表面等离子体共振技术简介

　　表面等离子体共振(SPR)传感技术以其具有的高灵敏度、所需待测样品少、响应速度快等优势，广泛应用于多个领域。SPR技术主要利用的是光振幅、共振角度以及共振波长等信息检测，从而实现折射率的传感。

表面等离子体共振技术简介

　　1、表面等离子体共振

　　表面等离子体共振(surface plasmon resonance，SPR)是一种发生在金属与电介质界而的物理光学现象，对附着在金属表面的电介质折射率非常敏感，可以实时确定介质的折射率变化，从而检测出现不同折射率的相应物质(见图1)。

　　SPR技术根据其检测方式的不同，可分成波长调制、相位调制、强度调制和角度调制等多种类型：

　　①相位调制，是通过建立共振相位与折射率关系的方式，分析共振相位变化，进而得到被测物质的折射率，其检测装置较为复杂，分析结果困难，技术并不成熟;

　　②强度调制，是通过改变入射光强，分析光强度变化，从而获得折射率变化状况实现监测，该技术系统的抗干扰性较差，检测灵敏度偏低;

　　③波长调制，是当光的入射角度一定时，通过改变入射光的波长，分析SPR反射率和波长之间的关系，从而得出折射率;

　　④角度调制是指固定的入射波长，分析SPR角度与反射率之间的关系，从而获得待测样品折射率值。

　　波长和角度调制都能获得较高的精度，技术成熟，应用较多。

　　2、表面等离子体共振原理

　　存在于金属表面的自由电子，处于入射光的激励下，会发生集体的振荡，从而产生了表面等离子体激元(SPPs)，在金属介质的表面进行传播的常量可用以下公式表示：

　　式中：ω为角频率;ε_m为金属介电常数;ε_d为介质的介电常数;c为真空中光的传播速度;λ为真空中光的波长。

　　表面等离子激元将沿金属的表面传播，Z终形成表面等离子波(SPW)，以棱镜耦合角度的调制型SPR传感器为例(见图2)，其表面金属膜的厚度约为数10nm，当一束光照射到棱镜的表面上，然后发生反射，生成倏逝波，该波将与金属介质表面存在的等离子体激元，发生相互作用，调整光的入射角，从而使倏逝波传播常数与SPW传播常数相同，公式如下：

　　式中：θ为入射角;n_p为棱镜折射率;β_SP为表面等离子体激元传播常数。

　　光波导同样能够激发SPR现象，当光在波导中进行传播，通过表面覆盖的金属层区域，倏逝波会穿透金属薄层，若其表面的SPW相位和光波导模式相位一致，则激发出的SPR现象中，常量计算如下式：

　　式中：β_mode是波导模式传播常量。

　　除了棱镜祸合和波导祸合外，光栅祸合同样可以激发SPR现象，条件是某一阶衍射光的波矢在金属价质表面方向的分量与SPW的波矢相等，即：

　　式中：m是一个整数，表示衍射级次;∧表示光栅周期。

SPR传感器

　　生化传感器已经广泛应用于高灵敏度生化检测。1983年，Liedberg等人首次将SPR技术应用于生化传感器以来，在这一领域国内外每年都有大量论文发表。Biacore AB公司率先开发出首台商品化SPR仪器，现已有数家国外公司出售此类产品，这个产业每年的产值达几十亿美元。

　　这种传感器的原理基于SPR对金属表面介质折射率变化的敏感特性。对于棱镜型SPR传感器，一般选择折射率较高的光学材料作棱镜。棱镜的形状可以是等腰直角三角形或半球形，其中半球形棱镜Z为理想，入射光始终与棱镜表面垂直，减少光能的损失。为避免金属膜对棱镜表面的破坏，一般将金属膜镀在玻璃片上作为芯片，通过折射率与棱镜一致的匹配液将芯片固定在棱镜上。金属膜表面固定着一层具有分子识别功能的敏感膜。

　　早期的SPR传感器将分子直接吸附在金属膜表面形成敏感膜，后来Morgan等人发明了一种经典的方法，在金膜表面先覆盖一层生物素(biotin)，然后固定一单层抗生物素蛋白链菌素(streptavidin)。该方法可保证传感器表面的均一性和功能上的特异性。此外还有葡聚糖凝胶法、LB膜法和分子印膜法等。微流通池处理系统是一个反应装置，有两个端口以便液体样品的进出。敏感膜与样品在流通池中发生反应，并将待识别的分子吸附在敏感膜上，同时敏感膜介电常数发生变化，由此导致共振角和共振波长的变化。

