表面等离子体激元的原理与应用

光与物质之间的相互作用,被视为光学应用的最基础物理问题。由光与凝聚态物质之间的相互作用形成的表面等离子体激元(Surface Plasmon Polaritons, SPPs),是一种新型的元激发准粒子,因其具有独特的色散和局域场增强特性引起广泛关注。SPPs器件打破了传统光学衍射限制,在纳米光子器件中有独特优势,应用于微纳光子学的前沿研究。阐述了SPPs的色散关系、激发方式、传播形式和物理性质,重点探讨了SPPs在波导、近场光学、传感器、生物医疗、光子芯片、表面增强拉曼散射和太阳能电池等方面的应用,并提出了研究前景。

光学表面等离子共振测定盐酸克伦特罗的试验研究

为了实现高灵敏度定量检测盐酸克伦特罗,提出了一种新颖的、无标记、快速的内嵌TSPR1K23生物传感器的光学表面等离子共振(Surface plasmon resonance,SPR)盐酸克伦特罗测定方法,并通过试验验证了光学表面等离子共振生物测定装置的性能.光学表面等离子共振盐酸克伦特罗测定装置由集成光学SPR生物传感器、微流通池、便捷更换芯片的夹具、触电屏,USB接口板及光电转换电路板组成.在光学SPR芯片金膜表面固定盐酸克伦特罗抗原,在标准样品中(盐酸克伦特罗抗体质量浓度33.75 mg·L-1)分别添加0,10,20,40 mg·L-1的盐酸克伦特罗抗原,采用竞争免疫反应方法建立的盐酸克伦特罗测定标准曲线,相关系数0.997,相对标准偏差6.5%.

改进的光学表面等离子共振角度光谱分析方法

提出了一种新颖的最大响应差调制方法,从理论和试验方面对比分析了角度调制和最大响应差调制的灵敏度,可以实现快速寻找共振位点.结果表明,基于最大响应差的快速共振位点寻找方法,不仅共振位点获得时间大大缩短,而且还提高了光学表面等离子共振生物分析仪的灵敏度.

表面等离子共振效应中传统近似理论与薄膜光学理论

指出Kretschmann模型的传统表面等离子共振公式在求解金属薄膜的参量时存在近似性,采用更为严密的薄膜光学理论,通过薄膜膜系的特征矩阵,得出表面等离子体共振衰减曲线.结果表明,表面等离子体共振近似理论与薄膜光学理论得到的共振角及反射率幅度存在差别;采用等高线图,给出了共振角差随着金属介电常量的变化规律.进一步的实验表明,薄膜光学理论所得模拟结果较表面等离子体共振近似理论与实验值吻合地更好,证明薄膜光学理论应用在表面等离子体共振效应要优于常用的近似理论.最后,采用两种理论对表面等离子体共振传感器进行优化设计,结果表明,两种理论所获得的高灵敏度分布区域差异较大,必须采用薄膜光学理论提供更精确的薄膜参量,来优化设计高灵敏度表面等离子体共振传感器.

表面等离子体(SPR)检测电路设计

讨论了表面等离子体(SPR)光电检测电路的设计方案,采用电荷耦合器件(CCD)检测SPR角谱,设计了一种单片机CCD驱动电路。

基于金属表面等离子体的光学器件

基于金属表面等离子体的光学器件受到了越来越多的关注。简述了金属表面等离子体的特性,介绍了几种基于金属表面等离子体的光学器件,并讨论了此类器件的发展和应用前景。

运用表面等离子共振(SPR)生物传感器检测转基因玉米的研究

采用自组装单分子生物膜技术(Self-assembled Monolayer,SAM),将带巯基头的35S启动子寡聚核苷酸探针修饰到镀金的Biacore芯片表面,建立了一种简单、快速、灵敏的表面等离子共振(surface Plasmon Resonance,SPR)DNA生物传感检测系统。研究结果表明,优化的表面等离子共振DNA传感器能够成功地用于转基因玉米PCR扩增样品的检测。

表面等离子体亚波长光学的研究

表面等离子体激元是局域在金属表面的一种由自由电子和光子相互作用形成的混合激发态.改变金属表面的结构,SPPs与光相互作用的特性也会随之改变.所以,SPPs在光存储、光激发、显微技术和生物光子学等领域的应用受到日益关注.首先,介绍了SPPs的基本特性和表面等离子体亚波长光学研究热点,然后用微加工的手段制备了亚波长的环形和分形结构的样品,并用实验测量和传输矩阵的方法得出两级cross dipole分形结构在近红外和中红外的透过曲线,在1.72μm和5.2μm的波长处有两个强的透过峰,其透过率分别为36%和49%,理论和实验结果一致.

