表面等離子體共振(SPR)傳感技術(shù)以其具有的高靈敏度、所需待測(cè)樣品少、響應(yīng)速度快等優(yōu)勢(shì)，廣泛應(yīng)用于多個(gè)領(lǐng)域。SPR技術(shù)主要利用的是光振幅、共振角度以及共振波長(zhǎng)等信息檢測(cè)，從而實(shí)現(xiàn)折射率的傳感。

表面等離子體共振技術(shù)簡(jiǎn)介

1、表面等離子體共振

表面等離子體共振(surface plasmon resonance，SPR)是一種發(fā)生在金屬與電介質(zhì)界而的物理光學(xué)現(xiàn)象，對(duì)附著在金屬表面的電介質(zhì)折射率非常敏感，可以實(shí)時(shí)確定介質(zhì)的折射率變化，從而檢測(cè)出現(xiàn)不同折射率的相應(yīng)物質(zhì)(見圖1)。

SPR技術(shù)根據(jù)其檢測(cè)方式的不同，可分成波長(zhǎng)調(diào)制、相位調(diào)制、強(qiáng)度調(diào)制和角度調(diào)制等多種類型：

①相位調(diào)制，是通過建立共振相位與折射率關(guān)系的方式，分析共振相位變化，進(jìn)而得到被測(cè)物質(zhì)的折射率，其檢測(cè)裝置較為復(fù)雜，分析結(jié)果困難，技術(shù)并不成熟;

②強(qiáng)度調(diào)制，是通過改變?nèi)肷涔鈴?qiáng)，分析光強(qiáng)度變化，從而獲得折射率變化狀況實(shí)現(xiàn)監(jiān)測(cè)，該技術(shù)系統(tǒng)的抗干擾性較差，檢測(cè)靈敏度偏低;

③波長(zhǎng)調(diào)制，是當(dāng)光的入射角度一定時(shí)，通過改變?nèi)肷涔獾牟ㄩL(zhǎng)，分析SPR反射率和波長(zhǎng)之間的關(guān)系，從而得出折射率;

④角度調(diào)制是指固定的入射波長(zhǎng)，分析SPR角度與反射率之間的關(guān)系，從而獲得待測(cè)樣品折射率值。

波長(zhǎng)和角度調(diào)制都能獲得較高的精度，技術(shù)成熟，應(yīng)用較多。

2、表面等離子體共振原理

存在于金屬表面的自由電子，處于入射光的激勵(lì)下，會(huì)發(fā)生集體的振蕩，從而產(chǎn)生了表面等離子體激元(SPPs)，在金屬介質(zhì)的表面進(jìn)行傳播的常量可用以下公式表示：

式中：ω為角頻率;εm為金屬介電常數(shù);εd為介質(zhì)的介電常數(shù);c為真空中光的傳播速度;λ為真空中光的波長(zhǎng)。

表面等離子激元將沿金屬的表面?zhèn)鞑ィ罱K形成表面等離子波(SPW)，以棱鏡耦合角度的調(diào)制型SPR傳感器為例(見圖2)，其表面金屬膜的厚度約為數(shù)10nm，當(dāng)一束光照射到棱鏡的表面上，然后發(fā)生反射，生成倏逝波，該波將與金屬介質(zhì)表面存在的等離子體激元，發(fā)生相互作用，調(diào)整光的入射角，從而使倏逝波傳播常數(shù)與SPW傳播常數(shù)相同，公式如下：

式中：θ為入射角;np為棱鏡折射率;βSP為表面等離子體激元傳播常數(shù)。

光波導(dǎo)同樣能夠激發(fā)SPR現(xiàn)象，當(dāng)光在波導(dǎo)中進(jìn)行傳播，通過表面覆蓋的金屬層區(qū)域，倏逝波會(huì)穿透金屬薄層，若其表面的SPW相位和光波導(dǎo)模式相位一致，則激發(fā)出的SPR現(xiàn)象中，常量計(jì)算如下式：

式中：βmode是波導(dǎo)模式傳播常量。

除了棱鏡禍合和波導(dǎo)禍合外，光柵禍合同樣可以激發(fā)SPR現(xiàn)象，條件是某一階衍射光的波矢在金屬價(jià)質(zhì)表面方向的分量與SPW的波矢相等，即：

式中：m是一個(gè)整數(shù)，表示衍射級(jí)次;∧表示光柵周期。

SPR傳感器

生化傳感器已經(jīng)廣泛應(yīng)用于高靈敏度生化檢測(cè)。1983年，Liedberg等人首次將SPR技術(shù)應(yīng)用于生化傳感器以來，在這一領(lǐng)域國內(nèi)外每年都有大量論文發(fā)表。Biacore AB公司率先開發(fā)出首臺(tái)商品化SPR儀器，現(xiàn)已有數(shù)家國外公司出售此類產(chǎn)品，這個(gè)產(chǎn)業(yè)每年的產(chǎn)值達(dá)幾十億美元。

這種傳感器的原理基于SPR對(duì)金屬表面介質(zhì)折射率變化的敏感特性。對(duì)于棱鏡型SPR傳感器，一般選擇折射率較高的光學(xué)材料作棱鏡。棱鏡的形狀可以是等腰直角三角形或半球形，其中半球形棱鏡最為理想，入射光始終與棱鏡表面垂直，減少光能的損失。為避免金屬膜對(duì)棱鏡表面的破壞，一般將金屬膜鍍?cè)诓Ａ献鳛樾酒?，通過折射率與棱鏡一致的匹配液將芯片固定在棱鏡上。金屬膜表面固定著一層具有分子識(shí)別功能的敏感膜。

早期的SPR傳感器將分子直接吸附在金屬膜表面形成敏感膜，后來Morgan等人發(fā)明了一種經(jīng)典的方法，在金膜表面先覆蓋一層生物素(biotin)，然后固定一單層抗生物素蛋白鏈菌素(streptavidin)。該方法可保證傳感器表面的均一性和功能上的特異性。此外還有葡聚糖凝膠法、LB膜法和分子印膜法等。微流通池處理系統(tǒng)是一個(gè)反應(yīng)裝置，有兩個(gè)端口以便液體樣品的進(jìn)出。敏感膜與樣品在流通池中發(fā)生反應(yīng)，并將待識(shí)別的分子吸附在敏感膜上，同時(shí)敏感膜介電常數(shù)發(fā)生變化，由此導(dǎo)致共振角和共振波長(zhǎng)的變化。

檢測(cè)時(shí)可采用固定入射光波長(zhǎng)掃描入射角的方法，此時(shí)可觀測(cè)到待檢測(cè)分子結(jié)合前后共振角的變化;也可采用固定入射角掃描入射光波長(zhǎng)的辦法，此時(shí)光源為復(fù)色光源，可觀測(cè)到最佳共振波長(zhǎng)的變化。SPR傳感器靈敏度很高，一般在nmol量級(jí)以上。

此外還有相位檢測(cè)的方法，Kabashin等人采用p偏振的入射光，經(jīng)分束器后分為一束參考光和一束信號(hào)光，觀察干涉條紋的分布和強(qiáng)度變化，從而推導(dǎo)出信號(hào)光的相位變化和樣品折射率的變化。實(shí)驗(yàn)中觀測(cè)到的最小折射率變化為4×10-8，比掃描入射角的方法高兩個(gè)數(shù)量級(jí)。

Ho等人采用的入射光偏振方向?yàn)槿我獾?，s偏振的光經(jīng)棱鏡-金屬界面反射后相位變化不大，p偏振的光經(jīng)棱鏡-金屬界面反射后相位發(fā)生突變。光束經(jīng)過共振吸收后的出射光引入Mach-Zehnder干涉儀，然后將干涉圖樣輸入計(jì)算機(jī)，通過比較由樣品折射率變化引起的干涉圖樣的變化推算相位的變化。這種實(shí)驗(yàn)裝置消除了由機(jī)械振蕩或溫度變化帶來的相位轉(zhuǎn)移。

圖3所示為一種新的光纖型SPR傳感器。將一段光纖的包層去掉，在芯層側(cè)面鍍上金屬膜，在金屬膜表面同樣固定著一層具有分子識(shí)別功能的敏感膜。光波在光纖內(nèi)部經(jīng)多次衰減全內(nèi)反射而耦合到金屬膜表面。在光纖的出口端檢測(cè)出射光。當(dāng)敏感膜與待測(cè)樣品發(fā)生反應(yīng)時(shí)，出射光強(qiáng)會(huì)發(fā)生變化，由此判斷樣品中是否含有待測(cè)目標(biāo)分子及其含量。

光纖型SPR傳感器具有體積小、可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程測(cè)量等優(yōu)點(diǎn)。按信號(hào)接受方式不同，可分為在線傳輸式和終端反射式兩種。其中，對(duì)于終端反射式，光線經(jīng)過兩次共振吸收后傳輸?shù)焦饫w光譜儀中進(jìn)行檢測(cè)，傳感部位的光纖長(zhǎng)度比在線傳輸式的短，不需要流通池，而且更適合于遠(yuǎn)程測(cè)量和組成陣列。

Brockman等人基于光柵型配置方式進(jìn)行了SPR傳感器的研究。耦合器件為鍍有金膜的塑料散射光柵，入射到金膜表面的光向各個(gè)方向反射，某個(gè)反射角的反射光由于與SPW產(chǎn)生共振而強(qiáng)度最小，這個(gè)吸收谷可以使用CCD陣列檢測(cè)。

這種傳感器的優(yōu)點(diǎn)是:拋棄了笨重的棱鏡;塑料散射光柵可用光盤刻錄技術(shù)進(jìn)行低成本大批量生產(chǎn);可在同一張光柵上組成陣列。Brockman等人希望進(jìn)而開發(fā)結(jié)構(gòu)類似CD-ROM的傳感器，這種傳感器將快速從光盤樣式的芯片上讀取陣列信息。

SPR應(yīng)用于近場(chǎng)掃描光學(xué)顯微技術(shù)

Fischer等人最早將SPR技術(shù)應(yīng)用于近場(chǎng)掃描光學(xué)顯微技術(shù)。當(dāng)時(shí)使用的微探針為附著在棱鏡表面的聚苯乙烯顆粒。棱鏡內(nèi)全反射的光與鍍?cè)诶忡R表面和聚苯乙烯顆粒上的金膜產(chǎn)生共振。樣品是顯微鏡的物鏡，一方面，可用顯微鏡來觀察和選擇聚苯乙烯顆粒，另一方面，物鏡的弧度有利于探針和樣品的相互接近。實(shí)驗(yàn)顯示共振的SPW極大地增強(qiáng)了近場(chǎng)光學(xué)顯微鏡的信噪比。

隨著NSOM的發(fā)展，光纖微探針成為主流。Marti等人首先使用Kretschmann配置中的鍍膜棱鏡作為樣品，取得同樣的效果。

此外，SPR技術(shù)用于研制高分辨率近場(chǎng)光學(xué)顯微鏡。由于NSOM的光纖微探針尖端無法做得很細(xì)，因此分辨率只能達(dá)到十幾納米，不能象STM和AFM那樣達(dá)到原子級(jí)分辨率。后來研制出幾種高分辨率的NSOM。其中一種基于SPR技術(shù)的近場(chǎng)光學(xué)顯微鏡的分辨率可直接達(dá)到原子水平。

圖4是Specht等人研制的一種高分辨率近場(chǎng)光學(xué)顯微鏡結(jié)構(gòu)示意圖。SPW在金屬表面?zhèn)鞑r(shí)，遇到雜質(zhì)、缺陷等將會(huì)發(fā)生散射，此處共振的SPW作圓錐輻射，圓錐頂角與入射角相同。若AFM的實(shí)心針尖在金屬表面掃描，將作為一個(gè)散射中心，輻射出的圓錐形光攜帶針尖處的信息。由于圓錐輻射光比較微弱，一般用一個(gè)鎖相放大器以一定頻率驅(qū)動(dòng)微懸臂，并檢測(cè)光電轉(zhuǎn)換器件的輸出信號(hào)中的同頻成分。

上述應(yīng)用SPR技術(shù)的近場(chǎng)光學(xué)顯微鏡已經(jīng)在物理、化學(xué)、生物、醫(yī)學(xué)等方面的高分辨率成像得到廣泛的應(yīng)用。值得一提的是，除此基本用途以外，還在以下幾方面有著特殊的用途。

Bozhvolyi等人將其應(yīng)用于內(nèi)表面成像技術(shù)。對(duì)多層金屬薄膜而言，近場(chǎng)區(qū)域內(nèi)的光纖探針檢測(cè)到的是金屬膜內(nèi)外表面SPW的疊加，通過與剪切力模式得到的表面形貌像綜合比較，可以在一定程度上推斷內(nèi)表面形貌。

應(yīng)用SPR技術(shù)的近場(chǎng)光學(xué)顯微鏡也提供了一種直接研究SPW散射的手段。Smolyaninov等人將246nm的短脈沖準(zhǔn)分子激光從光纖微探針的自由端輸入，從針尖輸出，輸出時(shí)將聚焦產(chǎn)生局部高溫，將平整的樣品表面燒出納米尺度的缺陷。使用的針尖不鍍膜，一方面可以減小對(duì)SPW的干擾，另一方面便于短脈沖激光的輸出。

在燒出的納米缺陷區(qū)域附近激發(fā)SPW，同時(shí)可利用NSOM成像觀測(cè)SPW在缺陷附近的散射及其散射后在金屬膜表面的傳播性質(zhì)。此方面研究有助于提供一種控制SPW傳播的方法，即在金屬膜表面燒出點(diǎn)、線等結(jié)構(gòu)，使SPW隨制作出的結(jié)構(gòu)改變傳播方式。

SPR技術(shù)還被應(yīng)用于近場(chǎng)光刻中。其照明方式有兩種:p偏振的光照射探針-樣品間隙和照射樣品-棱鏡界面。金屬探針進(jìn)入光場(chǎng)時(shí)，p偏振光激發(fā)探針表面等離子體共振，使得金屬探針的場(chǎng)增強(qiáng)效應(yīng)比電介質(zhì)材料的探針強(qiáng)。

Haefliger D等人結(jié)合SPR技術(shù)利用原子力顯微鏡在Al膜上獲得了直徑為40nm的記錄斑。用532nm的p偏振光照射樣品-棱鏡界面，通過反射率和透射率隨入射角的變化曲線，獲得了探針參與下的最佳入射角。

薄膜光學(xué)和膜厚測(cè)量

在Kretschmann型SPR配置中的金屬膜上覆蓋待測(cè)薄膜，依據(jù)測(cè)得的ATR曲線，可以用雙層膜Fresnel公式擬合計(jì)算待測(cè)薄膜的光學(xué)參數(shù)和膜厚。相對(duì)于橢圓偏振儀而言，SPR配置更適合于測(cè)量納米厚度的薄膜，而且可以測(cè)量不透光的薄膜。

崔大付等人在金屬膜表面鋪置不同層數(shù)的單分子層LB膜，通過測(cè)量共振角的變化，得到不同層數(shù)的介電常數(shù)。王炳奎等人使用銀膜-液晶薄膜-導(dǎo)電玻璃三夾板結(jié)構(gòu)，其中銀膜鍍?cè)诶忡R表面，作為在Kretschmann型SPR配置中的金屬膜，這樣可通過銀膜和導(dǎo)電玻璃向液晶施加不同的電壓。通過測(cè)量和計(jì)算，可以得出不同電壓下液晶薄膜的厚度和介電常數(shù)，并借以推斷不同電壓下液晶分子的排列方式。

Yoshiaki Tokunaga等人實(shí)驗(yàn)測(cè)得表面等離子體共振時(shí)反射率的最小值Rmin隨金屬膜厚度dspr的變化曲線，并利用這一曲線得出了Rmin與dspr之間關(guān)系的經(jīng)驗(yàn)公式:

dspr=D+√[E(Rmin-F)]，

其中D，E，F(xiàn)與入射光波長(zhǎng)、金屬模材料和棱鏡材料等實(shí)驗(yàn)參量有關(guān)。對(duì)于銀膜，入射光波長(zhǎng)為632.18nm，D，E，F(xiàn)的取值分別為49.61，1120，0.03。