　　检测时可采用固定入射光波长扫描入射角的方法，此时可观测到待检测分子结合前后共振角的变化;也可采用固定入射角扫描入射光波长的办法，此时光源为复色光源，可观测到Z佳共振波长的变化。SPR传感器灵敏度很高，一般在nmol量级以上。

　　此外还有相位检测的方法，Kabashin等人采用p偏振的入射光，经分束器后分为一束参考光和一束信号光，观察干涉条纹的分布和强度变化，从而推导出信号光的相位变化和样品折射率的变化。实验中观测到的Z小折射率变化为4×10^-8，比扫描入射角的方法高两个数量级。

　　Ho等人采用的入射光偏振方向为任意的，s偏振的光经棱镜-金属界面反射后相位变化不大，p偏振的光经棱镜-金属界面反射后相位发生突变。光束经过共振吸收后的出射光引入Mach-Zehnder干涉仪，然后将干涉图样输入计算机，通过比较由样品折射率变化引起的干涉图样的变化推算相位的变化。这种实验装置消除了由机械振荡或温度变化带来的相位转移。

　　图3所示为一种新的光纤型SPR传感器。将一段光纤的包层去掉，在芯层侧面镀上金属膜，在金属膜表面同样固定着一层具有分子识别功能的敏感膜。光波在光纤内部经多次衰减全内反射而耦合到金属膜表面。在光纤的出口端检测出射光。当敏感膜与待测样品发生反应时，出射光强会发生变化，由此判断样品中是否含有待测目标分子及其含量。

　　光纤型SPR传感器具有体积小、可实现远程测量等优点。按信号接受方式不同，可分为在线传输式和终端反射式两种。其中，对于终端反射式，光线经过两次共振吸收后传输到光纤光谱仪中进行检测，传感部位的光纤长度比在线传输式的短，不需要流通池，而且更适合于远程测量和组成阵列。

　　Brockman等人基于光栅型配置方式进行了SPR传感器的研究。耦合器件为镀有金膜的塑料散射光栅，入射到金膜表面的光向各个方向反射，某个反射角的反射光由于与SPW产生共振而强度Z小，这个吸收谷可以使用CCD阵列检测。

　　这种传感器的优点是:抛弃了笨重的棱镜;塑料散射光栅可用光盘刻录技术进行低成本大批量生产;可在同一张光栅上组成阵列。Brockman等人希望进而开发结构类似CD-ROM的传感器，这种传感器将快速从光盘样式的芯片上读取阵列信息。

SPR应用于近场扫描光学显微技术

　　Fischer等人Z早将SPR技术应用于近场扫描光学显微技术。当时使用的微探针为附着在棱镜表面的聚苯乙烯颗粒。棱镜内全反射的光与镀在棱镜表面和聚苯乙烯颗粒上的金膜产生共振。样品是显微镜的物镜，一方面，可用显微镜来观察和选择聚苯乙烯颗粒，另一方面，物镜的弧度有利于探针和样品的相互接近。实验显示共振的SPW极大地增强了近场光学显微镜的信噪比。

　　随着NSOM的发展，光纤微探针成为主流。Marti等人首先使用Kretschmann配置中的镀膜棱镜作为样品，取得同样的效果。

　　此外，SPR技术用于研制高分辨率近场光学显微镜。由于NSOM的光纤微探针无法做得很细，因此分辨率只能达到十几纳米，不能象STM和AFM那样达到原子级分辨率。后来研制出几种高分辨率的NSOM。其中一种基于SPR技术的近场光学显微镜的分辨率可直接达到原子水平。

　　图4是Specht等人研制的一种高分辨率近场光学显微镜结构示意图。SPW在金属表面传播时，遇到杂质、缺陷等将会发生散射，此处共振的SPW作圆锥辐射，圆锥顶角与入射角相同。若AFM的实心针尖在金属表面扫描，将作为一个散射ZX，辐射出的圆锥形光携带针尖处的信息。由于圆锥辐射光比较微弱，一般用一个锁相放大器以一定频率驱动微悬臂，并检测光电转换器件的输出信号中的同频成分。

　　上述应用SPR技术的近场光学显微镜已经在物理、化学、生物、医学等方面的高分辨率成像得到广泛的应用。值得一提的是，除此基本用途以外，还在以下几方面有着特殊的用途。

　　Bozhvolyi等人将其应用于内表面成像技术。对多层金属薄膜而言，近场区域内的光纤探针检测到的是金属膜内外表面SPW的叠加，通过与剪切力模式得到的表面形貌像综合比较，可以在一定程度上推断内表面形貌。

