一種產(chǎn)生表面等離子體波的裝置及方法
【專利摘要】本發(fā)明公開產(chǎn)生表面等離子體波的裝置及方法。包括光源、傳輸光纖和三角棱鏡，所述三角棱鏡為底面是矩形的棱錐體，棱錐體的頂點(diǎn)與底面對角線中點(diǎn)的連線垂直于底面，底面兩個(gè)長邊所在的棱錐體側(cè)面均為等腰直角三角形；所述三角棱鏡的底面為傳感面，該傳感面上依次鍍有光電耦合層和金屬薄膜層，所述金屬薄膜層表面覆有環(huán)境介質(zhì)；所述底面兩個(gè)短邊所在的棱錐體側(cè)面中的一面作為入射面，另一面作為反射面。利用本發(fā)明的裝置和方法所產(chǎn)生的共振集中區(qū)域的能量集中且峰值顯著增大，同時(shí)具有共振光譜調(diào)制特性和很高的折射率響應(yīng)靈敏度。
【專利說明】一種產(chǎn)生表面等離子體波的裝置及方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明公開了一種產(chǎn)生表面等離子體波的裝置和方法，屬于光學(xué)濾波與調(diào)制器件設(shè)計(jì)等領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002]表面等離子體共振(Surface Plasmon Resonance, SPR)效應(yīng)作為一種存在于金屬薄膜與電介質(zhì)界面利用衰減全反射引起金屬表面電荷振蕩的物理光學(xué)現(xiàn)象，對于環(huán)境介質(zhì)折射率的變化非常敏感。SPR技術(shù)具有特異性好、適于原位標(biāo)記、無二次污染、場增強(qiáng)效應(yīng)強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，已在抗原抗體免疫分析、藥物篩選與鑒定、多頻譜成像等領(lǐng)域受到廣泛重視。隨著分子生物檢測、環(huán)保監(jiān)測以及新型光學(xué)濾波器技術(shù)探索的持續(xù)深入，因此提升SPR效應(yīng)調(diào)制效果及提高其響應(yīng)靈敏度成為新的研究熱點(diǎn)。
[0003]L.Wu等采用在金屬薄膜外側(cè)增覆石墨烯,研制了檢測碳基環(huán)結(jié)構(gòu)的SPR生物傳感器，該方法主要適用于等研制了基于磁光效應(yīng)Au/Co/Au夾層結(jié)構(gòu)的棱鏡SPR傳感器，提高了 DNA短鏈雜交的檢測靈敏度，但由于系統(tǒng)采用角度調(diào)制裝置使得檢測過程較為復(fù)雜。郝鵬等采用納米金表面修飾對傳感信號的放大作用以及調(diào)節(jié)各介質(zhì)層能量分布，提高了 SPR生物傳感器靈敏度。
[0004]以上工作大都集中于對特定監(jiān)測分子適用的高靈敏度共振傳感器，目前用于共振光譜與靈敏度雙重調(diào)制的產(chǎn)生表面等離子體波的裝置和方法尚未提出。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明解決的技術(shù)問題是提供了一種產(chǎn)生表面等離子體波的裝置和方法，同時(shí)還提出了基于表面等離子共振的檢測系統(tǒng)。
[0006]為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明一種產(chǎn)生表面等離子共振的裝置，包括光源、傳輸光纖和三角棱鏡，所述三角棱鏡為底面是矩形的棱錐體，棱錐體的頂點(diǎn)與底面對角線中點(diǎn)的連線垂直于底面，底面兩個(gè)長邊所在的棱錐體側(cè)面均為等腰直角三角形；所述三角棱鏡的底面為傳感面，該傳感面上依次鍍有光電耦合層和金屬薄膜層，所述金屬薄膜層表面覆有環(huán)境介質(zhì)；所述底面兩個(gè)短邊所在的棱錐體側(cè)面中的一面作為入射面，另一面作為反射面；其中，光源輸出的入射光以預(yù)設(shè)入射角經(jīng)傳輸光纖傳輸至入射面發(fā)生折射后依次傳輸至光電率禹合層、金屬薄膜層。
