CN111141705A - 一种导模共振传感器的折射率检测方法 - Google Patents
一种导模共振传感器的折射率检测方法 Download PDFInfo
- Publication number
- CN111141705A CN111141705A CN202010065434.5A CN202010065434A CN111141705A CN 111141705 A CN111141705 A CN 111141705A CN 202010065434 A CN202010065434 A CN 202010065434A CN 111141705 A CN111141705 A CN 111141705A
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- refractive index
- guided mode
- mode resonance
- resonance sensor
- sensor
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Pending
Links
- 238000000034 method Methods 0.000 title claims abstract description 30
- 238000001448 refractive index detection Methods 0.000 title claims abstract description 10
- 230000008859 change Effects 0.000 claims abstract description 19
- 230000035945 sensitivity Effects 0.000 claims abstract description 19
- 238000001514 detection method Methods 0.000 claims abstract description 13
- 238000000411 transmission spectrum Methods 0.000 claims abstract description 8
- 238000005259 measurement Methods 0.000 claims description 10
- 230000008569 process Effects 0.000 claims description 7
- 230000008878 coupling Effects 0.000 claims description 6
- 238000010168 coupling process Methods 0.000 claims description 6
- 238000005859 coupling reaction Methods 0.000 claims description 6
- 239000013307 optical fiber Substances 0.000 claims description 5
- 239000000758 substrate Substances 0.000 claims description 5
- 239000007788 liquid Substances 0.000 abstract description 4
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 abstract description 3
- 239000000523 sample Substances 0.000 description 10
- 230000003287 optical effect Effects 0.000 description 5
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 4
- 239000000463 material Substances 0.000 description 3
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 2
- 238000001228 spectrum Methods 0.000 description 2
- 238000002198 surface plasmon resonance spectroscopy Methods 0.000 description 2
- 108091023037 Aptamer Proteins 0.000 description 1
- VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N Silicium dioxide Chemical compound O=[Si]=O VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 238000005842 biochemical reaction Methods 0.000 description 1
- 239000012472 biological sample Substances 0.000 description 1
- 239000003989 dielectric material Substances 0.000 description 1
- 230000009977 dual effect Effects 0.000 description 1
- 230000005684 electric field Effects 0.000 description 1
- 239000007789 gas Substances 0.000 description 1
- 230000003993 interaction Effects 0.000 description 1
- 238000011898 label-free detection Methods 0.000 description 1
- 239000003446 ligand Substances 0.000 description 1
