一种基于内置调制层的棱镜ＳＰＲ传感器检测系统，属于表面等离子体波传感器技术领域。该系统依次由光源（１）、多模光纤（２）、棱镜ＳＰＲ传感器（３）、凸透镜（４）、通过多模光纤（５）接受上述凸透镜（４）传来光线的光谱仪（６）与上述光谱仪相连的计算机（８）组成，其特征在于：在上述棱镜ＳＰＲ传感器（３）的棱镜（９）表面与其金属膜（１０）之间增覆光学调制薄膜（１２）；上述光学调制薄膜的折射率为ｎ，厚度为ｄ，其中ｎ和ｄ的值根据某一波长段所需共振峰个数，利用多层薄膜反射理论模型仿真方法确定。该系统具有对反射光谱共振峰个数进行调节的功能。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术的基于内调制层的棱镜SPR传感器检测系统，属于棱镜SPR传感器 检测
技术介绍
20世纪60年代，著名的物理学家、诺贝尔物理奖获得者Richard Feynman 首次提出合成纳米粒子的设想。1962年，Kubo及其合作者针对金属超微粒子的 研究，提出了著名的Kubo理论，也就是超微颗粒的量子限制理论或量子限域理 论，从而推动了实验物理学家开展对纳米尺度微粒的探索。1984年德国萨尔大 学的Gteiter教授等人首次采用惰性气体凝聚法制备了具有清洁表面的纳米粒子， 然后在真空室中复位加压成纳米固体，并提出了纳米材料界面结构模型。20世 纪90年代初，人们发现了纳米颗粒硅和多孔硅在室温下的在光致可见光区的发 光现象。当粒子尺寸与光波波长、电子DeBroglie波长以及超导态的相干长度或 透射深度等物理特征尺寸相当或更小时，晶体的周期性边界条件受到破坏，非晶 态纳米微粒的颗粒表面层附近原子密度减小，导致声、光、电、磁、热、力学等 特性呈现突变的现象。如纳米材料的光吸收明显加大，并产生吸收峰的等离子共 振偏移；内置纳米复合共振薄膜光学属性对倏逝波和金属表面等离子体振荡波存 在影响，这种内置纳米复合共振薄膜结构属性能影响共振峰半波宽度、共振波长 和共振峰数。SPR (SurfacePlasmonResonance,表面等离子体波共振)效应是由光波与金 属电子相互作用而引起的一种光电子现象，属于等离子体物理学和量子场理论的 范畴，它对金属膜层和介质层属性的微小变化均非常敏感。当光入射到基体与金 属交界面之上并发生衰减全反射时，倏逝光波与SPW (Surface Plasmon Wave, 表面等离子体波)发生耦合。若沿界面的光波矢量分量与SPW的矢量分量相等， 则发生SPR现象，入射光能量被大量吸收，致使反射光能量显著减少。此时入射光的入射角叫做共振角，其波长叫做共振波长。国内外学者对以Kretschmann结构(见附图2)为模型的棱镜SPR传感器已进行了多年的研究，开发出多种可在生物医学领域应用的SPR生化传感器。此形式1968年由德国学者Kretschmann在 "Radiative decay of non-radiative surfaceplasmons excited by light" —文中首先提出。传感器组成为等腰直角棱镜的底面上涂镀一层金属膜，金属膜外有样品池来装载待测液体样本。棱镜SPR传感器检测系统主要有角度调制、相位调制、强度调制和波长调制四种调制形式，四种方式都有着普遍的应用。1988年由Zhang等人组建了第一套基于波长调制方式的棱镜SPR传感器系统，检测了丙酮水溶液的折射率变化情况，该文章并发表在Electro丄ett期刊上。其检测系统组成为白光光源、多模光纤、光纤SPR传感器、凸透镜、多模光纤、光谱仪及与光谱仪相连的计算机组成上述检测系统组成形式能够实现一定程度上的折射率检测。目前波长调制型的SPR棱镜传感器大都通过检测能够准确反映SPR共振光谱位置与形状的特性参量如共振波长、共振峰强度以及共振峰半波宽度随环境介质折射率变化的敏感特性来获取目标检测信息。但是由于传统基于波长调制的棱镜SPR传感器检测系统在实际检测中单个共振峰半波宽度达到lOOnm以上，并且随着共振峰位红移还存在半波宽度展宽的现象。这限制了特定工作波段的共振峰数(即实际检测通道数)，而且还压縮了每个共振峰所对应的检测波段，影响到系统检测的分辨率。
技术实现思路
