專利名稱：一種折射率傳感器及其探測(cè)方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及光學(xué)測(cè)量技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種基于表面等離激元與參考光干涉效應(yīng)的折射率傳感器及其探測(cè)方法。
背景技術(shù)：
表面等離激元SP (Surface Plasmon)是一種局域在金屬/介質(zhì)界面上,并沿金屬表面?zhèn)鞑サ碾姶拍Ｊ?，電磁?chǎng)強(qiáng)度在垂直于金屬表面的方向上指數(shù)衰減；并且表面等離激元沿傳播方向的波數(shù)大于同一頻率下光子在該介質(zhì)中自由傳播的波數(shù)。通常情況下，光和表面等離激元之間不能直接轉(zhuǎn)換，需要引入納米結(jié)構(gòu)或特殊配置以滿足波矢匹配條件。光與表面等離激元之間的耦合對(duì)金屬膜上介質(zhì)的折射率非常敏感，利用這個(gè)特性，人們提出了表面等離激元共振SPR(Surface plasmon resonance)傳感器來(lái)測(cè)量介質(zhì)的折射率。SPR傳感器的優(yōu)點(diǎn)包括無(wú)需標(biāo)記、高靈敏度并且能夠?qū)崟r(shí)檢測(cè)生物分子相互作用的結(jié)合與解離的可逆動(dòng)態(tài)過(guò)程，是一種較理想的可用于蛋白質(zhì)組學(xué)研究的技術(shù)?；诒砻娴入x激元的光學(xué)傳感器因其具有巨大的市場(chǎng)應(yīng)用前景，備受人們關(guān)注，從1990年進(jìn)入商業(yè)應(yīng)用以來(lái)，已經(jīng)成為一種研究生物分子相互作用的重要手段，在食品安全、醫(yī)療診斷和環(huán)境監(jiān)測(cè)等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。目前，一類SPR傳感器是基于棱鏡的全內(nèi)反射，對(duì)于一定的入射角度入射光可以有效地轉(zhuǎn)換為表面等離激元，通過(guò)觀察反射光的變化來(lái)推知介質(zhì)的折射率。另一類SPR傳感器是基于金屬納米顆粒、金屬表面的周期性的納米孔陣列或其它形狀的周期性結(jié)構(gòu)，利用局域表面等離激元的共振效應(yīng)，通過(guò)觀察透射譜的變化來(lái)獲知折射率的變化，這類傳感器需要使用光譜儀或波長(zhǎng)可調(diào)諧光源。現(xiàn)有技術(shù)的SPR傳感器主要存在以下問(wèn)題1) SPR折射率傳感方案是采用光譜式探測(cè)的方法，需要較為昂貴的光譜儀和寬帶光源；2)對(duì)干涉條紋的絕對(duì)強(qiáng)度進(jìn)行測(cè)量，測(cè)量對(duì)于入射光源的強(qiáng)度波動(dòng)和探測(cè)器的噪聲敏感；3)傳統(tǒng)的折射率傳感器(如棱鏡型的SPR傳感器)監(jiān)測(cè)某一個(gè)峰或者谷的變化，數(shù)據(jù)測(cè)量不夠準(zhǔn)確；
4)傳感器尺寸大，不利于集成。

發(fā)明內(nèi)容
為了實(shí)現(xiàn)進(jìn)一步小型化和簡(jiǎn)化光源和探測(cè)系統(tǒng)，并實(shí)現(xiàn)多通道檢測(cè)，本發(fā)明提出了一種基于表面等離激元與參考光干涉效應(yīng)的折射率傳感器，本傳感器利用單色光源入射到光柵結(jié)構(gòu)上激發(fā)表面等離激元，激發(fā)裝置和漏輻射顯微鏡系統(tǒng)相對(duì)比較簡(jiǎn)單，單個(gè)通道所要求的檢測(cè)面積比較小，從而實(shí)現(xiàn)了小型的、實(shí)時(shí)的、無(wú)需標(biāo)定物的高靈敏度的折射率傳感器，有利于器件的集成。