表面等離子體光纖器件的制備及其傳感特性研究【開題報告+文獻綜述+畢業(yè)論文】

1、<p><b>　　畢業(yè)論文開題報告</b></p><p><b>　　應(yīng)用物理</b></p><p>　　表面等離子體光纖器件的制備及其傳感特性研究</p><p>　　一、選題的背景與意義</p><p>　　表面等離子體子共振是一種物理光學現(xiàn)象。1971年，克萊切曼研究的Kret

2、schmann結(jié)構(gòu)為SPR傳感器奠定了基礎(chǔ)。</p><p>　　SPR廣泛應(yīng)用于生物傳感、薄膜探測、環(huán)境應(yīng)用等，、SPR傳感技術(shù)的靈明度可達到1nm厚度變化或者是0.01攝氏度的溫度變化100*10-6ppm內(nèi)濃度變化等等。因此SPR技術(shù)在測試領(lǐng)域擁有巨大優(yōu)勢，故研究SPR光纖器件有一定價值。</p><p>　　目前在光傳導(dǎo)、光調(diào)制、光學傳感和光學測量等領(lǐng)域發(fā)展出了很多新型器件。<

3、;/p><p>　　二、研究的基本內(nèi)容與擬解決的主要問題</p><p>　　1、制備實驗用的器材，及在單模光纖上鍍膜，可以是金納米粒子也可以是銀納米粒子。</p><p>　　2、觀測不同光強或者不同波長入射對表面等離子體共振所產(chǎn)生的影響，及其反應(yīng)在光譜上的一些數(shù)據(jù)變化，進行探索，研究其基礎(chǔ)特性與設(shè)計比較，并收集整理。</p><p>　　3、

4、進一步完善參數(shù)，與上一步的的研究結(jié)果相結(jié)合，進行光學傳感，根據(jù)光譜探測溶液濃度變化。</p><p>　　4、實驗整理，得出結(jié)論，提出改進方案，完成論文。</p><p>　　三、研究的方法與技術(shù)路線</p><p>　　1. 根據(jù)麥克斯韋方程得出表面等離子體共振的一些方程理論。</p><p>　　2. 根據(jù)理論參數(shù)制作光纖器件,進行實

5、驗測試觀察光譜變化，對比理論結(jié)果。</p><p>　　3． 選取合適的參數(shù)，進行光學傳感檢測溶液濃度。</p><p>　　四、研究的總體安排與進度</p><p>　　2010年12月：學習SPR的基礎(chǔ)知識，并通過收集推導(dǎo)理論公式，完成理論準備；</p><p>　　2011年1月：參考SPR的論文，并且進行實驗材料的制備，同時制做光纖器

6、件,進行實驗及數(shù)據(jù)采集；</p><p>　　2010年2月：修正數(shù)據(jù)并再次實驗得到給為完善的數(shù)據(jù)結(jié)果，數(shù)據(jù)處理，歸納總結(jié),并從理論上解釋數(shù)據(jù)意義價值；</p><p>　　2010年3月到4月：整理實驗理論，數(shù)據(jù)，結(jié)論，最后完成論文。</p><p><b>　　五、主要參考文獻</b></p><p>　　[1] D

7、avid Monz´on-Hern´andez, Joel Villatoro High-resolution refractive index sensing by means of a multiple-peak surface plasmon resonance optical fiber sensor , Sensors and Actuators B 115 (2006) 227–231</p>

8、<p>　　[2] Z.Xie, J.Tao, Y.Lu , K.Lin, J.Yan, P.Wang, H.Ming（明海）, Polymer optical fiber SERS sensor with gold nanorods， Opt. Commun., 282 ，439–442 (2009)</p><p>　　[3]曾捷梁大開曾振武杜艷,反射式光纖表面等離子體波共振傳感器特性研究, 光

9、學學報第􀀁􀀂27卷 第3期2007年3月</p><p>　　[4] 曹振新 ，夏繼江, 光纖表面等離子體共振傳感檢測系統(tǒng)共振波長的紅移, 光子學報第􀀁􀀂37卷 第10期2008年10月</p><p>　　[5] 張志偉, 基于表面等離子體共振的光纖傳感技術(shù)研究, 山西電子技術(shù)2009年第3期</p>

10、<p>　　[6] 吳 斌，王慶康基于金屬表面等離子體的光學器件, 《半導(dǎo)體光電)2006年10月第27卷第5期</p><p>　　[7] 閆培光 , 邢鳳飛 , 阮雙琛 , 李乙鋼, 微結(jié)構(gòu)光纖表面等離子體共振傳感器研究, 深圳大學學報理工版第26卷第1期2009年1月</p><p>　　[8] J. Homola，Present and future of surface

11、 plasmon resonance biosensors，Anal Bioanal Chem. 377, 528–839，(2003)</p><p><b>　　畢業(yè)論文文獻綜述</b></p><p><b>　　應(yīng)用物理</b></p><p>　　表面等離子體光纖器件的制備及其傳感特性研究</p>

12、<p>　　摘要：研究一種基于表面等離子體光纖傳感檢測液體濃度的方法。本文闡述了表面等離子體光纖傳感器的原理及在這方面的應(yīng)用。主要回顧了表面等離子體共振研究的歷史，即其應(yīng)用領(lǐng)域。最后提出本人將要研究的方向。</p><p>　　關(guān)鍵詞：光學傳感 SPR 光纖</p><p>　　一SPR技術(shù)與光纖傳感</p><p>　　表面等離子體(surface pl

13、asmons，SP)早在1950年Ritchie的工作之后就被人們廣泛認識。它們本質(zhì)上是光子和導(dǎo)體中的自由電子相互作用而被表面俘獲的光波，或者說是自由電子和光波電磁場由于共振頻率相同而形成的一種集體振蕩態(tài)。由于表面等離子體一般只出現(xiàn)在導(dǎo)體表面，因而金屬表面等離子體是目前的主要研究對象。一般所說的SP就是指金屬表面等離子體。SP與光波的相互作用是與SP本身緊密聯(lián)系的，因此通過改變SP的特性(一般都是靠改變金屬表面一定的亞波長結(jié)構(gòu))，可以進

14、而改變其對光波的作用?；谶@個原理，現(xiàn)在已經(jīng)在光傳導(dǎo)、光調(diào)制、光學傳感和光學測量等領(lǐng)域發(fā)展出了很多新型器件。2O世紀60年代末出現(xiàn)了基于表面等離子體共振(Surface Plasmon Resonance，SPR)技術(shù)的棱鏡傳感器。80年代已經(jīng)被廣泛用于生化、醫(yī)學、環(huán)保等多個領(lǐng)域。90年代初出現(xiàn)了基于SPR技術(shù)的光纖傳感器，同棱鏡傳感器相比，它體積小、響應(yīng)快、成本低，可以實現(xiàn)在線實時檢測，有著更大的研究前景和經(jīng)濟價值。</p>

