文摘

表面等离子体共振技术与光纤技术合作带来了巨大的进步在传感的各种物理、化学和生化参数。在这篇文献回顾中,我们目前SPR传感技术的原理和各种设计的光纤SPR调查报道增强传感器的敏感性。此外,我们目前的一些例子的表面等离子体共振(SPR)为基础的光纤传感器。目前的审查可能会提供研究人员有价值的信息关于光纤SPR传感器和鼓励他们采取这一领域进行进一步的研究和开发。

1。介绍

表面等离子体共振(SPR)是其中一个最有前途的光学技术,在不同领域中得到应用。第一个感应SPR技术的应用是在1983年报道的(1]。自那时以来,许多SPR传感结构化学和生化传感已报告。SPR技术,TM(横向磁)或p-polarized光引起的激发电子密度振荡(称为表面等离子体波,SPW)金属与介电质间的接口。当能量和动量,入射光和SPW匹配,导致发生共振反射光强度急剧下降。共振条件依赖于入射角,波长的光束,两金属的介电函数作为电介质。如果波长保持不变和入射角变化,然后急剧下降出现在一个特定的角度和方法被称为角审讯。在另一个方法,称为光谱或波长审讯,入射光的角度保持不变,波长是不同的。在这种方法中,共振发生在一个特定的波长。共振参数(角度或波长)取决于介质的折射率介质。折射率的变化改变共振参数的值。 To excite surface plasmons, generally, a prism is used [2- - - - - -9]。prism-based SPR传感设备有很多缺点,如其庞大的规模和各种光学和机械(移动)部分。此外,prism-based SPR传感装置不能用于遥感应用。这些缺点是可以克服的,如果使用一个光纤代替棱镜。光纤的额外的好处是,SPR探针可以小型化,便于样品在分钟数量或者是昂贵的。由于这些优势表面等离子体resonance-based光纤传感器已经吸引了很多关注10- - - - - -23]。实验和理论研究已报告在文献SPR-based光纤传感器。这些传感器的性能,一般情况下,评估的灵敏度和信噪比(或检测的准确性)。众所周知,这些参数的值越高,更好的传感器。

现在回顾始于部分原理的传感技术。部分包括传感器的性能参数的描述:灵敏度和信噪比和检测精度。在下一节中,我们介绍最简单SPR-based光纤传感器并讨论其调制方案。部分4目前的审查处理的各种设计SPR探针研究了提高光纤传感器的性能。设计包括锥形、u型和side-polished。双金属涂料的优点,在纤维芯掺杂物和金属的选择,讨论了涂层在相同的部分。在最后一节中,我们审查的一些SPR-based光纤传感器在文学已报告的细节。

2。原则

金属电介质界面支持沿着界面电荷密度振荡称为表面等离子振荡。这些振动的量子给出表面等离子体的名称。表面等离子体激元是伴随着纵向(TM -或p-polarized)电场衰减指数在金属和电介质。电场最大值在金属电介质界面。TM-polarization和指数衰减的电场被发现通过求解麦克斯韦方程半无限介质的金属和介质金属电介质的界面。传播常数(表面等离子体波的传播是由沿着金属与介电质间的接口 在哪里和是金属和电介质的介电常数,分别ω是入射光的频率,和光的速度。从(1),它可能会指出,表面等离子体波的传播常数取决于金属和电介质的介电常数介质。

表面电浆子可以兴奋的光偏振状态一样,表面等离子体激元。传播常数()光波的频率ω通过电介质是由传播 自(金属)(介质),对于一个给定的频率,表面等离子体的传播常数()大于光波在介质的介质()。激发表面等离子体激元,两个传播wave-vectors应该一律平等。因此,直射光不能激发表面等离子体在金属电介质界面。激发的表面等离子激元波矢量的势头,因此激发光在介质中应该增加。这个可以做如果不是直射光,隐失波用于激发表面等离子体激元。获得的隐失波激发的表面等离子体激元,棱镜高介电常数。

