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     

InSb光栅耦合的太赫兹表面等离激元共振传感方法

仿真设计了一种光栅耦合型太赫兹(THz)表面等离激元(SPP)共振生化传感结构,该结构通过在锑化铟(InSb)基底表面刻蚀亚毫米光栅形成.基于波矢匹配方程的仿真结果表明,当TM偏振的THz平行波束以30°入射角照射到光栅区间时,光栅的-1和+1级THz衍射波束能够分别激励传播方向相反的低频SPP和高频SPP.由于采用商业THz时域谱装置可以准确测量低频SPP,本文系统地分析了低频SPP的共振和传感特性对光栅结构参数的依赖关系.仿真结果表明:InSb光栅耦合的THz-SPP共振传感芯片的折射率灵敏度随光栅周期的增大而减小;当光栅周期为120μm、入射角为30°时,折射率灵敏度为1.05 THz/RIU,在此条件下,传感芯片不能对生物分子单分子吸附层作出可探测的响应,究其原因是,低频SPP的消逝场穿透深度远大于生物分子尺寸,致使两者相互作用不足.为了探测生物分子,仿真分析了多孔薄膜覆盖InSb光栅的增敏方法.多孔薄膜具有分子富集作用,能够将THz表面波与生物靶标的相互作用从单分子尺度扩展至整个薄膜厚度,从而提高传感器的生物检测灵敏度.以酪氨酸吸附为例的仿真结果表明,当InSb光栅表面覆盖厚...     

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.     

TiO_2纳米多孔薄膜漏模光波导共振传感器研究小分子的光谱灵敏度

在玻璃基片上溅射约50nm厚的金膜,在掺有P123聚合物的TiO2胶体溶液中浸渍提拉基片,经高温热处理后获得厚度约为210nm的TiO2纳米多孔薄膜。以此双层膜为漏模光波导芯片,并结合卤钨灯光源、CCD光谱仪、棱镜耦合器以及流动测试槽构建了基于Kretschmann结构的光谱测量式漏模光波导共振传感器。以非吸附型蔗糖水溶液为折射率液体,测试了传感器的折射率灵敏度。结果表明,在给定溶液折射率范围(1.3330～1.3557)内,漏模光波导共振波长随着折射率的升高而线形增大。以离子型表面活性剂和溴百里酚蓝为小分子吸附质,考察了传感器对小分子吸附的响应特性。结果表明,与只有一层金膜的SPR传感器相比,多孔薄膜漏模传感器对小分子吸附质的灵敏度大幅提高,这由于小分子在TiO2多孔薄膜导波层内的大量吸附。     

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。     

基于多孔金膜的太赫兹导模共振生化传感特性仿真

仿真设计了一种高灵敏度太赫兹(THz)导模共振生化传感结构.该结构由硅棱镜、介质薄膜和多孔金膜组成,多孔金膜同时作为THz导波层和生化分子富集层,能够增强THz导模与生化分子间的相互作用,从而提高探测灵敏度.当采用棱镜全反射方法激励THz横电(TE)或横磁(TM)导模后,多孔金膜的吸收使得THz反射频谱出现尖锐的共振吸收峰,由此可确定THz导模的共振频率及其对液体折射率和生化分子吸附量的灵敏度.调节介质层的厚度和折射率可进一步提高上述THz传感结构的灵敏度和品质因数.在45°入射角下的仿真结果指出, TE和TM导模的共振频率随着液体折射率或生化分子吸附量的增大而线性变化,TM导模的折射率灵敏度可高达13.42 THz/RIU,品质因数达到167.70/RIU, TE导模对液体折射率的灵敏度小于TM导模,但对分子吸附量的灵敏度大于TM导模,究其原因是TE导模透出多孔金膜的消逝场比TM导模弱.     

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.     

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...     

梯度薄膜增敏的光波导表面散射传感方法用于生物气溶胶探测

生物气溶胶监测对于疾病防控、防化反恐、环境保护与资源调查等至关重要。本研究提出了一种基于高折射率梯度薄膜增敏的平板玻璃光波导表面散射传感方法,通过探测光波导散射光强度随时间的变化,分析生物气溶胶在光波导表面的颗粒沉降过程,进而获取生物气溶胶的浓度等信息。本研究通过理论推导得出光波导散射光强度与沉降粒子数之间的函数关系式,选用牛血清蛋白(BSA)水溶液作为生物气溶胶原液,采用五氧化二钽(Ta₂O₅)梯度薄膜增敏的离子交换平板玻璃单模光波导测试了BSA分子团聚体沉降引起的表面散射光变化,通过比对测试分析了Ta₂O₅梯度薄膜的增敏效果。实验结果表明,散射光强度随BSA分子团聚体沉降量的增加而增大,与BSA原液浓度呈良好线性关系,当单模玻璃光波导表面覆盖Ta₂O₅梯度薄膜后,其在横电基模(TE0)下对BSA分子团聚体沉降的探测灵敏度提高了50倍,并且采用TE0模测得的探测灵敏度比横磁基模(TM0)高4倍。本研究制备的Ta₂O₅     

波长检测型表面等离子体共振传感器对硫堇电聚合成膜的原位分析

利用波长检测型表面等离子体共振(SPR)传感器对硫堇在金膜表面的电化学聚合成膜过程进行了跟踪分析.结果表明,在固定入射角下SPR共振波长随循环伏安扫描周数的增加而线性红移,表明聚硫堇膜的生长是匀速的;扫描100周后共振波长红移总量为96.6 nm.对该实验结果进行理论拟合,得出聚硫堇膜的厚度约为71 nm.聚硫堇膜在酸性缓冲液中的电化学活性很高,其电化学反应过程受扩散控制,在一个完整的循环伏安扫描过程中SPR共振波长的变化完全可逆,说明聚硫堇膜的氧化反应和还原反应是一对可逆过程.与还原态聚硫堇膜相比,氧化态聚硫堇膜对应的SPR共振波长较大,说明氧化态聚硫堇膜折射率高.