15、;<p>　　（一）表面等離子體共振的原理</p><p>　　表面等離子共振（SPR）是一種物理現(xiàn)象，當入射光以臨界角入射到兩種不同折射率的介質(zhì)界面（比如玻璃表面的金或銀鍍層）時，可引起金屬自由電子的共振，由于共振致使電子吸收了光能量，從而使反射光在一定角度內(nèi)大大減弱。其中，使反射光在一定角度內(nèi)完全消失的入射角稱為SPR角。SPR隨表面折射率的變化而變化，而折射率的變化又和結(jié)合在金屬表面的生物分子

16、質(zhì)量成正比。因此可以通過獲取生物反應(yīng)過程中SPR角的動態(tài)變化，得到生物分子之間相互作用的特異性信號。</p><p>　　（二）終端反射式SPR光纖傳感器原理</p><p>　　終端反射式SPR光纖傳感器其構(gòu)造方式是在光纖的一個端面上沉積一層較厚的金屬膜，制成微反射鏡。將此端一小段光纖的包層剝?nèi)ィ⒊练e金屬膜。在光線傳輸過程中，當滿足一定條件時，將會產(chǎn)生SP共振。共振光傳輸至端面處沿來路

17、被反射回去。光線經(jīng)過第二次共振后，傳輸?shù)焦饫w光譜儀進行檢測。</p><p>　?。ㄈ┍砻娴入x子體光纖傳感器的特點</p><p>　　光纖傳感器采用光纖作為光的傳輸媒質(zhì)。由于光纖的特殊性, 這種傳感器具有其他結(jié)構(gòu)的傳感器所沒有的特點: 它可以很方便地探測一些人類難以進入或者有害的地方, 可以通過光纖對敏感信號的傳輸, 實現(xiàn)遠程檢測和分布式檢測, 而且也可以達到較高的靈敏度。</p

18、><p>　　光纖傳感器一般是將普通光纖部分保護層剝離, 將纖芯裸露出來, 再在纖芯外包裹金屬膜層及敏感層。檢測時, 將該部分與樣液接觸。由于使用多模光纖時, 存在模間干擾, 導(dǎo)模與SPR之間的相互作用在強度上的變化難以確定。所以,大多數(shù)情況下使用單模光纖,通過對單模光纖進行一些結(jié)構(gòu)上的改進, 可以制作出靈敏度、分辨率較高的SPR傳感系統(tǒng)。</p><p><b>　?。ㄋ模?yīng)用與展

19、望</b></p><p>　　SPR光纖傳感器適用非常廣泛，可應(yīng)用于食品安全，疫苗研制，基因測序，興奮劑檢測，疾病診斷，案件偵破，蛋白質(zhì)工程，疾病治療，環(huán)境檢測，藥物開發(fā)，藥物靶標……</p><p>　　SPR光纖傳感技術(shù)經(jīng)過多年來的發(fā)展，已經(jīng)成為生命科學和環(huán)境檢測領(lǐng)域的一項重要研究工具，在適用的各個領(lǐng)域都有不俗的表現(xiàn)。隨著SPR技術(shù)成為科研中一個不可缺少的部分，SPR光纖

20、傳感的應(yīng)用將更加趨向多樣化，在未來的生命科學與環(huán)境工程領(lǐng)域中，將扮演一個越來越重要的角色。 </p><p><b>　　二、觀點與主張</b></p><p>　　研究了一種基于表面等離子體波共振光譜分析的折射率檢測新方法。研究發(fā)現(xiàn), 表面等離子體波共振效應(yīng)光譜特征的折射率靈敏度會隨著液體性質(zhì)變化而發(fā)生改變。根據(jù)折射率測量范圍不同, 分別選擇共振波長和共振強度

21、作為檢測參量。在理論分析和實驗基礎(chǔ)上, 設(shè)計出一種基于共振光強檢測的終端反射式光纖表面等離子體波共振效應(yīng)傳感系統(tǒng), 通過優(yōu)化結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)測量結(jié)果精確性</p><p><b>　　參考文獻</b></p><p>　　[1] David Monz´on-Hern´andez, Joel Villatoro High-resolution refrac

22、tive index sensing by means of a multiple-peak surface plasmon resonance optical fiber sensor , Sensors and Actuators B 115 (2006) 227–231</p><p>　　[2] Z.Xie, J.Tao, Y.Lu , K.Lin, J.Yan, P.Wang, H.Ming（明海）,

23、Polymer optical fiber SERS sensor with gold nanorods， Opt. Commun., 282 ，439–442 (2009)</p><p>　　[3]曾捷梁大開曾振武杜艷,反射式光纖表面等離子體波共振傳感器特性研究, 光學學報第􀀁􀀂27卷 第3期2007年3月</p><p>　　[4] 曹振新 ，夏繼

24、江, 光纖表面等離子體共振傳感檢測系統(tǒng)共振波長的紅移, 光子學報第􀀁􀀂37卷 第10期2008年10月</p><p>　　[5] 張志偉, 基于表面等離子體共振的光纖傳感技術(shù)研究, 山西電子技術(shù)2009年第3期</p><p>　　[6] 吳 斌，王慶康基于金屬表面等離子體的光學器件, 《半導(dǎo)體光電)2006年10月第27卷第5期</p>

25、<p>　　[7] 閆培光 , 邢鳳飛 , 阮雙琛 , 李乙鋼, 微結(jié)構(gòu)光纖表面等離子體共振傳感器研究, 深圳大學學報理工版第26卷第1期2009年1月</p><p>　　[8] J. Homola，Present and future of surface plasmon resonance biosensors，Anal Bioanal Chem. 377, 528–839，(2003)<

26、/p><p><b>　　本科畢業(yè)設(shè)計</b></p><p><b>　　（20 屆）</b></p><p>　　表面等離子體光纖器件的制備及其傳感特性研究</p><p><b>　　摘 要</b></p><p>　　【摘要】表面等離子體共振技術(shù)

27、是通過測量激光在金屬介質(zhì)介面上產(chǎn)生的表面等離子體波隨外界介質(zhì)折射率的變化來表征物質(zhì)性質(zhì)的一種高新技術(shù)。本文根據(jù)對光纖SPR傳感器的工作原理，通過理論模擬研究光纖SPR傳感器系統(tǒng)在檢測不同折射率環(huán)境介質(zhì)中的傳感特性，獲得表面等離子體光纖器件制備的參數(shù)設(shè)計，對于擴充該類器件的應(yīng)用領(lǐng)域有一定參考價值。</p><p>　　【關(guān)鍵詞】表面等離子體共振；光纖傳感器；折射率:反射強度</p><p>

28、<b>　　Abstract</b></p><p>　　【Abstract】Surface Plasmon resonance technology is a high-tech measured by the laser medium interface in metal surface plasma waves generated by refractive index changes

