CN102654457A - 一种折射率传感器及其探测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种折射率传感器及其探测方法。本发明的折射率传感器包括：激发装置和测量装置；激发装置包括单色光源、聚焦器件和传感器芯片；测量装置由漏辐射显微镜系统组成，包括油浸物镜、成像透镜和CCD相机；单色光源经聚焦器件入射到传感器芯片上激发起表面等离激元SP，由油浸物镜收集SP的漏辐射光，经成像透镜后，和另一束参考光同时入射到CCD相机上并发生干涉，CCD相机记录干涉条纹的信息，根据干涉条纹周期来监测金属薄膜上表面待测样品的折射率。本发明的优点在于只需单波长光源，结构简单、成本低；测量对于入射光源的强度波动和探测器的噪声并不敏感；提高了数据测量的准确性；可以实现传感器的微型化和多通道探测。

Description

一种折射率传感器及其探测方法

技术领域

本发明涉及光学测量技术领域，尤其涉及一种基于表面等离激元与参考光干涉效应的折射率传感器及其探测方法。

背景技术

表面等离激元SP（Surface Plasmon）是一种局域在金属/介质界面上，并沿金属表面传播的电磁模式，电磁场强度在垂直于金属表面的方向上指数衰减；并且表面等离激元沿传播方向的波数大于同一频率下光子在该介质中自由传播的波数。通常情况下，光和表面等离激元之间不能直接转换，需要引入纳米结构或特殊配置以满足波矢匹配条件。光与表面等离激元之间的耦合对金属膜上介质的折射率非常敏感，利用这个特性，人们提出了表面等离激元共振SPR（Surface plasmon resonance）传感器来测量介质的折射率。SPR传感器的优点包括无需标记、高灵敏度并且能够实时检测生物分子相互作用的结合与解离的可逆动态过程，是一种较理想的可用于蛋白质组学研究的技术。

基于表面等离激元的光学传感器因其具有巨大的市场应用前景，备受人们关注，从1990年进入商业应用以来，已经成为一种研究生物分子相互作用的重要手段，在食品安全、医疗诊断和环境监测等领域得到了广泛的应用。

目前，一类SPR传感器是基于棱镜的全内反射，对于一定的入射角度入射光可以有效地转换为表面等离激元，通过观察反射光的变化来推知介质的折射率。另一类SPR传感器是基于金属纳米颗粒、金属表面的周期性的纳米孔阵列或其它形状的周期性结构，利用局域表面等离激元的共振效应，通过观察透射谱的变化来获知折射率的变化，这类传感器需要使用光谱仪或波长可调谐光源。现有技术的SPR传感器主要存在以下问题：1）SPR折射率传感方案是采用光谱式探测的方法，需要较为昂贵的光谱仪和宽带光源；2）对干涉条纹的绝对强度进行测量，测量对于入射光源的强度波动和探测器的噪声敏感；3）传统的折射率传感器（如棱镜型的SPR传感器）监测某一个峰或者谷的变化，数据测量不够准确；4）传感器尺寸大，不利于集成。

发明内容

为了实现进一步小型化和简化光源和探测系统，并实现多通道检测，本发明提出了一种基于表面等离激元与参考光干涉效应的折射率传感器，本传感器利用单色光源入射到光栅结构上激发表面等离激元，激发装置和漏辐射显微镜系统相对比较简单，单个通道所要求的检测面积比较小，从而实现了小型的、实时的、无需标定物的高灵敏度的折射率传感器，有利于器件的集成。

本发明的一个目的在于提供一种基于表面等离激元与参考光干涉效应的折射率传感器。

本发明的折射率传感器包括：激发装置和测量装置；激发装置包括单色光源、聚焦器件和传感器芯片；测量装置由漏辐射显微镜系统组成，包括油浸物镜、成像透镜和CCD相机；单色光源发射出来的激光经聚焦器件聚焦，入射到传感器芯片上激发起表面等离激元，产生的表面等离激元沿传感器芯片的金属薄膜的表面传播并以漏辐射场的形式从传感器芯片辐射出来，由油浸物镜收集表面等离激元的漏辐射光，经透镜成像入射到CCD相机上，另有一束参考光同时入射到CCD相机上与漏辐射场发生干涉，并被CCD相机记录干涉条纹的信息；传感器芯片进一步包括：金属薄膜，在金属薄膜上刻有光栅结构，待测样品放置在金属薄膜上，金属薄膜镀在透明衬底上。