- 239000002184 metal Substances 0.000 description 1
- 238000012986 modification Methods 0.000 description 1
- 230000004048 modification Effects 0.000 description 1
- 239000002073 nanorod Substances 0.000 description 1
- 238000002360 preparation method Methods 0.000 description 1
- 230000001902 propagating effect Effects 0.000 description 1
- 239000007787 solid Substances 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
- G01N21/00—Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
- G01N21/17—Systems in which incident light is modified in accordance with the properties of the material investigated
- G01N21/41—Refractivity; Phase-affecting properties, e.g. optical path length
- G01N21/4133—Refractometers, e.g. differential
Landscapes
- Physics & Mathematics (AREA)
- Health & Medical Sciences (AREA)
- Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Analytical Chemistry (AREA)
- Biochemistry (AREA)
- General Health & Medical Sciences (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Immunology (AREA)
- Pathology (AREA)
- Investigating Or Analysing Materials By Optical Means (AREA)
Abstract
本发明涉及一种导模共振传感器的折射率检测方法，检测时将线偏振光倾斜入射到导模共振传感器上，探测器接受透射光。倾斜入射下，透射光谱上会出现两个导模共振峰，当入射角θ逐渐增大时，短波峰会发生蓝移，长波峰会发生红移。入射角等于或大于特定值时，蓝移的共振峰波长值等于或小于光栅周期值，认为是非亚波长入射条件。非亚波长入射条件下，将短波峰与长波峰之间的波长差作为检测量，测量样品折射率变化前后波长差的变化量，波长差的变化量与折射率变化量之间的比值，就是这种传感器的灵敏度。此方法能够有效提高此类传感器在检测液体或气体折射率变化时的灵敏度。此外，本发明涉及的光栅周期更大，有效降低了传感器的制作难度。
Description
技术领域
本发明涉及光学传感器领域，尤其涉及一种导模共振传感器的折射率检测方法。
背景技术
基于微结构局域电场与传感介质相互作用的生物传感被证明是一种高灵敏度的检测方法。例如，表面等离子共振使用金属-电介质界面上传播表面的。由于共振光子的耦合条件，这些传感器对周围材料的折射率变化很敏感。传统SPR传感器体积较大，因为它们通常需要一个棱镜来激发等离子体。基于纳米金属结构的局域表面等离子共振传感器似乎更为合适。但是，这种传感器的固有损耗会降低其性能。并且，这种传感器也可以在介质波导中构建。
在基于介质材料的微结构生物传感器中，基于导模共振效应的全介质生物传感器因其结构简单，不需要单独的耦合单元，引起了人们很大的兴趣。当周围介质的折射率改变时，共振波长发生移动。导模共振传感器将表面附着样品的折射率变化转变为透射光谱或反射光谱中的共振峰移动。这种带宽很窄的共振峰可以通过高分辨率的光谱分析仪测得。将导模共振结构作为主要生物传感器件，搭建光学检测系统，可实现生物样品的无标签检测。在导模共振传感器中，提高波长对样品折射率变化的灵敏度是提高这种传感器性能的重要途径。增强导模共振传感器的灵敏度的方法较多，比如可结合金属层、低折射率材料基板和纳米棒等。然而，这些方法大多基于双或多层导模共振结构，或者必须与其他微结构结合，这导致制造过程复杂。因此，迫切需要一些简单的方法来实现灵敏度的增强，而这方面的研究较少，在相关的专利文献方面，如中国发明专利案(公开号CN102317787A)，只说明了各种适体配体等生化反应对共振峰的改变；(公开号CN103969185A)说明了光源在正入射时对整个系统检测灵敏度的影响。而实际上光源在斜入射下会影响导模共振传感器对折射率变化的灵敏度。
由此可见，传统的导模共振传感器折射率检测方案，往往存在灵敏度低的问题。
发明内容
针对以上问题，本发明提出一种导模共振传感器的折射率检测方法。
为实现本发明的目的，提供一种导模共振传感器的折射率检测方法，包括如下步骤：
将测量对象放置于导模共振传感器的光栅表面，其中，所述导模共振传感器包括：光栅层、波导层和基底；
将线偏振光以设定角度θ倾斜入射到测量对象表面，使线偏振光穿过所述导模共振传感器变成透射光射出；
将所述透射光导入光谱仪得到透射光谱，所述光谱仪读取所述透射光谱得到两个共振峰，所述光谱仪提取所述两个共振峰的波长差λ；
检测系统获取所述测量对象的折射率在设定时间段初始时刻和设定时间段终止时刻之间的折射率变化值Δnc，以及所述两个共振峰的波长差λ在设定时间段初始时刻和设定时间段终止时刻之间的波长差变化值Δλ；
根据所述测量对象的折射率变化值Δnc和所述波长差变化值Δλ确定灵敏度S。
其中，所述灵敏度S的确定过程包括：S＝Δλ/Δnc。
其中，所述设定角度θ大于等于37.25度。
其中，将所述线偏振光以设定角度θ倾斜入射到测量对象表面，使线偏振光穿过所述导模共振传感器变成透射光射出之前，还包括：所述线偏振光通过用复色光源准直后，经过起偏器获得。