　　应用SPR技术的近场光学显微镜也提供了一种直接研究SPW散射的手段。Smolyaninov等人将246nm的短脉冲准分子激光从光纤微探针的自由端输入，从针尖输出，输出时将聚焦产生局部高温，将平整的样品表面烧出纳米尺度的缺陷。使用的针尖不镀膜，一方面可以减小对SPW的干扰，另一方面便于短脉冲激光的输出。

　　在烧出的纳米缺陷区域附近激发SPW，同时可利用NSOM成像观测SPW在缺陷附近的散射及其散射后在金属膜表面的传播性质。此方面研究有助于提供一种控制SPW传播的方法，即在金属膜表面烧出点、线等结构，使SPW随制作出的结构改变传播方式。

　　SPR技术还被应用于近场光刻中。其照明方式有两种:p偏振的光照射探针-样品间隙和照射样品-棱镜界面。金属探针进入光场时，p偏振光激发探针表面等离子体共振，使得金属探针的场增应比电介质材料的探针强。

　　Haefliger D等人结合SPR技术利用原子力显微镜在Al膜上获得了直径为40nm的记录斑。用532nm的p偏振光照射样品-棱镜界面，通过反射率和透射率随入射角的变化曲线，获得了探针参与下的Z佳入射角。

薄膜光学和膜厚测量

　　在Kretschmann型SPR配置中的金属膜上覆盖待测薄膜，依据测得的ATR曲线，可以用双层膜Fresnel公式拟合计算待测薄膜的光学参数和膜厚。相对于椭圆偏振仪而言，SPR配置更适合于测量纳米厚度的薄膜，而且可以测量不透光的薄膜。

　　崔大付等人在金属膜表面铺置不同层数的单分子层LB膜，通过测量共振角的变化，得到不同层数的介电常数。王炳奎等人使用银膜-液晶薄膜-导电玻璃三夹板结构，其中银膜镀在棱镜表面，作为在Kretschmann型SPR配置中的金属膜，这样可通过银膜和导电玻璃向液晶施加不同的电压。通过测量和计算，可以得出不同电压下液晶薄膜的厚度和介电常数，并借以推断不同电压下液晶分子的排列方式。

　　Yoshiaki Tokunaga等人实验测得表面等离子体共振时反射率的Z小值Rmin随金属膜厚度dspr的变化曲线，并利用这一曲线得出了R_min与d_spr之间关系的经验公式:

　　d_spr=D+√[E(R_min-F)]，

　　其中D，E，F与入射光波长、金属模材料和棱镜材料等实验参量有关。对于银膜，入射光波长为632.18nm，D，E，F的取值分别为49.61，1120，0.03。

　　由于激光光束是高斯光束，并非平面波，而且对于不同厚度的金属膜，实验所得的表面等离子体的共振曲线与理论计算所得的曲线有偏差，因此上述公式并不能准确地计算出金属膜的厚度。用ART的方法测得的膜厚略小于Talystep(表面粗测仪)的结果d，引入修正参量G，H得到

　　d=Gd_SPR+H，

　　G，H对于不同材料的金属膜有不同的取值。这一公式适用于膜厚在30-70nm范围内金属膜的厚度估算。

　　Wenbin Lin等人将镀金膜的光纤放入折射率不同的水溶液中，利用投射光强随入射角变化的曲线求得金膜的厚度和折射率。

　　与其他膜厚测量方法相比，利用SPR技术的测量方法具有灵敏度高、分辨率高等优点，特别适合纳米量级的膜厚测量。

全息成像技术

　　大阪大学的Shoji Maruo等人开发出一种新型全息成像技术。如图5(a)所示，底片为玻璃基底-银膜-光刻胶三夹板结构，其中银膜厚度35nm，光刻胶厚度65nm。记录光路使用0.9mW的氦镉激光。曝光时间为25s，暗室显影后，将底片置于成像光路中成像。成像光路如图5(b)所示，主体结构是Kretschmann型SPR配置。银膜表面共振的SPW被全息照片上的刻痕散射并辐射光，从而产生全息虚像。