[0007]進(jìn)一步地優(yōu)選方案，本發(fā)明產(chǎn)生表面等離子共振的裝置中，所述入射角為45度。
[0008]進(jìn)一步地優(yōu)選方案，本發(fā)明產(chǎn)生表面等離子共振的裝置中，所述光源與傳輸光纖之間設(shè)置偏光器，所述偏光器用于分離入射光中的P偏振光。
[0009]進(jìn)一步地優(yōu)選方案，本發(fā)明產(chǎn)生表面等離子共振的裝置中，所述光電耦合層為Ti02，折射率為2.2，厚度為150nm ;棱鏡材料為K9，折射率為1.5163 ;金屬薄膜層的厚度為50nm,其中光電耦合層的折射率和厚度利用時(shí)域有限差分法數(shù)值模擬確定。
[0010]進(jìn)一步地優(yōu)選方案，本發(fā)明產(chǎn)生表面等離子共振的裝置中，所述光源為波長為400-1000nm的寬帶光源。
[0011]進(jìn)一步地優(yōu)選方案，本發(fā)明產(chǎn)生表面等離子共振的裝置中，所述環(huán)境介質(zhì)為液態(tài)介質(zhì)，其折射率范圍為1.33-1.37。
[0012]一種產(chǎn)生表面等離子體波的方法，該方法基于上述產(chǎn)生表面等離子體波的裝置來實(shí)現(xiàn)，具體包括:
[0013](I)、入射角為45度，波長為400-1000nm的入射光經(jīng)傳輸光纖傳輸至入射面，在所述入射面發(fā)生折射，光波經(jīng)過棱鏡的傳輸?shù)竭_(dá)光電耦合層界面；
[0014](2)、將不同折射率的環(huán)境介質(zhì)分別覆蓋于金屬薄膜層表面，此時(shí)入射光在光電耦合層-金屬薄膜層界面發(fā)生全反射，激發(fā)金屬薄膜層與環(huán)境介質(zhì)界面發(fā)生表面等離子體共振效應(yīng)，產(chǎn)生表面等離子體波。
[0015]進(jìn)一步地優(yōu)選方案，本發(fā)明產(chǎn)生表面等離子體波的方法中，當(dāng)環(huán)境介質(zhì)為液態(tài)介質(zhì)時(shí)，每次通過滴管滴3-5滴介質(zhì)至金屬薄膜層表面。
[0016]一種基于表面等離子共振的檢測系統(tǒng)，該系統(tǒng)用于檢測不同折射率的環(huán)境介質(zhì)下反射光強(qiáng)度與入射波長之間的關(guān)系，具體包括產(chǎn)生表面等離子體波的裝置、傳輸光纖I，其中，所述產(chǎn)生表面等離子體波的裝置為上述裝置，[0017]光源輸出的入射光經(jīng)傳輸光纖入射至入射面發(fā)生折射后在傳感面發(fā)生全反射；全反射產(chǎn)生的平行于入射光的反射光路上依次設(shè)有聚焦透鏡和光纖光譜儀，反射光經(jīng)傳輸光纖I傳輸至聚焦透鏡聚焦后傳輸給光纖光譜儀；光纖光譜儀外接計(jì)算機(jī)檢測光譜圖經(jīng)光譜分析呈現(xiàn)出不同折射率的環(huán)境介質(zhì)下的反射光強(qiáng)度與入射波長之間的關(guān)系，該關(guān)系滿足以下條件:
[0018]
【權(quán)利要求】
1.一種產(chǎn)生表面等離子體波的裝置，其特征在于:包括光源、傳輸光纖和三角棱鏡，所述三角棱鏡為底面是矩形的棱錐體，棱錐體的頂點(diǎn)與底面對角線中點(diǎn)的連線垂直于底面，底面兩個(gè)長邊所在的棱錐體側(cè)面均為等腰直角三角形；所述三角棱鏡的底面為傳感面，該傳感面上依次鍍有光電耦合層和金屬薄膜層，所述金屬薄膜層表面覆有環(huán)境介質(zhì)；所述底面兩個(gè)短邊所在的棱錐體側(cè)面中的一面作為入射面，另一面作為反射面；其中，光源輸出的入射光以預(yù)設(shè)入射角經(jīng)傳輸光纖傳輸至入射面發(fā)生折射后依次傳輸至光電耦合層、金屬薄膜層。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述產(chǎn)生表面等離子體波的裝置，其特征在于:所述入射角為45度。