CN101865841A - 一种高灵敏度表面等离子体共振传感器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高灵敏度表面等离子体共振传感器，该传感器依次由透明电介质基底(2)、低折射率介质薄层(3)和高折射率介质薄层(4)交替组成的多层介质层以及金属薄膜层(5)组成，传感器的透明电介质基底的一侧与耦合棱镜(1)相临，金属薄膜层的一侧与被测样品(6)相临，多层介质层中的低折射率介质薄层和高折射率介质薄层的总层数为奇数，且各层厚度均不相等，与透明电介质基底和金属薄膜层相临的都是多层介质层中的低折射率介质薄层。该传感器相比于传统基于单层金属薄膜层的表面等离子体共振传感器，其灵敏度显著提升，同时多层介质层结构相对简单，总厚度较小，易于加工并降低了成本，因此具有较强的实用价值。

Description

一种高灵敏度表面等离子体共振传感器

技术领域

本发明涉及传感器及传感技术领域，具体涉及一种高灵敏度表面等离子体共振传感器。

背景技术

表面等离子体是由光和金属表面自由电子的相互作用所引起的一种电磁波模式。这种模式存在于金属与介质界面附近，其场强在界面处达到最大，且在界面两侧均沿垂直于界面的方向呈指数式衰减。

表面等离子体的产生需要满足特定的条件。由于表面等离子体的波矢比同频率下其所存在界面的一侧的介质中的光波矢要大，因此只有在满足波矢匹配的情形下才能产生表面等离子体，形成表面等离子体共振。由于发生共振时入射光被吸收，使反射光能量急剧下降，表现为反射率衰减的尖峰，此即为表面等离子体共振峰，产生表面等离子体共振的光波波长称为共振波长，光波入射角度称为共振角。

表面等离子体共振对金属附近介质的折射率、厚度等参数变化比较敏感，这些参数的改变会引发表面等离子体共振条件的变化(包括共振角度、共振波长、强度、相位等)，因此可以被应用到传感领域。同时由于表面等离子体在界面处有非常大的局部场增强效应，因此可以大幅提高传感灵敏度。基于表面等离子体共振技术的传感器的优点是：测量的灵敏度较高、响应速度快、体积小、机械强度强以及抗干扰能力强等，因此，表面等离子体共振传感技术在近年来已经成为生化检测的热门测量手段，在生物分子相互作用、药物筛选、临床诊断、食物检测、环境监控以及生物学等领域具有广泛的应用前景。

目前，基于金属薄膜层的表面等离子体共振传感器通常是通过高折射率棱镜耦合的方法来实现空间波矢与表面等离子体波矢的相位匹配，从而共振激发金属薄膜层与被测样品分界面处的表面等离子体。被测样品折射率等参数的变化引发棱镜中光波与表面等离子体波的耦合情况的改变，通过检测再次从棱镜中耦合输出的光波特性，就可以实现对被测样品折射率等参数的测量，该方案通常称为衰减全反射法。

由于传统的基于单层金属薄膜层的表面等离子体共振传感器的灵敏度相对较低，近年来研究人员尝试多种方法以提高其灵敏度，其中引入新型表面等离子体共振传感芯片成为有效途径之一。但目前大多数新型传感芯片包含较复杂的微纳结构，加工工艺复杂且对加工精度的要求很高，因此，如何保证高灵敏度的同时，简化表面等离子体共振传感芯片的结构成为亟待解决的问题。

本发明在基于单层金属薄膜层的表面等离子体共振传感器的基础上，在金属薄膜层和透明电介质基底之间引入了由低折射率介质薄层和高折射率介质薄层交替组成的多层介质层。多层介质层的引入，使得该表面等离子体共振传感器的灵敏度得到了明显提高。此外，由于多层介质层结构简单，总厚度较小，可采用蒸镀法制备，易于加工且厚度可控性好，同时加工成本较低，因此该表面等离子体共振传感器具有较强的实用价值。