聚焦器件可以是柱面镜、透镜、物镜及二元光学元件中的一种。光栅结构是利用微加工手段制备在金属膜上的周期性结构，结构尺寸根据获得比较好的光与表面等离激元之间的耦合效率来确定，其周期与表面等离激元的波长相当。金属薄膜的材料可以是金、银、铜和铝等贵重金属，并且是通过磁控溅射、电子束蒸发或热蒸发等方法镀在透明衬底上的。透明衬底采用适合利用油浸物镜观察的透明介质。

金属薄膜上方的单色光源通过聚焦器件聚焦后入射到光栅结构上，激发起表面等离激元沿金属薄膜表面传播，金属薄膜需足够薄，厚度在100纳米以内，入射激光的一部分直接穿透金属薄膜；沿金属薄膜的表面传播的表面等离激元可以隧穿到金属薄膜-透明衬底界面，最终以一定的角度从透明衬底中辐射出来，一般此辐射角大于衬底-待测物界面的全反射角，所以需要在透明衬底后面用一个数值孔径大于1.0的油浸物镜来收集表面等离激元的漏辐射场。

进一步，本发明的折射率传感器进一步包括在成像透镜和CCD相机之间设置分光滤波系统，分光滤波系统包括：分光镜，将从油浸物镜出射的光分成两路：信号光路和参考光路；在每一光路上分别设置滤波装置，在空间频谱面上分别进行空间滤波，信号光路滤波后仅留下往一侧传播的表面等离激元的漏辐射光即信号光；参考光路滤波后仅让直接透光的激光作为参考光通过；滤波后的信号光和参考光通过另一个分光镜后重新汇聚到一起。信号光和参考光同时入射到CCD相机上发生干涉，并被CCD相机记录干涉条纹的信息。由于参考光的强度比信号光强很多，我们在参考光路中插入一个衰减器以提高干涉条纹的对比度。由于表面等离激元的漏辐射光（信号光）的出射角度与金属薄膜上介质的折射率有关，因此通过观察干涉条纹的周期可以监测待测样品的折射率。

设参考光以角度θ（参考光的波矢与CCD相机的探测平面的法线的夹角，0≤θ≤90°）入射到CCD相机的探测平面上，表面等离激元的漏辐射光以角度α（信号光波矢与CCD相机的探测平面的法线的夹角，0＜α＜90°）同时入射到CCD相机上并发生干涉，该干涉过程可视为两列平面波形成的干涉，干涉强度可表示为：

$I={|E_0{e}^{{\mathrm{ik}}_0\·x\·\sin \mathrm{\θ}}+E_0{e}^{{\mathrm{ik}}_0\·x\·\sin \mathrm{\α}}|}^2=2{\left|E_0\right|}^2+2{\left|E_0\right|}^2\cos ((k_0\sin \mathrm{\α}-k_0\sin \mathrm{\θ})\·x)---\left(1\right)$

其中k₀是光场在自由空间中传播的波数，E₀是振幅；根据上述公式，很容易得到干涉条纹的周期T＝λ₀/|sinα-sinθ|。对于参考光垂直入射到CCD相机的探测平面上（θ＝0）的情形，干涉条纹的周期为T₀＝λ₀/sinα。假设漏辐射显微镜系统的放大倍数为M，则这种情况下CCD相机的探测平面上干涉条纹的周期可以表达为：

$T=\frac{{\mathrm{\λ}}_0}{|\sin \mathrm{\α}-\sin \mathrm{\θ}|}=\frac{{\mathrm{\λ}}_0}{|\frac{{\mathrm{\λ}}_0}{M{\mathrm{\λ}}_{\mathrm{sp}}}-\sin \mathrm{\θ}|}---\left(2\right)$

