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0431-81702023
光学工程
对膜厚不敏感的光谱表面等离子体共振传感器

摘要 表面等离子体共振(SPR)传感技术具有很高的折射率分辨率。但是其折射率分辨率对金属膜厚度非常敏感,影响了SPR传感器的适用性。使用一种叫做“偏振干涉”的技术,来减小光谱型SPR传感器的折射率对金膜厚度的敏感性。实验结果表面,偏振干涉能够降低SPR光谱的最小值,提高使用非最佳金属膜的 SPR 传感器的折射率分辨率。金膜厚度在28.16~54.38nm 范围内变化时,系统的折射率分辨率达到3.9×10-7 ~8.1×10-7RIU(折射率单位)。

关键词 光谱学;表面等离子体共振;金属膜厚;偏振干涉;光谱型

1 引 言

     表面等离子体共振技术(SPR)是一种高灵敏度的光学传感技术,目前已经广泛应用于生物、化学和环境等许多领域[1~3]。

     SPR 传 感 器 按 照 原 理 可 以 分 为 强 度 型、相 位型、光谱型和角度谱型[2]。其中强度型SPR 传感器的折射率分辨率较低[一般不优于10-6折射率单位(RIU)[3,4]];相位型SPR传感器的折射率分辨率较高(最高达到10-8 RIU[5]),但是受金属膜厚等因素影响严 重,且 动 态 范 围 很 小。光 谱 型 和 角 度 谱 型SPR传感器,统称为谱型 SPR 传感器,因为同时具有较高的折射率分辨率(10-7 RIU 量级[6,7])和远大于相位型的动态范围[7]而被广泛采用。本小组已经提出了一种光谱型SPR传感器,能够高通量地检测二维折射率分布信息[8,9]。

      谱型SPR传感器,通过测量 SPR 光谱(或角度谱)曲线中SPR凹陷的最小值对应的波长(或角度)来测量折射率的变化。而谱型 SPR 传感器中的主要噪声是同光强的平方根成正比的[2]。因此,为了提高折射率分辨率,即更精确地测量SPR 谱线的最小值位置,需要SPR谱线中的凹陷具有更小的最小值和更窄的宽度。

      理论上,存在最佳厚度的金属膜使 SPR 谱线的最小值为零。但是,由于镀膜的误差和不均匀性,实际上的SPR谱线最小值往往不为零。而且,在生物和化学传感应用中,需要在金属膜上添加一层能够吸附被测物的功能膜。而这层功能膜的厚度和折射率往往并不能精确地确定,因此很难把金属膜预设成最佳厚度。于是,大于零的SPR 谱线最小值带来了更大的噪声,增大了精确测量SPR 最小值位置的难度,降低了系统的折射率分辨率。此前已经有利用SPR发生时p光和s光相位差来降低 SPR 谱线最小值的方法[10],本小组也提出了一种利用这种方法的角度谱型 SPR 传感器[7],并把这种方法叫做 “偏振干涉”。但是还没有系统研究这种方法应用于光谱型SPR传感器的报道。

      本文将把偏振干涉技术应用于本小组此前提出的光谱型SPR传感器[8],实验研究了不同金属膜厚度下的SPR传感器的性能,以及偏振干涉对降低光谱型SPR传感器对金属膜厚度敏感性的作用。

 2 实验方案

 2.1 实验装置

       实验方案是在本小组此前提出的并行扫描光谱SPR成像方法[8]的基础上加入偏振干涉技术。装置示意图如图1所示。白光光源 A(卤钨灯)发出的光经过物镜 B聚焦在一个小孔 C上,形成一个白光点光源。白光点光源发出的光被一个凸透镜 D 准直成平行光,经过偏振片 E 变为线偏振光,再经过柱透镜 F(对称轴竖直的柱面凸透镜),使其在水平方向会聚。这样光照到SPR激发装置 G 时,近似形成 了 一 个 线 形 光 斑。SPR 激 发 装 置 采 用Kretschmann全反射模型[2]:一块棱镜(G1)的斜面上镀了几十纳米厚的金膜(G2),金膜外为被测平面,上可以布置被测物(G3)。入射的线形光斑(G4)会聚在金膜上。整个 SPR 激发装置可以沿着如图所示与其斜面平行,与线形光斑垂直的方向一维移动。SPR激发装置发出的反射光首先经过柱透镜H(同柱透镜 F,为对称轴竖直的柱面凸透镜),再次变为平行光,然后再依次经过一个宽谱λ/4波片(I,快轴同水平方向夹角45°)和偏振片J。此后,光束再经过柱透镜 K(对称轴水平的柱面凸透镜),然后进入一台光栅光谱仪 M 的入射狭缝 L。进入狭缝的光束在光谱仪内部分光后,被置于光谱仪出口的面阵 CCD 相机 N 接收。面阵 CCD 把接收的光转换为二维图像,传输到计算机中。

