CN110823835A - 一种波导耦合长程表面等离子共振传感器及其测量方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了传感器及传感技术领域的一种波导耦合长程表面等离子共振传感器及其测量方法，传感器结构包括基底、上包被层、折射率可调介质层、折射率匹配介质层、金属下包被层、表面修饰层和样品池，波导介质层、折射率匹配介质层和上包被层、金属下包被层形成波导结构，用于产生波导模式激发LRSPR现象，折射率匹配介质层、表面修饰层和样品池中的检测介质层和金属下包被层组成LRSPR结构，用于实现WCLRSPR，通过在波导介质层上施加交流电压采集WCLRSPR反射光强度的微分信号，同时采用直流电压扫描读取微分信号的零点，最后以零点对应的直流电压幅度作为折射率变化的检测结果。
Description
技术领域
本发明涉及传感器及传感技术领域，具体为一种波导耦合长程表面等离子共振传感器及其测量方法。
背景技术
一定波长和入射角度的p-偏振光束通过棱镜耦合器在金属和介质界面以激发倏逝波的方式将能量耦合进入存在于界面、沿垂直上述界面方向呈指数衰减的表面等离子波，其中耦合比例最大的现象称之为表面等离子共振(Surface Plasmon Resonance，简称为SPR)，产生的对应的入射角度称为共振角度。通过角度扫描，可以在反射光谱上出现SPR吸收峰。当与金属表面接触的介质折射率不同时，共振角度不同。通过测量共振角度附近反射光强的变化，可以检测金属表面附近介质的某些特性参数(比如折射率)及其变化量。其中吸收峰的深度宽度比值(Depth-Width Ratio，简称为DWR)越大，上述检测结果的信噪比和分辨率越高。
以上面所述的SPR技术为基础，为了进一步提高SPR传感器吸收峰的DWR，对于不同介质、金属结构及其检测灵敏度等已进行了多方面的研究，其中波导耦合表面等离子共振(Waveguide Coupled Surface Plasmon Resonance，简称为WCSPR)(Biosensors andBioelectronics,2004,vol20,p633-642)，主要发生在由金属层、波导层和金属层组成的结构中。WCSPR利用波导模式激发SPR监控环境的变化，获得分析物的参数。基于WCSPR结构的共振角度测量方法中，对于电压调制辅助测量的不同方法进行了研究。电压调制辅助测量方法中均采用了折射率可通过电压调节的介质作为波导层材料。其中交流电压调制辅助共振角度测量方法中(Optics Express，2009，vol17，p4468-4478)，通过交流调制得到WCSPR吸收峰对入射角度的微分信号，通过寻找微分信号的零点实现共振角度的测量，这种方法的缺点在于WCSPR的DWR不够高，微分信号的过零点容易受到噪声干扰，导致该方法的检测分辨率低，此外角度扫描速度慢，影响了方法的响应时间。在直流电压调制辅助共振角度测量方法中(国际专利：WO2011/066667A1)，通过直流电压的幅度扫描寻找双单元光电探测器差分信号的过零点实现共振角度的测量，这种方法的缺点在于WCSPR的DWR不够高，需要通过测量前零点调节保证检测的准确性，操作复杂，而且差分运算降低了方法的响应速度。
采用缓冲介质-金属-检测介质多层结构的长程表面等离子共振(Long RangeSurface Plasmon Resonance，简称为LRSPR)通过金属薄膜上下两表面的表面等离子波耦合可以增加入射光耦合进入倏逝波比例，从而提高吸收峰的DWR，折射率可通过电压调节的材料作为缓冲介质的LRSPR结构也可以采用通过直流电压辅助、采用角度扫描的方式实现共振角度的测量，但是角度扫描速度慢，降低了方法的响应速度。
发明内容