本發(fā)明的一個(gè)目的在于提供一種基于表面等離激元與參考光干涉效應(yīng)的折射率傳感器。本發(fā)明的折射率傳感器包括激發(fā)裝置和測(cè)量裝置；激發(fā)裝置包括單色光源、聚焦器件和傳感器芯片；測(cè)量裝置由漏輻射顯微鏡系統(tǒng)組成，包括油浸物鏡、成像透鏡和CCD相機(jī)；單色光源發(fā)射出來(lái)的激光經(jīng)聚焦器件聚焦，入射到傳感器芯片上激發(fā)起表面等離激元，產(chǎn)生的表面等離激元沿傳感器芯片的金屬薄膜的表面?zhèn)鞑ゲ⒁月┹椛鋱?chǎng)的形式從傳感器芯片輻射出來(lái)，由油浸物鏡收集表面等離激元的漏輻射光，經(jīng)透鏡成像入射到CCD相機(jī)上，另有一束參考光同時(shí)入射到CCD相機(jī)上與漏福射場(chǎng)發(fā)生干涉,并被CCD相機(jī)記錄干涉條紋的信息；傳感器芯片進(jìn)一步包括金屬薄膜，在金屬薄膜上刻有光柵結(jié)構(gòu)，待測(cè)樣品放置在金屬薄膜上，金屬薄膜鍍?cè)谕该饕r底上。
聚焦器件可以是柱面鏡、透鏡、物鏡及二元光學(xué)元件中的一種。光柵結(jié)構(gòu)是利用微加工手段制備在金屬膜上的周期性結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)尺寸根據(jù)獲得比較好的光與表面等離激元之間的耦合效率來(lái)確定，其周期與表面等離激元的波長(zhǎng)相當(dāng)。金屬薄膜的材料可以是金、銀、銅和鋁等貴重金屬，并且是通過(guò)磁控濺射、電子束蒸發(fā)或熱蒸發(fā)等方法鍍?cè)谕该饕r底上的。透明襯底采用適合利用油浸物鏡觀察的透明介質(zhì)。金屬薄膜上方的單色光源通過(guò)聚焦器件聚焦后入射到光柵結(jié)構(gòu)上，激發(fā)起表面等離激元沿金屬薄膜表面?zhèn)鞑?，金屬薄膜需足夠薄，厚度?00納米以內(nèi)，入射激光的一部分直接穿透金屬薄膜；沿金屬薄膜的表面?zhèn)鞑サ谋砻娴入x激元可以隧穿到金屬薄膜-透明襯底界面，最終以一定的角度從透明襯底中輻射出來(lái)，一般此輻射角大于襯底-待測(cè)物界面的全反射角，所以需要在透明襯底后面用一個(gè)數(shù)值孔徑大于1.0的油浸物鏡來(lái)收集表面等離激元的漏輻射場(chǎng)。進(jìn)一步，本發(fā)明的折射率傳感器進(jìn)一步包括在成像透鏡和CXD相機(jī)之間設(shè)置分光濾波系統(tǒng)，分光濾波系統(tǒng)包括分光鏡，將從油浸物鏡出射的光分成兩路信號(hào)光路和參考光路；在每一光路上分別設(shè)置濾波裝置，在空間頻譜面上分別進(jìn)行空間濾波，信號(hào)光路濾波后僅留下往一側(cè)傳播的表面等離激元的漏輻射光即信號(hào)光；參考光路濾波后僅讓直接透光的激光作為參考光通過(guò)；濾波后的信號(hào)光和參考光通過(guò)另一個(gè)分光鏡后重新匯聚到一起。信號(hào)光和參考光同時(shí)入射到CCD相機(jī)上發(fā)生干涉，并被CCD相機(jī)記錄干涉條紋的信息。由于參考光的強(qiáng)度比信號(hào)光強(qiáng)很多，我們?cè)趨⒖脊饴分胁迦胍粋€(gè)衰減器以提高干涉條紋的對(duì)比度。由于表面等離激元的漏輻射光(信號(hào)光)的出射角度與金屬薄膜上介質(zhì)的折射率有關(guān)，因此通過(guò)觀察干涉條紋的周期可以監(jiān)測(cè)待測(cè)樣品的折射率。設(shè)參考光以角度0 (參考光的波矢與CCD相機(jī)的探測(cè)平面的法線的夾角，OS 0 <90° )入射到C⑶相機(jī)的探測(cè)平面上，表面等離激元的漏輻射光以角度a (信號(hào)光波矢與C⑶相機(jī)的探測(cè)平面的法線的夾角，0< a <90° )同時(shí)入射到C⑶相機(jī)上并發(fā)
生干涉，該干涉過(guò)程可視為兩列平面波形成的干涉，干涉強(qiáng)度可表示為