29、 with the outside world to characterize the nature of material. Based on the principle of optical fiber SPR sensor, the theoretical simulation of optical fiber SPR sensor system in the detection of environmental media of

30、 different refractive index sensing characteristics, we obtain the parameters of surface Plasmon optical device </p><p>　　【Keywords】Surface Plasmon resonance; Fiber optic sensor; index: reflection intensity&

31、lt;/p><p><b>　　目　錄</b></p><p><b>　　摘 要6</b></p><p>　　Abstract7</p><p><b>　　目　錄8</b></p><p><b>　　1引言10</b>

32、;</p><p>　　1.1研究背景10</p><p>　　1.2表面等離子體共振10</p><p>　　1.2.1等離子體與表面等離子體10</p><p>　　1.2.2表面等離子體共振10</p><p>　　1.3光纖傳感11</p><p>　　1.3.1光

33、纖傳感技術(shù)11</p><p>　　1.3.2光纖傳感器分類與工作原理11</p><p>　　1.4表面等離子體光纖傳感器12</p><p>　　1.4.1簡介12</p><p>　　1.4.2研究意義12</p><p>　　1.4.3發(fā)展現(xiàn)狀13</p><p>

34、　　2表面等離子體傳感原理13</p><p>　　2.1等離子體共振原理13</p><p>　　2.1.1消逝波13</p><p>　　2.1.2等離子波14</p><p>　　2.1.3表面等離子體共振理論模型14</p><p>　　2.1.4表面等離子體的色散15</p>

35、;<p>　　2.1.5共振理論17</p><p>　　2.2表面等離子體共振光纖傳感原理17</p><p>　　2.2.1表面等離子共振光纖傳感18</p><p>　　2.2.2表面等離子體共振的光調(diào)制方式18</p><p>　　2.2.3表面等離子傳感器靈敏度的影響因素19</p>

36、<p><b>　　3實驗19</b></p><p>　　3.1SPR光纖傳感器19</p><p>　　3.1.1終端反射式19</p><p>　　3.1.2在線傳輸式20</p><p>　　3.2SPR光纖傳感器的制作20</p><p>　　3.2.1終

37、端反射式20</p><p>　　3.2.2在線傳輸式20</p><p>　　3.2.3鍍膜工藝21</p><p>　　3.3實驗數(shù)據(jù)模擬與分析21</p><p>　　3.3.1金屬材料的選擇與膜厚度22</p><p>　　3.3.2入射光波波長對于共振的影響23</p>&

38、lt;p>　　3.3.3入射角度對于共振的影響24</p><p>　　3.3.4不同待測介質(zhì)的SPR曲線24</p><p>　　4結(jié)論與展望26</p><p><b>　　4.1總結(jié)26</b></p><p><b>　　4.2展望26</b></p>

39、<p><b>　　參考文獻28</b></p><p>　　致謝錯誤!未定義書簽。</p><p>　　附錄錯誤!未定義書簽。</p><p><b>　　引言</b></p><p><b>　　研究背景</b></p><p>　

40、　20世紀初, Wood通過用連續(xù)光譜的偏振光照射金屬光柵時首次發(fā)現(xiàn)了反常的衍射現(xiàn)象,，并第一次對這種現(xiàn)象作了公開描述[1] 。1941年, Fano用金屬與空氣界面的表面電磁波激發(fā)模型對這一現(xiàn)象給出了解釋[2]，隨后，有人提出了體積等離子體子的概念，認為這是在金屬中體積電子密度的一種縱向波動。1957 年，Ritchie 發(fā)現(xiàn), 當電子穿過金屬薄片時存在一定數(shù)量損失峰。他將這種損失峰稱之為“能量降低的”等離子體模式, 并指出了這種模式

41、與薄膜邊界的關(guān)系,第一次提出了用于描述金屬內(nèi)部電子密度縱向波動的“金屬等離子體”的概念[3] 。1959年, Powell和Swan通過實驗證實了Ritchie理論的正確性[4] 。1960 年，Stern 和Farrell研究了此種模式產(chǎn)生共振的條件并首次提出了表面等離子體子（SP）的概念[5]。表面等離子體子是指在金屬表面電子的疏密波，它沿著金屬和介質(zhì)的界面?zhèn)鞑6]。1968 年, Otto[7]利用衰減全反射( Attenuat

42、ed Total Reflection, ATR) 的方法證實了光激發(fā)表面等離子共振現(xiàn)象的存在，otto據(jù)此給出SPR激發(fā)</p><p><b>　　表面等離子體共振</b></p><p>　　等離子體與表面等離子體</p><p>　　等離子體又叫做電漿，是由部分電子被剝奪后的原子及原子被電離后產(chǎn)生的正負電子組成的離子化氣體狀物質(zhì)，它廣泛

43、存在于宇宙中，常被視為是除去固、液、氣外，物質(zhì)存在的第四態(tài)。等離子體是一種很好的導(dǎo)電體。</p><p>　　表面等離子體是是指在金屬表面存在的自由振動的電子與光子相互作用產(chǎn)生的沿著金屬表面?zhèn)鞑サ碾娮邮杳懿ā?</p><p><b>　　表面等離子體共振</b></p><p>　　表面等離子體共振（Surface plasmon reso

44、nance,SPR）,又稱表面等離子共振，表面等離激元共振，是一種物理光學現(xiàn)象。利用光在界面處發(fā)生全反射時的消失波，可以引發(fā)金屬表面的自由電子產(chǎn)生表面等離子體。當發(fā)生共振時，入射光被吸收，使反射光能量迅速下降，在光譜上出現(xiàn)共振峰。根據(jù)金屬表面的折射率不同（如液體環(huán)境等），共振峰位置會改變。</p><p><b>　　光纖傳感</b></p><p><b>

45、;　　光纖傳感技術(shù)</b></p><p>　　光纖是20世紀70年代作為光通信發(fā)展的一種新型材料，主要用石英制成玻璃棒拉制成玻璃纖維，稱為玻璃光纖。光纖本身不帶電，傳光能力強，體積小，質(zhì)量輕，易彎曲，抗電磁干擾，抗輻射性能好，帶寬范圍寬，能在易燃、易爆、空間受嚴格限制及強電磁干擾等惡劣環(huán)境下使用。</p><p>　　光纖傳感技術(shù)是以光波為載體，光纖為媒質(zhì)，利用外界因素是光在

46、光纖中傳播的光參數(shù)發(fā)生變化，感知和傳輸外界被測量信號的新型傳感技術(shù)，目前具有廣泛的應(yīng)用 。它與傳統(tǒng)傳感器相比具有無電流、易移動、尺寸小、易安裝、靈敏度高、可以遠距離測量等優(yōu)勢。</p><p>　　光纖傳感器分類與工作原理</p><p>　　根據(jù)被外界信號調(diào)制的光波的物理特征參量的變化情況，可將光波的調(diào)制分為光強度調(diào)制、光相位調(diào)制、光偏振調(diào)制、光波長調(diào)制和光頻率調(diào)制等五種類型。</