本发明的目的在于提供一种波导耦合长程表面等离子共振传感器及其测量方法，其解决了现有技术中角度扫描速度慢，降低了方法的响应速度的缺陷，当检测介质发生变化时，通过在波导介质层上施加交流电压采集WCLRSPR反射光强度的微分信号，同时采用直流电压扫描读取微分信号的零点，最后以零点对应的直流电压幅度作为折射率变化的检测结果。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种波导耦合长程表面等离子共振传感器，包括：
棱镜；
玻璃基底，所述玻璃基底安装在所述棱镜的底部；
上金属包被层，所述上金属包被层安装在所述玻璃基底的底部；
折射率可调介质层，所述折射率可调介质层安装在所述上金属包被层的底部；
折射率匹配介质层，所述折射率匹配介质层安装在所述折射率可调介质层的底部；
下金属包被层，所述下金属包被层安装在所述折射率匹配介质层的底部；
表面修饰层，所述表面修饰层安装在所述下金属包被层的底部；
样品池，所述样品池安装在所述表面修饰层的底部。
优选的，所述上金属包被层为银，厚度为30nm。
优选的，所述下金属包被层为银，厚度为30nm。
优选的，所述折射率可调介质层采用具有电光效应的高分子材料，折射率为1.6，厚度为1000nm。
优选的，所述折射率匹配介质层采用特氟龙，折射率为1.35，厚度为2000nm。
优选的，所述表面修饰层的下表面与所述样品池之间留有一定间隙。
优选的，所述表面修饰层采用11-巯基十一酸的单分子自组装层，厚度为10nm，折射为1.35。
一种波导耦合长程表面等离子共振传感器的测量方法，具体包括如下步骤：
S1：材料：激光器、偏振片、透镜、单元光电探测器、直流电压输出装置、交流电压输出装置和数据处理系统；
S2：标定：在样品池中通入折射率已知的标准物，将直流电压输出装置和交流电压输出装置串联的电压输出端和上金属包被层和下金属包被层连接，激光器输出光束依次经过偏振片和透镜准直后入射棱镜与上金属包被层的界面，并在此界面反射进入单元光电探测器，单元光电探测器的信号输入数据处理系统，记录信号的零点值；
S3：测量：在样品池中通入检测物介质，其余部件的位置均保持不变，由于被检测物的折射率相对于标准物发生了变化，共振角度产生偏移，单元光电探测器接收棱镜与上金属包被层界面的反射光束，数据处理系统根据单元光电探测器的输出寻找信号零点，以步长mV来调节折射率可调介质层的外加电压，同时保持交流电压输出装置的电压幅度、频率不变，在每次改变直流电压值时，单元光电探测器接收棱镜与上金属包被层界面的反射光束，数据处理系统根据单元光电探测器的输出寻找到零点信号为止，记录此时的直流电压作为被检测物折射率的测量结果，通过计算模拟出的施加在折射率可调介质层的外加电压与不同被检测物折射率的对应关系。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明提出一种新型波导耦合长程表面等离子共振WCLRSPR传感器结构，传感器结构包括基底、上包被层、折射率可调介质层、折射率匹配介质层和金属下包被层，其中折射率可调介质层和折射率匹配介质层组合成为波导介质层，和上包被层、金属下包被层形成波导结构，用于产生波导模式激发LRSPR现象，折射率匹配介质层和检测介质层折射率接近，两者和金属下包被层组成LRSPR结构，用于实现WCLRSPR，基于上述结构，本发明提出一种在波导介质层施加直流和交流混合电信号的反射光强度检测方法，在不进行电信号调节的条件下将入射角度设置为初始检测介质对应的共振角度，当检测介质发生变化时，通过在波导介质层上施加交流电压实现WCLRSPR反射光强度的微分信号采集，同时采用直流电压扫描读取微分信号的零点，最后以零点对应的直流电压信号作为折射率变化的检测结果。
附图说明
图1为本发明结构示意图；
图2为本发明结构测量方法结构示意图；
图3为本发明结构测量方法流程图；
图4为本发明反射光强度随检测介质层折射率变化的响应曲线图；
图5为本发明共振角度随检测介质层折射率变化的响应图；
