SPR传感器的应用与发展趋势研究
SPR传感器的应用与发展趋势研究[20200406105619]
摘 要
SPR传感器的研究与应用进展迅速，尤其在生命科学，化学等领域已经成为一种很重要的研究阶段，对SPR传感器的研究现状，工作原理以及它在工业生活领域的一些应用进行详细描述。并对SPR传感技术的研究发展前景进行了讨论。
*查看完整论文请 +Q: 3 5 1 9 1 6 0 7 2
关键字:传感器表面等离子共振
目 录
第一章 绪论 4
1.1 SPR传感器的发展历程及意义 4
1.2 SPR传感器的分类 5
1.3 SPR传感器的发展趋势 8
1.3.1纳米技术发展背景 8
1.3.2纳米技术与SPR传感器 9
1.4 本文研究目标与主要内容 9
第二章 SPR传感器的广泛应用 9
2.1 SPR传感器在抗生素检测中的应用 10
2.2 SPR传感器在农药检测中的应用 13
2.3 SPR传感器在微生物检测中的应用 14
2.4 SPR传感器在其他领域中的应用 14
第三章 纳米技术与SPR 15
3.1 纳米科技 15
3.1.1 纳米科技的背景 15
3.1.2 纳米科技的特点 15
3.1.3 半导体纳米粒子 15
3.1.4 磁性微球 16
3.1.5 胶体金溶液 16
3.2 纳米技术与SPR传感器 16
3.2.1 磁性微球与SPR传感器 16
3.2.2 磁性微球与SPR灵敏度 18
第四章 总结与展望 19
参 考 文 献 19
第一章 绪论
1.1 SPR传感器的发展历程及意义
表面等离子体(Surface Plasmons, SPs)是一种由沿金属表层流转的电子疏密波，由金属表层自由电子和光子构成。金属纳米构造在某些条件下会发生表面等离子体共振，从而具备特别的光学特性，譬如高强度，高局域性，超强光透射等。SPR技术可以应用于纳米光学，光电子学等主题，例如，可以使一个光开关，光耦合器，滤波器，光学天线。
在1902年，Wood[1]发现光学测试，光通过光栅，与小面积损失光谱，Sommerfeld计算从麦斯威尔方程和电磁场的边界条件，导出介电物质和金属界面传播处的电磁波波动解。
在1941年，Fano[2]发现，这种现象是由于金属和介电材料的表面效果的电磁波，激发等离子体波的金属表面引起的。
在1960年，Stem和Farrel[3]讨论了谐振条件，称它为：表面等离子体共振
在1968年，Kretschmann[4]和Otto[5]分别证实光是产生表面等离子共振的条件。
在1982年，Nylander[6]和Liedberg[7]将SPR别的学术中。此后，SPR传感技术取得了很大进展。种种新型SPR传感构造被计划出来。SPR技术拥有鲜明的特征，譬如实时监测、灵敏度高、无背景干扰、生物样本无需标识等,在测定生物大分子间的相互作用时,可得到反应物每一步的讯息,测定动力学常数等,这是它作为传感器最大的优点。
为了关心物理，光学，材料科学，纳米技术的研究，美国、欧洲以及日本和中国在内的许多国家和地区投入大量财力物力进行相关研究工作。
图1.1 由SCI检索的周期金属纳米光学领域的文章每年增加统计图
从图中我们可以发现，ELT现象发现之前的文章从1955年~1998年，总共增加到700篇左右，ELT现象发现后的文章数量，从1998年~2005年，短短的七年内，就增加到了2000篇左右，增加了近三倍。
ELT现象的新颖性及其潜在的应用价值，引起人们对其物理机理的深入研究。ELT现象的发现者Ebbesen等许多研究者认为，表面等离子体激元波(SPPs)引起的耦合共振效应是这一现象产生的重要原因。
1.2 SPR传感器的分类
1.2.1 SPR传感器的基本原理