47、p><p>　?、俟鈴娬{(diào)制是光纖傳感技術(shù)中相對比較簡單，用得最廣泛的一種調(diào)制方法。其基本原理是利用外界信號的改變光纖中光的強度，通過測量輸出光強的變化實現(xiàn)對外界信號的測量。光強調(diào)制的光纖傳感器主要有透射、反射和微彎曲型三種。</p><p>　　②光相位調(diào)制，是指外界信號按照一定的規(guī)律改變光纖中傳播的光波的相位，通過光相位的變化反映被測外界量。 光纖中光波的相位由光纖波導(dǎo)的物理長度、折射率及其

48、分布、波導(dǎo)橫向幾何尺寸所決定。壓力、張力、溫度會改變上訴三個波導(dǎo)參數(shù)。</p><p>　　目前的探測器都不能直接感知光波的相位變化，基本采用光的干涉技術(shù)，把光的相位變化轉(zhuǎn)變成光強度的變化，與其他光纖傳感技術(shù)相比具有高的靈敏度。其中有四種應(yīng)用非常廣泛的干涉儀：馬赫-澤德爾干涉儀、邁克爾遜干涉儀、法布里-玻羅干涉儀和賽格納克干涉儀。</p><p>　?、燮裾{(diào)制，是指外界信號通過旋轉(zhuǎn)檢偏器

49、等方式使光纖中光波的偏振面發(fā)生規(guī)律性偏轉(zhuǎn)或產(chǎn)生雙折射，從而導(dǎo)致光的偏振特性變化，通過檢測光偏振態(tài)的變化即可測出外界被測量。</p><p>　　④外界信號通過選頻、濾波等方式改變光纖中傳輸光的波長，測量波長變化即可檢測到被測量，這類調(diào)制方式稱為光波長調(diào)制。 </p><p>　　目前用于光波長調(diào)制的方法主要是光學選頻和濾波。其中光位移光纖傳感器是比較典型的光波長調(diào)制型光纖傳感器，廣泛的應(yīng)用

50、在工業(yè)、軍事和醫(yī)療領(lǐng)域。他具有兩大優(yōu)勢：①可實現(xiàn)非接觸高精度傳感；②有可能與光傳感器組成復(fù)合結(jié)構(gòu)。</p><p>　?、莨忸l率調(diào)制，是指外界信號對光纖中傳輸?shù)墓獠l率進行調(diào)制，頻率偏移可以反映被測量。目前使用較多的調(diào)制方法為多普勒法，即外界信號通過多普勒效應(yīng)對接收光纖中的光波頻率實施調(diào)制。</p><p>　　表面等離子體光纖傳感器</p><p><b&g

51、t;　　簡介</b></p><p>　　光纖表面等離子體傳感器是一種將低能耗的光纖傳感技術(shù)與表面等離子體共振效應(yīng)結(jié)合起來的一種新型光纖傳感器。它能夠?qū)鞲衅鞅砻娲郎y介質(zhì)的微小變化作出靈敏的反應(yīng)。與傳統(tǒng)的棱鏡SPR傳感器相比，光纖型SPR傳感器具有傳感部分體積小，抗電磁干擾能力強，測量機構(gòu)簡單，適合遠程遙測場合和分布式檢測以及SPR信號不易受到機械結(jié)構(gòu)、光源波動等外界因素影響的優(yōu)點，受到了人們的廣泛關(guān)

52、注。</p><p>　　1993年美國華盛頓大學R.C.Jorgenson和Yee提出將光纖纖芯作為激發(fā)SPR效應(yīng)的載體，把金覆蓋在纖芯表面研制了表面等離子體波光纖傳感器。隨后，Trouillet等采用銀膜，獲得更為尖銳的SPR光譜。</p><p><b>　　研究意義</b></p><p>　　目前，許多SPR光纖傳感器，廣泛的應(yīng)用于生

53、物，化學，醫(yī)藥，環(huán)境檢測相關(guān)的眾多領(lǐng)域。與傳統(tǒng)的檢測手段相比，具有無須對樣品進行標記、實時動態(tài)檢測，靈敏度高，無背景干擾，適用于渾濁、不透明或者有色溶液，檢測方便、快捷，應(yīng)用范圍廣等特點。</p><p>　　SPR光纖傳感器在物理學的應(yīng)用：由于某種物理量會引起特定敏感模折射率的變化，就可以采用SPR傳感技術(shù)進行測量。例如，溫度的變化，導(dǎo)致敏感膜膨脹或者收縮，是厚度發(fā)生變化，導(dǎo)致折射率的改變，從而利用SPR光纖傳

54、感進行檢測。</p><p>　　SPR光纖傳感器在化學中的應(yīng)用：溶液中待測分子與敏感膜有選擇的化學吸附，或者發(fā)生化學反應(yīng)，從而引起敏感膜光學屬性的改變，造成表面等離子共振條件的改變，光譜上的直觀顯示為共振峰位置的改變。通過次方法可以檢測溶液的分子組成，濃度等。</p><p>　　SPR光纖傳感器在生物學中的應(yīng)用：它可以測定分子間相互作用的動力學常數(shù)檢測樣品中生物分子的濃度，分析配體和小

55、分子的篩選以及單克隆抗體識別抗原結(jié)合位點的研究。能便捷的監(jiān)測DNA與蛋白質(zhì)之間、蛋白質(zhì)分子之間以及藥物-蛋白質(zhì)、核酸-核酸、抗原-抗體、受體-配體等等生物分子之間的相互作用。</p><p><b>　　發(fā)展現(xiàn)狀</b></p><p>　　SPR分析技術(shù)在美、英、日等發(fā)達國家都進行了大量的研究和應(yīng)用。1990年，瑞典Phannacia公司(BIAcoreAB)首臺S

56、PR商品化儀器開發(fā)成功，使得SPR技術(shù)有了真正意義上的實用價值。瑞典、美國、英國都有商品化的SPR生化分析儀進入市場,美國的Texas Instuments(TI), Affinity Senors,日本的Nippon Laser Ecletronics,德國的BiotulAG。其中瑞典Pharmacia公司的Biacore系列產(chǎn)品在國際上獨占鰲頭；近年來也進入了中國市場，但其價格昂貴。</p><p>　　國內(nèi)

57、關(guān)于SPR傳感器的研究工作起步較晚，處于起步階段，可搜索到的相關(guān)文獻不多。中國科學院電子學研究所傳感技術(shù)國家重點實驗室是國內(nèi)最早開展研究SPR生化分析儀的單位，早在1990年，就開展了SPR課題，于1992年研制了手動、立式SPR生化樣機。1994年研制出自控、臥式SPR雛形樣機。近年來已經(jīng)就SPR用于液體折射率、溶液分子構(gòu)成、特定分子含量等檢測方面展開了大量的研究，并在利用SPR效應(yīng)檢測生物分子方面進行了有益的嘗試，并取得了一定的成果