光学表面等离子共振生物传感检测系统检测雌二醇的研究

设计了一种基于光学表面等离子共振(Surface plasmon resonance,SPR)生物传感检测系统,该生物传感检测系统由集成光学SPR生物传感器、微流池、便捷更换芯片夹具、触摸屏、信号处理电路和USB接口板组成,将该系统用于检测环境刺激中的雌二醇.先在集成光学SPR生物传感器芯片的金膜表面固定雌二醇抗原,然后分别将质量浓度为25,50,100,200 mg.L-1的雌二醇抗原添加到标准质量浓度的样品中进行预反应,将反应后的溶液流过光学SPR生物传感器芯片表面,建立了雌二醇测定标准曲线,其相关系数为0.997 8.

混合型表面等离子体波导中光学参量放大的研究

本文研究了利用泡克尔效应在各向异性材料与金属构成的混合型等离子体波导中实现光学参量放大的过程。研究表明,表面等离子体作为泵浦光可以通过TypeII方式实现相位匹配,使泵浦光的能量转移到表面等离子体模式中,放大表面等离子体,从而实现表面等离子体模式远距离传输。

光学表面等离子共振生物传感器检测脱落酸的试验研究

采用便携式光学表面等离子共振生物传感器快速检测植物激素脱落酸.建立了一种新颖、无标记和检测脱落酸抗体和抗原特异性结合反应的方法.在光学表面等离子共振生物传感器的传感芯片表面固定脱落酸抗原用以制备生物分子识别膜,采用间接抑制法快速检测脱落酸.采用0,25,50,200,500,1 000 mg·L-1的脱落酸实际样品进行检测.结果表明,光学表面等离子共振响应信号与脱落酸含量之间呈良好的线性关系,相关系数为-0.998,相对偏差为4.13%.

用银壳层调节单分散金纳米棒的局域表面等离子体共振光学性能

为将单分散金纳米棒的纵向局域表面等离子体共振(LSPR)波长从近红外光区调节到可见光区,通过表面原位还原反应合成了以银为壳层的单分散双金属核壳复合纳米棒(Au@AgNRs),其Ag壳层厚度可由Ag NO3的用量进行调节。用高分辨透射电镜和X射线能量色散谱仪确证了Au@AgNRs的形态结构、单分散性和化学组成。随着Ag壳层厚度的增加,Au@AgNRs的LSPR效应逐渐增强,纵向LSPR吸收峰由近红外光区蓝移到可见光区。Ag壳层厚度每增加1 nm,Au@AgNRs的纵向LSPR波长减小约12 nm。制得的Au@AgNRs在可视化传感器上有良好的应用前景。

表面等离子体共振传感器性能影响因素及提升策略研究

本文研究了表面等离子体共振传感器性能影响因素及提升策略研究,通过分析不同光学结构对传感器灵敏度、选择性和检测限的影响,揭示了光学结构等在提高传感器性能方面的重要性。本研究采用了六种具体策略,实验结果表明,采用优化光学结构、材料选择与优化等策略可以显著提高传感器的灵敏度和选择性,降低检测限,为表面等离子体共振传感器的应用提供了有力的支持。

二氧化碲晶体混合低温等离子体表面改性技术制备光学薄膜

由于二氧化碲(TeO2)晶体具有优良的声光特性,因此广泛应用于声光可调滤波器。本文以TeO2为衬底设计并研制了1300 nm^3400 nm波段超宽带减反射膜。但是由于TeO2晶体各向异性,从而导致膜层牢固度差,无法满足使用要求。文章采用混合低温等离子体表面改性技术来提高超宽带减反射光学薄膜在TeO2表面沉积的牢固度,通过实验验证,在相同薄膜沉积条件下,采用混合低温离子体处理过的TeO2薄膜附着力更好。有效解决TeO2表面薄膜附着力差的问题,满足附着力检测要求。

表面等离子体共振（SPR）生物传感器技术的进展—BIACORE J的应用

SPR生物传感器技术正在持续发展着.瑞典BIACORE公司新近推出了用于生物分子间相互作用日常分析的新型号仪器,BIACORE J.应用抗体/蛋白质A及配位基/受体等体系进行了BIACORE J用于活性浓度和键合亲和力测定的考核.结果表明了仪器的高灵敏度和键合响应的重现性.该型号仪器易于操作,并可用于多种领域,SPR技术也因而成为被广泛采用的研究工具.