表面等离子体共振是一种物理光学现象。利用此现象可以构成传感器，结构基本如图 1-2
图1.2 表面等离子体共振
图1-2中非吸收性光学材料的棱镜，发挥光波导器件的作用。传感器的传感面由棱镜底部镀的高反射率的金属薄膜担任（通常为金、银，一层厚度为50nm）。光源发出p-偏振光通过一定的角度入射到棱镜中，在棱镜和金属的界面处能发现反射和折射。当入射角θ0比临界角θc大，光线会发生全内反射，全部返射到棱镜中，接着，通过棱镜另一个侧面折射出去。这种情况下，金属-棱镜于界面处的电场不会即刻消散，而是形成振幅呈指数衰减的消散波。因为金属薄膜中有自由电子，所以消散波能和这些电子构成表面等离子体子，一种在金属表层振荡的电磁波。在X轴平行的波矢量分量KX消散波的传播方向的表面。由消散波引发的表面等离子体的频率和消失波相同，其沿X轴方向平行于表层的波矢为ksp。
电磁场理论告诉我们，当两个电磁波具有相同的频率和波矢时，它们能发生共振，只要满足下列条件，消失波与表面等离子体子就能形成共振：
Ksp=kx
产生共振，摧毁了一个棱镜与金属界面的全内反射，衰减全内反射，并入射光能量到SP的能量反射率，所以有一个最小的值。因此，折射率和入射光的角度，对金属薄膜的介电常数和介电率的共振，不同介质的不同角度对应的共振。
图1.3 SPR反射强度作为光的入射角的函数
1.2.2 SPR传感器的分类
我们根据SPR传感器在结构上的不同，可以将他们主要分为棱镜型，光纤型和光栅型三大类。这其中棱镜型SPR传感器因为结构简单方便，成为当前的主要应用形式。
1.2.2.1 棱镜型SPR传感器
棱镜型SPR传感器有两种，分为Otto[8]型和Kretschmann[9]型。Kretschmann型SPR传感器在生物方面的应用比较多。它主要由棱镜，棱镜下面罩着的金属薄膜构成，金属薄膜大概几十纳米薄。这样的话，把这个装配好的东西放在要测定的物品上面，让光射进来，经过棱镜的作用，根据SPR基本原理，就能产生SPR现象了。
棱镜的形状有等常见的等腰直角三角形，和半球形两种。特点是任何的半球形的角度入射的光垂直于界面，反射光损耗小，不改变并输入棱镜角。在SPR研究，用棱镜折射率差测量的灵敏度是更大和更高。因此，折射率光学材料的选择对提高生产棱镜高灵敏度。应该指出的是，由于机械强度和高折射率的稳定性的影响，光学材料表面易成膜。
1.2.2.2 光纤型SPR传感器
光纤是传输光的介质，因为光可以在光纤中反复反射而且消耗率小，所以光纤也可以用来制作SPR传感器，这种SPR传感器被称为光纤型SPR传感器。Jorgenson[10]等人提出了两种光纤SPR传感装配，终端反射式、在线传输式。
1、终端反射式：
在光纤的末尾端加上金属全反射膜来反射光。把光从光纤的一端打进去，光在光纤内被反复反射，一路反射到了末尾端，被金属膜反射，又反射了回来，一次射进去，一次射出来，总共是两次共振。
2、在线传输式：
不是在末尾端形成共振而是在光纤中间形成共振的就是在线传输式SPR传感器了。只要在光纤的中间选定一段位置，把外皮割掉贴上敏感层和金属反射膜就变成了SPR传感器，这种传感器光从一端射进去，在光纤内反复反射，形成一次共振，从另一端射出来。
图1.7 两种光纤型SPR传感器图示
光纤型SPR传感器跟一般的传感器比有个显著的特点或者说特长，就是使用起来太方便了。直接把光纤插到要测的东西中就行了，也不用别的辅助型的输送装置，可以说是最方便的传感器之一了。但也正因为太方便了，使用的装置少，所以能完整掌控的东西就少，很多方面有所欠缺，成为了光纤型SPR传感器的弱点。比如说在实际测量中，我们要如何保证光线的入射角，还有如何能精确掌控光在光纤中的各种反射情况，这些都是需要我们以后解决的问题。