58、，發(fā)明了為數(shù)不少的商品化的SPR儀器。與外國相比，別是在SPR傳感部位的加工工藝、不同環(huán)境下傳感特性研究等方面和國外存在很大差距。</p><p>　　表面等離子體傳感原理</p><p>　　表面等離子體共振原理</p><p>　　表面等離子體共振（SPR）技術(shù)是一種簡單、直接的傳感技術(shù)。它通過測量金屬表面附近環(huán)境介質(zhì)折射率的變化來研究物質(zhì)的性質(zhì)。</p&

59、gt;<p><b>　　消逝波</b></p><p>　　按照光線的傳播理論，當光束從光密介質(zhì)中以角θ1入射到兩個透明介質(zhì)的界面時，光線在界面處的傳播狀況如圖2.1(a)所示。從圖中可看到，部分入射光線傳播到上面的光疏介質(zhì)中去，而另一部分入射光線則發(fā)生反射。折射角θ2滿足菲涅爾定理，如圖2.1（b）所示，當光沖光密介質(zhì)入射到光疏介質(zhì)時，令θ2=90°，根據(jù)菲涅爾定

60、理，當時，就會有全反射現(xiàn)象。在界面處，沿X軸方向傳播振幅衰減的一個波，就是消逝波。全反射的波從光密介質(zhì)進入光疏約一個波長的深度，沿界面?zhèn)鞑グ雮€波長的距離后回返回光密介質(zhì)，光的總能量沒有變化。</p><p>　　圖2.1 光在界面的傳播</p><p><b>　　等離子波 </b></p><p>　　等離子：體通常是指由密度相當高的自由

61、正負電荷組成的氣體，其中正負帶電粒子的數(shù)目幾乎相等。</p><p>　　金屬表面等離子波：表面等離子體波是在金屬表面，沿著兩種介質(zhì)分界面?zhèn)鞑サ囊环N電磁波</p><p>　　表面等離子體共振理論模型</p><p>　　圖2.2 兩種介電介質(zhì)之間的單層吸收膜</p><p>　　兩種介質(zhì)之間的平行平面單層吸收模結(jié)構(gòu)如圖2所示[11]。令，

62、式中u2和v2為實量。u2和v2可以用入射角θ1和表征第1和第2介質(zhì)的光學性質(zhì)的常數(shù)表示出來。假設(shè)入射波得光矢量平行于入射面，各介質(zhì)是非磁性的，在這種情況下，在第1-2界面上有[11]</p><p><b>　　式中</b></p><p>　　同樣，在第2-3界面上有[11]</p><p>　　由此可以推出透明基片上的單層吸收膜的反射系數(shù)

63、公式為</p><p>　　式中，，為光在真空中的速度。</p><p>　　表面等離子體的色散理論</p><p>　　形成表面等離子波體共振的必要條件之一是金屬與介質(zhì)界面的存在。在金屬表面，電子的橫向（垂直于表面）運動受到表面的阻擋，因此在表面上形成了電子濃度的梯度分布，并由此形成局限于表面上的等離子體振蕩，也可稱為表面等離子體波[12]。</p>

64、<p>　　圖2.3 半無限金屬和電介質(zhì)界面</p><p>　　首先分析半無限金屬（如圖2.3 所示，在z=0 界面的下面，厚度無限的金屬）與介質(zhì)的界面，其電場可表示為：</p><p><b>　?。?-1）</b></p><p>　　式中w為角頻率，和分別為波矢在X和Z方向的分量，其中。為等離子體子的波長。為虛數(shù)，表明電場沿

65、Z軸方向按指數(shù)衰減， 前的正負號分別表示z≥0和z<0。</p><p>　　根據(jù)麥克斯韋方程，對于半無限金屬表面（復(fù)介電常數(shù)），存在如下色散關(guān)系： （2-2）</p><p><b>　　并且</b></p><p><b>　　

66、（2-3）</b></p><p>　　波矢kz通過電場界面時是連續(xù)的，由式（2-2）和（2-3）可以得到：</p><p><b>　　（2-4）</b></p><p>　　式中，w和為實數(shù)，且設(shè)，則可以得到復(fù)數(shù)，并且有</p><p><b>　?。?-5）</b></p&g

67、t;<p><b>　　（2-6）</b></p><p>　　要使是實數(shù)，則需要>0，，而一般金屬均可滿足這一條件，決定了SPW的振動頻率，相當于SPW波得阻尼因子，導(dǎo)致SPW波在嚴X軸方向傳播過程中，振幅呈負指數(shù)規(guī)律衰減。</p><p>　　圖2.4 非輻射表面等離子體波的色散曲線</p><p>　　所有表面等離子體

68、子的色散曲線均處于光波色散直線的右側(cè)（圖2.4），這也是稱其為非輻射型模式的原因。若色散曲線處于光波色散直線的左側(cè)，則可通過調(diào)節(jié)光的入射角或光的傳播介質(zhì)使光波的kx 和表面等離子體子的kx 相等，這時二者將會產(chǎn)生能量耦合，達到共振。而表面等離子體子的色散曲線處于光波色散直線的右側(cè)，曲線與直線沒有相交點，即二者的kx 無相等點，所以，表面等離子體子不可能與外面的光波發(fā)生耦合，被封閉在薄膜界面。為了使內(nèi)部與外部的光波耦合，必須采用適當?shù)姆椒?/p>

69、，改變表面等離子體子色散曲線與光波色散直線的相對位置，使表面等離子體子的色散曲線向左移動或使光波色散直線向右移動，使二者有相交點，即二者有共同的頻率ω和波數(shù)kx，從而可產(chǎn)生共振。其中ω=2πf，kx=2π/λx，一個與頻率（即時間）有關(guān)，一個與波長（即距離）有關(guān)，兩個波要共振，這二者必須同時相等，并且，只有共振，表面等離子體子才能形成輻射態(tài)，即轉(zhuǎn)變?yōu)楣?，反過來，光才能轉(zhuǎn)變成表面等離子體子的能量。</p><p>

70、<b>　　共振理論</b></p><p>　　等離子體通常是指由密度相當高的自由正、負電荷組成的氣體,其中正、負帶電粒子數(shù)目幾乎相等,內(nèi)部不形成空間電荷。如果把金屬的價電子看成是均勻正電荷背景中運動的電子氣體,這實際上也是一種等離子體。當金屬受到電磁干擾時,金屬中電子密度分布就會變得不均勻。設(shè)想在某一區(qū)域電子密度低于平均密度,這樣便形成局部的正電荷過剩。這時,由于庫侖引力作用,會把近鄰的

