基于波长调制SPR折射率测量系统研究

摘要

表面等离子激元共振(SurfacePlasmonResonance，SPR)现象对于与产生表面等离子激元的金属薄膜相接触介质（或膜层）的折射率极其灵敏，基于这种特性，SPR传感检测技术倍受关注，并且得到快速发展，已在生物传感、化学分析、药品研发、食品安全、环境监测、医学诊断等领域得到广泛应用。SPR传感器有四种调制方式，即角度、波长、强度和相位调制。本论文将开展基于波长调制的SPR传感检测技术研究，拟解决的关键问题包括：金属薄膜色散特性的准确测定：折射率测量过程中量程与灵敏度及分辨率相互制约问题；气体敏感膜的波长敏感特性的快速分析等。
　　 采用波长调制SPR检测技术，确定金属薄膜的厚度和光学色散特性。金属薄膜复折射率和厚度的准确测量对SPR传感技术十分关键，其原因有两点：金属薄膜本身是SPR传感器的重要组成部分，其介电常数和厚度直接决定了传感器的性能；利用SPR技术分析其它介质时，金属薄膜本身的光学和几何参数必须首先被精确测量。对于波长调制型SPR传感器，则需要获得覆盖一定波长范围的金属薄膜的介电常数信息，即金属薄膜的色散特性。目前已报道的利用SPR技术测量金属薄膜在某一单波长处以及数个波长处（色散）的介电常数，均采用的是角度调制方法。利用角度调制方法研究色散特性，研究方法本身就注定了测量过程的复杂性和较大的离散性，原因是对于数十个波长中的每个波长，都要分别重复进行角度扫描测量。本论文中，我们将采用波长调制方法，也就是利用表面等离子激元的频谱特性，来测量金属薄膜色散特性和厚度。利用宽带光源（卤钨灯），只须进行一次角度扫描，即可同时测定几十个波长处金属薄膜的介电常数和膜厚，进而获得相应的色散曲线。
　　 波长与角度共同调制型SPR折射率测量系统研究。对于波长调制型SPR传感器，其折射率检测灵敏度随波长的增加而提高。我们将采用处于长波长处且带宽相对较窄的宽带光源(700nm～900nm)，利用表面等离子激元的反射功率谱来测量周围介质的折射率，从而获得相对较高的灵敏度和分辨率。但是光源带宽的减小，必然使可测量折射率的量程缩小。为了解决量程与灵敏度及分辨率之间相互制约问题，我们将采取分段测量方法：将入射光调变到几个不同的入射角，每个入射角对应于不同的折射率测量范围，通过波长与角度共同调制的方法，既覆盖整个折射率测量范围，又提高了检测灵敏度和分辨率。
　　 利用表面等离子激元的频谱特性分析SPR传感膜的波长敏感特性。我们将以乙醇气体敏感膜（Cr-Au-TiO2三层膜系）为例，利用表面等离子激元的频谱特性，准确、方便地给出敏感膜系的波长．折射率变化关系，进而给出敏感膜的波长灵敏度特性。这种分析方法，对于敏感膜的设计、优化和制备提供了有效的实验检测手段。

目录

第1章 绪论

1.1 引言

1.2 SPR传感技术研究现状

1.2.1 SPR传感技术国外研究现状

1.2.2 SPR传感技术国内研究现状

1.3 金属薄膜色散特性研究现状

1.3.1 金属薄膜色散特性国外研究现状

1.3.2 金属薄膜色散特性国内研究现状

1.4 SPR气体传感器研究现状

1.4.1 SPR气体传感器国外研究现状

1.4.2 SPR气体传感器国内研究现状

1.5 论文研究的目的和意义

1.6 论文研究的主要内容

第2章 SPR传感原理与调制方法

2.1 引言

2.2 光的基本性质

2.2.1 光的传播

2.2.2 光的偏振态

2.2.3 光的反射和折射

2.3 SPR传感理论

2.3.1 衰减全反射与消逝波

2.3.2 金属复折射率

2.3.3 金属表面等离子激元振荡

2.3.4 SPR产生条件

2.3.5 反射光强计算方法

2.4 SPs的光激发方法

2.4.1 棱镜耦合方法

2.4.2 光栅耦合方法

2.4.3 波导耦合方法

2.5 SPR传感器调制方法

2.5.1 角度调制型SPR传感器

2.5.2 波长调制型SPR传感器

2.5.3 强度调制型SPR传感器

2.5.4 相位调制型SPR传感器

2.6 角度调制SPR反射功率谱的影响因素

2.6.1 光源波长对SPR反射功率谱的影响

2.6.2 棱镜材料对SPR反射功率谱的影响

2.6.3 金属复介电常数和厚度对SPR反射功率谱的影响

2.7 本章小结

第3章 金膜制备及利用SPR技术测量金膜色散特性研究

3.1 引言

3.2 金膜制备及表征

3.2.1 金膜制备方法

3.2.2 金膜表征

3.3 利用角度调制SPR方法测量金属薄膜光学常数和厚度

3.3.1 双波长法

3.3.2 双介质法

3.3.3 双共振峰法

3.3.4 扩展式SPR光谱法

3.4 利用波长调制SPR方法测量金膜色散特性和厚度

3.4.1 实验装置

3.4.2 重要参数

3.4.3 金膜光学常数和厚度的测量原理及方法

3.4.4 金膜光学常数和厚度的测量结果及误差分析

3.5 本章小结

第4章 波长与角度共同调制型SPR传感测量研究

4.1 引言

4.2 波长调制型SPR折射率测量研究

4.2.1 工作原理

4.2.2 实验装置

4.2.3 波长调制型SPR传感性能分析

4.3 光源为窄带宽情况下波长与角度共同调制SPR传感测量研究

4.3.1 气体被测介质测量研究

4.3.2 液体被测介质测量研究

4.4 本章小结

第5章 利用SPs频谱特性分析SPR敏感膜波长敏感特性

5.1 引言

5.2 TiO2气体敏感膜的选取及制备

5.2.1 TiO2气体敏感膜的选取

5.2.2 TiO2气体敏感膜的制备

5.3 Cr-Au-TiO2三层膜系敏感膜波长敏感特性分析

5.3.1 实验装置及原理

5.3.2 实验结果及分析

5.4 本章小结

结论

参考文献

致谢

攻读学位期间发表论文

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