基于液體棱鏡耦合方式的表面等離子體共振傳感特性和應(yīng)用研究.pdf

1、表面等離子體共振傳感技術(shù)已經(jīng)成為化學(xué)、生物和物理等領(lǐng)域一個非常重要的檢測手段?；谡穹鶛z測并使用Kretschmann-Raether棱鏡激發(fā)結(jié)構(gòu)的表面等離子體共振檢測技術(shù)和裝置被廣泛研究，并已經(jīng)商用化。最近，相位檢測方法也有大量的報道。當(dāng)表面等離子體共振發(fā)生的時候，激發(fā)光的相位角受到調(diào)制并發(fā)生劇烈的變化。利用相位角的變化比振幅變化劇烈這個特點，相位檢測的靈敏度比振幅檢測提高了1-3個數(shù)量級。表面等離子體共振傳感技術(shù)的研究已經(jīng)有幾十年的

2、歷史，隨著科學(xué)的發(fā)展和研究的深入，開發(fā)具有更高的靈敏度、更大的動態(tài)范圍、更高的信噪比、結(jié)構(gòu)簡單、微型化、微量樣品探測的表面等離子體共振傳感系統(tǒng)一直是表面等離子體共振傳感研究領(lǐng)域的始終追求。本文設(shè)計了一種基于液體棱鏡耦合方式的表面等離子體共振傳感裝置，利用這種裝置和電磁場理論開展了液體棱鏡耦合的表面等離子體共振傳感的特性研究、相位檢測和角度檢測共同檢測的液體棱鏡表面等離子體共振傳感的特性研究、利用液體棱鏡耦合的表面等離子共振傳感技術(shù)進行液

3、體色散測量的應(yīng)用研究以及基于角度檢測的液體棱鏡耦合方式的Kretschmann結(jié)構(gòu)表面等離子體共振傳感器的特性研究，主要研究內(nèi)容包括：
　　設(shè)計了一種基于自適應(yīng)探測光路的液體棱鏡耦合的表面等離子體共振折射率傳感裝置。利用鍍膜的玻璃基片作為傳感芯片，利用一個切面為直角三角形的中空盒作為液體棱鏡和樣品的載體，同時將傳感芯片放置在中空盒的直角面，并使傳感芯片的玻璃面和液體接觸、金屬膜面和外界空氣接觸，這樣就構(gòu)成了液體棱鏡的基本結(jié)構(gòu)。得益

4、于直角中空盒的采用，在中空盒轉(zhuǎn)動的過程中，出射光并不改變方向，這使得光路探測很容易實現(xiàn)。由于液體棱鏡和樣品的統(tǒng)一，與固體棱鏡裝置相比，液體棱鏡裝置在結(jié)構(gòu)上進行了簡化。通過電磁理論和菲涅爾公式的分析表明，如果采用相同的待測樣品，液體棱鏡裝置比固體棱鏡裝置具有更高的品質(zhì)因數(shù)。
　　提出了基于液體棱鏡的相位和角度共同檢測的表面等離子體共振折射率傳感方法。這種方法依然采用液體棱鏡和樣品統(tǒng)一的液體棱鏡結(jié)構(gòu)。由于液體棱鏡結(jié)構(gòu)的自適應(yīng)特點，保證

5、了出射光的方向不變，使得相位檢測方法很容易實施。利用液體棱鏡結(jié)構(gòu)具有更窄的半高全寬的表面等離子體共振曲線的特點，得到了變化率更大的相位角曲線。通過菲涅爾多層反射公式的分析可知，表面等離子體共振激發(fā)光的反射率和相位角都是入射角的函數(shù)，所以采用反射光強檢測法和線偏振光干涉法可以同時得到p偏振光的反射率和p偏振與s偏振之間的相位差在不同入射角下的數(shù)值。利用液體棱鏡耦合方式的相位和角度共同檢測的方法同時得到了高靈敏度、大動態(tài)范圍、高信噪比和簡易

6、相位提取算法的傳感特性。此外我們還利用Michelson干涉儀的辦法測量了固定入射角度情況下p偏振與s偏振之間的相位差，并采用多組數(shù)據(jù)正弦擬合求平均值的方法減小測量誤差、提高測量精度。
　　開展了基于液體棱鏡表面等離子體共振傳感技術(shù)進行液體色散測量的應(yīng)用研究。采用液體棱鏡和樣品統(tǒng)一的結(jié)構(gòu)，利用表面等離子體共振條件對液體棱鏡的折射率、入射光的波長和入射角敏感的特點來進行液體色散的測量。系統(tǒng)采用準直的寬帶光源作為激發(fā)光源，采用光譜儀探

7、測反射光的光譜，分別利用金膜和銀膜作為傳感介質(zhì)。實驗中，采用水作為標準樣品測量了金膜和銀膜的介電常數(shù)的實部，利用上述數(shù)據(jù)和不同入射角下的波長檢測方法測量了酒精、正己烷、二甲基硅油、二氯甲烷、二甘醇和甘油6種樣品的色散曲線。上述樣品的測量數(shù)據(jù)同阿貝折射儀在幾種波長下的測量結(jié)果進行了比較，兩者的誤差在合理的范圍內(nèi)，證明了液體棱鏡表面等離子體共振技術(shù)進行液體色散測量的應(yīng)用是可行了。這種方法為高靈敏度、快速的液體色散測量提供了一種新的解決方案。

8、
　　分析了基于角度檢測的液體棱鏡耦合方式Kretschmann結(jié)構(gòu)表面等離子體共振傳感器的靈敏度和品質(zhì)因數(shù)。在這種液體棱鏡結(jié)構(gòu)中，液體棱鏡只發(fā)揮棱鏡的耦合作用而不作為樣品使用。利用液體棱鏡結(jié)構(gòu)的自適應(yīng)特點，我們采用角度檢測的方式來分析液體棱鏡結(jié)構(gòu)的表面等離子體共振特性。利用液體棱鏡的折射率連續(xù)可調(diào)的特點，我們采用不同的液體作為棱鏡對一組相同的樣品進行實驗研究，從中得到了較低的液體棱鏡折射率可以獲得更高的靈敏度和更高的品質(zhì)因數(shù)的結(jié)