图6为本发明反射光强度随折射率可调介质层折射率变化的响应曲线图；
图7为本发明共振角度随折射率可调介质层折射率变化的响应图；
图8为本发明折射率可调介质层的外加电压与不同被检测物折射率的对应关系图。
图中：1棱镜、2玻璃基底、3上金属包被层、4折射率可调介质层、5折射率匹配介质层、6下金属包被层、7表面修饰层、8样品池、9激光器、10偏振片、11透镜、12单元光电探测器、13直流电压输出装置、14交流电压输出装置、15数据处理系统。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明提供一种波导耦合长程表面等离子共振传感器，该传感器相对于传统SPR传感器能够通过交流和直流混合调节折射率可调介质层的折射率测量检测介质层折射率的变化，请参阅图1，包括：棱镜1、玻璃基底2、上金属包被层3、折射率可调介质层4、折射率匹配介质层5、下金属包被层6、表面修饰层7和样品池8；
请再次参阅图1，棱镜1；
请再次参阅图1，玻璃基底2安装在棱镜1的底部；
请再次参阅图1，上金属包被层3安装在玻璃基底2的底部，上金属包被层3为银，厚度为30nm，折射率为0.04+6.9624i；
请再次参阅图1，折射率可调介质层4安装在上金属包被层3的底部，折射率可调介质层4采用具有电光效应的高分子材料，折射率为1.6，厚度为1000nm；
请再次参阅图1，折射率匹配介质层5安装在折射率可调介质层4的底部，折射率匹配介质层5采用特氟龙，折射率为1.35，厚度为2000nm；
请再次参阅图1，下金属包被层6安装在折射率匹配介质层5的底部，下金属包被层6均为银，厚度为30nm，折射率为0.04+6.9624i；
请再次参阅图1，表面修饰层7安装在下金属包被层6的底部；
请再次参阅图1，样品池8安装在表面修饰层7的底部，表面修饰层7的下表面与样品池8之间留有一定间隙，样品池8用于盛放检测介质层，材料一般可选用聚二甲基硅氧烷。
工作原理：传感器的核心部件之一是WCLRSPR传感芯片，参考图1的a部分，WCLRSPR传感芯片包括上金属包被层3、折射率可调介质层4、折射率匹配介质层5、下金属包被层6、表面修饰层7和样品池8，芯片可以制备在玻璃基底2或者棱镜1上，表面修饰层7的下表面处设置样品池8，表面修饰层7的下表面与样品池8之间留有一定间隙，样品池8用于盛放检测介质，并且被检测介质的液面与表面修饰层7的下表面接触，基于外场调制的传感器中存在两个灵敏度参数，对应交流电压调节零点信号的共振角度θ0对折射率可调介质层4的折射率n6和检测介质的折射率n10的灵敏度，它们的表达式如式1-1，
其中C1、C2均为常数，基于交流直流混合调制的强度检测传感器的探测原理，当检测物为参考检测物时折射率可调介质层4和折射率匹配介质层5的外场为0，WCLRSPR共振角度为θ1，当检测物为其他物质时n10发生改变，共振角度发生Δθ01的变化，采用直流电压对所述折射率可调介质层进行调节，共振角度发生-Δθ01的变化使共振角度回到θ1，得到式1-2，
C2Δn6+C1Δn10＝0(1-2)，
1-2式说明可以通过测量n6的变化可以实现n10的测量，具体地说，要测量检测介质的折射率n10，可以首先选定折射率已知的标准物，得出WCLRSPR传感芯片使用标准物时的共振角度，然后将传感芯片的标准物换成检测介质，此时，由1-2式可知，只要改变外场折射率可调介质层4的折射率n6，使其达到一个适当的取值，就可以补偿WCLRSPR传感芯片中检测介质层替换标准物所造成的折射率变化，从而使得整个WCLRSPR传感器的共振角度不变，另一方面，从1-2式还可以看出，不论n10的变化是多少，利用补偿原理进行测量的测量结果均不受WCLRSPR传感器的共振吸收峰形状的影响，因此基于外场调制的强度检测LRSPR传感器相对于现有的强度检测LRSPR传感器能够提高测量结果的动态范围。
