拉锥光纤表面等离激元共振高性能传感器

Au和Ag常用于激发表面等离激元共振(SPR)。Ag的欧姆损耗低于Au,损耗谱线更窄,但Ag容易被氧化。而TiO_(2)具有化学稳定性和可调性等优势。因此,为了做出性能优异且稳定的传感器,提出了一种基于Ag/TiO_(2)的拉锥多模光纤(MMF)表面等离激元共振传感器。TiO_(2)增加传感器灵敏度保留了窄损耗谱线的优势,同时起到了保护Ag免受氧化的作用。该传感器具有高灵敏度和高质量指数(FOM)的特点,在通信波长范围内表现出卓越性能。为了深入研究,文中使用基于COMSOL Multiphysics软件的有限元方法(FEM)模拟工具进行了数值研究。模拟结果显示:传感器实现了最大波长灵敏度达到16000 nm/RIU,最大FOM值为1920 RIU^(-1)。该研究为高性能SPR传感器的设计提供了有价值的设计见解。

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光栅表面覆盖厚度为120μm、孔隙率为0.4的多孔聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)薄膜后,其吸附灵敏度为0.39 THz/单位体积分数.

基于高双折射侧边抛磨光子晶体光纤的表面等离激元共振双参量传感器

利用表面等离激元共振(SPR)技术设计了一款高双折射光子晶体光纤(PCF)传感器,可以实现宽范围的双参量高灵敏度传感.采用侧边抛磨的结构,内部空气孔呈三角晶格排列.金纳米层涂覆在抛磨面直接与待测物接触作为测量折射率RI的通道,更加方便检测工作的进行,靠近纤芯的椭圆孔内充满氯仿用来探测温度.两个独立的通道以及由非对称引入的双折射可以确保独自测量折射率和温度的变化,解决了交叉灵敏度问题.借助全矢量有限元软件COMSOL Multiphysics,灵活使用散射边界条件可以很好的对光子晶体光纤传感器的光学特性进行数值分析研究.实验结果表明,文中提出的传感器可以测量折射率范围为1.32~1.39,温度范围是20~60℃,在500~1100 nm的波长范围内可以观察到明显的表面等离激元共振效应.为了进一步分析该结构的性能,对主要结构参数(抛光面金膜厚度m_(1)、Ta_(2)O_(5)厚度m_(2)、中心空气孔直径d1以及占空比)做了研究分析.仿真结果得到折射率传感下的平均波长灵敏度5700 nm/RIU,最大波长灵敏度13200 nm/RIU,最大振幅灵敏度818.44 RIU^(-1),传感器的折射率分辨率为1.75×10^(-5)RIU.温度传感范围为20~60℃,得到最大波长灵敏度为2.6 nm/℃,最大振幅灵敏度为0.363℃-1,以及传感器的温度分辨率为3.84×10^(-2)℃.该工作对于高灵敏度、实时、分布式、多参量测量SPR传感器的设计和实现具有指导意义.

表面增强拉曼光谱的增强机理及等离激元光电化学反应

电化学界面是能量转换和物质转化的重要场所.光与电化学界面等离激元金属纳米结构的作用可以显著地改变表面光谱性质、以及界面化学反应的热力学和动力学.表面等离激元共振(SPR)效应在化学反应中以金属纳米结构作为介质,将光子能量重新分配和转换为局域光电场、热电子、热空穴和热能,其不仅产生表面增强光谱,特别是表面增强拉曼光谱(SERS),而且也诱导界面发生新的化学反应、引入新的能量转化机制,同时SERS也可以作为表征方法用于研究纳米结构表面物理化学过程.本文首先介绍了SERS的SPR增强机理和化学增强机理,阐述了SERS作为界面高灵敏度表征手段的基本原理.其次,在三个模型体系中具体讨论热载流子(热空穴和热电子)诱导化学反应的作用机制,并针对等离激元光电化学反应表现出与传统化学反应的区别和潜在优势,分析了等离激元光电化学实现调控化学反应过程的选择性和光量子效率.最后,针对等离激元光电化学反应仍存在选择性和光量子效率低等挑战问题,结合目前该研究方向在国内外的研究进展,依据等离激元共振效应及其结构特征提出了两点展望,为光能的转化和利用提供新思路.