摘 要
SPR传感器的研究与应用进展迅速，尤其在生命科学，化学等领域已经成为一种很重要的研究阶段，对SPR传感器的研究现状，工作原理以及它在工业生活领域的一些应用进行详细描述。并对SPR传感技术的研究发展前景进行了讨论。
*查看完整论文请 +Q: 3 5 1 9 1 6 0 7 2
关键字:传感器表面等离子共振
目 录
第一章 绪论 4
1.1 SPR传感器的发展历程及意义 4
1.2 SPR传感器的分类 5
1.3 SPR传感器的发展趋势 8
1.3.1纳米技术发展背景 8
1.3.2纳米技术与SPR传感器 9
1.4 本文研究目标与主要内容 9
第二章 SPR传感器的广泛应用 9
2.1 SPR传感器在抗生素检测中的应用 10
2.2 SPR传感器在农药检测中的应用 13
2.3 SPR传感器在微生物检测中的应用 14
2.4 SPR传感器在其他领域中的应用 14
第三章 纳米技术与SPR 15
3.1 纳米科技 15
3.1.1 纳米科技的背景 15
3.1.2 纳米科技的特点 15
3.1.3 半导体纳米粒子 15
3.1.4 磁性微球 16
3.1.5 胶体金溶液 16
3.2 纳米技术与SPR传感器 16
3.2.1 磁性微球与SPR传感器 16
3.2.2 磁性微球与SPR灵敏度 18
第四章 总结与展望 19
参 考 文 献 19
第一章 绪论
1.1 SPR传感器的发展历程及意义
表面等离子体(Surface Plasmons, SPs)是一种由沿金属表层流转的电子疏密波，由金属表层自由电子和光子构成。金属纳米构造在某些条件下会发生表面等离子体共振，从而具备特别的光学特性，譬如高强度，高局域性，超强光透射等。SPR技术可以应用于纳米光学，光电子学等主题，例如，可以使一个光开关，光耦合器，滤波器，光学天线。
在1902年，Wood[1]发现光学测试，光通过光栅，与小面积损失光谱，Sommerfeld计算从麦斯威尔方程和电磁场的边界条件，导出介电物质和金属界面传播处的电磁波波动解。
在1941年，Fano[2]发现，这种现象是由于金属和介电材料的表面效果的电磁波，激发等离子体波的金属表面引起的。
在1960年，Stem和Farrel[3]讨论了谐振条件，称它为：表面等离子体共振
在1968年，Kretschmann[4]和Otto[5]分别证实光是产生表面等离子共振的条件。
在1982年，Nylander[6]和Liedberg[7]将SPR别的学术中。此后，SPR传感技术取得了很大进展。种种新型SPR传感构造被计划出来。SPR技术拥有鲜明的特征，譬如实时监测、灵敏度高、无背景干扰、生物样本无需标识等,在测定生物大分子间的相互作用时,可得到反应物每一步的讯息,测定动力学常数等,这是它作为传感器最大的优点。
为了关心物理，光学，材料科学，纳米技术的研究，美国、欧洲以及日本和中国在内的许多国家和地区投入大量财力物力进行相关研究工作。
图1.1 由SCI检索的周期金属纳米光学领域的文章每年增加统计图
从图中我们可以发现，ELT现象发现之前的文章从1955年~1998年，总共增加到700篇左右，ELT现象发现后的文章数量，从1998年~2005年，短短的七年内，就增加到了2000篇左右，增加了近三倍。
ELT现象的新颖性及其潜在的应用价值，引起人们对其物理机理的深入研究。ELT现象的发现者Ebbesen等许多研究者认为，表面等离子体激元波(SPPs)引起的耦合共振效应是这一现象产生的重要原因。
1.2 SPR传感器的分类
1.2.1 SPR传感器的基本原理
表面等离子体共振是一种物理光学现象。利用此现象可以构成传感器，结构基本如图 1-2
图1.2 表面等离子体共振
