角度調(diào)制型SPR傳感器復(fù)合金屬膜結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)

陳惠濱，魏文才，林少芬，江小霞

（1.集美大學(xué) 信息工程學(xué)院，福建 廈門361021；2.集美大學(xué) 輪機(jī)工程學(xué)院，福建 廈門361021）

表面等離子共振（surface plasmon resonance，SPR）傳感技術(shù)是從20世紀(jì)90年代發(fā)展起來(lái)的一種新型生化檢測(cè)技術(shù) .它具有檢測(cè)靈敏度高、無(wú)需標(biāo)記、無(wú)需分離純化、抗電磁干擾性能好等特點(diǎn)，可用于測(cè)量溶液濃度、確定反應(yīng)物種類和在線實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)生物分子相互作用，并被廣泛應(yīng)用于制藥、化學(xué)、生物、醫(yī)療、環(huán)境、食品等領(lǐng)域［1］.金屬膜在SPR傳感器中是用于激發(fā)SPR現(xiàn)象的前提條件，其種類及設(shè)計(jì)參數(shù)不同，對(duì)SPR共振峰及傳感器的檢測(cè)結(jié)果會(huì)產(chǎn)生較大影響［2-3］.當(dāng)選擇反射率較高的金屬材料作為金屬膜，會(huì)使待測(cè)物折射率與敏感膜折射率的差別較大，導(dǎo)致SPR共振越明顯，從而改善檢測(cè)的靈敏度［4］.在所有金屬元素中，Al，Ag，Cu和Au等4種金屬在可見光波長(zhǎng)范圍內(nèi)具有較高反射率，且反射率的色散特性較好 .研究表明，Ag膜的反射率最高，容易構(gòu)建較高靈敏度的SPR傳感器，Au膜的反射率比Ag膜差，但穩(wěn)定性最好 .在商業(yè)化的儀器及SPR傳感器研究中，尤其Ag膜不能使用的體系情況下，通常采用Au作為傳感器的金屬膜［2-3，5］.本文主要提出一種新的復(fù)合金屬膜的設(shè)計(jì)方法，以進(jìn)一步提升角度調(diào)制型表面等離子共振（SPR）傳感器的性能.

1 表面等離子共振原理

表面等離子共振是一種物理光學(xué)現(xiàn)象［5］.其物理模型是當(dāng)一束單色入射光以全反射形式從光密介質(zhì)入射到光疏媒質(zhì)與金屬面的交界處時(shí)，在某一入射角部分入射光的能量穿透金屬表面，形成的能量沿著垂直于界面的方向按指數(shù)衰減的倏逝波，引起金屬中的自由電子共振，使得反射光能量的急劇下降.該入射角稱為SPR共振角，它會(huì)隨著金屬面交界處的光疏介質(zhì)折射率的變化而變化，且該折射率的變化和金屬表面附著的生物分子的質(zhì)量的變化成正比.因此，通?？梢酝ㄟ^測(cè)量SPR共振角的變化，獲得生物分子之間相互作用的特異性信息.

2 Au和Ag膜SPR傳感器的數(shù)值模擬［6］

選定Kretschmann型SPR傳感器各層材料及參數(shù)如下：棱鏡為BK7玻璃材料，入射光波長(zhǎng)為630nm，入射角范圍為50°～85°，樣品為純凈水（折射率為1.33）.通過仿真分析，獲得不同Au，Ag膜厚度的角度調(diào)制型SPR曲線變化，如圖1所示.

從圖1可知：角度調(diào)制型SPR傳感器的最低反射率受金屬膜厚度的影響較大；在所選定模型參數(shù)下，Au膜厚度為52nm，Ag膜厚度為38nm時(shí)的共振強(qiáng)度最強(qiáng)，最小反射率值達(dá)到最小值；相對(duì)于共振強(qiáng)度的最強(qiáng)位置，金屬膜厚度變大或者變小，都會(huì)使得最小反射率值增大.這是由于隨著金屬膜厚度增加，倏逝波傳播到金屬膜與樣品的界面上的分量越來(lái)越少，從而導(dǎo)致共振減弱；而當(dāng)金屬膜厚度偏小時(shí)，金屬膜對(duì)光波的能量的吸收也相應(yīng)減弱，從而導(dǎo)致反射光能量增加.當(dāng)共振強(qiáng)度最強(qiáng)時(shí)，Ag膜SPR曲線半峰寬比Au膜窄，且當(dāng)金屬膜厚度變化一樣時(shí)，Ag膜SPR傳感器共振強(qiáng)度減弱比Au膜明顯 .因此，選用Ag膜制作SPR傳感器具有更高的靈敏度，其測(cè)量范圍也比Au膜SPR傳感器寬.該現(xiàn)象與文獻(xiàn)［2-4，7］的研究基本一致.