对等式T＝λ₀/|sinα-sinθ|两边求微分，并结合公式(2)可得，

$\mathrm{dT}=\frac{T^2}{M\·{\mathrm{\λ}}_{\mathrm{sp}}}\·\left|\frac{{\mathrm{d\λ}}_{\mathrm{sp}}}{{\mathrm{\λ}}_{\mathrm{sp}}}\right|---\left(3\right)$

其中，λ₀为入射光的波长，λ_sp为表面等离激元的波长；M为漏辐射显微镜系统的放大倍数。从式（2）可知，当金属薄膜上方的待测样品的折射发生变化时，表面等离激元的波长跟着变化，最终导致干涉条纹的周期也发生改变，因此可通过监测干涉条纹周期来推断待测样品的折射率。从式（3）很容易看出，干涉条纹周期的变化与干涉条纹周期的大小成正比，这样可以通过增大干涉条纹的周期来提高该传感器对待测样品的折射率变化的敏感程度。本发明通过改变参考光入射到CCD相机上的角度，来调控参考光和表面等离激元漏辐射光产生的干涉条纹的周期。

本发明的另一个目的在于提供一种基于表面等离激元与参考光干涉效应的折射率传感器的探测方法。

本发明的一种折射率传感器的探测方法，包括以下步骤：

1)在金属薄膜的上表面搁置待测样品；

2)金属薄膜上方的单色光源发射出来的激光通过聚焦器件聚焦后入射到光栅结构上，激发起表面等离激元沿金属薄膜表面传播，入射激光的一部分直接穿透金属薄膜，沿金属薄膜表面传播的表面等离激元可以隧穿到金属薄膜-透明衬底界面，最终以一定的角度从透明衬底中辐射出来，并在透明衬底的后面用油浸物镜来收集表面等离激元的漏辐射场；

3)油浸物镜收集的光包含表面等离激元的漏辐射光和直接透射的激光两种成分，直接透射的激光被用来作为参考光，参考光以角度θ(参考光的波矢与CCD相机的探测平面的法线的夹角，0≤θ≤90°)入射到CCD相机的探测平面上，表面等离激元的漏辐射光即信号光以角度α(信号光波矢与CCD相机的探测平面的法线的夹角，0＜α＜90°)，同时入射到CCD相机上发生干涉，并被CCD相机记录干涉条纹的周期T；

4)CCD相机的探测平面上干涉条纹的周期如下表示：

$T=\frac{{\mathrm{\λ}}_0}{|\sin \mathrm{\α}-\sin \mathrm{\θ}|}=\frac{{\mathrm{\λ}}_0}{|\frac{{\mathrm{\λ}}_0}{M{\mathrm{\λ}}_{\mathrm{sp}}}-\sin \mathrm{\θ}|}---\left(4\right)$

其中，T为干涉条纹的周期，M为测量系统的放大倍数，λ₀为入射激光的波长，λ_sp为表面等离激元的波长，并根据介质/金属/介质三层波导色散方程：

$e^{-2k_{m}a}=\frac{k_m{\mathrm{\ϵ}}_d+k_d{\mathrm{\ϵ}}_m}{k_m{\mathrm{\ϵ}}_d-k_d{\mathrm{\ϵ}}_m}\·\frac{k_m{\mathrm{\ϵ}}_s+k_s{\mathrm{\ϵ}}_m}{k_m{\mathrm{\ϵ}}_s-k_s{\mathrm{\ϵ}}_d}---\left(5\right)$

其中，k_m ²＝k_sp ²-k₀ ²ε_mr，k_s ²＝k_sp ²-k₀ ²ε_s，k_d ²＝k_sp ²-k₀ ²ε_d，a是金属薄膜的厚度，下标m代表金属薄膜，下标s代表透明衬底，下标d代表待测样品，ε_d为待测样品的介电常数，ε_m为金属薄膜的介电常数，ε_mr为金属薄膜的介电常数的实部，ε_s为透明衬底的介电常数，k₀＝2π/λ₀为激光在自由空间中的波数，k_sp＝2π/λ_sp为表面等离激元的波数，联立公式(4)和(5)就可以根据干涉条纹的周期得到待测样品的折射率。