当光束通过一个事件的双方在一个角度大于临界角棱镜prism-air接口的全内反射光束。条件的全内反射光束不返回具体的接口。相反,它返回后渗透低折射率介质(空气)。在低折射率介质称为隐失场和相对应的波这叫做隐失波。沿prism-air接口和隐失波传播衰减指数的罕见的介质(空气)。隐失波的传播常数在prism-air接口是由 在哪里代表材料的介电常数的棱镜是光束的入射角。增加棱镜的介电常数增加隐失波的传播常数,因此这可以等于表面等离子体波的传播常数满足了表面等离子体共振的条件。Kretschmann和弹子24)设计了一个prism-based配置,如图所示1使用隐失波,激发表面等离子体激元。在这个配置玻璃棱镜的底部涂上一层薄薄的金属(通常是大约50 nm)。金属层是在直接接触低折射率的介质中(如空气或其他介质样品)。当p-polarized光束通过棱镜入射prism-metal层接口在一个角度等于或大于临界角,产生隐失波prism-metal接口。表面等离子体的激发时隐失波的波矢完全匹配与表面电浆子相似的频率。这发生在一个特定的入射角。因此,表面等离子体共振的共振条件 激发的表面等离子体在金属/电介质界面结果从入射光的能量转移到表面等离子体,从而减少反射光的强度。如果测量反射光的强度随着入射角的函数固定值的频率、金属层厚度和介电层厚度急剧下降是观察到共振角,,由于一个有效的能量转移到表面电浆子,如图2。反映的最低强度可以定量描述的帮助下菲涅耳方程为三层系统。

对于一个给定的光源的频率和金属薄膜的介电常数可以确定介电常数(传感层相邻的金属层的使用(4)如果共振角的值()是已知的。实验共振角是由使用角审讯方法。变化是非常敏感的折射率传感层。折射率传感层的增加提高了共振角。

灵敏度和检测精度或信噪比(信噪比)的两个参数是用于分析一个SPR传感器的性能。最佳性能参数应尽可能高。灵敏度的SPR传感器利用角审讯方法取决于共振角的变化量与传感层的折射率的变化。对于一个给定的折射率变化如果共振角度的转变增加这意味着提高传感器的灵敏度。

图3显示了一个阴谋的反射光束的入射角的函数与折射率传感层和。折射率的增加共振角的变化。因此SPR传感器的灵敏度定义为利用角审讯方法

检测准确性或SPR传感器的信噪比取决于准确、精确传感器可以探测到共振角,因此,传感层的折射率。SPR曲线的宽度越窄,越高的检测精度。因此,如果的角宽度SPR曲线对应反射0.5,检测精度的传感器被认为是成反比(图3)。角审讯的SPR传感器的信噪比,因此,定义为(25]

3所示。光纤SPR-Based传感器

prism-based SPR传感器的隐失波激发的表面等离子激元所需结果由于prism-metal界面时发生全内反射光束的入射角大于临界角。隐失波也出现在一个光纤因为光纤的光指导由于发生全内反射导雷的core-cladding接口。在光纤的情况下的隐失波传播core-cladding接口。因此,要设计一个SPR-based光纤传感器,棱镜可以取而代之的是光纤的核心。制造一个SPR-based光纤传感器,硅包覆的一小部分纤维,最好从中间,删除和赤裸裸的核心是涂有金属层。进一步的金属层,包围介质感应层,如图4。SPR-based光纤传感器,所有引导光线发射,因此,光谱角审讯,而是审讯方法。光从一个多色源发射进入光纤的两端之一。隐失场引导产生的射线激发表面等离子体在金属与介电质间的感应层界面。隐失场的耦合与表面电浆子强烈取决于波长、光纤参数、探针几何,和金属层属性。prism-based SPR传感器不同,反射的引导光线的数量大于SPR-based光纤传感器几何。入射角越小的界面,更大的是反射的数量单位长度的纤维。此外,反射任何光线的数量还取决于传感区域的长度和纤维芯直径。反射的数量的一个重要参数,影响SPR曲线的宽度。光传播的强度经过SPR传感区域检测到另一端的纤维作为波长的函数。 The SPR spectrum thus obtained is similar in shape to that shown in Figure2。遥感是通过观察相对应的波长的光谱(称为共振波长)。阴谋的共振波长的折射率传感层是SPR传感器的校准曲线。灵敏度和检测精度决心以同样的方式确定的角审讯。取而代之的是波长的角度的定义灵敏度和检测精度。

4所示。SPR探针设计

灵敏度、检测准确性、重现性和操作范围的传感器是比较它与其他传感器的重要参数。最好的传感器的灵敏度高,检测精度和操作范围,除了提供可重复的结果。为此各种修改进行了光纤SPR传感器的设计。接下来我们回顾一些这些修改。

4.1。双金属涂层

对金属涂层棱镜基地或纤维芯使用金银。黄金显示更高的共振转移参数传感层的折射率的变化和化学稳定。银,另一方面,显示了更窄的宽度SPR曲线导致更高的信噪比和检测精度。共振曲线的清晰度取决于金属的介电常数的虚部。银有较大的介电常数的虚部值显示了SPR曲线的宽度窄导致更高的信噪比和检测精度。另一方面,共振曲线的变化取决于金属的介电常数的实部。介电常数的实部大的黄金比银,从而演示了一个更高的共振转移参数传感层的折射率的变化。银的化学稳定性很差由于其氧化。银的氧化发生就暴露在空气中,尤其是水,这使得它很难给出一个可复制的结果,因此实际应用的传感器是不可靠的。因此,治疗银表面的薄而致密的覆盖是必需的。 In this regard, a new structure of resonant metal film based on bimetallic layers (gold as outer) on the prism base with angular interrogation method was reported [25]。共振角的新结构显示一个大转变为金膜,并显示窄共振曲线为银薄膜连同保护银膜对氧化。相同的结构与光谱审讯扩展到SPR-based光纤传感器的选择和引导光线所有配置(19]。的灵敏度和信噪比进行评估数值不同比率的金银层的厚度。数据5(一个)和5 (b)信噪比和灵敏度的变化百分比的银双金属组合,分别为(19]。如预期的信噪比银厚度增加而增加。变化几乎是相同的两种启动但是信噪比的值引导光线发射约1.5倍高于对应于选定的射线发射。作为灵敏度而言,它会随着银层厚度增加或金层厚度减少。与银厚度的变化几乎是相同的两个病例,但在价值观方面,选择的射线发射的价值高于所有引导光线发射情况。

4.2。选择的金属

其他金属如铜的能力(铜)和铝(Al) SPR传感器的应用也进行了分析。两种金属可以被用于一个SPR传感器。铜有一些局限性,如熬炼银子一样。化学脆弱与氧化和腐蚀,因此,它的保护需要一个稳定的传感应用。不同的双金属组合的SPR传感功能的Ag)、金、铝和铜理论上追究SPR-based光纤传感器的设计26]。数据6(一)和6 (b)显示灵敏度和信噪比的变化与内部层厚度比总双金属厚度不同的双金属组合,分别为(26]。图预测,单一的金层的传感器是最敏感的,而传感器与单一铝层是最少的。此外,Cu-Al组合提供了最小灵敏度比相应的厚度值。在所有的黄金组合,Ag-Au和Cu-Au组合提供良好的灵敏度小厚度的内层而Au-Al组合提供了较大的灵敏度比其他组合内金层的厚度。这意味着非盟厚厚的一层很薄的封面铝层(约2 - 4海里)提供了相当大的敏感性。据信噪比的变化与内层分数而言,Cu-Al更好在双金属组合而Ag-Au组合提供了信噪比的最小值。达到最高的信噪比,一个人应该选择一个薄的铜层,更厚的覆盖层。这项研究意味着没有单一的金属组合同时提供高信噪比和灵敏度的值。