本发明还提供一种波导耦合长程表面等离子共振传感器的测量方法，具体包括如下步骤：
S1：材料：激光器9、偏振片10、透镜11、单元光电探测器12、直流电压输出装置13、交流电压输出装置14和数据处理系统15；
S2：标定：在样品池8中通入折射率已知的标准物，将直流电压输出装置13和交流电压输出装置14串联的电压输出端和上金属包被层3和下金属包被层6连接，直流电压输出装置13输出电压为0V，交流电压输出装置14输出幅度为50V，频率为10kHz的电压调折射率可调介质层4的折射率，激光器9输出光束依次经过偏振片10和透镜11准直后入射棱镜1与上金属包被层3的界面，并在此界面反射进入单元光电探测器12，单元光电探测器12的信号输入数据处理系统15，记录信号的零点值；
S3：测量：在样品池8中通入检测物介质，其余部件的位置均保持不变，由于被检测物的折射率相对于标准物发生了变化，共振角度产生偏移，单元光电探测器12接收棱镜1与上金属包被层3界面的反射光束，数据处理系统15根据单元光电探测器12的输出寻找信号零点，由于公式2-2外场调制折射率可调介质层4的折射率n、介质层厚度d、介质层电光系数γ33和1-1中C1、C2为LRSPR结构参数，因此可根据公式1-2、2-2初步计算出使输出为最小信号所需要的直流电压值S，然后在S-5V到S+5V的范围内，以步长10mV来调节折射率可调介质层4的外加电压，同时保持交流电压输出装置14的电压幅度、频率不变，在每次改变直流电压值时，单元光电探测器12接收棱镜1与上金属包被层3界面的反射光束，数据处理系统15根据单元光电探测器12的输出寻找到零点信号为止，记录此时的直流电压作为被检测物折射率的测量结果，通过计算模拟出的施加在折射率可调介质层4的外加电压与不同被检测物折射率的对应关系。
实施例
上金属包被层3、折射率可调介质层4、折射率匹配介质层5、下金属包被层6和表面修饰层7依次制备于棱镜1的底面上，直流电压输出装置15和交流电压输出装置16由数据处理系统12控制，可调电压输出装置13和交流电压输出装置14串联的电压输出端和上金属包被层3、下金属包被层6连接，激光器9生成的光束通过透镜11准直入射棱镜1与上金属包被层3的界面，并在此界面反射进入单元光电探测器12，还可以在棱镜1底部表面设置一个玻璃基底2，所述玻璃基底2和棱镜1折射率相同，并且二者之间的缝隙用折射率相同的匹配层填充，这样，上金属包被层3、折射率可调介质层4、折射率匹配介质层5、下金属包被层6和表面修饰层7依次制备于玻璃基底2上，激光器9生成的光束通过透镜11准直入射玻璃基底2与上金属包被层3的界面，并在此界面反射进入单元光电探测器12，图4示出了WCLRSPR结构反射光强度随检测介质折射率变化的响应曲线，图5示出了共振角度随检测介质折射率变化的响应，改变折射率可调介质层4的折射率，WCLRSPR结构的反射光强度和共振角度也会发生改变，如图6示出了WCLRSPR结构反射光强度随折射率可调介质层4折射率变化的响应曲线，图7示出了共振角度随折射率可调介质层4折射率变化的响应，基于电光效应，通过改变直流电压输出装置13和交流电压输出装置14的输出电压来线性地调节折射率可调介质层4的折射率，电光效应是一种非线性光学效应，具有电光效应的光学材料可以通过施加电场来使其折射率n发生Δn的变化，如2-2，其中d为材料厚度，V为施加于材料的电压，γ33为电光系数，
可以看出，Δn随V线性变化，只要得到施加于材料的电压V，即可获得Δn，测量开始前，调节WCLRSPR传感芯片直到入射角度为WCLRSPR共振角度，单元光电探测器12接收从WCLRSPR结构反射的光束。