本发明的优点：

(1)是利用单色光作为入射光源，用CCD探测干涉条纹，简化了光源和探测系统，由于不需要可调谐光源和光谱仪等装置，大大降低了成本；

（2）干涉条纹的空间周期的变化，而不是对其绝对强度进行测量，这使得测量对于入射光源的强度波动和探测器的噪声并不敏感；

（3）传感器的探测面积可以小于一百平方微米，只需单波长光源，激发装置和漏辐射显微镜系统比较简单，有利于器件的微型化、集成化和多通道探测；

（4）由于测量系统采用的是改进的漏辐射显微镜系统，由信号光路和参考光路组成，通过空间滤波可灵活调节两路光的强度信号，得到高对比度、周期均匀的正弦干涉条纹，利用正弦函数拟合一系列的谷和峰得到了不同介质浓度下的干涉条纹的周期，提高了数据测量的准确性；

（5）能够进行微量检测，由于折射率只与各种物质成分的相对比例有关，因此只需很少量的生成物就可以引起足够大的折射率变化，因此该技术可用于临床诊断，食品安全，空气质量检测等领域。

附图说明

图1是本发明的基于表面等离激元与参考光干涉效应的折射率传感器的示意图；

图2是本发明的折射率传感器中设置分光滤波系统的一个实施例的示意图；

图3为根据本发明的探测方法的一个实施例在光栅结构上方添加浓度为2%的NaCl-H₂O溶液时所得到的表面等离激元漏辐射光与参考光的干涉条纹的强度随空间位置的分布图；

图4示例性给出了NaCl-H₂O溶液浓度为2%时的用正弦函数拟合得到的干涉条纹的强度随空间位置的变化曲线；

图5为根据本发明的探测方法的一个实施例在待测样品上方介质为不同浓度的NaCl-H₂O溶液时干涉条纹的周期与溶液折射率的关系曲线；数据点为实验结果，直线为数据点的线性拟合。

具体实施方式

下面结合附图，并通过实施例对本发明的具体实施方式作进一步的详细描述。

如图1所示，本发明的折射率传感器包括：激发装置和漏辐射显微镜系统；激发装置包括单色光源1、聚焦器件2和传感器芯片；漏辐射显微镜系统包括油浸物镜41、成像透镜42和CCD相机43；传感器芯片进一步包括：在金属薄膜32上刻有光栅结构33，待测样品34放置在金属薄膜32上，金属薄膜32镀在透明衬底31上。

其中，玻璃作为透明衬底31的尺寸为24mm×24mm，厚度0.17mm；用电子束蒸发的方法镀在透明衬底上的厚度50nm的金属薄膜32；光栅结构33用聚焦离子束刻蚀的方法制备在金属薄膜32的上表面，光栅结构长约40μm，周期600nm左右，其凹槽宽度与光栅结构的周期之比为1/2；金属薄膜的上表面的待测样品34为不同浓度的NaCl-H₂O溶液。

图2给出了在成像透镜和CCD相机之间设置分光滤波系统的一个光路的示意图。如图2所示，单色光源1发出波长为830nm的激光，激光经过偏振片6后通过作为聚焦器件的柱面镜2聚焦后入射到光栅结构33上，激发表面等离激元沿金属薄膜32表面传播，由于金属薄膜足够薄，一部分入射光可以直接透过金属薄膜32，同时金属薄膜-待测物界面的表面等离激元可以隧穿到金属薄膜-玻璃界面，并以漏辐射的形式从玻璃的透明衬底31中以一定的角度辐射出来。直接透射的激光（参考光）和表面等离激元的漏辐射场（信号光）同时被油浸物镜41收集。