　　这种新型全息摄影技术的优点是:成像时不存在照明光的零级散射干扰;记录时的入射角和成像时的入射角无关。

　　Wang等人在金属膜与光刻胶之间加了一层聚乙烯膜(PMMA)，这层PMMA的折射率位1.5，厚度位895nm，作为波导层。当以p偏振的光入射到棱镜与银膜的界面时，在银膜中会产生表面等离子体波。同时入射光在电介质波导层中激发出波导模式，表面等离子体使得波导模式中的电场分量增强。当改变入射角时，反射率发生突变处反映了波导层与全息图界面处电场强度和分布的变化。

　　在记录光路中，光源为14mW的He-Cd激光器，信号光几乎垂直入射到记录底片上，参考光与信号光成55°角。银膜的厚度为48nm。再现光束以76.36°，60.17°，44.94°(对应波导层中的3个模式TM0，TM1，TM2)射入时，观察到了再现图像。对于TM1模，再现图像的对比度可达32%。

　　关于此技术的进一步发展有个有趣的构想，即使用平面波导代替棱镜作为耦合器件。这样，将产生卡式或挂壁式全息成像仪器。

表面等离子体Q开关

　　受抑全内反射Q开关由两个相对的棱镜组成，快速改变两棱镜间的间隙，可以YZ全内反射，从而改变激光腔内的损耗。但是Q开关只有当两棱镜的间距为0.1个激光波长时，方能充分闭合。而这个间距在实际应用中，较难达到，所以调制深度不高。

　　清华大学郭继华等人用SPR技术改进激光技术中的受抑全内反射Q开关，采用Otto型结构，用一个棱镜作反射面，另一个棱镜上镀一层高反射率金属膜。反射率与入射角θ、空气间隙d以及入射波长λ有关。

　　对于波长为1064nm的红外光，其反射率Z小值出现在间隙为1-2μm的范围内。例如:对于Ag膜，以44.23°入射时，在d=1.87μm处反射率取得Z小值，可达10^-4量级。因此两棱镜无需靠得很近，就可以获得较高的调制深度。

　　这一技术弥补了普通受抑全内反射Q开关不适用于短波长激光器的缺点。而且表面等离子体Q开关更容易调节两个棱镜之间的初始距离。郭继华等人还研究了表面等离子体Q开关在压电陶瓷驱动下的动态特性曲线，所得动态曲线与普通受抑全内反射Q开关的同类曲线相似。

　　采用Otto型结构是为了防止激光直接照射到金属表面，造成激光损伤。但是如果激光谐振腔内的功率密度过大也有可能对金属膜造成损伤。因此这一技术比较适用于二极管抽运的中、小功率全固化激光器。

　　由于只有p偏振的光才可以激发表面等离子体，因此，与普通受抑全内反射Q开光相比，表面等离子体Q开关的谐振腔内要放置一个偏振片。

精密角度测量

　　SPR对入射角的敏感特性，可用于制作精密角度测量仪器。图6是郭继华等人研制的一种角度测量仪器。棱镜放在旋转台上，通过转动旋转台调节入射角。用棱镜的直角边作为表面等离子体波的激发面，这样还可以保证在入射角变化的时候出射光与入射光始终平行。

　　激光器发出的光经偏振片P变为线偏振光，旋转偏振片可以调节p分量和s分量的比例。入射光在棱镜-金膜界面上发生衰减全内反射，p分量和s分量反射时既有强度变化，又有相位变化。只有p波才可以激发表面等离子体波，s波不可以激发表面等离子体波。由于共振激发表面等离子体波时的入射角大于全内反射角。所以s波反射率约为1，其相位变化在此条件下也近似是一个常数。而p波的反射率和相位特性则是入射角的函数。

　　当选转台发生微小角度变化时，s分量与p分量相位差发生改变变化，且对角度非常敏感。如果调节旋转台，使得s分量与p分量的相位变化的差为π/2或-π/2，则反射光经1/4波片后，便呈线偏光，调节检偏器的透射方向，使探测光强的为零，这时的入射角即是角度测量仪器的工作点。

　　当入射角发生微小变化时，反射光s分量与p分量相位差发生改变，经1/4波片和偏振偏后，探测器所探测到的光强随之变化，从而实现角度的精确测量。压电陶瓷受激振动，使固定于压电陶瓷管的反射镜为光路引入频率为ω的交流信号，此交流信号被锁相放大器检测，起到消除噪声实现精密测量的目的。

　　由于SPR具有显著的表面增应，SPR技术正在被应用到越来越广泛的领域中去，并逐渐发挥出巨大的潜力。而且SPR技术不断发展，逐渐具备了安全、可靠和灵敏度高的重要优势，为常规的工业生产、人们日常生活智能化以及绿色化，做出了积极的贡献。