表面等离激元共振传感测量方法、装置及系统制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种表面等离激元共振传感测量方法、装置及系统，将偏振激光光束聚焦到镀金属膜透明基底上激发表面等离激元与目标介质发生相互作用，形成的反射光场在成像系统后焦平面位置处的成像，目标介质包含待测样品，在此基础上，通过获取待测样品对应的反射光空间频域图像，若目标介质除了包含待测样品以外，还包含其他介质，则基于反射光空间频域图像，得到待测样品对应的目标反射光空间频域谱，进而基于目标反射光空间频域谱以及预设对应关系，确定待测样品的折射率以及待测样品对应的厚度，有效地实现了目标介质为非均匀折射率的多层介质的情况下，样品折射率以及对应厚度的测量。

【技术实现步骤摘要】
表面等离激元共振传感测量方法、装置及系统
本专利技术涉及光电检测
，尤其涉及一种表面等离激元共振传感测量方法、装置及系统。
技术介绍
表面等离激元(SurfacePlasmonPolariton，SPP)是在金属—介质界面处产生的自由电子共振。当入射光满足波矢匹配的时候，激发光和金属表面的自由电子发生共振，产生沿金属—介质界面传播的SPP倏逝场，在金属—介质界面处SPP场强度最大，在远离界面处呈指数衰减，倏逝深度小于200纳米。目前常用的SPP共振传感方法是基于SPP波矢匹配理论，通过测量SPP共振角度实现界面附近介质折射率测量。具体为使用单色激光激发SPP，利用金属界面处折射率变化引起的SPP共振角度改变，实现被测物的折射率传感。这种方式灵敏度高，但是仅能测量均匀介质的折射率，测量参数较为单一。
技术实现思路
本专利技术提供了一种表面等离激元共振传感测量方法、装置及系统，能够实现待测样品的折射率以及对应厚度信息的测量。第一方面，本说明书实施例提供了一种表面等离激元共振传感测量方法，所述方法包括：获取待测样品对应的反射光空间频域图像，所述反射光空间频域图像为偏振激光光束聚焦到镀金属膜透明基底上激发表面等离激元与目标介质发生相互作用后，形成的反射光场在成像系统后焦平面位置处的图像，其中，所述目标介质为位于金属-介质界面激发的表面等离激元倏逝深度范围内的介质，所述目标介质包含所述待测样品；若所述目标介质还包含除所述待测样品以外的其他介质，则执行以下第一测量步骤：基于所述反射光空间频域图像，得到所述待测样品对应的目标反射光空间频域谱；基于所述目标反射光空间频域谱以及预设对应关系，确定所述待测样品的折射率以及所述待测样品对应的厚度，其中，所述预设对应关系为基于传输矩阵法得到的反射光空间频域谱与样品折射率以及目标厚度之间的对应关系。进一步地，所述方法还包括：若所述目标介质不包含除所述待测样品以外的其他介质，则执行以下第二测量步骤：基于所述反射光空间频域图像，得到目标表面等离激元共振角度；基于所述目标表面等离激元共振角度，以及表面等离激元共振角度与金属界面处介质折射率的对应关系，确定所述待测样品的折射率。进一步地，所述基于所述目标反射光空间频域谱以及预设对应关系，确定所述待测样品的折射率以及所述待测样品对应的厚度之前，还包括：确定用于激发所述表面等离激元且包含待测样品的金属-介质界面的层级模型，并基于所述层级模型构建目标传输矩阵；基于所述目标传输矩阵，得到反射光空间频域谱与样品折射率以及目标厚度之间的对应关系，作为所述预设对应关系，其中，所述目标厚度为与金属膜表面相邻层级介质的厚度。进一步地，沿远离所述金属膜的方向，所述目标介质依次包括第一介质层和第二介质层，其中，所述第一介质层为所述待测样品，所述待测样品对应的厚度为所述待测样品的厚度。进一步地，沿远离所述金属膜的方向，所述目标介质依次包括第一介质层和第二介质层，其中，所述第二介质层为所述待测样品，所述待测样品对应的厚度为所述待测样品底面距离所述金属膜表面的厚度。进一步地，所述基于所述目标反射光空间频域谱以及预设对应关系，确定所述待测样品的折射率以及所述待测样品对应的厚度，包括：基于所述预设对应关系，使用最小二乘法、残差平方和或均方根误差方法拟合，得到对应反射光空间频域谱与所述目标反射光空间频域谱匹配的样品折射率以及目标厚度；将得到的样品折射率以及目标厚度，确定为所述待测样品的折射率以及所述待测样品对应的厚度。进一步地，所述待测样品为单层膜或利用溶液搭载的样品。第二方面，本说明书实施例提供了一种表面等离激元共振传感测量装置，所述装置包括：图像获取模块，用于获取待测样品对应的反射光空间频域图像，所述反射光空间频域图像为偏振激光光束聚焦到镀金属膜透明基底上激发表面等离激元与目标介质发生相互作用后，形成的反射光场在成像系统后焦平面位置处的图像，其中，所述目标介质为位于金属-介质界面激发的表面等离激元倏逝深度范围内的介质，所述目标介质包含所述待测样品；第一测量模块，用于在所述目标介质还包含除所述待测样品以外的其他介质时，执行以下第一测量步骤：基于所述反射光空间频域图像，得到所述待测样品对应的目标反射光空间频域谱；基于所述目标反射光空间频域谱以及预设对应关系，确定所述待测样品的折射率以及所述待测样品对应的厚度，其中，所述预设对应关系为基于传输矩阵法得到的反射光空间频域谱与样品折射率以及目标厚度之间的对应关系。第二方面，本说明书实施例提供了一种表面等离激元共振传感测量系统，包括：入射光产生子系统、显微物镜、成像子系统、光电探测器以及数据处理装置。其中：入射光产生子系统，用于产生平行入射的偏振激光；显微物镜，用于将所述平行入射的偏振激光聚焦到镀金属膜透明基底上，以激发表面等离激元与目标介质发生相互作用，并使得形成的反射光场在成像子系统后焦平面位置处的成像，其中，所述目标介质为位于金属-介质界面激发的表面等离激元倏逝深度范围内的介质，所述目标介质包含待测样品；光电探测器，用于采集所述成像子系统后焦平面位置处的反射光空间频域图像，并发送给所述数据处理装置；所述数据处理装置，用于所述目标介质还包含除所述待测样品以外的其他介质，则执行以下第一测量步骤：基于所述反射光空间频域图像，得到所述待测样品对应的目标反射光空间频域谱；基于所述目标反射光空间频域谱以及预设对应关系，确定所述待测样品的折射率以及所述待测样品对应的厚度，其中，所述预设对应关系为基于传输矩阵法得到的反射光空间频域谱与样品折射率以及目标厚度之间的对应关系。进一步地，所述数据处理装置，还用于：若所述目标介质不包含除所述待测样品以外的其他介质，则执行以下第二测量步骤：基于所述反射光空间频域图像，得到目标表面等离激元共振角度；基于所述目标表面等离激元共振角度，以及表面等离激元共振角度与金属界面处介质折射率的对应关系，确定所述待测样品的折射率。本说明书实施例提供的表面等离激元共振传感测量方法、装置及系统，通过将偏振激光聚焦到镀金属膜透明基底上，实现一定范围内连续变化的入射角度，激发SPP与待测样品发生相互作用，使得SPP的激发条件与分布特征因待测样品折射率和厚度而发生相应的变化，这种变化体现在反射光场的空间频域谱上，在此基础上，通过获取待测样品对应的反射光空间频域图像，得到待测样品对应的目标反射光空间频域谱，进而分析目标反射光空间频域谱，就可以得到待测样品的折射率以及待测样品对应的厚度。上述测量过程中，无需另外控制入射光的角度扫描，有利于快速获得SPP的空间频域谱数据，进而快速得到测量结果，并且在目标介质为非均匀折射率的多层介质时，能够实现待测样品的折射率以及对应的厚度的测量，以便于对待测样品做进一步分析。附图说明通过阅读下文优选实施方式的详细描述，各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本说明书的本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种表面等离激元共振传感测量方法，其特征在于，所述方法包括：/n获取待测样品对应的反射光空间频域图像，所述反射光空间频域图像为偏振激光光束聚焦到镀金属膜透明基底上激发表面等离激元与目标介质发生相互作用后，形成的反射光场在成像系统后焦平面位置处的图像，其中，所述目标介质为位于金属-介质界面激发的表面等离激元倏逝深度范围内的介质，所述目标介质包含所述待测样品；/n若所述目标介质还包含除所述待测样品以外的其他介质，则执行以下第一测量步骤：/n基于所述反射光空间频域图像，得到所述待测样品对应的目标反射光空间频域谱；/n基于所述目标反射光空间频域谱以及预设对应关系，确定所述待测样品的折射率以及所述待测样品对应的厚度，其中，所述预设对应关系为基于传输矩阵法得到的反射光空间频域谱与样品折射率以及目标厚度之间的对应关系。/n

【技术特征摘要】
1.一种表面等离激元共振传感测量方法，其特征在于，所述方法包括：
获取待测样品对应的反射光空间频域图像，所述反射光空间频域图像为偏振激光光束聚焦到镀金属膜透明基底上激发表面等离激元与目标介质发生相互作用后，形成的反射光场在成像系统后焦平面位置处的图像，其中，所述目标介质为位于金属-介质界面激发的表面等离激元倏逝深度范围内的介质，所述目标介质包含所述待测样品；
若所述目标介质还包含除所述待测样品以外的其他介质，则执行以下第一测量步骤：
基于所述反射光空间频域图像，得到所述待测样品对应的目标反射光空间频域谱；
基于所述目标反射光空间频域谱以及预设对应关系，确定所述待测样品的折射率以及所述待测样品对应的厚度，其中，所述预设对应关系为基于传输矩阵法得到的反射光空间频域谱与样品折射率以及目标厚度之间的对应关系。


2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：若所述目标介质不包含除所述待测样品以外的其他介质，则执行以下第二测量步骤：
基于所述反射光空间频域图像，得到目标表面等离激元共振角度；
基于所述目标表面等离激元共振角度，以及表面等离激元共振角度与金属界面处介质折射率的对应关系，确定所述待测样品的折射率。


3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述基于所述目标反射光空间频域谱以及预设对应关系，确定所述待测样品的折射率以及所述待测样品对应的厚度之前，还包括：
确定用于激发所述表面等离激元且包含待测样品的金属-介质界面的层级模型，并基于所述层级模型构建目标传输矩阵；
基于所述目标传输矩阵，得到反射光空间频域谱与样品折射率以及目标厚度之间的对应关系，作为所述预设对应关系，其中，所述目标厚度为与金属膜表面相邻层级介质的厚度。


4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，沿远离所述金属膜的方向，所述目标介质依次包括第一介质层和第二介质层，其中，所述第一介质层为所述待测样品，所述待测样品对应的厚度为所述待测样品的厚度。


5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，沿远离所述金属膜的方向，所述目标介质依次包括第一介质层和第二介质层，其中，所述第二介质层为所述待测样品，所述待测样品对应的厚度为所述待测样品底面距离所述金属膜表面的厚度。


6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述基于所述目标反射光空间频域谱以及预设对应关系，确定所述待测样品的折射率以及所述待测样品对应的厚度，包括：
基于所述预设对应关系，使用最小二乘法、残差平方和或均方根误差方法拟合，得到对应反射光空间频域谱与所述目标反射光空间频域谱匹配的样品折射率以及目标厚度...

【专利技术属性】
技术研发人员：王雪，路鑫超，刘虹遥，赵阳，孙旭晴，黄成军，
申请(专利权)人：中国科学院微电子研究所，
类型：发明
国别省市：北京;11