文摘
大部分表面电浆子共振装置研究了几十年。这些设备已经发现一个特殊的细分市场作为高灵敏度折射率传感器在生物医学应用。最新进展在导波设备正在迅速改变这种传感器的功能,不仅越来越便利的使用,而且开放机会由于其通用性。本文综述这些设备和提出了一些自己的特色。
1。介绍
金属或金属光栅的光学性能可以追溯到1902年,当时木发现吸收异常的反应这种结构照射的光(1]。后来这些吸收异常被认为是激发引起的表面Plasmon-Polaritons沿着金属表面。表面Plasmon-Polariton (SPP)是一种电磁激发金属电介质界面,由表面电荷密度振荡耦合的电磁场(2,3]。SPP字段组件的接口和衰减指数的最大值都围绕着一个金属层(通常是几个10 nm厚)媒体。在一个平面结构的情况下SPP可以存在的形式偏振(TM)波,当两个相邻的介电系数媒体相反的迹象,和的形式年代偏振(TE)波,当两个相邻的渗透率媒体有相反的迹象4]。在金属与介电质间的接口,局部传感器的SPP可以作为一种很有前途的工具应用调查介质界面附近(5- - - - - -10]。目前有许多不同的小型传感器批量、平面和纤维几何图形。
这些传感器可以通过两个重要的特征参数:敏感性和操作(或动态)范围内。灵敏度是监控的导数SPP参数(例如,共振角度、波长、强度)的参数(例如,折射率)确定。一个操作(动态)范围是参数的值的范围,可以测量的传感器。第三个重要参数传感器的分辨率。传感器决议是最低的变化参数,可以通过传感器来解决。敏感性和相反的操作范围内,传感器的分辨率不仅取决于传感器属性本身也在传感器监测的准确性。这意味着增加审讯第一单元的准确性会增加传感器的分辨率。
2。表面等离子体传感器
在60年代末,光激发表面等离子体激元的方法证明了衰减全反射奥托(11)(图1(一))。在这个计划有一个有限的棱镜基地和金属层之间的差距和适用于表面容易需要更改。这个方案被Kretschmann和Raether修改12]和Kretschmann [13]。Kretschmann的计划,一个金属层接触棱镜基地(图1 (b))。Kretschmann的方案是使用最广泛的技术之一,SPP激发直到现在。计划的光栅结构的顶部还建议(14)(图1 (c))。所有这些方案都是广泛应用于传感器应用程序,和一个实际的配置如图1 (d)。的角度,等离子体发生耦合,改变当液体表面放置棱镜。从图是清楚的1 (d)角度与精密测量,如果需要一个高分辨率。因此,大多数著名的计划与非平面的几何元素需要移动部件和相当笨重繁琐的调整精度高。可以看到在图1在这些计划SPP激励是基于谐振传输入射光子的能量形式的自由空间p极化光SPP。所有这些计划提供的波矢量匹配条件事件自由空间辐射衰减全反射的SPP配置。
(一)
(b)
(c)
(d)
3所示。导波表面等离子体传感器
自从SPP激励是基于全内反射棱镜,耦合棱镜可以取代了波导层的平面结构纤维芯轻易得到一个紧凑的装置集成在任何平面或纤维方案。实际上传播的引导模式在波导层或纤维的核心是基于全内反射。传感器的发展基于平面和纤维结构开始于上个世纪的早期的年代。在过去的二十年里,SPP传感器技术已被广泛用于检测的物理,化学和生物参数。现在我们将现在和讨论最受欢迎,广泛使用的传感器方案基于纤维或平面结构和回顾一些最新的思想在文学。
在图中给出的方案2光纤的包层被涂上一层金属,感觉到周围的介质。然而,核心的半径很小,这个结构是很难制作的。作为一个可选择的解决方案side-polished光纤传感器也被建议(15]。这个方案是如图3。在[16];光纤传感器与非对称金属镀层均匀腰单模锥形光纤的建议(细节图所示4)。在所有这些光纤传感器引导传播模式用于审讯过程,回顾这些光纤传感器可以在[17]。
(一)
(b)
平面结构也广泛用于传感器的应用。回顾这些传感器可以在[18]。1999年,Ctyroky等人提出的使用反映了引导模式的监测传感器(19]。在所有这些纤维和平面方案,传感器元素或工具是一个表面等离子体波传感器(SPW),一个混合性质。它由引导模式耦合一个表面Plasmon-Polariton,可以看到图5(19]。在纤维芯SPW震荡或波导层的平面结构。它的有效折射率略不同的有效折射率引导模式支持的结构没有金属层。这是因为大多数的能量与引导关联模式,仅略加权Plasmon-Polariton的有效折射率。这种情况意味着混合模式只是弱敏感的任何改变等离子体的有效折射率,应该是被一层周围的存在与否。
本文的作者在2006年提出一种改进的传感器通过使用“纯”SPP与混合模式(20.]。SPW相反,在这种“纯”SPP,几乎所有的能量都集中在金属与介电质间的接口。