图1-2中非吸收性光学材料的棱镜，发挥光波导器件的作用。传感器的传感面由棱镜底部镀的高反射率的金属薄膜担任（通常为金、银，一层厚度为50nm）。光源发出p-偏振光通过一定的角度入射到棱镜中，在棱镜和金属的界面处能发现反射和折射。当入射角θ0比临界角θc大，光线会发生全内反射，全部返射到棱镜中，接着，通过棱镜另一个侧面折射出去。这种情况下，金属-棱镜于界面处的电场不会即刻消散，而是形成振幅呈指数衰减的消散波。因为金属薄膜中有自由电子，所以消散波能和这些电子构成表面等离子体子，一种在金属表层振荡的电磁波。在X轴平行的波矢量分量KX消散波的传播方向的表面。由消散波引发的表面等离子体的频率和消失波相同，其沿X轴方向平行于表层的波矢为ksp。
电磁场理论告诉我们，当两个电磁波具有相同的频率和波矢时，它们能发生共振，只要满足下列条件，消失波与表面等离子体子就能形成共振：
Ksp=kx
产生共振，摧毁了一个棱镜与金属界面的全内反射，衰减全内反射，并入射光能量到SP的能量反射率，所以有一个最小的值。因此，折射率和入射光的角度，对金属薄膜的介电常数和介电率的共振，不同介质的不同角度对应的共振。
图1.3 SPR反射强度作为光的入射角的函数
1.2.2 SPR传感器的分类
我们根据SPR传感器在结构上的不同，可以将他们主要分为棱镜型，光纤型和光栅型三大类。这其中棱镜型SPR传感器因为结构简单方便，成为当前的主要应用形式。
1.2.2.1 棱镜型SPR传感器
棱镜型SPR传感器有两种，分为Otto[8]型和Kretschmann[9]型。Kretschmann型SPR传感器在生物方面的应用比较多。它主要由棱镜，棱镜下面罩着的金属薄膜构成，金属薄膜大概几十纳米薄。这样的话，把这个装配好的东西放在要测定的物品上面，让光射进来，经过棱镜的作用，根据SPR基本原理，就能产生SPR现象了。
棱镜的形状有等常见的等腰直角三角形，和半球形两种。特点是任何的半球形的角度入射的光垂直于界面，反射光损耗小，不改变并输入棱镜角。在SPR研究，用棱镜折射率差测量的灵敏度是更大和更高。因此，折射率光学材料的选择对提高生产棱镜高灵敏度。应该指出的是，由于机械强度和高折射率的稳定性的影响，光学材料表面易成膜。
1.2.2.2 光纤型SPR传感器
光纤是传输光的介质，因为光可以在光纤中反复反射而且消耗率小，所以光纤也可以用来制作SPR传感器，这种SPR传感器被称为光纤型SPR传感器。Jorgenson[10]等人提出了两种光纤SPR传感装配，终端反射式、在线传输式。
1、终端反射式：
在光纤的末尾端加上金属全反射膜来反射光。把光从光纤的一端打进去，光在光纤内被反复反射，一路反射到了末尾端，被金属膜反射，又反射了回来，一次射进去，一次射出来，总共是两次共振。
2、在线传输式：
不是在末尾端形成共振而是在光纤中间形成共振的就是在线传输式SPR传感器了。只要在光纤的中间选定一段位置，把外皮割掉贴上敏感层和金属反射膜就变成了SPR传感器，这种传感器光从一端射进去，在光纤内反复反射，形成一次共振，从另一端射出来。
图1.7 两种光纤型SPR传感器图示
光纤型SPR传感器跟一般的传感器比有个显著的特点或者说特长，就是使用起来太方便了。直接把光纤插到要测的东西中就行了，也不用别的辅助型的输送装置，可以说是最方便的传感器之一了。但也正因为太方便了，使用的装置少，所以能完整掌控的东西就少，很多方面有所欠缺，成为了光纤型SPR传感器的弱点。比如说在实际测量中，我们要如何保证光线的入射角，还有如何能精确掌控光在光纤中的各种反射情况，这些都是需要我们以后解决的问题。
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