其中，所述透射光的获取过程包括：通过光纤或空间光耦合器获得透射光；将所述透射光导入光谱仪的过程包括：将所述透射光耦合进入光谱仪。
上述一种导模共振传感器的折射率检测方法，通过设置特定的光源入射角度，这时会有两个共振峰，检测系统提取的数据是两个共振峰的波长差，在样品折射率变化后，这两个共振峰的波长差会发生变化，变化量显著大于以往检测方式得到的峰值变化，因而具有更高的灵敏度。
并且，本发明工作在倾斜入射下，激发相同的短波峰需要的光栅周期大于正入射情况下所需的光栅周期。因此，本发明涉及的光栅周期更大，在制备过程中对参数的控制难度相较于正入射情况下的小周期光栅更低，有效降低了传感器的制作难度。
附图说明
图1是一个实施例的导模共振传感器的折射率检测方法流程图；
图2是一个实施例的导模共振传感器结构示意图；
图3是一个实施例的导模共振峰光谱曲线变化示意图。
具体实施方式
为了使本申请的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本申请进行进一步详细说明。应当理解，此处描述的具体实施例仅仅用以解释本申请，并不用于限定本申请。
在本文中提及“实施例”意味着，结合实施例描述的特定特征、结构或特性可以包含在本申请的至少一个实施例中。在说明书中的各个位置出现该短语并不一定均是指相同的实施例，也不是与其它实施例互斥的独立的或备选的实施例。本领域技术人员显式地和隐式地理解的是，本文所描述的实施例可以与其它实施例相结合。
本发明基于导模共振效应，光栅表面样品折射率变化时会影响光栅层的等效折射率，从而改变影响导模共振效应，出现共振峰值移动。
参考图1所示，图1为一个实施例的导模共振传感器的折射率检测方法流程图，包括：
S1，将测量对象放置于导模共振传感器的光栅表面，其中，如图2所示，所述导模共振传感器主要包括：光栅层1、波导层2和基底3；
测量对象可以是固体，液体或气体，导模共振传感器是检测系统中的重要部件之一，检测系统还包括宽带复色光源、准直器、线偏振片、光纤、光耦合器及光谱仪等。光栅层为一维光栅制作而成的。
S2，将线偏振光以设定角度θ倾斜入射到测量对象表面，使线偏振光穿过所述导模共振传感器变成透射光射出；
设定角度θ大于0度即可。
S3，将所述透射光导入光谱仪得到透射光谱，所述光谱仪读取所述透射光谱得到两个共振峰，所述光谱仪提取所述两个共振峰的波长差λ；
所述光谱仪是测量仪表中的一种。
S4，检测系统获取所述测量对象的折射率在设定时间段初始时刻和设定时间段终止时刻之间的折射率变化值Δnc，以及所述两个共振峰的波长差λ在设定时间段初始时刻和设定时间段终止时刻之间的波长差变化值Δλ；
S5，根据所述折射率变化值Δnc和所述波长差变化值Δλ确定灵敏度S。
在一个实施例中，所述灵敏度S的确定过程包括：S＝Δλ/Δnc。
在一个实施例中，所述设定角度θ大于等于37.25度时，灵敏度更精确。
在一个实施例中，将所述线偏振光以设定角度θ倾斜入射到测量对象表面，使线偏振光穿过所述导模共振传感器变成透射光射出之前，还包括：所述线偏振光通过用复色光源准直后，经过起偏器获得。
在一个实施例中，所述透射光的获取过程包括：通过光纤或空间光耦合器获得透射光；将所述透射光导入光谱仪的过程包括：将所述透射光耦合进入光谱仪。
在一个实施例中，将测量对象放置于导模共振传感器的光栅表面，光源入射方向如图2所示。导模共振传感器的结构以石英玻璃作为基底，波导层与光栅层的材料折射率分别为2.2和1.6，厚度为dw＝130nm和dg＝120nm，占空比是f＝0.5，覆盖层是待测样品，可以为液体或气体等，其折射率为nc。
在一个实施例中，用宽带复色光源倾斜入射到样品上，通过耦合将经过传感器的的透射光导入光谱仪，此时可以检测到两个共振峰。检测系统包括宽带复色光源、准直器、线偏振片、光纤、光耦合器、导模共振传感器及光谱仪等。入射光的入射角度由零逐渐增大时，会产生两个共振峰，且两个峰分别发生红移和蓝移。当光栅层的周期是p＝750nm，样品折射率为nc＝1.33，入射光的入射角θ等于37.25度时，光栅周期和蓝移的短波共振峰值都为750nm，此时认为入射角大于或等于37.25度是非亚波长状态。从图3可以明显看到，当入射光的入射角等于37.25度时，样品折射率为nc＝1.33时，基于光栅周期为750nm的导模共振传感器，可激发750nm和1781.6nm处的峰值，波长差为1031.6nm；样品折射率变为nc＝1.39时，两个共振峰变为731.9nm和1814.4nm，波长差为1082.5nm。由于样品折射率的变化，波长差变化量为50.9nm，灵敏度达到848.33nm/RIU。非亚波长入射状态下两个波峰之间的波长差具有更大的变化量，这意味着传感器具有更高的灵敏度。在实际应用中入射角度θ大于等于37.25度时，灵敏度更大。
因此，本发明可广泛应用于无标签光学传感领域，可用于检测液体或气体等样品的折射率变化。
以上实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
需要说明的是，本申请实施例所涉及的术语“第一\第二\第三”仅仅是区别类似的对象，不代表针对对象的特定排序，可以理解地，“第一\第二\第三”在允许的情况下可以互换特定的顺序或先后次序。应该理解“第一\第二\第三”区分的对象在适当情况下可以互换，以使这里描述的本申请的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。
本申请实施例的术语“包括”和“具有”以及它们任何变形，意图在于覆盖不排他的包含。例如包含了一系列步骤或模块的过程、方法、装置、产品或设备没有限定于已列出的步骤或模块，而是可选地还包括没有列出的步骤或模块，或可选地还包括对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或模块。
以上所述实施例仅表达了本申请的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本申请的保护范围。因此，本申请专利的保护范围应以所附权利要求为准。
Claims (5)
1.一种导模共振传感器的折射率检测方法，其特征在于，包括以下步骤：