71、電子吸引到該區(qū)域,而被吸引的電子由于獲得附加的動量,又會使該區(qū)域聚集過多的負電荷。然后,由于電子間的排斥作用,使電子再度離開該區(qū)域,從而形成價電子相對于正電荷背景的密度起伏振蕩。由于庫侖力的長程作用,這種局部的電子密度振蕩將形成整個電子系統(tǒng)的縱向集體振蕩,并以密度起伏波的形式表現(xiàn)出來?？芍?金屬中價電子相對于正離子背景的這種振蕩與導(dǎo)電氣體中的等離子振蕩相似,故稱為金屬中的等離子振蕩[13]。</p><p>　　

72、表面等離子振蕩也是如此,但由于介質(zhì)分界面具有一定的特殊性。從而使得表面等離子的振蕩具有其特有的本征模式。表面等離子共振可以存在于兩種介質(zhì)(如金屬與電介質(zhì)) 的分界面處,同時可以沿著分界面?zhèn)鞑?從而形成表面等離子波(Surface Plasmon Wave , SPW) 。表面等離子波是一種偏振的橫磁波(Transverse Magnetic , TM) ,它的磁場矢量垂直于SPW的傳播方向,平行于兩種介質(zhì)的分界面,而且SPW 的場矢量在

73、介質(zhì)分界面達到最大值,并在兩種介質(zhì)中呈指數(shù)快速衰減。當外加電磁場與SPW的波矢相等時,就會出現(xiàn)SPR 現(xiàn)象。</p><p>　　表面等離子體共振光纖傳感原理</p><p>　　表面等離子共振光纖傳感</p><p>　　圖2.5 光纖表面等離子體波共振傳感器結(jié)構(gòu)圖</p><p>　　光纖表面等離子體波共振傳感器結(jié)構(gòu)如圖4:所示。當纖芯中

74、傳播的P偏振光信號到達金屬表面等離子體波共振效應(yīng)敏感部位時, 將會在金屬模表面發(fā)生全反射，由于金屬膜的厚度（50nm）小于消逝波的深度（一個波長），在金屬與外部環(huán)境的交界處，消逝波仍起作用，其在X軸的分量</p><p><b>　　Kx=</b></p><p>　　式中W是入射光的角頻率，ε0是光纖的介電常數(shù)，θ是入射角度，C是光速。在交界面處，金屬表面的自由電子

75、氣體被激發(fā)，產(chǎn)生振蕩電荷，從而形成表面等離子波振蕩</p><p><b>　　Ksp=</b></p><p>　　式中ε1為金屬的介電常數(shù)，ε2為外部環(huán)境的介電常數(shù)。當Kx和Ksp相等時，金屬表面的等離子波將與消逝波發(fā)生耦合，產(chǎn)生表面等離子體共振，反正光強度急劇下降，達到最小。能量從光子轉(zhuǎn)移到表面等離子，入射光的大部分能量被表面等離子波吸收，使得反射光的能量急劇減

76、少。在實際測量中，往往利用金屬膜表面樣品折射率還代替它的介電常數(shù)，以入射光的波長代替角頻率。</p><p>　　表面等離子體共振的光調(diào)制方式</p><p>　　從光調(diào)制的角度來看，SPR傳感器的檢測方式可分為:強度調(diào)制、角度調(diào)制、波長調(diào)制和相位調(diào)制。</p><p>　?。?）強度調(diào)制：固定入射波長及入射角度(共振角附近)，檢測反射光強隨外界折射率的變化。其特點

77、是結(jié)構(gòu)簡單，可以避免測量時角度機械引入的誤差，缺點是對光源要求比較高，需要提供穩(wěn)定的波長。[14]</p><p>　?。?）角度調(diào)制；固定入射光波長，通過掃描入射角度，追蹤共振角(反射強度的最小值)隨外界折射率的變化。其缺點是采用此種方法需要復(fù)雜的轉(zhuǎn)動平臺，系統(tǒng)轉(zhuǎn)動的穩(wěn)定性會對檢測的靈敏度和和信噪比產(chǎn)生影響。</p><p>　?。?）波長調(diào)制:固定入射角度，以寬帶光源入射，探測反射光譜

78、的變化，得出共振波長隨折射率變化的關(guān)系。此種方式同樣不需要轉(zhuǎn)動裝置，有利于系統(tǒng)穩(wěn)定性的提高，但是在探測端通常需要用光譜儀作為接收裝置，增加系統(tǒng)成本。此種方法常用于基于光纖的SPR傳感器。</p><p>　?。?）相位調(diào)制:固定入射光波長和角度，產(chǎn)生共振時TM波反射光與入射光的相位差隨外界折射率變化非常敏感，而TE波由于不能夠激勵SPs，因此反射前后相位差隨介質(zhì)折射率變化不敏感，可以通過比較兩者的相位差關(guān)系，測量

79、外界折射率的變化。理論和實驗研究表明，與其他調(diào)制方式相比，相位調(diào)制方式可以使SPR傳感器靈敏度提高1-2個數(shù)量級。[15]</p><p>　　表面等離子傳感器靈敏度的影響因素</p><p>　　表面等離子傳感器研究中靈敏度的表達式是被測物折射率變化所對應(yīng)的共振信號（共振角度、共振波長）的變化。在現(xiàn)實應(yīng)用中，我們通過實驗數(shù)據(jù)作圖來表示他們的關(guān)系。理論分析時，可以通過理論公式，分析表面等離

80、子傳感器靈敏度的影響因素。對于改變角度的表面等離子傳感器，他的靈敏度主要與光纖本身、金屬膜和波長有關(guān)。通常在長波段靈敏度較高。</p><p>　　SPR光譜的性質(zhì)可以用三個基本的特征參數(shù)描述，即共振角度（或共振波長）、共振半峰寬度和共振深度（共振峰的高度，即最小光強反射率）。這三個特征參數(shù)則取決于金屬膜及其表面介質(zhì)的光學參數(shù)：薄膜厚度d、折射率n和吸收系數(shù)k。金屬薄膜的折射率n是影響共振半峰寬度和共振深度的主要

81、因素，隨著薄膜折射率的增加，共振半峰寬增大，深度減?。划斈ず穸瘸^一定值時，共振峰將消失；當膜厚在某一數(shù)值時，反射光強度近似為零，共振深度最大。一般在50nm左右時，共振深度達最大。事實上，n，k和d這三個參數(shù)是相互制約的，彼此并不獨立。當厚度d增加時，折射率n隨之增大，而吸收系數(shù)k則變小。所以常把膜厚度作為首要考慮因素。</p><p><b>　　實驗</b></p>&l

82、t;p><b>　　SPR光纖傳感器</b></p><p><b>　　終端反射式</b></p><p>　　由圖3.1所示的光纖SPR傳感器結(jié)構(gòu)可知，當一束寬帶光耦合進行光纖后，將會發(fā)生色散形成若干以不同全反射角傳播的單色P光。光線在纖芯和包層的界面上發(fā)生全內(nèi)反射，在到達SPR傳感區(qū)域時，由于金屬本身的復(fù)介電性，導(dǎo)致該入射光在到達纖芯