圖1 不同Au和Ag膜厚度的SPR曲線Fig.1 SPR curve with different thickness of Au，Ag film

3 Au／Ag復(fù)合膜SPR傳感器的數(shù)值模擬［6］

綜合Au，Ag兩種金屬材料的優(yōu)點(diǎn)，構(gòu)造具有復(fù)合金屬膜結(jié)構(gòu)SPR傳感器 .首先在棱鏡反射表面鍍上一層Ag膜，然后在Ag膜上鍍一層Au膜.這種結(jié)構(gòu)復(fù)合金屬膜不僅可以保持原Au膜的穩(wěn)定性，而且由于引入Ag膜而改善了傳感器的性能.此時(shí)，對(duì)應(yīng)的反射率公式應(yīng)采用4層膜結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析.

選定Kretschmann型SPR傳感器各層材料及參數(shù)如下：棱鏡為BK7玻璃材料，入射光波長(zhǎng)為630nm，入射角范圍為50°～85°，樣品為純凈水（折射率為1.33）.通過仿真分析，獲得不同Au／Ag復(fù)合膜總厚度（H）下角度調(diào)制型SPR曲線變化，如圖2所示.

從圖2可知：角度調(diào)制型SPR傳感器的最低反射率受金屬?gòu)?fù)合膜厚度的影響較大，在所選定模型參數(shù)下，金屬?gòu)?fù)合膜總厚度（H）在40～50nm之間反射率值達(dá)到最小；當(dāng)復(fù)合膜總厚度為40nm（Ag膜厚度為36 nm）或者50nm（Ag膜厚度為15nm）時(shí)，其共振強(qiáng)度最強(qiáng).在相同復(fù)合膜總厚度下，隨著Ag膜比例的增加，半峰寬變窄，共振角變小，共振得到增強(qiáng).因此，在Au膜SPR傳感器結(jié)構(gòu)引入Ag膜，可以使得SPR傳感器的共振得到增強(qiáng)，有助于改善傳感器的性能.

圖2 不同Au／Ag復(fù)合膜厚度的SPR曲線Fig.2 SPR curve with different thickness of Ag／Au composite film

選擇40nm厚度的復(fù)合膜，Au膜厚度較薄僅為5nm，會(huì)導(dǎo)致制作困難，因此應(yīng)選擇50nm的復(fù)合膜總厚度進(jìn)行制作.對(duì)復(fù)合膜總厚度為50nm的傳感器靈敏度進(jìn)行仿真，結(jié)果如圖3所示.由圖3可知：同樣復(fù)合膜厚度下，隨著Ag膜比例的增加，測(cè)量范圍變寬，而靈敏度（斜率）并未發(fā)生明顯的變化.因此，綜合最低反射率值、半峰寬、測(cè)量目標(biāo)溶液可變范圍及靈敏度等因素，對(duì)于角度調(diào)制型的SPR傳感器選擇復(fù)合金屬膜總厚度為50nm，其中Ag膜厚度20nm，可以大大改善傳感器的性能.同時(shí)，由于Au膜處于復(fù)合膜的外層，可以保持傳感器保持較好的穩(wěn)定性，表面不易被氧化，保證原來(lái)適用于強(qiáng)酸強(qiáng)堿測(cè)量場(chǎng)合的特性.

4 結(jié)束語(yǔ)

比對(duì)分析了Au，Ag兩種材料對(duì)于角度調(diào)制型SPR傳感器性能影響，提出了一種兼容Ag，Au兩種金屬膜優(yōu)點(diǎn)的復(fù)合膜結(jié)構(gòu)的SPR傳感器金屬膜的設(shè)計(jì).通過對(duì)該復(fù)合膜結(jié)構(gòu)SPR傳感器性能的數(shù)值模擬，給出Au／Ag復(fù)合膜結(jié)構(gòu)的最佳設(shè)計(jì)參數(shù)，為下一步傳感器制作提供理論指導(dǎo).

圖3 復(fù)合金屬膜的共振角隨Ag膜厚度的變化Fig.3 Resonance angle variation against Ag film thickness at composite film

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