本专利技术的主要目的在于提供了一种共振峰数可调的棱镜SPR传感器检测系统。其中共振峰数个数取决于内置复合薄膜分子与金属膜间电荷之间转移的方向，即改变内置复合薄膜的折射率和厚度能控制共振峰数。一种基于内置调制层的棱镜SPR传感器检测系统，依次由由光源、多模光纤、棱镜SPR传感器、凸透镜、通过多模光纤接受上述凸透镜传来光线的光谱仪与上述光谱仪相连的计算机组成，其特征在于在上述棱镜SPR传感器的棱镜表面与其金属膜之间增覆光学调制薄膜；上述光学调制薄膜的折射率为w，厚度为d,其中M和d的值根据某一波长段所需共振峰个数，利用多层薄膜反射理论模型仿真方法确定。上述光学调制薄膜的折射率为"，厚度为d,根据某一波长段所需共振峰个 数，利用多层薄膜反射理论模型仿真方法确定n和rf的值。一般常见的氟化物、氧化物、硫化物均可以用作光学调制薄膜的材料，但是 要求所选材料在光源的波长范围内具有良好的透光性，且能较好的与棱镜和金属 膜粘合，MgF2、 Ta205、 ZnS、 CdSe、 Ti02等均是可供选择的材料。光学调制薄膜内置于棱镜和金属膜之间时，将会对以倏逝波形式渗透出棱镜 的入射光波和金属膜表面等离子体波振荡波均产生影响，并激励出多个共振模 式，而每个共振模式对应的共振吸收峰位和峰形又与Drude金属(如Au、 Ag、 Cu)颗粒的尺度属性、介电属性及与其复合的内置光学薄膜属性密切相关。这 种内置光学调制薄膜对共振激励光波和金属表面等离子体波矢量同时具备良好 调节特性。共振光谱峰数可调原理说明结合模式耦合理论和Mie理论可知，当金属膜层与不同属性的金属、半导 体或绝缘体层状薄膜复合时，将形成性能独特的光电复合薄膜。 一方面当复合薄 膜分子将与金属膜分子存在强烈化学作用时，薄膜分子与金属膜间可发生电子转 移，从而改变金属膜内部自由电子的密度，致使金属膜的表面等离子体波矢量发 生变化；另一方面不同波长的入射光波由纤芯基体经过内置层状调制薄膜到达金 属膜层表面传播时，将会形成若干具有不同波矢量的倏逝波场。因此当这些倏逝 波场与经复合薄膜调制的金属表面等离子体振荡波场波矢相匹配时，理论上将会 在不同光波段激发SPR共振效应。由此形成的共振激励峰数和半波宽度则取决 于内置调制薄膜分子与金属膜间电荷之间转移的方向。从Drude金属纳米颗粒属性角度分析，表面等离子体振荡属于伴随电子疏密 的纵波，直接依赖于金属粒子中的自由电子密度。根据电子平均自由程的经典理 论，金属纳米颗粒尺寸的改变将直接影响其介电函数虛部变化，进而对SPR共 振吸收峰宽度和强度产生影响，表面等离子体振荡波随粒径、长径比和颗粒间隙 变化，从而为从原理上实现共振峰半波宽度大幅縮减创造条件。模式耦合理论根据麦克斯韦电磁场理论，光是一种电磁波，棱镜是一种具 有特定边界条件的光波导。在棱镜中传播的光波遵从麦克斯韦方程组，由此可导 出描述光波传输特性的波导场方程为-.V2vF + ;irV = 0 (1)其中甲为光波的电场矢量E和磁场矢量H的各分量，在直角坐标系中可写成义为光波的横向传播常数，即波矢A的横向分量，定义为义=(謂2 _,)1/2 = ("o、2 -,)1/2 (3)式中"为光波的频率；s,w分别为纤芯的介电常数和磁导率；A:。表示光波在真空中的波数；"表示轴向传播常数，定义为= sin <9 (4)式中^为波矢与纤芯径向夹角， 为棱镜折射率。根据棱镜折射率分布规律和给定的边界条件，即可求出E和H的全部分量表达式，确定光波的场分布形式。光波场方程有许多分立的解，每个特解代表一个能在棱镜波导中独立传播的电磁场分布，即所谓波场或模式。定义耦合系数衡量模式之间的匹配程度。Mie理论介质中的微小本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种基于内置调制层的棱镜ＳＰＲ传感器检测系统，依次由由光源（１）、多模光纤（２）、棱镜ＳＰＲ传感器（３）、凸透镜（４）、通过多模光纤（５）接受上述凸透镜（４）传来光线的光谱仪（６）与上述光谱仪相连的计算机（８）组成，其特征在于：在上述棱镜ＳＰＲ传感器（３）的棱镜（９）表面与其金属膜（１０）之间增覆光学调制薄膜（１２）： 上述光学调制薄膜的折射率为ｎ，厚度为ｄ，其中ｎ和ｄ的值根据某一波长段所需共振峰个数，利用多层薄膜反射理论模型仿真方法确定。
【技术特征摘要】
【专利技术属性】
技术研发人员：曾捷，梁大开，万艳，王晓洁，刘宏月，
申请(专利权)人：南京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：84[中国|南京]
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