属表面电子振荡形成倏逝波，当光束平行于介质界面的波矢分量与SPW的传播常数匹配时，当光束满足一定波长和入射角度条件时，光束能量耦合进入SPW的能量比例最大，此时反射光能量最弱，形成长程表面等离子共振LRSPR，产生LRSPR的光波入射角度称为共振角度，同时在反射光强的响应曲线上出现强度衰减的尖峰，这个尖峰称为共振吸收峰。LRSPR传感器的检测分辨率和响应速度是非常重要的性能指标，其中分辨率用分析物折射率(Refractive Index Unit,简称为RIU)最小可测变化描述。

为了通过LRSPR现象实现金属表面附近折射率变化的检测，需要改变入射光的角度测量反射光强度的变化或相位延迟的变化，改变入射光的波长测量反射光强度的变化，或者固定入射光角度和波长直接测量反射光强度的变化，基于以上原理，LRSPR测量方法可以分为角度测量、波长测量、强度测量和相位测量。

角度测量LRSPR传感器通过准直光束入射、机械转台旋转棱镜和单元光电探测器得到反射光强度和入射角的对应关系，响应速度较慢，此外受到角度位置误差、光源信号稳定性和光电探测器测量误差的影响，这种方法的分辨率为 10^-5-10^-6RIU。

波长测量LRSPR传感器最初通过多波长分布的光束入射和光谱仪测量反射光中不同波长强度分布的方法，分辨率可以达到小于2.5×10^-6RIU，这种传感器因受到仪器复杂度的影响，实用性不高。

相位测量LRSPR传感器技术中，利用LRSPR共振条件的改变引起反射光相位延迟的变化特性，采用平行于介质表面的波矢分量(TE模式)的参考光束和TM模式的信号光束进行干涉的方法计算SPR引起的相位延迟变化，推导出分辨率可以达到2×10^-7RIU，动态范围为2×10^-2RIU。这种传感器因工作原理和仪器的复杂度使其响应速度较慢，难以得到实际应用。

强度测量LRSPR传感器最初采用单元光电探测器固定在共振角度附近测量反射光强度变化的方法，这种方法虽然工作原理简单，响应速度快，但是受到光电探测器位置、入射光强度和背景光强度的涨落、光电探测器测量误差和共振吸收峰几何特性(比如对称性和形状的改变)的影响，16个脱氧核糖核苷酸长度的序列检测极限为5nm，计算得到的分辨率只有10^-5-10^-6RIU。根据强度测量LRSPR传感器结构参数计算得到的动态范围只有1.6x10^-3RIU，故降低了传感器的实用性。