I = |i 0e"%.'vsme + E0e!to..'.sma = 2|五0|2 +2|i 0「cos((々0sin _灸0 sin0) (I )其中1 是光場(chǎng)在自由空間中傳播的波數(shù)，Etl是振幅；根據(jù)上述公式，很容易得到干涉條紋的周期T =入V I sin a -sin 0 |。對(duì)于參考光垂直入射到CXD相機(jī)的探測(cè)平面上(0=0)的情形，干涉條紋的周期為Ttl= XcZsina。假設(shè)漏輻射顯微鏡系統(tǒng)的放大倍數(shù)為M，則這種情況下CCD相機(jī)的探測(cè)平面上干涉條紋的周期可以表達(dá)為
權(quán)利要求
1.一種折射率傳感器，其特征在于，所述折射率傳感器包括激發(fā)裝置和漏輻射顯微鏡系統(tǒng)；激發(fā)裝置包括單色光源(I)、聚焦器件(2)和傳感器芯片；漏輻射顯微鏡系統(tǒng)包括油浸物鏡(41)、成像透鏡(42)和C⑶相機(jī)(43);單色光源(I)發(fā)射出來(lái)的激光經(jīng)聚焦器件(2)聚焦，入射到傳感器芯片上激發(fā)起表面等離激元，產(chǎn)生的表面等離激元沿傳感器芯片的金屬薄膜的表面?zhèn)鞑ゲ⒁月└Ｉ鋱?chǎng)的形式從傳感器芯片福射出來(lái)，由油浸物鏡(41)收集表面等離激元的漏輻射光，經(jīng)成像透鏡(42)入射到C⑶相機(jī)(43)上，另有一束參考光同時(shí)入射到CCD相機(jī)(43)上與漏福射場(chǎng)發(fā)生干涉,并被CCD相機(jī)(43)記錄干涉條紋的信息；傳感器芯片進(jìn)一步包括金屬薄膜(32)，在金屬薄膜(32)上刻有光柵結(jié)構(gòu)(33)，待測(cè)樣品(34)放置在金屬薄膜(32)上，金屬薄膜(32)鍍?cè)谕该饕r底(31)上。
2.如權(quán)利要求I所述的折射率傳感器，其特征在于，所述聚焦器件(2)是柱面鏡、透鏡、物鏡及二兀光學(xué)兀件中的一種。
3.如權(quán)利要求I所述的折射率傳感器，其特征在于，所述光柵結(jié)構(gòu)(33)是利用微加工手段制備在金屬膜上(32)的周期性結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)尺寸根據(jù)獲得比較好的光與表面等離激元之間的耦合效率來(lái)確定，其周期與表面等離激元的波長(zhǎng)相當(dāng)。
4.如權(quán)利要求I所述的折射率傳感器，其特征在于，所述金屬薄膜(32)的材料可以是金、銀、銅和鋁等貴重金屬，并且是通過(guò)磁控濺射、電子束蒸發(fā)或熱蒸發(fā)等方法鍍?cè)谕该饕r底上的。
5.如權(quán)利要求I所述的折射率傳感器，其特征在于，所述金屬薄膜(32)的厚度在100納米以內(nèi)。
6.如權(quán)利要求I所述的折射率傳感器，其特征在于，所述油浸物鏡(41)的數(shù)值孔徑大于 I. O。
7.如權(quán)利要求I所述的折射率傳感器，其特征在于，進(jìn)一步包括在成像透鏡和C⑶相機(jī)之間設(shè)置分光濾波系統(tǒng)，分光濾波系統(tǒng)包括分光鏡，將從油浸物鏡出射的光分成兩路信號(hào)光路和參考光路；在每一光路上分別設(shè)置濾波裝置，在空間頻譜面上分別進(jìn)行空間濾波，信號(hào)光路濾波后僅留下往一側(cè)傳播的表面等離激元的漏輻射光即信號(hào)光；參考光路濾波后僅讓直接透光的激光作為參考光通過(guò)；濾波后的信號(hào)光和參考光通過(guò)另一個(gè)分光鏡后重新匯聚到一起。
8.如權(quán)利要求7所述的折射率傳感器，其特征在于，在所述參考光路中插入一個(gè)衰減器以提高干涉條紋的對(duì)比度。