将测量对象放置于导模共振传感器的光栅表面，其中，所述导模共振传感器包括：光栅层、波导层和基底；
将线偏振光以设定角度θ倾斜入射到测量对象表面，使线偏振光穿过所述导模共振传感器变成透射光射出；
将所述透射光导入光谱仪得到透射光谱，所述光谱仪读取所述透射光谱得到两个共振峰，所述光谱仪提取所述两个共振峰的波长差λ；
检测系统获取所述测量对象的折射率在设定时间段初始时刻和设定时间段终止时刻之间的折射率变化值Δnc，以及所述两个共振峰的波长差λ在设定时间段初始时刻和设定时间段终止时刻之间的波长差变化值Δλ；
根据所述测量对象的折射率变化值Δnc和所述波长差变化值Δλ确定灵敏度S。
2.根据权利要求1所述的一种导模共振传感器的折射率检测方法，其特征在于，所述灵敏度S的确定过程包括：
S＝Δλ/Δnc。
3.根据权利要求1所述的一种导模共振传感器的折射率检测方法，其特征在于，所述设定角度θ大于等于37.25度。
4.根据权利要求1所述的一种导模共振传感器的折射率检测方法，其特征在于，将所述线偏振光以设定角度θ倾斜入射到测量对象表面，使线偏振光穿过所述导模共振传感器变成透射光射出之前，还包括：
所述线偏振光通过用复色光源准直后，经过起偏器获得。
5.根据权利要求1所述的一种导模共振传感器的折射率检测方法，其特征在于，所述透射光的获取过程包括：通过光纤或空间光耦合器获得透射光；将所述透射光导入光谱仪的过程包括：将所述透射光耦合进入光谱仪。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202010065434.5A CN111141705A (zh) | 2020-01-20 | 2020-01-20 | 一种导模共振传感器的折射率检测方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202010065434.5A CN111141705A (zh) | 2020-01-20 | 2020-01-20 | 一种导模共振传感器的折射率检测方法 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN111141705A true CN111141705A (zh) | 2020-05-12 |
Family
ID=70526338
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN202010065434.5A Pending CN111141705A (zh) | 2020-01-20 | 2020-01-20 | 一种导模共振传感器的折射率检测方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN111141705A (zh) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN114325897A (zh) * | 2021-12-31 | 2022-04-12 | 厦门大学 | 一种基于渐变周期增强太赫兹光谱吸收的介质超材料 |
Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2009092569A (ja) * | 2007-10-10 | 2009-04-30 | Shimadzu Corp | 屈折率計 |
| CN103969185A (zh) * | 2014-05-19 | 2014-08-06 | 上海理工大学 | 一种提高导模共振生物传感器测试灵敏度的方法 |
| CN109856087A (zh) * | 2018-12-29 | 2019-06-07 | 复旦大学 | 传感芯片及其制备方法、检测系统、检测方法 |
-
2020
- 2020-01-20 CN CN202010065434.5A patent/CN111141705A/zh active Pending
Patent Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2009092569A (ja) * | 2007-10-10 | 2009-04-30 | Shimadzu Corp | 屈折率計 |
| CN103969185A (zh) * | 2014-05-19 | 2014-08-06 | 上海理工大学 | 一种提高导模共振生物传感器测试灵敏度的方法 |
| CN109856087A (zh) * | 2018-12-29 | 2019-06-07 | 复旦大学 | 传感芯片及其制备方法、检测系统、检测方法 |
Non-Patent Citations (3)
| Title |
|---|
| LINYONG QIAN ET AL.: "Improving the sensitivity of guided-mode", 《OPTICS EXPRESS》 * |
| 杨赛，盛斌，张大伟，钱林勇，陈鹏，黄元申: "入射角调谐的三基色导模共振滤波片", 《中国激光》 * |
| 贾克辉，马军山: "共振波长对导模共振生物传感器灵敏度的影响", 《光谱学与光谱分析》 * |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN114325897A (zh) * | 2021-12-31 | 2022-04-12 | 厦门大学 | 一种基于渐变周期增强太赫兹光谱吸收的介质超材料 |
| CN114325897B (zh) * | 2021-12-31 | 2022-10-28 | 厦门大学 | 一种基于渐变周期增强太赫兹光谱吸收的介质超材料 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| Lin et al. | Side-polished multimode fiber biosensor based on surface plasmon resonance with halogen light | |
| Gupta et al. | Surface plasmon resonance‐based fiber optic sensors: principle, probe designs, and some applications | |
