基于金银合金薄膜的近红外表面等离子体共振传感器研究

利用淀积在玻璃衬底上的金银合金薄膜作为表面等离子体共振(SPR)芯片, 构建了Kretschmann结构的近红外波长检测型SPR传感器. 采用不同浓度的葡萄糖水溶液测试了金银合金薄膜SPR传感器的折射率灵敏度. 实验结果表明随着入射角从7.5°增大到 9.5°, SPR吸收峰的半高峰宽从292.8 nm 减小到 131.4 nm, 共振波长从 1215 nm蓝移到 767.7 nm, 折射率灵敏度从35648.3 nm/RIU 减小到 9363.6 nm/RIU.在相同的初始共振波长(λ_R)下获得的金银合金薄膜SPR折射率灵敏度高于纯金膜(纯金膜在λ_R=1215 nm下的折射率灵敏度为29793.9 nm/RIU). 利用1 μmol/L的牛血清蛋白(BSA)水溶液测试了传感器对蛋白质吸附的响应.结果表明, BSA分子吸附使得金银合金薄膜SPR吸收峰红移了12.1 nm而纯金膜SPR吸收峰仅红移了9.5 nm. 实验结果还表明, 在相同λ_R下, 金银合金薄膜SPR吸收峰的半高峰宽大于纯金膜的半高峰宽, 因此其光谱分辨率比纯金膜SPR传感器低. 关键词： 金银合金薄膜 表面等离子体共振 波长检测型 高灵敏度     

SiO2介孔薄膜修饰的红外表面等离子体共振传感器在波长测量模式下的特性研究

分别利用射频溅射法和溶胶-凝胶模板法,在玻璃基板上制备45nm厚的金膜和45 nm厚的SiO2介孔薄膜,用作表面等离子体共振(SPR)芯片,然后基于Kretschmann结构和共振波长测量模式构建了近红外SPR传感器.实验表明,在宽带平行光入射条件下,随着入射角度(θ)的减小,共振波长(λR)红移,折射率灵敏度(S=ΔλR/n)迅速提高.在θ=8°时测得的折射率灵敏度为24241 nm/RIU,是θ=15°所对应的灵敏度(2524.2 nm/RIU)的9.6倍.与常规的裸金SPR传感器相比,在相同的共振波长下,SiO2介孔薄膜修饰层使得SPR共振吸收峰明显变窄,光谱分辨率升高.低浓度溶菌酶水溶液在θ=10°时测得的SPR近红外共振波长随溶菌酶浓度增大而线性红移,其斜率为ΔλR/C=1.5×107nm· L/mol,即溶菌酶浓度增加6.67×10-8 mol/L能够导致共振波长红移1nm.1×10-7 mol/L Cu2+溶液可使SPR共振波长红移3nm.     

A Wafer-Level Sn-Rich Au-Sn Bonding Technique and Its Application in Surface Plasmon Resonance Sensors

Sn-rich Au Sn solder bonding is systematically investigated. High shear strength （64 MPa） and good hermeticity （a leak rate lower than 1 × 10-7 torr.1/s） are obtained for Au-Sn solder with 54wt% Sn bonded at 310℃. The AuSn2 phase with the highest Vickers-hardness among the four stable intermetMlic compounds of the Au Sn system makes a major contribution to the high bonding strength. This bonding technique has been successfully used to package the Surface Plasmon Resonance （SPR） sensors. The Sn-rieh Au-Sn solder bonding provides a reliable, low-cost, low-temperature and wafer-level hermetic packaging solution for the micro-electromechanical system devices and has potential applications in high-end biomedical sensors.     

纳米多孔金膜表面等离子体共振传感器的制备与表征

采用射频溅射技术在平板玻璃基底上淀积约60nm厚的金银合金薄膜,然后在室温下通过化学脱合金法形成附着力强、大面积均匀的纳米多孔金膜(NPGF)。利用自建的宽光谱表面等离子体共振(SPR)检测平台获得了暴露于空气中的NPGF在可见-近红外波段的共振光谱,利用菲涅耳公式结合Bruggeman介电常数近似方程拟合实验结果,得到NPGF的孔隙率约为0.38。研究了NPGF-SPR传感器对不同浓度水溶液中的Pb2+离子和三聚氰胺的响应特性,结果表明该传感器能够对水溶液中浓度为1nmol·L-1的Pb2+及三聚氰胺作出明显响应。对比实验显示NPGF-SPR传感器的灵敏度远高于常规的致密金膜SPR传感器。     

基于偏振光波导分光光谱技术原位研究纳米金-细胞色素c 自组装过程

时间分辨偏振光波导分光光谱技术是一种用于研究表面分子吸附动力学的强大工具. 利用该技术实时、原位监测纳米金与细胞色素c的静电自组装过程, 发现随着吸附层数的增加, 纳米金粒子吸附层产生的局域等离子体共振(LSPR)吸收峰发生了红移, 而且在横磁(TM)模式下的红移比横电(TE)模式下的红移更快; 细胞色素c在纳米金表面的吸附导致LSPR吸收峰的峰位和强度在TM模式下显著红移和升高, 相比之下, TE模式下的LSPR吸收峰无明显变化. 对实验数据的分析验证了纳米金在细胞色素c单分子层表面的吸附动力学行为遵循扩散控制模型, 细胞色素c在纳米金单粒子层表面的吸附动力学行为遵循Langmuir等温吸附模型, 进一步估算了细胞色素c在纳米金表面的吸附速率常数、脱附速率常数和吸附自由能.     

光波导氨敏传感器的研究

提出了一种新型的光波导氨敏传感器,将光波导中消逝波理论与纳米多孔薄膜技术相结合,在玻璃薄膜光波导上制备一层纳米TiO2多孔薄膜,并将氨敏试剂（BTB）固定在纳米TiO2多孔薄膜中,利用导波光的消逝场实时地探测敏感薄膜对导波光的吸收,实现了对氨气的探测,检测下限达到1ppm。同时对比了致密敏感薄膜和多孔敏感薄膜对氨气的响...     

光波导耦合的表面等离子体共振光谱传感器实时监测表面生化反应

利用厚度为100 μm且局部表面覆盖有45 nm金膜的玻璃片作为消逝波表面敏感元件,自主设计并组装了光波导耦合的光谱表面等离子体共振(SPR)生化传感器.本仪器使用一对玻璃棱镜作为输入-输出耦合器,卤钨灯作为白光光源,利用时间分辨的CCD光谱分析仪对光波导输出光谱进行快速测定.这种光波导耦合的光谱SPR传感器灵敏度高,稳定性好,时间分辨率高,光谱窗口和动态探测范围宽,非常适合于表面生化反应的动力学测试.利用这种光波导耦合的光谱SPR传感器对金纳米粒子在半胱胺修饰的金膜表面的自组装过程进行了原位实时监测.     

基于金银合金薄膜的波长检测型表面等离子体共振传感器

从实验和理论两方面详细研究了金银合金膜表面等离子体共振（SPR）传感器在可见光波段的敏感特性. 实验方面,通过在玻璃基底上溅射50 nm厚的金银合金薄膜制备了一种新型的SPR传感芯片,并且自行搭建了基于Kretschmann 结构的波长检测型SPR传感器测试平台. 利用不同浓度的氯化钠（NaCl）水溶液和浓度为10 μmol·L^-1的牛血清蛋白（BSA）水溶液分别作为折射率样品和分子吸附样品,研究了传感器的折射率灵敏度和吸附灵敏度,并与金膜和银膜SPR传感器进行了对比研究. 结果表明,对于折射率灵敏度的测试,金银合金膜SPR传感器大幅高于金膜SPR传感器,略低于银膜SPR传感器;而对于吸附敏感的研究,金银合金膜SPR传感器的灵敏度与银膜SPR传感器相近,是金膜SPR传感器的3倍. 理论方面,利用菲涅尔公式和等效折射率计算公式仿真计算了这三种薄膜结构的SPR传感器的灵敏度和精确度,结果指出金银合金膜SPR传感器的灵敏度与银膜SPR传感器接近,是常规金膜SPR传感器的2.31倍,而半高峰宽仅为金膜和银膜SPR传感器的1.36 倍. 在稳定性方面,金银合金膜SPR传感器与金膜SPR传感器均具有良好的化学稳定性,而银膜SPR传感器较易氧化,使用寿命低,不常被采用. 综上,金银合金膜在改善传感器灵敏度的同时,不会降低精度,是一种高灵敏、低成本、良好稳定性的SPR传感器敏感材料.     

基于辐射度的光谱校正与自适应拟合相结合的SPR共振波长确定方法

表面等离子体共振(SPR)传感技术因其灵敏度高、无需标记、可原位实时监测的特点,被广泛应用在生物医学、化学检测、食品安全、环境监测等领域。对于波长调制型SPR传感器,由于光谱测量系统各部件对不同波长响应度不同,从而对光谱共振波长的实际位置产生干扰,影响到实验检测结果。为消除这种影响,提出了一种基于辐射度空间的SPR相对反射率校正方法,并使用阶数自适应拟合算法对共振波长进行精确测定。通过标定光谱测量系统的仪器响应曲线,将光谱仪得到的原始光谱转换成辐射光谱,进而计算出不依赖于光谱仪系统中任何部件的SPR相对反射率。相比于传统的反射率校正方式(以共振光谱除以非共振光谱的结果作为反射率光谱),此方法校正后的光谱在光谱形状上具备半峰宽更窄和共振峰更对称的优势,从而为精确确定共振波长提供了可靠的保障。随后基于拟合误差最小化的目标,对共振区域采用阶数自适应多项式拟合算法确定共振波长。实验测量了不同入射角度下的SPR共振光谱,使用此方法校正得到反射率光谱的半峰全宽保持在(100±10) nm,表明此方法的光谱峰形优势具备普适性;连续采集了4 000组光谱并计算共振波长,其相对标准偏差为0.007 8%,处理速度为每个光谱12 ms,表明此方法具备良好的抗噪声波动鲁棒性和光谱数据处理的实时性;测量了不同浓度下NaCl溶液的SPR共振光谱,其共振波长与溶液折射率线性相关系数为0.998 5,品质因数为传统校正方式的3倍,表明此方法具备良好的可靠性,并且从光谱的处理算法层面提高了传感性能,相比于从工艺制备上提高品质因数的传统方式,处理简便,效果更突出。结果表明,基于辐射度空间的相对反射率矫正与阶数自适应拟合相结合的SPR共振波长检测方法具备可靠性好、运算速度快、分辨率高、抗噪声、品质因数高等特点,能够有效提高SPR传感器的数据处理与传感性能。     

Glass/Ta2O5 Composite Waveguides for Application as an Integrated Polarimetric Interferometer

A tapered thin film of Ta2O5 was deposited by the masked sputtering method on a single-mode slab glass waveguide to form a composite optical waveguide （COWG） with a great modal birefringence. With the prism-coupling method the COWG was used as an integrated polarimetric interferometer for real-time detection of chemical and biological measurands. The refractive-index sensitivity of the interferometer was examined, and the refractive-index increments of different aqueous solutions were determined with the device. Response of the interferometer to protein adsorption and that to water temperature were investigated. The experimental results indicate that an increase of ΔT = 1°C for the temperature of water in the measuring chamber can lead to a phase-difference change of Δ = -28.5°