波长调制型表面等离子体共振的传感特性研究

表面等离子体共振(SPR)光学传感器能实现生物医学的快速、 无标记、 高精度检测,是生物化学分析的重要方法。 研制了基于波长调制型的Kretschmann结构表面等离子体共振(SPR)生物传感系统,研究了在体溶液传感方式下的传感性能。 利用不同浓度的乙醇和乙二醇溶液进行体溶液传感测试。 实验结果表明,在折射率低时共振波长对折射率变化响应的灵敏度低,但响应的线性度高;随着折射率增大,共振波长对折射率的响应变化的灵敏度提高。 在1.407 0～1.430 RIU折射率范围内,灵敏度高达11 487 nm·RIU-1。 传感器的共振波长的稳定性为0.213 8 nm,可分辨最小折射率趋近10-6 RIU。 所研制的波长调制型表面等离子共振传感器操作简单、 灵敏度高、 检测范围大,可实现浓度极低生物标记物的有效检测,在化学、 生物传感领域有重要的应用。     

表面等离激元共振生物传感分析及应用

基于物理中发生在金属表面的表面等离激元现象 ,阐述表面等离激元共振生物传感分析原理 ;进而建立表面等离激元共振生物传感成像。给出应用表面等离激元共振研究生物单元相互作用的实例。     

基于碳点与适配体的荧光生物传感器制备与应用

近年来,基于碳点与适配体构建的荧光生物传感器引起了人们强烈的兴趣。与传统荧光染料、半导体量子点及稀土荧光材料相比,以碳点为荧光基元的生物传感器荧光稳定性更好,毒性更低,价格更便宜,在环境监测、生物成像及生物医疗方面有着广泛的应用前景。本文对基于碳点与适配体构建的荧光生物传感器发展现状进行了系统的总结,包括碳点与适配体介绍,近年来基于碳点与适配体的荧光生物传感器的构建方式、传感机理以及应用范围,最后对基于碳点与适配体构建的荧光生物传感器的发展方向进行了展望。     

等离子体共振光纤光栅生物传感器综述

等离子体共振传感技术是当今实用化最强、最有可能实现单分子检测的生物医学检测技术之一。高灵敏度的等离子体共振传感技术与细如发丝的光纤载体相结合,为现代生物传感研究提供了一种可实现在体原位检测的全新方法。系统介绍了基于光纤光栅的等离子体共振生物医学传感机理与关键技术,通过能量汇聚的表面共振场实现了10~(-6)~10~(-8) RIU的超高精度折射率测量,为生物医学提供了超低检出限(pM~fM量级)、特异性及原位实时检测新方法。此外,此类传感器还可提供绝对式/相对式多参量同时检测手段,能有效消除环境干扰影响,确保传感器的稳定性和可靠性。最后,回顾了近些年等离子体共振光纤光栅生物医学传感领域取得的研究进展(包括蛋白、血糖、微生物、气体等样本原位检测),并进行总结和展望。     

金属纳米结构增强荧光的研究进展

金属表面等离子体(surface plasmon)是金属与介质界面处传播的电荷振荡密度波。当振荡频率与激发光频率相匹配时将产生金属表面等离子体共振,从而能够在金属结构附近产生强烈的消光和近场增强效应, 该效应在表面等离子共振成像、表面等离子体波导、生物传感、光谱增强等方面有着重要的应用前景。本文综述了金属结构的表面等离子共振效应在增强荧光光谱方面的研究进展。论文首先介绍了金属表面等离子体增强荧光的机理以及影响荧光增强效果的因素;其次,从用于荧光增强的各类金属纳米结构的角度分别综述了荧光增强研究的最新进展;最后,介绍了荧光增强在食品检测、环境监测、光学成像、光电器件、荧光上转换等领域的最新应用情况。     

石墨烯覆盖铝纳米光栅表面等离激元共振光谱及传感特性

表面等离激元共振技术具有无需标记、灵敏度高、实时检测等优点,已广泛应用于生物医疗、环境监测及食品安全等领域。相对于传统贵金属材料表面等离激元共振传感器而言,铝表面等离激元共振传感器具有价格低廉、共振光谱带宽小等优点,已逐渐成为了该领域的研究热点。针对铝材料存在与生物分子兼容性差、易氧化等缺点,利用石墨烯化学稳定性好、比表面积大、抗氧化能力强、生物兼容性好等独特优势,将其作为与被测分子直接接触的传感层,提出了一种石墨烯覆盖铝纳米光栅的表面等离激元共振传感器。首先,基于多物理场有限元仿真软件建立了该传感器的物理模型,分别分析了石墨烯层数和铝光栅结构参数(占空比、高度、周期)对传感器共振光谱的影响。结果表明,石墨烯与铝光栅的复合有效增强了入射光波与传感器的相互作用,采用单层石墨烯与铝光栅复合时,共振峰具有最窄的光谱带宽。当铝纳米光栅结构Λ=600 nm,H=40 nm,η=70%时,光谱反射率为零。进一步分析了结构优化后的传感器的传感特性。结果表明,单层石墨烯覆盖铝纳米光栅传感器具有最高的品质因数24.5 RIU-1,其灵敏度高达626 nm·RIU-1。该传感器具有探测精度高、分子兼容性好等优点,能为生化分析、环境监测和食品安全等领域提供一个新的绿色传感平台。     

金属纳米颗粒LSPR光纤生物传感DDA方法研究

研究了金属纳米颗粒的局部表面等离子体共振(LSPR)行为,并讨论了其在光纤生物传感领域的应用.采用离散偶极近似(DDA)的方法,从理论上分析了金属纳米颗粒的尺寸、形状对其传感灵敏度的影响.计算结果显示,金属纳米颗粒的等离子共振吸收峰同时受到颗粒尺寸和形状的影响,但形状对其传感灵敏度的影响最为明显,计算结果与实验数据能较好地吻合.     

基于2S2G棱镜的新型反向表面等离子共振生物传感器

提出了一种基于反向表面等离子体共振原理,由Ge_(20)Ga_5Sb_(10)S_(65)-钯-石墨烯分子-生物分子四层结构构成的新型生物传感器。当生物分子之间发生相互作用时,引起生物分子层折射率的变化,从而导致反向表面等离子体共振角的偏移。在此基础上,根据传输矩阵法推导了传感器的输出光谱,重点讨论了本文提出的传感器与传统传感器相比,在灵敏度、分辨率、动态检测范围以及检测信号信噪比方面取得的进展。另外,通过对比研究,深入分析了辅助介质层石墨烯厚度对传感器性能的影响。最后,利用近红外光作为提出的传感器的入射光,分析了在近红外区域传感器性能的改善。研究结果表明:单层石墨烯分子使传感器性能达到最佳;反向表面等离子共振峰强度约为入射光强的80%~90%,使传感器的输出信号具有较大的信噪比;在可见光区域,当入射光波长为632.8nm时,提出的反向表面等离子共振生物传感器的分辨率是基于SiO_2棱镜耦合反向表面等离子共振生物传感器的1.9倍,是传统表面等离子共振生物传感器的3.5倍,提出的传感器的动态检测范围约是现有传感器的2倍;利用Ge_(20)Ga_5Sb_(10)S_(65)棱镜可使反向表面等离子共振生物传感器检测光波长由可见光区域扩展到近红外区域,当入射光为1 000nm时,传感器的分辨率是可见光区域的3~4倍。该研究对基于反向表面等离子体共振原理生物传感器的实现与发展具有重要意义。     

准晶体结构光纤表面等离子体共振传感器特性研究

光纤表面等离子体共振传感器在高灵敏度传感和在线实时监测等领域具有重要意义. 设计了一种六重准晶体结构环形通道光纤表面等离子体共振传感器, 基于有限元法对该传感器的传感特性进行了数值模拟. 研究了光纤各结构参量对传感器特性的影响规律. 研究结果表明: 待测液折射率的有效监测范围为1.25–1.331, 最高灵敏度可达26400 nm·RIU^-1, 传感器具有损耗谱杂峰少、探测范围广、灵敏度高、设计灵活性高和光路可弯曲等特点, 在生化检测、公共安全、环境污染监测以及高灵敏度传感等领域具有广泛的应用前景.     

基于芯片实验室技术的表面增强光谱学在分析科学中的应用

集成具有一序列微流控操作单元的芯片实验室技术,在微流控通道内铺陈金属纳米粒子(尤其是金、银以及铜纳米粒子)作为衬底,泵入多通道微纳升分析物,用于联用表面增强光谱在痕量、实时、原位、过程反应等检测中具有重要的意义。这种联用检测技术集成了芯片实验室和表面光谱两种技术的优点：芯片实验室技术集成流程式分步操作,实现筛选取样,分段、实时反应检测,减小样品量,稳定测试环境等优势以及表面增强光谱的光谱响应快,灵敏性和选择性强、原位检测等优点。借助于Drude模型以及适当的边界条件,外电场引发金属颗粒价电子的局域等离子振荡,并推导了产生共振的局域表面等离子增强以及受激感应偶极子振荡产生表面拉曼增强的物理电磁增强机制。综述了芯片实验室表面局域等离子检测在生物、医药、食品安全等方面的应用,检测通道的增加促使检测效率有较大的提高,同时检测限能力获得较大的突破。综述了芯片实验室技术结合表面增强拉曼光谱公共安全、生物医学、电化学和生物传感器等领域的应用, 表面增强拉曼光谱的高度灵敏性以及指纹性应用于痕量检测。根据芯片实验室技术在研究开发和应用已经获得不断的进展,结合3D打印技术,精准控制多通道结构尺寸,更好地满足设计的需求。表面等离子增强光谱以及表面增强拉曼光谱等表面光谱检测技术在应用上日趋成熟,获得突破传统显微镜的光学极限的分辨能力。这种联用技术在实际定性或者半定量痕量分析检测应用中具有光明的前景。     

Multi-step structure of side-polished fiber sensor to enhance SPR effect

A multi-step side-polished multi-mode fiber sensor structure based on the surface plasmon resonance (SPR) and transverse magnetic (TM)-field-mode coupling phenomena is proposed. The multi-step structure with single-step, two-step, and three-step SPR fiber sensors are demonstrated via the difference in the SPR response for DI water. The time dependence of the measured intensity of transmitted light with the multi-step structure is observed as the variation increased. The structure with the advantages of no bulky components and no complicated signal processing gives an obvious SPR response and provides a two-fold increase for the sensitivity of intensity measurement.     

基于银膜孔阵列超强透射效应的相敏表面等离子体共振传感器的仿真研究

A high spatial resolution, phase-sensitive Surface Plasmon Resonance（SPR） sensor based on Extraordinary Optical Transmission （EOT） is proposed to monitor the binding of organic and biological molecules to the silver surface. The 2D nanohole-array configuration is well suited ~br dense integration in a sensor chip. The optical geomeWy is collinear, which simplifies the alignment with respect to the traditional Kretschmann arrangement for SPR sensing. Various design parameters of the device have been studied by simulation. The heterodyne technique is used to improve the sensitivity. The optimization results indicate that the sensor has the advantages of achieving high resolution and a wide dynamic range simuhaneously.     

表面等离子体共振传感技术应用于小分子检测

人体内的生物小分子对维持生命体健康具有重要影响,此类分子参与生命体的血液循环及免疫系统,因此检测生命体中生物小分子对研究小分子在生命体中的生理功能有着重要的意义。傅里叶变换-表面等离子体共振（Fourier transform-surface plasmon resonance,FT-SPR）光谱技术具有操作简便、灵敏度高、所需样品少、可实时检测等优点,近年越来越多应用于分子的检测。对于部分分子尤其是分子量非常小的生物小分子,FT-SPR直接检测法存在信号稳定性差、灵敏度不高等缺点,因此可以针对不同的检测目标构建系列SPR小分子生物传感器通过信号扩增弥补以上缺点。该研究分类并列举了用于小分子检测的SPR免疫传感器（直接检测法、“三明治”法、竞争检测法以及抑制检测法）、SPR分子印迹传感器以及其他基于SPR传感器,系统综述了SPR技术检测小分子的研究进展,并对其发展远景进行了展望。     

基于光谱解调的对称波导型表面等离子体共振传感研究

表面等离子体共振(SPR)传感系统有角度谱、光谱、强度、相位等解调方式,其中光谱型的(SPR)传感系统因可以使用光纤导光,将传感部分独立出来,可进行远距离传感和现场检测,并能有效缩小系统的体积。对称光波导型(SOW)SPR因金属膜层两边的折射率完全相同,表面等离子体波传播距离更长,穿透深度更深,比传统的SPR系统具有更高的灵敏度和分辨率。对对称波导型(SOW)SPR进行光谱解调研究,以MgF₂-Au-MgF₂结构的SOW-SPR为传感单元,同时以光纤输出的卤素灯为光源, 搭建了一套光谱解调的SOW-SPR检测系统,以不同浓度的葡萄糖溶液对系统折射率分辨率进行测量,得到2.8×10-7 RIU的分辨率。为SOW-SPR系统小型化、现场检测以及远距离探测提出一种可能实现的手段,具有很好的应用前景。     

Silver‐Based Nanoparticles for Surface Plasmon Resonance in Organic Optoelectronics