| Liu et al. | Parallel polished plastic optical fiber-based SPR sensor for simultaneous measurement of RI and temperature | |
| KR101257309B1 (ko) | 광섬유 표면 플라즈몬 공진 센서 및 이를 이용한 센싱 방법 | |
| Cennamo et al. | An innovative plastic optical fiber-based biosensor for new bio/applications. The case of celiac disease | |
| Yuan et al. | Theoretical investigation for two cascaded SPR fiber optic sensors | |
| Haider et al. | Multi-analyte detection based on integrated internal and external sensing approach | |
| Shakoor et al. | One-dimensional silicon nitride grating refractive index sensor suitable for integration with CMOS detectors | |
| Mitsushio et al. | Sensor properties and surface characterization of aluminum-deposited SPR optical fibers | |
| Abbas et al. | Photonic crystal fiber pollution sensor based on surface plasmon resonance | |
| Wang et al. | Surface plasmon resonance waveguide biosensor by bipolarization wavelength interrogation | |
| Yin et al. | A broadband SPR sensor based on a no-core fiber coated with gold-silver for refractive index and temperature measurement | |
| Gupta | Surface plasmon resonance based fiber optic sensors | |
| Gupta et al. | A novel leaky waveguide grating (LWG) device for evanescent wave broadband absorption spectroscopy in microfluidic flow cells | |
| Monfared et al. | Highly sensitive plasmonic fiber-optic sensors using Group IV transition metal nitrides: a numerical Investigation | |
| CN111141705A (zh) | 一种导模共振传感器的折射率检测方法 | |
| Liu et al. | Multi-channel optical fiber surface plasmon resonance sensor with narrow FWHM, high figure of merit, and wide detection range | |
| Cennamo et al. | Bio and chemical sensors based on surface plasmon resonance in a plastic optical fiber | |
| Zhao et al. | A Fresnel-reflection-based fiber sensor for simultaneous measurement of liquid concentration and temperature | |
| CN111928880B (zh) | 基于表面等离子体效应的马赫-曾德干涉光纤及其传感器 | |
| Abbas et al. | Fabricate a highly sensitive surface plasmon resonance optical fiber sensor based on a D-shape fiber coated with gold (Au) nano-layer | |
| Ma et al. | Theoretical and experimental investigation of an all-fiber waveguide coupled surface plasmon resonance sensor with Au–ZnO–Au sandwich structure | |
| US9200997B2 (en) | Photonic sensing method and device | |
| TWI467158B (zh) | 光濾波器光頻譜線寬感測的應用方法 | |
| Guo et al. | Microstructured fiber sensor based on resonance coupling between cladding mode and surface plasmon mode for sucrose determination |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |
Application publication date: 20200512 |
|
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |