表面等離子體共振傳感器靈敏度仿真研究

牟海維，顧雪平，劉　超

(東北石油大學(xué) 電子科學(xué)學(xué)院，黑龍江 大慶 163318)

表面等離子體共振傳感器靈敏度仿真研究

牟海維，顧雪平，劉超

(東北石油大學(xué) 電子科學(xué)學(xué)院，黑龍江 大慶 163318)

摘要：為深入研究SPR傳感器的傳感特性，進(jìn)一步提高傳感器的靈敏度，應(yīng)用TFCale軟件仿真研究表面等離子體共振(SPR)傳感器的反射光譜特性，考察金屬敏感膜及敏感膜厚度對(duì)SPR傳感器靈敏度的影響。仿真結(jié)果表明，當(dāng)金屬膜為Ag膜、厚度為60 nm時(shí)，傳感器靈敏度最高。應(yīng)用MATLAB軟件對(duì)表面等離子體共振傳感器的主要靈敏度指標(biāo)進(jìn)行仿真研究，考察了不同的外界介質(zhì)折射率和棱鏡折射率對(duì)靈敏度的影響，仿真得出當(dāng)棱鏡折射率一定時(shí)，SPR傳感器靈敏度與外界介質(zhì)折射率之間的變化規(guī)律，為提高表面等離子體共振傳感器的靈敏度提供了理論依據(jù)。

關(guān)鍵詞：表面等離子體共振；TFCale；靈敏度

由于表面等離子體共振技術(shù)(Surface Plasmon Resonance，簡(jiǎn)稱SPR)對(duì)外界介質(zhì)折射率極其敏感，使其在近年來發(fā)展迅猛。在臨床診斷、生化制藥、物理化學(xué)、環(huán)境監(jiān)測(cè)以及食品安全等領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用前景[1]。基于表面等離子體共振技術(shù)的傳感器件，目前已成為測(cè)試檢測(cè)領(lǐng)域的主流。而靈敏度、檢測(cè)精度、可重復(fù)使用性和工作范圍是衡量表面等離子體共振傳感器性能的重要指標(biāo)[2-4]；因此，深入研究表面等離子體共振傳感器的靈敏度具有重大意義。

1表面等離子體共振傳感器的傳感原理

表面等離子體共振是一種物理光學(xué)現(xiàn)象，表面等離子體波是一種在金屬與電介質(zhì)界面處固有的電子集體振蕩。SPR傳感原理三層結(jié)構(gòu)(介質(zhì)-金膜-環(huán)境介質(zhì))示意圖如圖1所示。

圖1　SPR傳感原理三層結(jié)構(gòu)示意圖

當(dāng)光以某一入射角入射到介質(zhì)與金膜的界面發(fā)生全內(nèi)反射時(shí)，會(huì)有一少部分透入到金膜一定深度并呈指數(shù)衰減，這部分光波被稱為倏逝波，其波矢量在界面上的分量為：

(1)

式中，ω為光波的角頻率；c為真空中的光速；ε1為介質(zhì)的介電常數(shù)；θ0為入射角。

在薄膜與環(huán)境介質(zhì)的界面上，局限于金屬表面上的等離子振蕩會(huì)產(chǎn)生一種沿Z方向衰減的電磁波，被稱為表面等離子體波，其波矢為：

(2)

式中，εm為金屬的介電常數(shù)；ε2為待測(cè)價(jià)值的介電常數(shù)。

電磁波發(fā)生共振的條件是2個(gè)波具有相同的頻率和波矢，并且傳播方向一致。當(dāng)kz=kspw，即當(dāng)入射光波矢沿Z軸的分量與表面等離子體波波矢的Z分量相同時(shí)，會(huì)導(dǎo)致入射光的能量被SPW波大幅度吸收，導(dǎo)致反射光強(qiáng)急劇降低。

2仿真結(jié)果與討論

2.1金屬材料對(duì)SPR靈敏度的影響

金屬敏感膜的介電常數(shù)是影響表面等離子體共振傳感器靈敏度的主要因素。表面等離子體共振傳感器的靈敏度通常用共振半峰寬度和共振深度這兩個(gè)基本特征參數(shù)表示。假定表面等離子體共振傳感器的金屬敏感膜分別為Au膜、Ag膜和Cu膜，厚度為50 nm，參考波長(zhǎng)為550 nm，入射角度為45°。應(yīng)用TFCalc軟件對(duì)其進(jìn)行仿真，得到波長(zhǎng)調(diào)制的共振光譜曲線(見圖2)。