由于激光光束是高斯光束，并非平面波，而且對(duì)于不同厚度的金屬膜，實(shí)驗(yàn)所得的表面等離子體的共振曲線與理論計(jì)算所得的曲線有偏差，因此上述公式并不能準(zhǔn)確地計(jì)算出金屬膜的厚度。用ART的方法測(cè)得的膜厚略小于Talystep(表面粗測(cè)儀)的結(jié)果d，引入修正參量G，H得到

d=GdSPR+H，

G，H對(duì)于不同材料的金屬膜有不同的取值。這一公式適用于膜厚在30-70nm范圍內(nèi)金屬膜的厚度估算。

Wenbin Lin等人將鍍金膜的光纖放入折射率不同的水溶液中，利用投射光強(qiáng)隨入射角變化的曲線求得金膜的厚度和折射率。

與其他膜厚測(cè)量方法相比，利用SPR技術(shù)的測(cè)量方法具有靈敏度高、分辨率高等優(yōu)點(diǎn)，特別適合納米量級(jí)的膜厚測(cè)量。

全息成像技術(shù)

大阪大學(xué)的Shoji Maruo等人開發(fā)出一種新型全息成像技術(shù)。如圖5(a)所示，底片為玻璃基底-銀膜-光刻膠三夾板結(jié)構(gòu)，其中銀膜厚度35nm，光刻膠厚度65nm。記錄光路使用0.9mW的氦鎘激光。曝光時(shí)間為25s，暗室顯影后，將底片置于成像光路中成像。成像光路如圖5(b)所示，主體結(jié)構(gòu)是Kretschmann型SPR配置。銀膜表面共振的SPW被全息照片上的刻痕散射并輻射光，從而產(chǎn)生全息虛像。

這種新型全息攝影技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)是:成像時(shí)不存在照明光的零級(jí)散射干擾;記錄時(shí)的入射角和成像時(shí)的入射角無關(guān)。

Wang等人在金屬膜與光刻膠之間加了一層聚乙烯膜(PMMA)，這層PMMA的折射率位1.5，厚度位895nm，作為波導(dǎo)層。當(dāng)以p偏振的光入射到棱鏡與銀膜的界面時(shí)，在銀膜中會(huì)產(chǎn)生表面等離子體波。同時(shí)入射光在電介質(zhì)波導(dǎo)層中激發(fā)出波導(dǎo)模式，表面等離子體使得波導(dǎo)模式中的電場(chǎng)分量增強(qiáng)。當(dāng)改變?nèi)肷浣菚r(shí)，反射率發(fā)生突變處反映了波導(dǎo)層與全息圖界面處電場(chǎng)強(qiáng)度和分布的變化。

在記錄光路中，光源為14mW的He-Cd激光器，信號(hào)光幾乎垂直入射到記錄底片上，參考光與信號(hào)光成55°角。銀膜的厚度為48nm。再現(xiàn)光束以76.36°，60.17°，44.94°(對(duì)應(yīng)波導(dǎo)層中的3個(gè)模式TM0，TM1，TM2)射入時(shí)，觀察到了再現(xiàn)圖像。對(duì)于TM1模，再現(xiàn)圖像的對(duì)比度可達(dá)32%。

關(guān)于此技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展有個(gè)有趣的構(gòu)想，即使用平面波導(dǎo)代替棱鏡作為耦合器件。這樣，將產(chǎn)生卡式或掛壁式全息成像儀器。

表面等離子體Q開關(guān)

受抑全內(nèi)反射Q開關(guān)由兩個(gè)相對(duì)的棱鏡組成，快速改變兩棱鏡間的間隙，可以抑制全內(nèi)反射，從而改變激光腔內(nèi)的損耗。但是Q開關(guān)只有當(dāng)兩棱鏡的間距為0.1個(gè)激光波長(zhǎng)時(shí)，方能充分閉合。而這個(gè)間距在實(shí)際應(yīng)用中，較難達(dá)到，所以調(diào)制深度不高。

清華大學(xué)郭繼華等人用SPR技術(shù)改進(jìn)激光技術(shù)中的受抑全內(nèi)反射Q開關(guān)，采用Otto型結(jié)構(gòu)，用一個(gè)棱鏡作反射面，另一個(gè)棱鏡上鍍一層高反射率金屬膜。反射率與入射角θ、空氣間隙d以及入射波長(zhǎng)λ有關(guān)。

對(duì)于波長(zhǎng)為1064nm的紅外光，其反射率最小值出現(xiàn)在間隙為1-2μm的范圍內(nèi)。例如:對(duì)于Ag膜，以44.23°入射時(shí)，在d=1.87μm處反射率取得最小值，可達(dá)10-4量級(jí)。因此兩棱鏡無需靠得很近，就可以獲得較高的調(diào)制深度。

