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)展起來的一種新型生化檢測技術(shù) .它具有檢測靈敏度高、無需標(biāo)記、無需分離純化、抗電磁干擾性能好等特點，可用于測量溶液濃度、確定反應(yīng)物種類和在線實時監(jiān)測生物分子相互作用，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)計參數(shù)不同，對SPR共振峰及傳感器的檢測結(jié)果會產(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，會使待測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，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，通常可以通過測量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時的共振強(qiáng)度最強(qiáng)，最小反射率值達(dá)到最小值；相對于共振強(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越少，從而導(dǎo)致共振減弱；而當(dāng)金屬膜厚度偏小時，金屬膜對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，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，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，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，對應(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復(fù)合膜厚度的影響較大，在所選定模型參數(shù)下，金屬復(fù)合膜總厚度（H）在40～50nm之間反射率值達(dá)到最?。划?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，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、測量目標(biāo)溶液可變范圍及靈敏度等因素，對于角度調(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，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，保證原來適用于強(qiáng)酸強(qiáng)堿測量場合的特性.

4 結(jié)束語

比對分析了Au，Ag兩種材料對于角度調(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)點的復(fù)合膜結(jié)構(gòu)的SPR傳感器金屬膜的設(shè)計.通過對該復(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

［1］ CHEN Yong，MING Hai.Review of surface plasmon resonance and localized surface plasmon resonance sensor［J］.Photonic Sensors，2012，2（1）：37-49.

［2］ 吳英才，顧錚.激勵表面等離子共振的金屬薄膜最佳厚度分析［J］.物理學(xué)報，2008，57（4）：2295-2299.

［3］ EKGASIT S，THAMMACHAROEN C，YU F，et al.Influence of the metal film thickness on the sensitivity of surface plasmon resonance biosensors［J］.Applied Spectroscopy，2005，59（5）：661-667.

［4］ MITSUSHIO M，MIYASHITA K，HIGO M.Sensor properties and surface characterization of the metal-deposited SPR optical fiber sensors with Au，Ag，Cu，and Al［J］.Sensors and Actuators A：Physical，2006，125（2）：206-303.

［5］ KRETSCHMANN E，RAETHER H.Radiative decay of non radiative surface plasmons excited by light（Surface plasma waves excitation by light and decay into photons applied to nonradiative modes）［J］.Zeitschrift Fuer Naturforschung，Teil A，1968，23：2135.

［6］ 陳惠濱 .小型SPR分析系統(tǒng)設(shè)計及其在環(huán)境污染檢測中的應(yīng)用研究［D］.杭州：浙江大學(xué)，2011：22-47.

［7］ 曹振新，吳樂南，梁大開.金膜與銀膜光纖 SPR 傳感器［J］.光子學(xué)報，2004，33（10）：1169-1171.