9.一種權(quán)利要求I所述的折射率傳感器的探測(cè)方法，其特征在于，所述探測(cè)方法包括以下步驟 .1)在金屬薄膜的上表面擱置待測(cè)樣品； .2)金屬薄膜上方的單色光源發(fā)射出來(lái)的激光通過(guò)聚焦器件聚焦后入射到光柵結(jié)構(gòu)上，激發(fā)起表面等離激元沿金屬薄膜表面?zhèn)鞑?，入射激光的一部分直接穿透金屬薄膜，沿金屬薄膜表面?zhèn)鞑サ谋砻娴入x激元可以隧穿到金屬薄膜-透明襯底界面，最終以一定的角度從透明襯底中輻射出來(lái)，并在透明襯底的后面用油浸物鏡來(lái)收集表面等離激元的漏輻射場(chǎng)； .3)油浸物鏡收集的光包含表面等離激元的漏輻射光和直接透射的激光兩種成分，直接透射的激光被用來(lái)作為參考光，參考光以角度9 (參考光的波矢與CCD相機(jī)的探測(cè)平面的法線的夾角，OS 0 <90° )入射到CCD相機(jī)的探測(cè)平面上，表面等離激元的漏輻射光即信號(hào)光以角度a (信號(hào)光波矢與CCD相機(jī)的探測(cè)平面的法線的夾角，0< a <90° )，同時(shí)入射到CXD相機(jī)上發(fā)生干涉，并被CXD相機(jī)記錄干涉條紋的周期T ； 4) CCD相機(jī)的探測(cè)平面上干涉條紋的周期如下表示T 二-^--(I)Isin -sin 6*1 211 |! -sin 沒(méi) 其中，T為干涉條紋的周期，M為測(cè)量系統(tǒng)的放大倍數(shù)，為入射激光的波長(zhǎng)，X印為表面等離激元的波長(zhǎng)，根據(jù)介質(zhì)/金屬/介質(zhì)三層波導(dǎo)色散方程_ Kn^d + Kfis + K^m^~ ,、/ ￡m k.m Ss - l<s Sj") 其中，km2 = ksp2-k02 e mr, ks2 = ksp2-k02 e s, kd2 = ksp2-k02 e d, a 是金屬薄膜的厚度,下標(biāo)m代表金屬薄膜，下標(biāo)s代表透明襯底，下標(biāo)d代表待測(cè)樣品，e d為待測(cè)樣品的介電常數(shù)，為金屬薄膜的介電常數(shù)，為金屬薄膜的介電常數(shù)的實(shí)部，es為透明襯底的介電常數(shù)，1 = 2 /入^為激光在自由空間中的波數(shù)，ksp = 2Ji/Asp為表面等離激元的波數(shù)，聯(lián)立公式(I)和(2)就可以根據(jù)干涉條紋的周期得到待測(cè)樣品的折射率。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種折射率傳感器及其探測(cè)方法。本發(fā)明的折射率傳感器包括激發(fā)裝置和測(cè)量裝置；激發(fā)裝置包括單色光源、聚焦器件和傳感器芯片；測(cè)量裝置由漏輻射顯微鏡系統(tǒng)組成，包括油浸物鏡、成像透鏡和CCD相機(jī)；單色光源經(jīng)聚焦器件入射到傳感器芯片上激發(fā)起表面等離激元SP，由油浸物鏡收集SP的漏輻射光，經(jīng)成像透鏡后，和另一束參考光同時(shí)入射到CCD相機(jī)上并發(fā)生干涉，CCD相機(jī)記錄干涉條紋的信息，根據(jù)干涉條紋周期來(lái)監(jiān)測(cè)金屬薄膜上表面待測(cè)樣品的折射率。本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于只需單波長(zhǎng)光源，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低；測(cè)量對(duì)于入射光源的強(qiáng)度波動(dòng)和探測(cè)器的噪聲并不敏感；提高了數(shù)據(jù)測(cè)量的準(zhǔn)確性；可以實(shí)現(xiàn)傳感器的微型化和多通道探測(cè)。
文檔編號(hào)G01N21/45GK102654457SQ20121015233
公開(kāi)日2012年9月5日 申請(qǐng)日期2012年5月16日 優(yōu)先權(quán)日2012年5月16日
發(fā)明者張家森, 溫秋玲 申請(qǐng)人:北京大學(xué)