基于表面等离子体的高增益光学天线

表面等离子体共振能够产生沿金属表面传播的波,能产生许多特殊的电磁现象。该文首先研究运用表面等离子体共振特性而设计的处于远红外波段偶极子天线的近场增强效应,而后根据尖端效应,对天线的形状进行改变,由偶极子演变到阶梯状天线,而后逐步增加天线的阶数,最后将天线的类型演化为其无穷级近似的蝶形天线。利用有限时域差分法(FDTD),对各种形状的天线的进行研究,得到蝶形天线具有更强的场增强。在实际的工程应用中,拥有巨大的场增强效应的光学天线可以使探测器获得更高的灵敏度,还可以使激光通信获得更长的传播距离。

表面等离子体谐振(SPR)技术在水稻垩白基因Chalk5检测中的应用

以垩白度低的明恢63与垩白度高的9311的基因组DNA为材料设计探针,构建基于表面等离子体谐振(Surface Plasmon Resonance,SPR)技术的水稻垩白基因检测方法,并用16个已知垩白度的水稻品种检验该方法的可靠性。结果表明:通过生物素修饰后单联DNA片段探针与羧基传感芯片上链霉亲和素(SA)的结合构建基因芯片,再以100μL 0.16μmol/L的PCR产物与探针进行分子杂交,可获得较好的SPR信号;以该方法获得的SPR信号差值的绝对值与水稻垩白成正相关关系,可定性判断水稻品种垩白度的高低;同时,SPR检测方法无需标记,分析过程完全自动化,可实现水稻垩白基因的快速检测。

基于单元结构非对称的表面等离子体光学滤波器

本文采用三维时域有限差分方法,研究了周期性亚波长几何结构非对称十字形单元孔阵列结构的增强光透射特性,发现单元结构的对称性对表面等离子体效应的影响存在显著差异。研究结果表明:几何结构非对称十字形单元结构在垂直于偏振方向时会形成强度不同的局域表面等离子体共振模式,进而引起近红外波段透射峰谱线发生分裂,而在平行于偏振方向时则无谱线分裂现象出现。此外,在此基础上,设计并数值验证了一种基于周期性非对称十字形孔阵列的表面等离子体光学滤波器。该滤波器可通过改变入射光偏振方向来实现对光的调控。本文的研究结果为表面等离子体光子器件的设计提供了新思路,并将拓展金属纳米结构在通信及信息处理领域的应用范围。

Ag纳米孔阵列中的表面等离子体特性及其相关光学性能

Ag纳米孔阵列因为反常光学透射现象而在基础研究领域和应用研究领域受到广泛关注。目前有关金属孔阵列结构EOT现象的起因还没有得出一个完整清晰的物理机制,这是由于金属孔阵列中存在着复杂的表面等离子体特性。论文基于时域有限差分技术,采用FDTD Solutions软件对Ag纳米孔阵列的光学性能与孔的形状、孔阵列的周期以及薄膜厚度间的关系进行了仿真研究,并对光学现象背后的物理机制——Ag纳米孔阵列中的表面等离子体耦合特性进行了仿真分析。研究结果表明:局域表面等离子体共振和表面等离子体激元间的耦合将会对Ag纳米孔阵列的光学性质产生重要的影响,其中孔形对局域表面等离子体共振和表面等离子体激元间的耦合影响巨大。Ag矩形纳米孔阵列展现出了有趣的光学行为:上、下表面金属表面等离子体激元间的反对称耦合模式,以及靠近矩形纳米孔两长边的局域表面等离子体共振间的反对称耦合模式分别被激发了。

现代表面等离子体光学领域的先驱人物

表面等离子体光学主要研究金属-介质界面上电子和光子的相互作用,以及其导致的异常电磁现象和应用。1998年以来,现代表面等离子体光学催生了一系列突破传统理论限制的新型器件,包括超分辨成像透镜、超衍射光刻镜头、纳米波导和高灵敏度传感器等,被《Nature》杂志社评价为光子学发展史上的二十三个里程碑之一。该领域的先驱人物包括Thomas W.Ebbesen,Harry A.Atwater,William L.Barnes,Naomi J.Halas和Zhang Xiang等,他们的开拓性工作为本领域的快速发展开辟了崭新的空间,值得本领域研究人员深入学习。