发明内容

本发明的目的是克服传统表面等离子体共振传感器灵敏度较低的缺陷，从而提出一种易于加工的高灵敏度表面等离子体共振传感器。

本发明提供了一种高灵敏度表面等离子体共振传感器，依次由透明电介质基底(2)、低折射率介质薄层(3)和高折射率介质薄层(4)交替组成的多层介质层以及金属薄膜层(5)组成，传感器的透明电介质基底的一侧与耦合棱镜(1)相临，金属薄膜层的一侧与被测样品(6)相临；多层介质层中的低折射率介质薄层和高折射率介质薄层的总层数需满足条件2n+1(n为正整数)，其中低折射率介质薄层的层数为n+1，高折射率介质薄层的层数为n，分别与透明电介质基底和金属薄膜层相临的都是多层介质层中的低折射率介质薄层；多层介质层中的各薄层厚度均不相等，同时各薄层厚度需满足：ndsin(θ_tr)≤λ，其中，n是该薄层的折射率，d是该薄层厚度，λ是入射到传感器的光的波长，θ_tr是传感器测量被测样品并发生全反射时透明电介质基底与多层介质层交界面上的入射光的入射角；该多层介质层的反射率满足以下条件：将传感器的金属薄膜层及被测样品替换为厚度无限且折射率与高折射率介质薄层材料的折射率相同的材料时的多层介质层的反射率，从(θ_tr+m)度至(θ_tr+2m)度范围内必须大于等于0.8，m＝(10/n)度。

所述高灵敏度表面等离子体共振传感器中透明电介质基底的材料折射率必须小于等于耦合棱镜的材料折射率，所述透明电介质基底的材料为玻璃、有机聚合物材料中的一种。

所述高灵敏度表面等离子体共振传感器中金属薄膜层的材料为能够产生表面等离子体共振效应的金属，包括金、银、铝、铜、钛、镍、铬中的任何一种、或是各自的合金、或是不同金属层复合的材料。

所述高灵敏度表面等离子体共振传感器中的金属薄膜层的厚度介于15nm-100nm之间。

所述高灵敏度表面等离子体共振传感器中组成多层介质层的高折射率介质薄层材料与低折射率介质薄层材料的折射率比值必须大于1.2。在此前提下，组成多层介质层的低折射率介质薄层材料是二氧化硅、氟化镁、三氧化二铝中的任何一种，或是低折射率有机聚合物材料；组成多层介质层的高折射率介质薄层材料是二氧化钛、五氧化二钽、硅中的任何一种，或是高折射率有机聚合物材料。

本发明的高灵敏度表面等离子体共振传感器具有以下优点：

1.传感器性能高于传统基于单层金属薄膜层的表面等离子体共振传感器，只需引入厚度很薄的多层介质层即可获得成倍的灵敏度提高，同时节省了材料和成本。

2.加工工艺简单可控，多层介质层结构可以采取热蒸镀的方式实现，厚度可控性好，误差小。

附图说明

图1是高灵敏度表面等离子体共振传感器的结构示意图。

图2是实例所述高灵敏度表面等离子体共振传感器的结构示意图。

图3是实例所述覆盖高折射率介质的多层介质层的结构示意图。

图4是如图3所示结构下的不同角度下的多层介质层的反射率曲线。

图5是实例所述高灵敏度表面等离子体共振传感器在大角度范围内的反射率曲线图。

图6是实例所述高灵敏度表面等离子体共振传感器在小角度范围内的反射率曲线图。

具体实施方式

图2给出了一个根据发明内容所述的高灵敏度表面等离子体共振传感器实例的结构示意图。

在本实例中，输入的光信号的波长λ选定为632.8nm，耦合棱镜(201)和透明电介质基底(202)的材料为ZF3玻璃，其折射率为1.71239；多层介质层中的低折射率介质薄层(203)的材料为二氧化硅，其折射率为1.457；多层介质层中的高折射率介质薄层(204)的材料为五氧化二钽，其折射率为2.0373；金属薄膜层(205)的材料为金，折射率为0.1807+2.993i；被测样品(206)为水溶液，初始折射率为1.33269，后变为1.33270，二者折射率差Δn＝0.00001。

在本实例中，n为2，即多层介质层共2n+1＝5层，该多层介质层结构由203和204交替组成，其中材料为203的薄层共3层，材料为204的薄层共2层。

在如图2所示的传感器实例中，对多层介质层中各薄层的厚度需要进行设计与优化以满足发明内容所述的覆盖高折射率介质的多层介质层结构(如图3所示)的反射率等条件，最终得到满足上述反射率条件的多层介质层各薄层厚度的解集。

在如图3所示的结构示意图中，耦合棱镜(301)、透明电介质基底(302)以及由低折射率介质薄层(303)和高折射率介质薄层(304)交替组成的多层介质层，其结构组成及各参数均与图2所示结构相同；仅将与多层介质层一侧相临的外部介质设定为无限厚的介质层(305)，该介质层的材料的折射率与多层介质层中的高折射率介质薄层(304)的材料折射率相同。