4.3。掺杂物的影响

可能需要注意的(4),SPR条件取决于材料的折射率光纤的核心。因此,如果一个光纤是通过添加掺杂物在纤维芯制作的传感器的灵敏度可以增强或调整。一般来说,与纯石英光纤核心是用于SPR-based传感器。Sharma et al。27)进行了理论建模和分析SPR-based光纤传感器评估掺杂物的灵敏度和信噪比的影响。氧化锗(GeO₂)、氧化硼(B₂O₃)和磷pent-oxide (P₂O₅作为纯硅的掺杂物。图7显示敏感性的变化与折射率传感层的不同掺杂物浓度(27]。模拟预测之间的敏感性增加约50%的B₂O₃(5.2)和地理₂(19.3)掺杂物。此外,由于地理的掺杂浓度₂增加从低点6.3摩尔%的高点19.3摩尔%,明显降低传感器的灵敏度。此外,掺杂物的影响对光纤SPR传感器的敏感性报道一样不管是否使用一个金属层或双金属配置。

4.4。锥形探针

几个组织致力于改善光纤SPR传感器的敏感性通过改变形状或光纤SPR传感器的几何形状。逐渐减少的光纤SPR传感器是修改报告文学(18,28]。一个典型的锥形光纤SPR传感器如图8(29日]。dual-tapered的使用和tetra-tapered光纤SPR探针对气体和液体传感也被报道(18]。改变锥形SPR传感器的配置文件也会影响传感器的灵敏度。表面等离子体resonance-based锥形光纤传感器与三种不同锥度概要文件,即线性抛物,exponential-linear,如图9,从理论上进行了分析29日]。图10显示变化的敏感性锥度的锥形光纤SPR探测率这三个锥形概要文件(29日]。理论分析预测增加的敏感性增加锥比率。研究进一步表明,对于给定的锥度比,exponential-linear锥度概要文件提供了最大的灵敏度。增加的敏感性的下降是因为引导光线的入射角与正常core-cladding接口在锥形区域。

进一步提高灵敏度,制服的SPR传感器核心(与金属涂层)夹在两个赤裸裸的锥形光纤区域,如图11,提出了30.]。锥形区域1带来的角度结合射线纤维接近临界角的赤裸裸的锥形区域而锥形区域2不断改善这些射线的角度他们的初始值,这样所有的引导光线可以传播到输出的纤维。这是通过选择制服的半径的最低允许价值核心传感地区。在感应区域光线传播接近临界角的地区。图12显示变化的敏感性与锥度比这种探测器(30.]。灵敏度随锥比率的增加在其他的研究报道(29日]。然而,一个重要的灵敏度提高了5倍以上的锥度比2.0相比传统(TR = 1)光纤SPR传感器。

4.5。u型

光线的入射角与正常core-cladding接口可以接近临界角通过使用一个u型的调查。SPR-based光纤传感器与均匀半金属涂层u型探头,如图13,使用循环水蒸发模型进行了分析31日]。使分析更简单,引导光线p-polarized光发射的纤维和他们的电矢量认为躺在飞机u型弯曲的调查。图14显示了探测器的灵敏度的变化与弯曲半径不同的传感探头的长度值。敏感性的增加与减少弯曲半径。敏感性的增加了一定的弯曲半径值低于它开始急剧下降。敏感性的下降是因为最后光线的入射角小于临界角所需光线弯曲地区为导向。因此,存在一个最佳值的弯曲半径的SPR传感器基于u型探测器的灵敏度获得最大价值。变化的趋势是相同的所有三个值传感长度。这是由于入射角的独立性在传感长度。对于一个给定的弯曲半径的敏感性随着传感长度增加而增加。敏感性的增加,如前所述,由于入射角的减少。入射角增加的数量的减少反射造成的扩大SPR曲线,从而减少检测准确性或传感器的信噪比。 The enhancement in sensitivity obtained was much more compared to the decrease in the detection accuracy and hence the decrease in detection accuracy can be tolerated. In fact the maximum sensitivity achieved was several times more than that reported for an SPR-based fiber optic tapered probe.