Organic optoelectronic devices including organic light‐emitting diodes (OLEDs) and polymer solar cells (PSCs) have many advantages, including low‐cost, mechanical flexibility, and amenability to large‐area fabrication based on printing techniques, and have therefore attracted attention as next‐generation flexible optoelectronic devices. Although almost 100% internal quantum efficiency of OLEDs has been achieved by using phosphorescent emitters and optimizing device structures, the external quantum efficiency (EQE) of OLEDs is still limited due to poor light extraction. Also, although intensive efforts to develop new conjugated polymers and device architectures have improved power conversion efficiency (PCE) up to 8%–9%, device efficiency must be improved to >10% for commercialization of PSCs. The surface plasmon resonance (SPR) effect of metal nanoparticles (NPs) can be an effective way to improve the extraction of light produced by decay of excitons in the emission layer and by absorption of incident light energy within the active layer. Silver (Ag) NPs are promising plasmonic materials due to a strong SPR peak and light‐scattering effect. In this review, different SPR properties of Ag NPs are introduced as a function of size, shape, and surrounding matrix, and review recent progress on application of the SPR effect of AgNPs to OLEDs and PSCs.     

契形结构光纤表面等离子体共振传感器研究

提出了一种契形端面结构的光纤表面等离子体共振(SPR)传感器激励模型. 采用时域有限差分法对契形SPR波导的共振模型进行数值模拟, 通过在光纤出射端抛磨契形角度并进行敏感膜修饰, 制出具有契形端面结构的类Kretschmann微棱镜式光纤SPR传感器, 实现激发SPR的光波调制.结果表明, 在1.3330–1.4215折射率范围内, 制备的契形光纤SPR传感器相对于常规光纤SPR传感器, 其平均灵敏度提高了近1–6倍, 1倍和6倍分别出现在小角度结构(15° 契形) 传感器和大角度结构(60°契形) 传感器, 且仍保持 10^-5 等级的分辨率. 该类型结构的传感器具有契形端面激励模式, 设计灵活性高、制备工艺简单、可微量检测样本等优点, 能够很好地适应于不同环境和测量条件的实际生化检测、环境监测需求. 关键词： 光纤传感器 表面等离子体共振 契形端面结构 折射率灵敏度     

Surface Plasmon Sensor Based on a Dual Dielectric–Silver Photonic Crystal

We present a new type of biosensor. The principle of operation of the device is similar to conventional surface plasmon sensors, except that the ordinary metallic film in surface plasmon sensors is replaced by a one-dimensional photonic bandgap array. The advantages of using a photonic bandgap structure, instead of a metallic film, include enhanced sensitivity, physical and chemical robustness, and the ability to engineer the optical response of the device. We propose and elaborate a biosensor based on a onedimensional (1D) photonic crystal (PC) with a surface plasmon resonance (SPR). In comparison with standard SPR sensors that use silver (Ag ) or gold (Au) films, PC–Ag–PC–Au structures have narrower resonance widths, lower minimum reflectance, and higher sensitivity, making them a much better choice for biosensing applications. Moreover, the structure is compact (H = 1.139 μm), providing a better option in biosensing in comparison with other PC-SPR and conventional SPR sensors.     

Design optimization of highly sensitive LSPR enhanced surface plasmon resonance biosensors with nanoholes

For breaking through the sensitivity limitation of conventional surface plasmon resonance (SPR) biosensors, novel highly sensitive SPR biosensors with Au nanoparticles and nanogratings enhancement have been proposed recently.But in practice, these structures have obvious disadvantages.In this study, a nanohole based sensitivity enhancement SPR biosensor is proposed and the influence of different structural parameters on the performance is investigated by using rigorous coupled wave analysis (RCWA).Electromagnetic field distributions around the nanohole are also given out to directly explain the performance difference for various structural parameters.The results indicate that significant sensitivity increase is associated with localized surface plasmons (LSPs) excitation mediated by nanoholes.Except to outcome the weakness of other LSP based biosensors, larger resonance angle shift, reflectance amplitude, and sharper SPR curves' width are obtained simultaneously under optimized structural parameters.     

An experimental correlation study between field–target overlap and sensitivity of surface plasmon resonance biosensors based on sandwiched immunoassays

In this report, we have studied the effectiveness of field–target overlap to evaluate detection sensitivity of surface plasmon resonance (SPR) biosensors. The investigation used theoretical analysis based on the transfer matrix method, which was experimentally confirmed by thin film-based detection in sandwich and reverse sandwich immunoglobulin G (IgG) assays. Both theoretical and experimental results show that strong correlation exists between the overlap and the sensitivity with the coefficient of correlation higher than 95% in all the cases that we have considered. We have also confirmed the correlation in diffraction grating-based SPR measurement of IgG/anti-IgG interactions. The correlation elucidates the mechanism behind the far-field detection sensitivity of SPR biosensors and can lead to the enhancement of SPR biosensing with molecular scale sensitivity.