83、和金屬膜界面后將部分能量滲透進金屬內(nèi)部形成倏逝波。當倏逝波的水平波矢與金屬膜表面的等離子體波的波矢相匹配時，電子吸收了這一頻率光子的能量，產(chǎn)生了等離子體波共振效應(yīng)，從而導(dǎo)致反射光強在這一時刻達到最小，形成SPR效應(yīng)。共振光傳輸至端面處沿來路被反射回去。光線經(jīng)過第二次共振后，傳輸?shù)焦庾V儀進行檢測。</p><p><b>　　圖3.1終端反射式</b></p><p>

84、<b>　　在線傳輸式</b></p><p>　　寬帶光源提供的光波信號進入光纖中傳播。光波信號在傳播到位于流通槽中的SPR傳感段時，將會與待測量液體發(fā)生作用，產(chǎn)生SPR效應(yīng)。隨著待測液體介質(zhì)折射率的不同，輸出的SPR光譜亦發(fā)生改變。其結(jié)構(gòu)如圖3.2</p><p><b>　　圖3.2在線傳輸式</b></p><p>

85、;　　SPR光纖傳感器的制作</p><p><b>　　終端反射式</b></p><p>　　終端反射式SPR光纖傳感器的制作方法如下：1、在光纖的一端沉積一層厚300nm的金屬膜，作為全反射鏡。2、在反射鏡的那端，通過化學腐蝕等方法，剝?nèi)ヒ欢?nm光纖包層，并通過離子濺射法鍍上50nm的一層金屬膜。</p><p><b>　　

86、在線傳輸式</b></p><p>　　在線傳輸式SPR光纖傳感器的制作方式如下：在光纖中間去掉一段包層，在裸露的纖心上沉積一層高反射率的金屬膜。</p><p><b>　　鍍膜工藝</b></p><p>　　1通過化學腐蝕和機械剝離相結(jié)合的方法出去光纖傳感部分的包層和涂覆層。傳感部分的長度約10mm。接著用酒精和去離子水先后清

87、洗光纖中包層被剝除的部分，待吹干后放入鍍膜室中。</p><p>　　圖3.3光纖SPR傳感部分鍍膜</p><p>　　2為了使得傳感器膜層和纖芯有更好的粘附性，可采用兩層鍍膜。</p><p>　　3采用真空熱蒸鍍的方法進行鍍膜。其原理是在真空中加熱金屬靶材，當它達到一定溫度且蒸汽壓強達到或超過周圍氣壓時，被加熱的金屬原子從本體逸出形成蒸汽，向四周以直線的形式輻

88、射，如果在一定的位置上放好元件，蒸汽分子撞擊待鍍元件表面，并在表面凝聚形成所需要的薄膜。我們在實驗中，靶材選擇銀靶，純度為99.99999%，鍍膜機的工作條件是常溫鍍膜，真空度為10-3Pa。由于光纖為柱狀結(jié)構(gòu)，要想在纖芯周圍均勻沉積上金屬薄膜，必須使光纖傳感部分在真空室內(nèi)勻速轉(zhuǎn)動，為此我們設(shè)置了如圖3.3所示的自傳裝置。利用蒸鍍室內(nèi)原有的公轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)臺帶動固定光纖的夾具自轉(zhuǎn)，實現(xiàn)環(huán)繞光纖的均勻鍍膜。鍍膜過程，先在光纖傳感部分蒸鍍40nm厚的

89、銀膜，通常情況下還需要覆蓋一層10nm厚的氟化鎂(MgFZ)介質(zhì)膜，以保護銀膜不被氧化。</p><p><b>　　實驗數(shù)據(jù)模擬與分析</b></p><p>　　圖3.5 光纖SPR傳感器 圖3.6　三層介質(zhì)結(jié)構(gòu)</p><p>　　如圖3.5，P光以入射角α耦合射入光纖,經(jīng)過一次折射，在光纖纖芯

90、與包層界面成入射角θ。ε0、ε1 、ε2 分別表示光纖纖芯、金屬鍍層、環(huán)境介質(zhì)的介電常數(shù)。再對圖3.5 中的光纖SPR 傳感器進一步簡化,如圖3.6。假定入射光沿著某一個子午面?zhèn)鞑?在纖芯與金屬層的界面以入射角θ入射,并且在整個纖芯內(nèi)部只發(fā)生一次全反射。利用Fresnel 公式,顯然,很容易寫出反射系數(shù):</p><p>　　其中 </p>

91、<p>　　rp為雙層界面的P 光總反射率, rp01和rp12分別為光纖纖芯與金屬界面的反射率和金屬與環(huán)境介質(zhì)的反射率, d 為金屬層的厚度,ε0 、ε1 、ε2 分別為光纖線芯、金屬、環(huán)境介質(zhì)的介電常數(shù), ( i = 1 ,2 ,3 , j =x , z) 為各介質(zhì)當中的光波波矢分量, c 為光速,ω為光波角頻率。[16]</p><p>　　金屬材料的選擇與膜厚度</p><p

92、>　　選擇不同的金屬材料作為SPR光纖傳感器的傳感膜，對光譜影響很大。SPR光譜研究的是反射光譜，所以我們需要選擇高反射率的金屬如Ag、Au、Cu、Al、Be等。銀膜和鋁膜穩(wěn)定性差，容易氧化，影響SPR的測定。金膜的穩(wěn)定性相對來說最好，但是在光譜儀的普線中銀膜的半高寬小于金膜，而且靈敏度優(yōu)于金膜，所以金膜和銀膜通常是SPR最常用兩種金屬膜。</p><p>　　實驗金屬膜厚度50nm，外界環(huán)境的折射率為1.

93、33，光源為400-1000nm的帶寬光源，傳感光纖折射率為1.46的單模光纖，入射角為73度。通過數(shù)值模擬，從圖3.7可以發(fā)現(xiàn)，銀膜比金膜具有更窄的共振峰。通過此實驗可以說明用銀作為金屬膜，能使光纖傳感器具有更高的靈敏度。通常情況下，我們理論分析和實驗時，選擇銀作為金屬膜材料。</p><p>　　圖3.7金銀膜材料的SPR光譜</p><p>　　在金屬-待測物得界面處，光的傳播會有損

94、耗，其中包括由金屬膜本征吸收引起的焦耳損耗和金屬膜表面粗糙程度引起的散射損耗。本實驗假設(shè)金屬膜表面是光滑的，不考慮散射損耗。通過觀察膜厚度對譜線形狀的影響。實驗?zāi)M在入射波長為632.8nm，光纖折射率為1.46，外界環(huán)境的折射率為1.33，在不同厚度下的SPR共振曲線：膜厚度分別為30、40、50、60、70nm，通過改變?nèi)肷浣嵌扔^察譜線圖。</p><p><b>　　圖3.8</b>&