M_1，2，3为45°全反射镜；L_{1，2，3,4,5}为焦距f=120mm的双胶合聚焦透镜；BB_1,2为空间滤波器；421为衰减器；BS_1,2为分光镜。

可以看到，从油浸物镜出来的光经成像透镜42（L₁）后被BS₁分成了光强相等的两路，一路为信号光路（BS₁-M₂-BS₂），另一路为参考光路（BS₁-M₃-BS₂）。油浸物镜后焦面到L₁的光程、L₁到L₂（L₄）的光程、以及L₂（L₄）到L₃（L₅）的光程均为2f，这样漏辐射光场和直接透射光场的空间频谱面（油浸物镜的后焦面）被L₁成像到L₂（L₄）处，从而可以在L₂（L₄）前放置空间滤波器BB₁（BB₂）进行空间滤波。当CCD相机43位于L₃（L₅）的后2f处时，空间频谱面通过L₃(L₅)被成像到CCD上。在信号光那路的L₂前放置BB₁将参考光挡住，因此经BB₁滤波后的光束只剩下表面等离激元的漏辐射光；在参考光那路的L₄前放置BB₂将两侧的表面等离激元的漏辐射光挡住，因此经BB₂滤波后的光束中只剩下参考光。滤波后的两束光经BS₂又重新汇聚到一起并发生干涉，当CCD相机位于L₃（L5）后焦面时，CCD相机记录的是信号光和参考光形成的干涉条纹的像面。为了提高干涉条纹的对比度，我们在参考光路加入一个衰减器421以使参考光和信号光的强度基本相等。通过沿箭头方向移动透镜L₅的位置，可以改变参考光入射到CCD相机上的角度，从而改变信号光和参考光干涉条纹的周期。

图3示例性给出了光栅结构上方添加浓度为2%的NaCl-H₂O溶液时所得到的表面等离激元漏辐射光与参考光的干涉条纹的强度随空间位置的分布图。两条竖直的虚线之间的区域为选定的用来做正弦函数拟合的实验数据。

为了得到干涉条纹的周期，我们对实验数据采用正弦函数拟合。考虑到拟合的精确度，我们选取干涉条纹较清晰的一段，去掉最右边较模糊的区域和左边光栅的像。NaCl-H₂O溶液浓度分别为0%、1%、2%、3%和4%时，拟合后得到的干涉条纹的周期分别为70.6、69.6、68.6、67.8和66.8像素，图4示例性给出了NaCl-H₂O溶液的浓度为2%时的用正弦函数拟合得到的干涉条纹的强度随空间位置的变化曲线。图5为干涉条纹周期和相应的溶液折射率的关系，数据点为实验结果，直线为数据点的线性拟合。从图5可以看出两者呈现出很好的线性关系，线性拟合给出直线的方程为T＝795-548·x，根据该公式，若测得干涉条纹周期就可获知金属薄膜表面处介质的折射率，同时通过分析干涉条纹周期的变化也可得到折射率的变化。

最后需要注意的是，公布实施方式的目的在于帮助进一步理解本发明，但是本领域的技术人员可以理解：在不脱离本发明及所附的权利要求的精神和范围内，各种替换和修改都是可能的。因此，本发明不应局限于实施例所公开的内容，本发明要求保护的范围以权利要求书界定的范围为准。

Claims (9)

1.一种折射率传感器，其特征在于，所述折射率传感器包括：激发装置和漏辐射显微镜系统；激发装置包括单色光源（1）、聚焦器件（2）和传感器芯片；漏辐射显微镜系统包括油浸物镜（41）、成像透镜（42）和CCD相机（43）；单色光源（1）发射出来的激光经聚焦器件（2）聚焦，入射到传感器芯片上激发起表面等离激元，产生的表面等离激元沿传感器芯片的金属薄膜的表面传播并以漏辐射场的形式从传感器芯片辐射出来，由油浸物镜（41）收集表面等离激元的漏辐射光，经成像透镜（42）入射到CCD相机（43）上，另有一束参考光同时入射到CCD相机（43）上与漏辐射场发生干涉，并被CCD相机（43）记录干涉条纹的信息；传感器芯片进一步包括：金属薄膜（32），在金属薄膜（32）上刻有光栅结构（33），待测样品（34）放置在金属薄膜（32）上，金属薄膜（32）镀在透明衬底（31）上。

2.如权利要求1所述的折射率传感器，其特征在于，所述聚焦器件（2）是柱面镜、透镜、物镜及二元光学元件中的一种。

3.如权利要求1所述的折射率传感器，其特征在于，所述光栅结构（33）是利用微加工手段制备在金属膜上（32）的周期性结构，结构尺寸根据获得比较好的光与表面等离激元之间的耦合效率来确定，其周期与表面等离激元的波长相当。

