一种波导耦合长程表面等离子共振传感器及其测量方法技术

本发明专利技术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。

A waveguide coupled long range surface plasmon resonance sensor and its measurement method

【技术实现步骤摘要】
一种波导耦合长程表面等离子共振传感器及其测量方法
本专利技术涉及传感器及传感
，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。
技术介绍
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(SurfacePlasmonResonance，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-WidthRatio，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(WaveguideCoupledSurfacePlasmonResonance，简称为WCSPR)(BiosensorsandBioelectronics,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(OpticsExpress，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(LongRangeSurfacePlasmonResonance，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。
技术实现思路
本专利技术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，本专利技术提供如下技术方案：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，本专利技术的有益效果是：本专利技术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，本专利技术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为本专利技术结构示意图；图2为本专利技术结构测量方法结构示意图；图3为本专利技术结构测量方法流程图；图4为本专利技术反射光强度随检测介质层折射率变化的响应曲线图；图5为本专利技术共振角度随检测介质层折射率变化的响应图；图6为本专利技术反射本文档来自技高网...

【技术保护点】
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：/n棱镜(1)；/n玻璃基底(2)，所述玻璃基底(2)安装在所述棱镜(1)的底部；/n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；/n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；/n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；/n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；/n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；/n样品池(8)，所述样品池(8)安装在所述表面修饰层(7)的底部。/n

【技术特征摘要】
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...

【专利技术属性】
技术研发人员：汪之又，刘莉，吴了，周远，代竞，
申请(专利权)人：长沙学院，
类型：发明
国别省市：湖南;43