虽然在上文中已经参考实施例对本发明进行了描述，然而在不脱离本发明的范围的情况下，可以对其进行各种改进并且可以用等效物替换其中的部件。尤其是，只要不存在结构冲突，本发明所披露的实施例中的各项特征均可通过任意方式相互结合起来使用，在本说明书中未对这些组合的情况进行穷举性的描述仅仅是出于省略篇幅和节约资源的考虑。因此，本发明并不局限于文中公开的特定实施例，而是包括落入权利要求的范围内的所有技术方案。
Claims (8)
1.一种波导耦合长程表面等离子共振传感器，其特征在于：包括：
棱镜(1)；
玻璃基底(2)，所述玻璃基底(2)安装在所述棱镜(1)的底部；
上金属包被层(3)，所述上金属包被层(3)安装在所述玻璃基底(2)的底部；
折射率可调介质层(4)，所述折射率可调介质层(4)安装在所述上金属包被层(3)的底部；
折射率匹配介质层(5)，所述折射率匹配介质层(5)安装在所述折射率可调介质层(4)的底部；
下金属包被层(6)，所述下金属包被层(6)安装在所述折射率匹配介质层(5)的底部；
表面修饰层(7)，所述表面修饰层(7)安装在所述下金属包被层(6)的底部；
样品池(8)，所述样品池(8)安装在所述表面修饰层(7)的底部。
2.根据权利要求1所述的一种波导耦合长程表面等离子共振传感器，其特征在于：所述上金属包被层(3)为银，厚度为30nm。
3.根据权利要求1所述的一种波导耦合长程表面等离子共振传感器，其特征在于：所述下金属包被层(6)为银，厚度为30nm。
4.根据权利要求1所述的一种波导耦合长程表面等离子共振传感器，其特征在于：所述折射率可调介质层(4)采用具有电光效应的高分子材料，折射率为1.6，厚度为1000nm。
5.根据权利要求1所述的一种波导耦合长程表面等离子共振传感器，其特征在于：所述折射率匹配介质层(5)采用特氟龙，折射率为1.35，厚度为2000nm。
6.根据权利要求1所述的一种波导耦合长程表面等离子共振传感器，其特征在于：所述表面修饰层(7)的下表面与所述样品池(8)之间留有一定间隙。
7.根据权利要求1所述的一种波导耦合长程表面等离子共振传感器及其测量方法，其特征在于：所述表面修饰层(7)采用11-巯基十一酸的单分子自组装层，厚度为10nm，折射为1.35。
8.一种如权利要求1所述的波导耦合长程表面等离子共振传感器的测量方法，其特征在于：具体包括如下步骤：
S1：材料：激光器(9)、偏振片(10)、透镜(11)、单元光电探测器(12)、直流电压输出装置(13)、交流电压输出装置(14)和数据处理系统(15)；
S2：标定：在样品池(8)中通入折射率已知的标准物，将直流电压输出装置(13)和交流电压输出装置(14)串联的电压输出端和上金属包被层(3)和下金属包被层(6)连接，激光器(9)输出光束依次经过偏振片(10)和透镜(11)准直后入射棱镜(1)与上金属包被层(3)的界面，并在此界面反射进入单元光电探测器(12)，单元光电探测器(12)的信号输入数据处理系统(15)，记录信号的零点值；
S3：测量：在样品池(8)中通入检测物介质，其余部件的位置均保持不变，由于被检测物的折射率相对于标准物发生了变化，共振角度产生偏移，单元光电探测器(12)接收棱镜(1)与上金属包被层(3)界面的反射光束，数据处理系统(15)根据单元光电探测器(12)的输出寻找信号零点，以步长10mV来调节折射率可调介质层(4)的外加电压，同时保持交流电压输出装置(14)的电压幅度、频率不变，在每次改变直流电压值时，单元光电探测器(12)接收棱镜(1)与上金属包被层(3)界面的反射光束，数据处理系统(15)根据单元光电探测器(12)的输出寻找到零点信号为止，记录此时的直流电压作为被检测物折射率的测量结果，通过计算模拟出的施加在折射率可调介质层(4)的外加电压与不同被检测物折射率的对应关系。
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2019
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