4.如权利要求1所述的折射率传感器，其特征在于，所述金属薄膜（32）的材料可以是金、银、铜和铝等贵重金属，并且是通过磁控溅射、电子束蒸发或热蒸发等方法镀在透明衬底上的。

5.如权利要求1所述的折射率传感器，其特征在于，所述金属薄膜（32）的厚度在100纳米以内。

6.如权利要求1所述的折射率传感器，其特征在于，所述油浸物镜（41）的数值孔径大于1.0。

7.如权利要求1所述的折射率传感器，其特征在于，进一步包括在成像透镜和CCD相机之间设置分光滤波系统，分光滤波系统包括：分光镜，将从油浸物镜出射的光分成两路：信号光路和参考光路；在每一光路上分别设置滤波装置，在空间频谱面上分别进行空间滤波，信号光路滤波后仅留下往一侧传播的表面等离激元的漏辐射光即信号光；参考光路滤波后仅让直接透光的激光作为参考光通过；滤波后的信号光和参考光通过另一个分光镜后重新汇聚到一起。

8.如权利要求7所述的折射率传感器，其特征在于，在所述参考光路中插入一个衰减器以提高干涉条纹的对比度。

9.一种权利要求1所述的折射率传感器的探测方法，其特征在于，所述探测方法包括以下步骤：

1)在金属薄膜的上表面搁置待测样品；

2)金属薄膜上方的单色光源发射出来的激光通过聚焦器件聚焦后入射到光栅结构上，激发起表面等离激元沿金属薄膜表面传播，入射激光的一部分直接穿透金属薄膜，沿金属薄膜表面传播的表面等离激元可以隧穿到金属薄膜-透明衬底界面，最终以一定的角度从透明衬底中辐射出来，并在透明衬底的后面用油浸物镜来收集表面等离激元的漏辐射场；

3)油浸物镜收集的光包含表面等离激元的漏辐射光和直接透射的激光两种成分，直接透射的激光被用来作为参考光，参考光以角度θ(参考光的波矢与CCD相机的探测平面的法线的夹角，0≤θ≤90°)入射到CCD相机的探测平面上，表面等离激元的漏辐射光即信号光以角度α(信号光波矢与CCD相机的探测平面的法线的夹角，0＜α＜90°)，同时入射到CCD相机上发生干涉，并被CCD相机记录干涉条纹的周期T；

4)CCD相机的探测平面上干涉条纹的周期如下表示：

$T=\frac{{\mathrm{\λ}}_0}{|\sin \mathrm{\α}-\sin \mathrm{\θ}|}=\frac{{\mathrm{\λ}}_0}{|\frac{{\mathrm{\λ}}_0}{M{\mathrm{\λ}}_{\mathrm{sp}}}-\sin \mathrm{\θ}|}---\left(1\right)$

其中，T为干涉条纹的周期，M为测量系统的放大倍数，λ₀为入射激光的波长，λ_sp为表面等离激元的波长，根据介质/金属/介质三层波导色散方程：

$e^{-2k_{m}a}=\frac{k_m{\mathrm{\ϵ}}_d+k_d{\mathrm{\ϵ}}_m}{k_m{\mathrm{\ϵ}}_d-k_d{\mathrm{\ϵ}}_m}\·\frac{k_m{\mathrm{\ϵ}}_s+k_s{\mathrm{\ϵ}}_m}{k_m{\mathrm{\ϵ}}_s-k_s{\mathrm{\ϵ}}_d}---\left(2\right)$

其中，k_m ²＝k_sp ²-k₀ ²ε_mr，k_s ²＝k_sp ²-k₀ ²ε_s，k_d ²＝k_sp ²-k₀ ²ε_d，a是金属薄膜的厚度，下标m代表金属薄膜，下标s代表透明衬底，下标d代表待测样品，ε_d为待测样品的介电常数，ε_m为金属薄膜的介电常数，ε_mr为金属薄膜的介电常数的实部，ε_s为透明衬底的介电常数，k₀＝2π/λ₀为激光在自由空间中的波数，k_sp＝2π/λ_sp为表面等离激元的波数，联立公式(1)和(2)就可以根据干涉条纹的周期得到待测样品的折射率。

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