本实例中图2和图3所示的结构在各角度下的反射率均可通过菲涅尔公式计算得到：

$\left\{\begin{array}{c}R={\left|r_{1,N}\right|}^2\\ r_{i,N}=\frac{r_{i,i+1}+r_{i+1,N}{e}^{2{\mathrm{jd}}_{i+1}{k}_{z,i+1}}}{1+r_{i,i+1}{r}_{i+1,N}{e}^{2{\mathrm{jd}}_{i+1}{k}_{z,i+1}}},(i=N-1,...,\mathrm{2,1};j=\sqrt{-1})\\ r_{i,i+1}=\frac{n_{i+1}^2/k_{z,i+1}-n_i^2/k_{z,i}}{n_{i+1}^2/k_{z,i+1}+n_i^2/k_{z,i}},(i=\mathrm{1,2},.....,N-1)\\ k_{z,i}=\sqrt{{\left(\frac{2\mathrm{\π}}{\mathrm{\λ}}\right)}^2{n}_i^2-k_{0x}^2},(i=\mathrm{1,2},......,N)\\ k_{0x}=\frac{2\mathrm{\π}}{\mathrm{\λ}}{n}_1\sin \mathrm{\θ}\end{array}\right.---\left(1\right)$

公式(1)中，λ是入射光波的波长；θ是传感器的透明电介质基底与多层介质层交界面上的入射光的入射角；n_i是第i层介质的折射率；d_i是第i层介质的厚度；r_i，i+1是第i层与第i+1层交界面上的反射系数；r_1，N是整体结构的反射系数；整体结构的反射率R是r_1，N的模平方；N是该结构的总层数。本实例中，图2所示结构的N为8，图3所示结构的N为7。

根据公式(1)计算得到符合发明内容所述的多层介质层的各薄层厚度的解集，再利用遗传及模拟退火算法在解集中筛选出使传感器灵敏度达到最大的最优解。计算得到的最优解如下：

在如图2所示的传感器实例中，203对应的各薄层厚度依次为d1＝365.3nm、d3＝297.1nm、d5＝399.5nm；204对应的各薄层厚度依次为d2＝117.2nm、d4＝125.9nm；205对应的最优厚度dm＝21.5nm；在实际应用中，透明电介质基底202的厚度一般是毫米级，在本实例中202的厚度ds＝2mm。

上述最优解包含在满足发明内容所述条件的解集中，基于上述最优解的多层介质层满足发明内容所述的反射率条件，其反射率曲线如图4所示(该曲线基于图3所示结构计算得到)。图4中，在角度(θ_tr+m)＝56.1度到(θ_tr+2m)＝61.1度范围内，反射率始终大于0.8。其中，m＝(10/n)度，θ_tr是传感器测量被测样品并发生全反射时透明电介质基底与多层介质层交界面上的入射光的入射角(以下简称全反射角)，全反射角θ_tr的值和透明电介质基底以及被测样品的折射率有关，在本实例中，θ_tr＝51.10度；基于上述最优解的多层介质层满足发明内容所述的各薄层厚度条件：nd sin(θ_tr)≤λ，其中，n是该薄层的折射率，d是该薄层厚度，λ是入射到传感器的光的波长，θ_tr是全反射角。

传感器灵敏度是指传感器响应相对被测量变化的比值。本实例中，通过表面等离子体共振峰的半高宽和强度灵敏度这两个参数来衡量该传感器的灵敏度。

表面等离子体共振峰的半高宽定义为共振峰反射率曲线上最大值一半处对应的峰宽。半高宽越窄标志着共振峰下降沿的斜率越大，也就标志着对被测样品折射率的变化越敏感，因此可以将其作为衡量传感器灵敏度的重要指标。

强度灵敏度是衡量传感器灵敏度的另一重要指标。在其它条件不变的情况下，被测样品的折射率改变Δn，表面等离子体共振峰曲线也会随之变化，具体表现为在相同角度下得到不同的反射率。强度灵敏度SI定义为反射率差Δi与折射率差Δn之比，即：

SI＝Δi/Δn                (2)