     

      这套装置中,除去光路中实现“偏振干涉”技术的λ/4波片I和偏振片J,CCD 拍摄的一幅图像,在修正系统的光谱响应后,图像的每一行都是SPR 激发装置的金膜上被线形光斑照明的区域上一点的SPR光谱,不同行代表被照明的一维区域的不同点的SPR光谱。在本小组此前发表的工作中,这套装置还可以 通 过 机 械 的 一 维 扫 描,得 到 二 维 区 域 的SPR光谱信息[8]。由于重点在金属膜厚度和偏振干涉对SPR传感器的影响,因此这套装置没有进行扫描,而是作为一维光谱型SPR传感器来使用。

2.2 不同厚度的金膜

      为了研究金膜厚度对谱型SPR 传感器的影响,自行镀制了不同厚度的金膜。使用的镀膜机是在沈阳世昂真空技术有限公司定制的磁控溅射真空镀膜机。镀制金膜的厚度根据镀膜时间的来控制,分别镀制了镀膜时间为70、80、90、100、110、120、130s的金膜。这些金膜送往同济大学物理系使用 X 射线衍射仪(XRD)测量,结果如图2所示,其厚度分别为 28.16、33.22、36.71、42.87、47.36、50.10、54.38nm。

2.3 偏振干涉技术

         偏振干涉技术由入射光路中的偏振片 E 和出射 光 路 中 的λ/4波 片I和 偏 振 片J提 供 。偏 振 干 涉技术的具体理论分析过程可参考文献[7],简单来讲,偏振干涉就是通过利用SPR 发生时p光和s光这两个偏振分量的强度和相位的差别,以s光为基准,重新生成一个最小值为零的SPR 光谱或角度谱曲线,以提高折射率分辨率的方法。理论分析表明,偏振干涉对SPR 光谱曲线的作用又根据金属膜厚度的不同而不同。图3(a)~(c)分别为理论计算得出的在金属膜厚度小于、等于和大于最佳厚度的情况下,偏振干涉技术对 SPR 光谱曲线的作用。由图3首先可以看出,偏振干涉不仅能把 SPR 光谱曲线在原来最小值位置(该位置的波长称为 SPR 波长)调为零,而且能够在附近的任意位置调为零。由于原始SPR 波长曲线对称性良好,因此在 SPR 波长左右位置使用偏振干涉技术后的 SPR 光谱曲线都略微展宽,不利于最小值位置的测量,因此可以推断在SPR波长处使用偏振干涉(即图3中的PI1)能够获得更高的折射率分辨率。其次,可以看出,对于不同厚度的金膜,偏振干涉的作用是不同的。对于厚度小于最佳的金膜,偏振干涉能够降低最小值,并且几乎不改变谱线中凹陷的宽高比。但是对于已经是最佳厚度的金膜和厚膜,偏振干涉在降低最小值的同 时,光 强 变 弱,在 相 同 的 曝 光 时 间 下 会 降 低SPR 凹陷的宽高比。对此,采用调整 CCD 的曝光时间,使各个 SPR 光谱曲线充分利用 CCD 的动态范围。这样能够改善偏振干涉对凹陷宽高比的影响,但是可以预测,偏振干涉对折射率分辨率的改善,薄膜要比厚膜更明显。

3 结果与讨论

       首先,使用2.1中介绍的装置,以空气为被测物,对不同厚度金膜的 SPR 光谱曲线进行了测量。结果 如 图 4 所 示,存 在 最 佳 金 膜 厚 度 (图 中 的42.87nm)使SPR光谱曲线的最小值最小(由于镀膜均匀性等原因不为零);金膜越薄时,SPR 曲线最小值越大,而且谱线更宽;金膜越厚时,最小值越大,但是谱线更窄。由此,可以预测SPR 传感器的折射率分辨率在最佳膜厚(42.87nm)时最好,金膜厚度越偏离这一厚度则越差,且薄膜要比厚膜差。

 


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