95、lt;/p><p>　　從圖3.8中可以發(fā)現(xiàn)SPR的曲線隨著膜厚度的增大而變尖，能產(chǎn)生共振的角范圍越來越小。在膜厚度小于50nm時，共振角向較大入射角的方向偏移，當膜厚度大于等于50nm時，共振角幾乎不變。通過對圖的觀察，不難看出在膜厚度為50nm的時候，反射強度接近0。因此，通常制作的表面等離子體光纖傳感器的鍍膜厚度在50nm左右。</p><p>　　入射光波波長對于共振的影響</p

96、><p>　　實驗固定膜厚度為50nm，入射角度為72.5，光纖的纖芯折射率為1.46，外界環(huán)境的折射率為1.33.金屬膜的介電常數(shù)受波長影響成，成。</p><p>　　圖3.9不同波長的SPR光譜</p><p>　　從圖3.9中我們可以清楚的觀察到，在這種情況下當入射波長為730nm時，反射系數(shù)等于0，說明SPR的激發(fā)波長為730nm,通過計算可得共振波長為765

97、.4nm。當采用其它入射角時,激發(fā)波長就要改變，以滿足共振條件。</p><p>　　入射角度對于共振的影響</p><p>　　實驗固定銀膜的厚度為48nm，入射角從0變化到90，光纖的纖芯折射率為1.46，外界環(huán)境的折射率為1.33，光源為波長632.8nm的He-Ne激光器。</p><p>　　圖3.10 不同入射角度的SPR光譜</p>&l

98、t;p>　　實驗通過改變?nèi)肷浣嵌?，從圖3.10可以發(fā)現(xiàn)當入射角在76度是，反射系數(shù)為0.，表面等離子共振角為76度。</p><p>　　不同待測介質(zhì)的SPR曲線</p><p>　　圖3.11終端反射式光纖表面等離子體波共振效應(yīng)傳感系統(tǒng)框圖</p><p>　　SPR 傳感器常用于對溶液介質(zhì)的測量，不同的濃度對應(yīng)溶液的介電常數(shù)也不相同，若被測溶液的介電常數(shù)與

99、共振波長有著確定的關(guān)系，則可利用波長調(diào)制的方法通過測量不同的共振波長來得到所對應(yīng)的溶液濃度。光源發(fā)出的光經(jīng)Y性耦合器進入傳感光纖，光波信號到達探頭部分完成傳感功能后沿原路返回，并通過Y性分支傳輸?shù)焦庾V儀，通過計算機分析光譜儀中的數(shù)據(jù)。在實驗時，首先要將光纖探頭置于空氣中，他的反射光譜為基準信號，在將其置于待測溶液中，得到的反射信號為表面等離子體共振光譜信號。通過比較反射信號與基準信號，獲得反應(yīng)不同共振效應(yīng)的相對光譜檢測。</p&g

100、t;<p>　　配置不同濃度的蔗糖溶液，作為折射率的被測溶劑。利用折射率儀可以測定不同濃度溶液的折射率。本實驗所取得折射率為1.34、1.35、1.36、1.37。光源為能提供400-1000nm波段的帶寬光源。光纖為折射率1.46，數(shù)值孔徑0.3.入射角度73度。</p><p>　　按圖連好各個裝置。首先測量未加溶液的光譜信號，作為參考信號（即空氣作為被測介質(zhì)，數(shù)據(jù)模擬時采用溫度17℃，大氣壓強

101、1.013*105Pa，大約折射率為1.0055）。由于光纖本身屬性無法共振。然后模擬不同濃度溶液的SPR曲線圖。</p><p>　　圖3.12不同待測介質(zhì)的SPR曲線</p><p>　　觀察圖3.12，可得隨著折射率的增大，SPR曲線的共振位置往長波段移動，且半高寬不斷加大。當環(huán)境折射率為1.34，共振峰較窄，靈敏度較高。</p><p><b>　

102、　結(jié)論與展望</b></p><p><b>　　總結(jié)</b></p><p>　　通過對SPR技術(shù)發(fā)展歷史的一個回顧，對它的發(fā)展方向以及應(yīng)用有了一定的了解。表面等離子體共振從原理研究向應(yīng)用型飛速發(fā)展，現(xiàn)在作為一種高靈敏的新型檢測方式，廣泛的應(yīng)用于物理學領(lǐng)域、化學領(lǐng)域、生物學領(lǐng)域，特別是藥物領(lǐng)域、食品工業(yè)與環(huán)境檢測領(lǐng)域、生物學檢測領(lǐng)域有了極大的發(fā)展，表現(xiàn)出

103、了極其明顯的潛力。</p><p>　　本文主要分析了表面等離子體得共振原理和光學傳感原理，通過對原理的分析，闡述了關(guān)于表面等離子體共振波長的計算。我們還理論上詳細討論了影響光纖SPR傳感器的因素(包括金屬膜材料和厚度、光纖的入射角度，入射波長，待測物得折射率)，通過對其共振譜線的分析，對SPR光線傳感器的制作提供了理論數(shù)值，對其結(jié)構(gòu)的優(yōu)化提供的數(shù)值參考。</p><p><b>

104、;　　展望</b></p><p>　　過去幾年，SPR技術(shù)憑借其獨特的優(yōu)勢迅速發(fā)展，包括理論的不斷完善和各種SPR儀器的制造。國際上一系列商品化的SPR儀廣泛的應(yīng)用與物理，生物，化學等領(lǐng)域，隨著SPR理論的不斷完善和對其應(yīng)用的深入研究，對SPR技術(shù)提出了新的要求。</p><p>　　1提高SPR傳感器的靈敏度和分辨率：通過優(yōu)化光學結(jié)構(gòu)，改變數(shù)據(jù)的處理方法，設(shè)計新型的傳感芯片

105、等，能有效的提高SPR傳感器的靈敏度和分辨率，有利于對小分子，低濃度的探測。</p><p>　　2對表面等離子體仿真軟件的開發(fā)，以滿足理論分析時，大量的數(shù)據(jù)處理，為優(yōu)化結(jié)構(gòu)提供理論依據(jù)。</p><p>　　3增加膜結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性：銀膜的傳感器具有較高的靈敏度，但其容易氧化，所以需要在其表面涂一層保護膜。通過對保護膜厚度，材料的尋求，找到一種廉價且性能好的保護膜材料。</p>

106、<p>　　4實現(xiàn)多通道檢測：增加表面等離子體共振傳感器的測量通道，制作多功能檢測芯片，提高檢測的效率和檢測內(nèi)容的多樣性。</p><p>　　5降低成本，實現(xiàn)微化:SPR微型化帶來的好處就是將是價格大大的降低，從而更快的進入各個檢測領(lǐng)域和分析領(lǐng)域。</p><p>　　6研究具有新型功能的SPR傳感器</p><p><b>　　參考文獻&l

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