“纯”SPP衰减指数远离金属表面,包括波导层的传感器结构。引导模式的有效折射率之间的差异和有效折射率的“纯”SPP因此大,需要一个特殊的计划,激发“纯”SPP。这样做是光栅,它允许波矢量匹配条件得到满足。使用光栅的优点是,它将耦合方案的第二个重要参量之间的重叠积分引导刺激模式和“纯”SPP。因为几乎所有的“纯”SPP的能量集中在金属与介电质间的接口,这个方案是极其敏感的小感觉到介质的折射率的变化。的价值的有效折射率的变化造成的“纯”SPP感觉到介质的折射率的变化取决于结构的参数。的一个完整的理论模型中空心光纤布喇格光栅的印在波导层(图6)可能被发现在21]。
(一)
(b)
其他平面结构与布拉格光栅印到波导层或使用波纹布拉格光栅刻在金属层的顶部也被认为是(22,23]。在这些结构布喇格光栅刺激counter-propagating SPP,即事件发生相反的方向引导模式(图7)。引导模式通过使用的布喇格光栅可以审讯过程。结构的敏感性的特点是光栅的波长传输下降的转变而感觉到介质的折射率。这些传感器的灵敏度250海里/ RIU(折射率)优化结构。这个敏感性并不依赖于布拉格光栅(印在波导层或刻在金属层的顶部)用于刺激counter-propagating SPP。
(一)
(b)
提高传感器的灵敏度,布拉格光栅可能取代了长周期光栅(液化石油气)(图8)。在这些传感器结构的引导模式传播的波导层结构激发copropagating SPP。液化石油气可能印到波导层或刻在金属层的顶部。引导模式传播通过液化石油气然后用来审问传感器。这些结构的敏感性1100 nm / RIU。
(一)
(b)
提高传感器的灵敏度可能容易解释,通过比较液化石油气布拉格光栅。事实上,液化石油气的较大的光栅周期的结果区别传播常数之间的引导和SPP模式。另一方面令人兴奋的短布喇格光栅counter-propagating SPP的结果总和的指导和SPP模式的传播常数,由于SPP和引导模式传播方向相反。任何小变化周围介质的折射率()诱发更大的部分变化LPG-based传感器,因为它改变了SPP的传播常数;也就是说,如果的变化SPP的有效折射率的变化不匹配,那么分数变化 在哪里和的有效的索引SPP和指导模式,分别。在布喇格光栅的反传播计划,一个小变化的传播常数SPP分数较小影响的总和SPP和引导模式的传播常数 的敏感性比液化石油气和抢断因此传感器 在(3),比大于团结,指示一个增强灵敏度的液化石油气(copropagating)相比SPG-based传感器(counter-propagating)。
在所有的计划中提供数据6,7,8,引导模式的强度通过光栅用于获取信息传播有关感觉的媒介。一个新颖的方法来监控平面折射率传感器作为传感器使用的“纯”SPP工具是建议在24]。这种类型的传感器的一种变体也可能发现在25但基于混合动力SPP模式。这个新的干涉方法是基于检测的阶段引导模式通过光栅(图传播9)。接近共振条件,对应的激发“纯”SPP,一个非常小的感觉到介质的折射率的变化会导致巨大的变化阶段的制导模式传播通过光栅。相位检测的引导模式是由一个简单的集成(MZI)光纤马赫-泽德干涉。传感器的敏感性特征(RIU /),的变化阶段的制导模式传播通过光栅,然后呢是感觉到介质的折射率的变化引起的相位变化。
优化传感器的敏感性810−7RIU /与一个线性斜率的折射率变化1010−4在操作的折射率,(图10),常见的许多生物应用。重要的是要注意,如果平面结构中使用的传感器结构参数呈现在图7(一)完全相同的参数平面结构呈现在图9传感器的灵敏度250 nm / RIU。如果光学频谱分析仪(OSA),用作审讯,分辨率0.01 nm,传感器的分辨率呈现在图7(一)是。传播的价值引导模式蘸透射谱变化与折射率的变化的感觉中限制这个设备的动态范围。这个传感器的动态范围被定义为的范围内传播的价值下降的变化区间0.1左右的选择价值传播下降(即等于0.3。,在传输)下降30%。粗略地估计,动态范围是一个区间 0.01。
干涉检测方法使相变低于2π×103弧度(26]。使用这个值作为限制,该决议的SPP-interferometer传感器,基于相位审讯和呈现在图9,计算。这个传感器的分辨率极高,但动态范围,可以以线性相关图10,是小 0.0005。因此,重要的是要记住的建议方案,SPP的布拉格光栅用于兴奋。这意味着兴奋SPP传播一个相反方向的引导模式(图9)。如果布喇格光栅取而代之的是液化石油气,SPP的copropagate引导模式。在后一种情况下传感器的敏感性可以增加了约一个数量级;然而,动态范围将会相应地降低了10倍。