這一技術(shù)彌補(bǔ)了普通受抑全內(nèi)反射Q開關(guān)不適用于短波長(zhǎng)激光器的缺點(diǎn)。而且表面等離子體Q開關(guān)更容易調(diào)節(jié)兩個(gè)棱鏡之間的初始距離。郭繼華等人還研究了表面等離子體Q開關(guān)在壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)下的動(dòng)態(tài)特性曲線，所得動(dòng)態(tài)曲線與普通受抑全內(nèi)反射Q開關(guān)的同類曲線相似。

采用Otto型結(jié)構(gòu)是為了防止激光直接照射到金屬表面，造成激光損傷。但是如果激光諧振腔內(nèi)的功率密度過大也有可能對(duì)金屬膜造成損傷。因此這一技術(shù)比較適用于二極管抽運(yùn)的中、小功率全固化激光器。

由于只有p偏振的光才可以激發(fā)表面等離子體，因此，與普通受抑全內(nèi)反射Q開光相比，表面等離子體Q開關(guān)的諧振腔內(nèi)要放置一個(gè)偏振片。

精密角度測(cè)量

SPR對(duì)入射角的敏感特性，可用于制作精密角度測(cè)量?jī)x器。圖6是郭繼華等人研制的一種角度測(cè)量?jī)x器。棱鏡放在旋轉(zhuǎn)臺(tái)上，通過轉(zhuǎn)動(dòng)旋轉(zhuǎn)臺(tái)調(diào)節(jié)入射角。用棱鏡的直角邊作為表面等離子體波的激發(fā)面，這樣還可以保證在入射角變化的時(shí)候出射光與入射光始終平行。

激光器發(fā)出的光經(jīng)偏振片P變?yōu)榫€偏振光，旋轉(zhuǎn)偏振片可以調(diào)節(jié)p分量和s分量的比例。入射光在棱鏡-金膜界面上發(fā)生衰減全內(nèi)反射，p分量和s分量反射時(shí)既有強(qiáng)度變化，又有相位變化。只有p波才可以激發(fā)表面等離子體波，s波不可以激發(fā)表面等離子體波。由于共振激發(fā)表面等離子體波時(shí)的入射角大于全內(nèi)反射角。所以s波反射率約為1，其相位變化在此條件下也近似是一個(gè)常數(shù)。而p波的反射率和相位特性則是入射角的函數(shù)。

當(dāng)選轉(zhuǎn)臺(tái)發(fā)生微小角度變化時(shí)，s分量與p分量相位差發(fā)生改變變化，且對(duì)角度非常敏感。如果調(diào)節(jié)旋轉(zhuǎn)臺(tái)，使得s分量與p分量的相位變化的差為π/2或-π/2，則反射光經(jīng)1/4波片后，便呈線偏光，調(diào)節(jié)檢偏器的透射方向，使探測(cè)光強(qiáng)的為零，這時(shí)的入射角即是角度測(cè)量?jī)x器的工作點(diǎn)。

當(dāng)入射角發(fā)生微小變化時(shí)，反射光s分量與p分量相位差發(fā)生改變，經(jīng)1/4波片和偏振偏后，探測(cè)器所探測(cè)到的光強(qiáng)隨之變化，從而實(shí)現(xiàn)角度的精確測(cè)量。壓電陶瓷受激振動(dòng)，使固定于壓電陶瓷管的反射鏡為光路引入頻率為ω的交流信號(hào)，此交流信號(hào)被鎖相放大器檢測(cè)，起到消除噪聲實(shí)現(xiàn)精密測(cè)量的目的。

由于SPR具有顯著的表面增強(qiáng)效應(yīng)，SPR技術(shù)正在被應(yīng)用到越來越廣泛的領(lǐng)域中去，并逐漸發(fā)揮出巨大的潛力。而且SPR技術(shù)不斷發(fā)展，逐漸具備了安全、可靠和靈敏度高的重要優(yōu)勢(shì)，為常規(guī)的工業(yè)生產(chǎn)、人們?nèi)粘Ｉ钪悄芑约熬G色化，做出了積極的貢獻(xiàn)。