圖2　不同金屬材料的SPR反射光譜仿真圖

從圖2可以看出，在該條件下Au膜、Ag膜和Cu膜的共振深度和共振半峰寬度差異較大。Au膜的共振深度最大，Cu膜次之，Ag膜最低。而Ag膜的半峰寬度最小且共振現(xiàn)象最明顯。這說明在敏感薄膜厚度為50 nm時(shí)，表面等離子體共振傳感器的金屬敏感膜為Ag膜時(shí)，傳感器有較好的靈敏度和檢測(cè)精度。而且Ag膜有較為尖銳的共振吸收峰，有助于確定共振波長(zhǎng)位置。綜合考慮，選用Ag膜作為傳感器的敏感膜。

2.2金屬膜厚度對(duì)SPR靈敏度的影響

金屬敏感膜的厚度也是影響表面等離子體共振傳感器靈敏度的一個(gè)主要因素。圖3所示為金屬敏感膜為Ag膜，入射角度為45°時(shí)，金屬膜厚度從30 nm變化到70 nm時(shí)的反射光譜。從圖3可以看出，當(dāng)敏感薄膜厚度從30 nm逐漸增加到60 nm時(shí)，共振峰的位置逐漸加深；當(dāng)敏感薄膜厚度從60 nm變化到70 nm時(shí)，共振峰的位置逐漸變淺。這說明在入射角度為45°時(shí)，表面等離子體共振傳感器的靈敏度隨著Ag膜厚度的增加，先增大后減小，其厚度在60 nm左右共振吸收峰深度最大。

圖3　不同膜厚的Ag膜SPR反射光譜仿真圖

應(yīng)用Origin軟件對(duì)反射光譜進(jìn)行高斯擬合，得出反射光譜的半峰寬度及其標(biāo)準(zhǔn)差，見表1。從表1可以看出，隨著金屬膜厚度的增加，Ag膜反射譜的半峰寬度逐漸減小，說明靈敏度逐漸提高。當(dāng)金屬膜厚度從60 nm增加到70 nm時(shí)，半峰寬度變化不大。但由于金屬膜在厚度為60 nm時(shí)，共振吸收峰深度最大，有較尖銳的共振吸收峰。綜合考慮，當(dāng)金屬膜為Ag膜且厚度為60 nm時(shí)，傳感器靈敏度最高。

表1　不同金屬膜厚SPR反射光譜的半峰寬度

2.3棱鏡折射率對(duì)SPR靈敏度的影響

設(shè)置棱鏡表面等離子體共振傳感器的金屬敏感膜為Ag膜，其厚度為60 nm，參考波長(zhǎng)為550 nm，入射角度為45°。在該參數(shù)下，應(yīng)用MATLAB軟件進(jìn)行模擬仿真，得到圖4所示在Ag膜不同棱鏡折射率條件下，外界介質(zhì)折射率與SPR傳感器靈敏度之間的變化關(guān)系曲線。

圖4　Ag膜不同棱鏡折射率的SPR靈敏度仿真圖

從圖4可以看出：當(dāng)棱鏡介質(zhì)為BK7，外界介質(zhì)折射率從1.31增加到1.43時(shí)，SPR傳感器的靈敏度迅速增加，并在外界介質(zhì)折射率為1.43時(shí)達(dá)到最大值17.79；當(dāng)棱鏡介質(zhì)為BaK4，外界介質(zhì)折射率從1.38增加到1.46時(shí)，SPR傳感器的靈敏度迅速增加，并在外界介質(zhì)折射率為1.46時(shí)達(dá)到最大值17.21；當(dāng)棱鏡介質(zhì)為SF5，外界介質(zhì)折射率從1.47增加到1.56時(shí)，SPR傳感器靈敏度增長(zhǎng)迅速，并在外界介質(zhì)折射率為1.56時(shí)達(dá)到最大值15.29。隨著棱鏡折射率的減小，SPR傳感器的靈敏度逐漸增大；當(dāng)棱鏡介質(zhì)為BK7，棱鏡介質(zhì)折射率為1.51時(shí)，SPR靈敏度達(dá)到最大值17.79；當(dāng)棱鏡介質(zhì)為SF10，外界介質(zhì)折射率從1.5增加到1.6時(shí)，SPR傳感器的靈敏度迅速增加，并在棱鏡介質(zhì)折射率為1.6時(shí)，SPR傳感器的靈敏度達(dá)到最高14.77。從圖4可以看出，不同棱鏡折射率對(duì)于待測(cè)介質(zhì)的傳感器靈敏度有較大影響。當(dāng)棱鏡介質(zhì)折射率不同時(shí)，對(duì)應(yīng)的外界介質(zhì)折射率靈敏度區(qū)間也不相同。

3結(jié)語

應(yīng)用TFCale軟件進(jìn)行仿真，研究了金屬材料及金屬膜厚度對(duì)SPR傳感器靈敏度的影響，并應(yīng)用MATLAB軟件仿真，研究了不同棱鏡折射率的SPR傳感器在外界介質(zhì)折射率發(fā)生改變時(shí)靈敏度的變化。獲得的主要結(jié)論如下。

1)不同金屬對(duì)表面等離子體共振傳感器的靈敏度有較大影響，其中Ag膜的現(xiàn)象比Au膜和Cu膜的現(xiàn)象要好。

2)當(dāng)Ag膜厚度從30 nm增加到70 nm時(shí)，表面等離子體共振吸收峰的半峰寬度在金屬膜厚度為70 nm時(shí)最小，60 nm時(shí)次之。表面等離子體共振吸收峰對(duì)應(yīng)的反射率先增大后減小，其中60 nm厚時(shí)Ag膜的共振現(xiàn)象最明顯。綜合考慮，當(dāng)金屬膜為Ag膜、厚度為60 nm時(shí)，傳感器靈敏度最高。

3)棱鏡折射率對(duì)SPR傳感器靈敏度有較大影響。當(dāng)棱鏡折射率一定時(shí)，SPR傳感器靈敏度隨著外界介質(zhì)折射率的增加先增大后減小。當(dāng)棱鏡介質(zhì)折射率不同時(shí)，對(duì)應(yīng)的外界介質(zhì)折射率靈敏度區(qū)間也不相同。

綜合考慮上述因素，通過合理設(shè)置傳感器參數(shù)，可進(jìn)一步提高傳感器靈敏度，在表面等離子體共振傳感器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和優(yōu)化方面有重要意義。

參考文獻(xiàn)

[1] 牟海維，王宏瑾，王強(qiáng)，等．表面等離子體共振理論仿真研究[J]．光學(xué)儀器，2011，33(2)：1-6.

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[3] Kim Y C, Masson J F. Single-crystal sapphire-fiber optic sensors based on surface plasmon resonance spectroscopy for in situ monitoring[J].Talanta, 2005(67):908-917.

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*國(guó)家科技重大專項(xiàng)課題資助項(xiàng)目(2011ZX05020-006)

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51474069，51374072，51101027)

黑龍江省新世紀(jì)優(yōu)秀人才支持計(jì)劃資助項(xiàng)目(1253-NCET-002)

責(zé)任編輯鄭練

Research on Simulation of Surface Pasmon Rsonance Sensors Sensitivity

MU Haiwei, GU Xueping, LIU Chao

(College of Electronic Science, Northeast Petroleum University, Daqing 163318, China)

Abstract:For further research on SPR sensor sensing characteristics, increased the sensor sensitivity, by using TFCale software, simulated surface plasmon resonance (SPR) sensor spectral reflectance characteristics of metal sensitive film, sensitive film thickness on the influence of the SPR sensor sensitivity. The simulation results showed that when the metal film is Ag film and the thickness is 60 nm, sensor sensitivity is best. By using MATLAB software, researched the sensitivity of the main index in the surface plasmon resonance sensors for simulation and examined the different external refractive index and prism refractive index medium influence on sensitivity. The simulation was concluded that when the prism refractive index confirmed, SPR sensor sensitivity and the medium of refractive index has change rule, provided the theoretical basis for improving the sensitivity of surface plasmon resonance sensors.

Key words:surface plasmon resonance, TFCale, sensitivity

收稿日期：2015-01-05

作者簡(jiǎn)介：牟海維(1963-)，男，教授，碩士，主要從事電子類專業(yè)教學(xué)以及傳感測(cè)試技術(shù)和信息處理等方面的研究。

中圖分類號(hào)：TP 212

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A