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述產(chǎn)生表面等離子體波的裝置，其特征在于:所述光源與傳輸光纖之間設(shè)置偏光器，所述偏光器用于分離出入射光中的P偏振光。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述產(chǎn)生表面等離子體波的裝置，其特征在于:所述光電耦合層為Ti02，折射率為2.2，厚度為150nm ;棱鏡材料為K9，折射率為1.5163 ;金屬薄膜層的厚度為50nm,其中光電耦合層的折射率和厚度利用時(shí)域有限差分法數(shù)值模擬確定。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述產(chǎn)生表面等離子體波的裝置，其特征在于:所述光源為波長為400-1000nm的寬帶光源。
6.根據(jù)權(quán)利要求4所述產(chǎn)生表面等離子體波的裝置，其特征在于:所述環(huán)境介質(zhì)為液態(tài)介質(zhì)，其折射率范圍為1.33-1.37。
7.—種產(chǎn)生表面等離子體波的方法，其特征在于，該方法基于權(quán)利要求1-6中任意一項(xiàng)所述產(chǎn)生表面等離子體波的裝置來實(shí)現(xiàn)，具體包括: (1)、入射角為45度，波長為400-1000nm的入射光經(jīng)傳輸光纖傳輸至入射面，在所述入射面發(fā)生折射，光波經(jīng)過棱鏡的傳輸?shù)竭_(dá)光電耦合層界面； (2)、將不同折射率的環(huán)境介質(zhì)分別覆蓋于金屬薄膜層表面，此時(shí)入射光在光電耦合層-金屬薄膜層界面發(fā)生全反射，激發(fā)金屬薄膜層與環(huán)境介質(zhì)界面發(fā)生表面等離子體共振效應(yīng)，產(chǎn)生表面等離子體波。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的產(chǎn)生表面等離子體波的方法，其特征在于:當(dāng)環(huán)境介質(zhì)為液態(tài)介質(zhì)時(shí)，每次通過滴管滴3-5滴介質(zhì)至金屬薄膜層表面。
9.一種基于表面等離子共振的檢測系統(tǒng)，其特征在于:該系統(tǒng)用于檢測不同折射率的環(huán)境介質(zhì)下反射光強(qiáng)度與入射波長之間的關(guān)系，具體包`括產(chǎn)生表面等離子體波的裝置、傳輸光纖I，其中，所述產(chǎn)生表面等離子體波的裝置為權(quán)利要求1-5中任意一項(xiàng)所述裝置， 光源輸出的入射光經(jīng)傳輸光纖入射至入射面發(fā)生折射后在傳感面發(fā)生全反射；全反射產(chǎn)生的平行于入射光的反射光路上依次設(shè)有聚焦透鏡和光纖光譜儀，反射光經(jīng)傳輸光纖I傳輸至聚焦透鏡聚焦后傳輸給光纖光譜儀；光纖光譜儀外接計(jì)算機(jī)檢測光譜圖經(jīng)光譜分析呈現(xiàn)出不同折射率的環(huán)境介質(zhì)下的反射光強(qiáng)度與入射波長之間的關(guān)系，該關(guān)系滿足以下條件: 式中，R為棱鏡中P光的光強(qiáng)反射率，H1=N1Ai0s θ I為棱鏡的導(dǎo)納，N1為棱鏡的絕對折射率，G1為入射角，Y=C /Bi，其中，B'為入射光電場振幅、CT為入射光磁場振幅；
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的基于表面等離子共振的檢測系統(tǒng)，其特征在于:所述環(huán)境介質(zhì)的折射率為1.33-1.37。
【文檔編號】G01N21/552GK103512865SQ201310418219
【公開日】2014年1月15日 申請日期:2013年9月13日 優(yōu)先權(quán)日:2013年9月13日
【發(fā)明者】曾捷, 張倩昀, 周雅斌, 張先輝, 章曉燕, 周鵬, 李繼峰 申請人:南京航空航天大學(xué)