另一种类型的波导SPP传感器基于混合模式如图11(27]。部分的指导模式首先是兴奋到包层模式然后夫妇在金属层表面Plasmon-Polariton周围的纤维。SPP的任何改变通过感觉到分析物的折射率变化转化为相移的传播覆盖层混合模式,去谐耦合回在第二个液化石油气基本指导模式的核心。因此,传输信号振幅的变化通过引导和包层模式的干扰。激动的包层模式的重叠与SPP很小,见图11:表面等离子体混合模式大量能源相关的引导模式,因此本质上不太敏感的周围的液体比“纯”SPP计划提出了(20.- - - - - -24]。第二个液化石油气情侣包层混合模式回直接检测的核心模式。
使用倾斜光栅激发的SPP标准通信光纤的一些优势系统相当强劲。这已经证明28),如图12。计划依赖于详细的光谱传输的一系列counter-propagating包层模式分散倾斜光栅,其中一些被耦合到SPP一层黄金金属层表面的纤维。定义的共振峰主要是几何尺寸的纤维30.),不被分析物的折射率与金属层。这使得数据的解释有点复杂,因为没有转变共振峰,但能量的再分配在山峰,由于相位匹配的SPR转向一个不同的波长,并且没有“允许”模式的几何纤维。在实践中,每个包层模式有一些带宽,因此耦合模式的振幅变化。使用这种方案,可以确定被分析物的折射率。图13显示测量结果(30.),分辨率为466 nm / RIU。欧烁et al。29日)演示了一个类似的传感器germanium-silver金属层和布拉格光栅倾斜,但更低分辨率(3.4海里/ RIU)相比,给出的结果(27]。
最近,一个“多洞的”纤维提出了作为SPR气体传感器在太赫兹频率政权31日]。这个方案,如图14用聚四氟乙烯纤维与一系列孔引入气体传感器。聚四氟乙烯的太赫兹引导模式在铁电耦合SPP外层(聚乙二烯:PVDF)。气体引入孔变化之间的共振引导模式和太赫兹的SPP政权,因此检测到。
Hautakorpi et al。32)最近提出了一个替代方案基础上修改后的微观结构所使用的纤维Huy et al。33]。在此建议,混合动力SPP模式是兴奋的金层。波导是一种光纤折射率的纳米线,三个支持下,120度分离股玻璃multistructured光纤电线。纳米线模式因此暴露在三个金色涂布表面分离的核心由一薄层低折射率。被感知的液体折射率,引入三个空心部分如图15。设计操作550海里,折射率分辨率传感器计算10−4。假设最小测量能力为0.1 nm,传感器的灵敏度估计为100 nm / RIU。
在一个非常优雅的方案使用end-fire耦合Jette-Charbonneau et al。34]中演示,out-coupling SPP。的一个主要障碍在SPP励磁和out-coupling传播损耗的金属。通过减少横向维度,可以“挤”的等离子体横向维度。这个压缩的结果是能量的传播介质,吸收损失可以忽略不计。使用这样的一个计划,一个薄金属层窄横向维度嵌入电介质,end-fire——out-coupling被成功的证明。这允许SPR传播厘米,而不是微米,是正常的许可证。图16显示了这种类型的传感器。
4所示。结论
由于克服许可证的传播损耗,很可能更多的波导设备将出现在未来。几个制造的挑战,然而,仍然存在。这包括通过光刻和等离子沉积处理的设备。金属层厚度是一个重要的参数,用于确定敏感性,共振耦合,处理和传感器的鲁棒性。理想情况下,金属层可以直接印刷在塑料基板和集成到聚合物波导或光纤。这些插件的大规模生产的幻灯片或完全可支配波导传感器很可能在不久的将来。用途的这些传感器是可能的,而其他人必须保持一次性。医学应用,需要一次性设备,避免交叉污染,然后要求应该足够廉价成为一次性的设备。然而,很明显,waveguide-based SPP密实度传感器有很多优势,易于在out-coupling,灵敏度高,没有移动部件。临床使用的工具必须不仅成本低,而且可靠。 The advances in waveguide SPP sensors will certainly have an impact in reducing costs of traditionally expensive surface Plasmon resonance sensor instruments, based, for example, on the highly reliable Kretchmann technique, and therefore should be available commercially in the near future.
确认
第一作者承认加拿大的加拿大政府的支持研究合作项目以及加拿大自然科学和工程研究委员会的战略赠款项目。