利用公式(1)和公式(2)对如图2所示的传感器实例进行仿真，计算得到的大角度范围内的反射率曲线如图5所示。图5中，在全反射角θ_tr右侧54.73度附近出现了一个尖锐的表面等离子体共振峰，该表面等离子体共振峰的下降沿各点对被测样品折射率的变化比较敏感，因此可用于精确传感。图5中包含两条反射率曲线，然而由于被测样品折射率的改变非常微小(Δn＝0.00001)，各角度下的反射率相应的变化也非常细微，因此两条反射率曲线非常接近，在大角度范围内难以分辨。这种细微的变化可以在小角度范围内观测到，如图6所示。图6中实线和虚线分别代表被测样品水溶液的折射率发生变化Δn＝0.00001前后的各角度下的反射率，二者的反射率差Δi在图中竖直点划线位置θ＝54.611度处达到最大，即此角度下的强度灵敏度SI达到最大，值为94.50/RIU。在大角度范围内观测该角度位置，可知强度灵敏度SI达到最大的点位于表面等离子体共振峰的左侧下降沿，即靠近全反射角θ_tr侧的下降沿，如图5所示。表面等离子体共振峰的半高宽为0.421度。

作为对比，基于单层金薄膜层的表面等离子体共振传感器的灵敏度，通过优化计算，当金薄膜层厚度为58.7nm时，强度灵敏度达到最大的28.94/RIU，此时的表面等离子体共振峰的半高宽为4.55度。

因此，由实例可知，所提出的基于多层介质层结构的表面等离子体共振传感器比传统的基于单层金薄膜层的表面等离子体共振传感器的强度灵敏度提高了2.26倍，半高宽缩小到原来的9.3％，并且只增加了总厚度1.3μm的多层介质层。

最后应说明的是，以上各附图中的实例仅用以说明本发明的高灵敏度表面等离子体共振传感器，但非限制。尽管参照实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，都不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (6)

1.一种高灵敏度表面等离子体共振传感器，依次由透明电介质基底、低折射率介质薄层和高折射率介质薄层交替组成的多层介质层以及金属薄膜层组成，传感器的透明电介质基底的一侧与耦合棱镜相临，金属薄膜层的一侧与被测样品相临；多层介质层中的低折射率介质薄层和高折射率介质薄层的总层数需满足条件2n+1(n为正整数)，其中低折射率介质薄层的层数为n+1，高折射率介质薄层的层数为n，分别与透明电介质基底和金属薄膜层相临的都是多层介质层中的低折射率介质薄层；多层介质层中的各薄层厚度均不相等，同时各薄层厚度需满足：ndsin(θ_tr)≤λ，其中，n是该薄层的折射率，d是该薄层厚度，λ是入射到传感器的光的波长，θ_tr是传感器测量被测样品并发生全反射时透明电介质基底与多层介质层交界面上的入射光的入射角；该多层介质层的反射率满足以下条件：将传感器的金属薄膜层及被测样品替换为厚度无限且折射率与高折射率介质薄层材料的折射率相同的材料时的多层介质层的反射率，从(θ_tr+m)度至(θ_tr+2m)度范围内必须大于等于0.8，m＝(10/n)度。

2.根据权利要求1所述的高灵敏度表面等离子体共振传感器，其特征在于，所述结构中透明电介质基底的材料折射率必须小于等于耦合棱镜的材料折射率，所述透明电介质基底的材料为玻璃、有机聚合物材料中的一种。

3.根据权利要求1所述的高灵敏度表面等离子体共振传感器，其特征在于，所述结构中金属薄膜层的材料为能够产生表面等离子体共振效应的金属，包括金、银、铝、铜、钛、镍、铬中的任何一种、或是各自的合金、或是不同金属层复合的材料。

4.根据权利要求1所述的高灵敏度表面等离子体共振传感器，其特征在于，所述结构中金属薄膜层的厚度介于15nm-100nm之间。

5.根据权利要求1所述的高灵敏度表面等离子体共振传感器，其特征在于，所述结构中组成多层介质层的高折射率介质薄层材料与低折射率介质薄层材料的折射率比值必须大于1.2。

6.根据权利要求5所述的多层介质层，其特征在于，所述结构中组成多层介质层的低折射率介质薄层材料是二氧化硅、氟化镁、三氧化二铝中的任何一种，或是低折射率有机聚合物材料；所述结构中组成多层介质层的高折射率介质薄层材料是二氧化钛、五氧化二钽、硅中的任何一种，或是高折射率有机聚合物材料。

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