基于表面等离激元的光学氢气传感技术

综述了基于表面等离激元(surface plasmon,SP)的光学氢气传感技术的研究进展,重点介绍了两种基于SP的测量方法,即局域表面等离激元共振法(localized surface plasmon resonance,LSPR)和表面等离激元共振法(surface plasmon resonance,SPR),继而阐述了基于这两种原理的传感器的测量方法、传感结构和传感特性。此外,回顾了现有的各种不同的光学氢气传感器,并介绍了它们各自存在的优/劣势。最后,强调了未来基于SP的光学氢气传感器的发展方向和重要挑战,如具备特异性和稳定性的特殊材料、不断发展与应用的新型纳米结构以及可以适应未来需求的多点式传感。

基于手性等离激元超表面的生化检测技术研究进展

超表面由亚波长尺度的人工微纳结构组成,可增强共振波长下光与物质的相互作用,并提高近场生化分子的信号强度。其中,手性等离激元超表面可稳定有效地增强手性分子的手性信号,有助于实现对痕量分子的检测。为满足生物、化学、环境等诸多领域对检测器件的高分辨率和高灵敏度要求,基于手性等离激元超表面的生化检测技术研究日益丰富。作者综述了手性等离激元超表面生化检测的机制及手性等离激元超表面的研究进展。在生化检测方面,作者介绍了手性等离激元超表面在环境介质检测、手性检测、荧光检测及表面增强拉曼检测中的典型应用。最后,作者对手性等离激元超表面在生化检测领域的应用前景进行了展望。

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。

表面激元共振(SPR)传感器理论分析

在基于ATR方法的SPR传感器设计和制作的工作中,为了得到更加优化的性能,对其原理进行了较为深入的分析。从表面激元波和全反射消逝波的数学模型入手,得到了共振角的数学关系及几个结论,并以金膜为例进行了计算机仿真。

基于紫磷增敏的即插即用式双通道光纤表面等离激元共振折射率计

光纤表面等离激元共振(surface plasmon resonance,SPR)传感技术可以直接感测传感器周围分子相互作用导致的传感器表面折射率变化,具有体积小、成本低、免标记、灵敏度高,易实现小型化、多参量、实时原位检测等优势.本文基于新型二维纳米材料紫磷并结合完备的制备与表征工艺首先构建了两种探针式光纤SPR折射率计,可实现对面/体结合折射率的高灵敏度、即插即用式检测.在1.33-1.34低折射率范围内,本文设计的光纤/紫磷/金层/样品层近场增强型SPR折射率计灵敏度和品质因数最高分别达到2335.64 nm/RIU和24.15 RIU^(−1),分别是单金层SPR折射率计的1.31倍和1.25倍;所设计的光纤/金层/紫磷/样品层近导波型SPR折射率计灵敏度和品质因数分别达到2802.06 nm/RIU和22.53 RIU^(−1),是单金层SPR折射率计的1.57倍和1.16倍.最后,将近场增强型SPR和近导波型SPR集成到一个光纤探针中,实现了双通道传感.本文开发的探针式双通道光纤SPR折射率计为生化领域中多类型蛋白检测、重金属离子检测等提供了一种新思路.

表面等离激元共振(SPR)生物传感器对聚氨酯材料血浆蛋白吸附的实时原位动态研究

应用实验室自行研制的自动扫描式表面激元共振 (SPR)生物传感器对三种聚氨酯材料进行了血液蛋白质吸附实验 ,以传感片上的金膜作为对照材料。同时应用原子力显微镜对金膜和聚氨酯材料的超微结构与材料表面上所吸附的蛋白质进行了表征。实验结果显示 ,四种材料对纤维蛋白原和IgG的吸附量顺序均为 :金膜 >H5 0 0 >H5 0 5 0 >H5 0 10 0。T 检验结果表明 ,金膜对纤维蛋白原和IgG吸附量与三种聚氨酯材料均有显著差别。该结果表明聚氨酯材料的血液相容性明显好于金膜对照材料。

原位SERS研究Au纳米结构表面SPR催化对硝基碘苯偶联反应

表面增强拉曼光谱(SERS)因其极高灵敏度和表面特异性,可用于表面等离激元共振(SPR)催化反应过程的原位监测。利用SERS技术原位研究对硝基碘苯(PNIB)在贵金属纳米粒子表面的催化偶联反应过程。研究了激光功率、波长及基底对催化偶联的影响,初步研究了该偶联反应的机理。研究表明,PNIB在金纳米粒子单层膜(Au MLF)表面发生SPR催化偶联反应生成1,2-双(4-碘苯基)二氮烯,增大激光功率可使反应达到平衡时间明显缩短。Au@Ag纳米膜表面偶联效率提高了约10倍,不同基底表面的偶联反应活性为Au@Ag(532nm)>Au@Ag(638nm)>Au(638nm)。该反应为热电子诱导的还原反应。

亚波长金属光栅的表面等离子体激元共振特性

亚波长金属光栅在共振波长处有光场局域增强、异常透射等现象,为深入认识其共振机制,本文研究了亚波长金属光栅的表面等离子体激元(SPP)共振特性。通过研究不同金属光栅的几何结构以及金属介电常数对SPP共振波长的影响,获得了3种共振波长的基本物理机制。采用周期边界元法进行数值模拟,在边界积分方程的基础上结合平面波展开方法来处理任意形状的周期性结构。模拟结果表明,3种共振波长可以分别由金属的材料、金属光栅周期和金属光栅厚度所调谐。该研究为微纳米光学器件的设计提供了依据。

表面等离子体激元共振与生物分子相互作用分析

对表面等离子体激元共振（ｓｕｒｆａｃｅｐｌａｓｍｏｎｒｅｓｏｎａｎｃｅ，ＳＰＲ）的原理和在生物学研究方面的应用进行了综述这种技术可以直接原位、实时地跟踪生物学实验研究系统，而不需要附加参数如进行标记等手段，具有高敏感性，也可以连续监测吸附或解吸附过程，目前有关的应用涉及到生物学结合分析、动力学及亲和力测定、免疫识别研究。

光纤表面等离体激元共振传感器中光传播特性的理论分析

光纤表面等离体激元共振传感器是一种易于小型化的SPR传感器,常用于开发便携式传感检测设备,也可用于远距离实时在线检测。在本研究中,采用特制光纤作为导光介质来制作一种新的光纤SPR传感器。由于光纤中光传播相当复杂,仅凭过往经验来设计传感器将不能保证其检测精度。因此,针对本研究中光纤的特点,建立了光纤中光传播模型,并结合菲涅耳公式推导出该类光纤SPR传感器中光总反射系数与光波长的关系,最终绘制出理论SPR曲线并计算出共振波长。研究结果为该类光纤SPR传感器的设计及光谱分析提供了重要理论依据。

波长调制型PMMA光波导SPR传感器敏感单元设计

光波导表面等离激元共振(SPR)传感器具有尺寸小、免标记、易集成等优点。文章设计了一种基于波长调制方法的聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)脊型波导SPR传感器,并对其关键参数进行了优化。结果表明,该敏感单元在待测液折射率为1.33~1.45的范围内能够稳定工作,在高折射率检测区,传感器展现出了高达10220nm/RIU的灵敏度和173RIU^(-1)的高品质因数。

Ag纳米粒子点阵的表面等离激元共振特性调控

通过纳米粒子束流气相沉积方法在衬底表面沉积稠密银纳米粒子点阵。通过对纳米粒子覆盖率的精细控制与纳米粒子点阵消光谱的实时监测,实现了其表面等离激元共振峰频率的系统调控。随着Ag纳米粒子密度的增加,点阵的表面等离激元共振波长发生红移,可逐步由小于400 nm增大到570nm以上。研究发现,表面等离激元共振波长的变化与随纳米粒子沉积量增加而增加的紧密相邻的纳米粒子对的百分数相关。

基于LabVIEW的表面等离激元共振测量液体折射率

利用LabVIEW编写硬件控制软件,搭建了基于表面等离激元共振原理的光强探测型液体折射率测量实验平台.实验测量纯水和纯酒精的表面等离激元共振的共振角分别与理论计算数据相吻合,证明该系统测量的共振角数值能正确地反映液体折射率的变化.利用该系统测量了不同浓度的酒精-水混合液的折射率.

金属纳米结构表面等离激元共振增强光电化学反应

联合多个外场协同相互作用,表面等离激元共振(SPR)效应用于调控表面反应,可以进一步提高反应效率和选择性。在本文中,我们研究了在外加光场的作用下,通过电位对金属电极费米能级的调控,实现对SPR能量的调控,从而调节SPR弛豫产生热电子和热空穴的能量,研究SPR增强化学反应的光电协同机制,调控金属纳米结构(NPs)光电化学界面反应的选择性和效率。

高效差分表面等离激元共振传感器

为了减小现有的表面等离激元共振传感器的系统漂移和溶液体效应引起的误差,利用四元光电探测器,发展了一种差分SPR传感器,通过对信号的差分运算消除这些误差.测试结果表明, 该仪器有 2个突出的优点:具有 10-5 (°)或 10-8 RIU的高角向分辨率;能同时消除系统漂移和溶液体介电常数效应引起的误差,10min内漂移小于 7×10-5 (°).利用这种传感器,测量浓度为 0 55nmol/L的抗生物素, 得到很好的响应特性,证明该装置可用于生物分子的检测.