4.6。Side-Polished纤维

上面的SPR调查报告使用多模光纤。单模光纤也被用来制造光纤SPR调查。表面等离子体共振传感器使用side-polished单模光纤和薄金属层如图15(32]。探测器的设计略有不同,如图4。在这个配置中,引导模式传播纤维激发表面等离子体波在金属和传感介质之间的界面。如果发生共振两种模式密切相匹配。这种基于单模光纤SPR传感器更敏感、更准确的相比,那些多模光纤。然而,他们制造复杂得多和复杂,相比之下,那些使用多模光纤。side-polished半块SPR传感器的优点是,它需要少量的样本折射率测量。

最近SPR-based side-polished多模光纤传感器已报告(33,34]。在这些传感器纤维side-polished直到一半的核心被关闭。这增加了传感区域是一个优势。除了side-polished单模光纤,d型单模光纤也被用于传感应用程序利用SPR技术(35,36]。这些纤维也提高灵敏度。其他设计SPR-based光纤传感器包括SPR传感器的光纤的两端与反映端面(37,38和纤维的小费39,40]。基于光子带隙光纤SPR传感器也被报道最近[41,42]。

4.7。倾斜射线的影响

上的大多数理论研究光纤SPR传感器利用光线光学和报告文学分析中不考虑倾斜射线。这些研究只考虑传播的子午射线的纤维,使分析更简单。然而,除了子午射线倾斜射线也存在于纤维根据光发射条件。这些射线遵循螺旋路径内的纤维。指定斜光线的轨迹,第二个角度(称为偏斜角度),除了倾斜的轴向方向的射线纤维,是必需的。最近,倾斜射线的影响的敏感性和光纤SPR传感器的信噪比进行了研究使用光谱审讯方法(43]。数据(16日)和16 (b)显示与偏态参数灵敏度和信噪比的变化,分别是(43]。灵敏度和信噪比降低随着偏态参数的值增加无论使用的金属涂层。灵敏度更好的黄金而白银展示更好的信噪比。偏态参数的灵敏度最高价值下降约为6%的金属。倾斜射线的影响在信噪比大于敏感性。金膜的大约40%,而在银是30%左右。

5。一些应用程序

表面等离子体resonance-based光纤传感器大量应用化学和生物物种的定量检测。这些包括食品质量、医疗诊断和环境监测。这些都是发现通过改变周围的介质折射率的金属涂层。被测变量变化的折射率介质直接或间接。这里我们提出一些SPR-based光纤传感器。

5.1。温度

由于介质的折射率取决于其温度,SPR技术可以应用于一个中等的温度。基于表面等离子体共振的温度传感器,提出了使用耦合棱镜和角审讯操作方式(44]。建议对SPR技术用于温度传感、传感层的大型热光系数(如二氧化钛或硅丙烯酸酯)应该被使用。此外,表面等离子体波的穿透应该仅限于金属和传感层通过一个适当的两层的厚度。分析后来扩展到SPR-based光纤远程传感器温度检测(45]。感知层是TiO的假定₂(二氧化钛)。最外层的环境介质被选为空气,增加了传感器的设计的灵活性。图17显示了谐振波长随温度的变化对金银45]。为金属,共振波长转移到短边与温度的增加。然而,没有明显的共振波长差(,因此,温度敏感性)两种金属使用。这被认为是由于相似的物理性质的变化与温度的金属。图18描述了相应的SPR曲线宽度随温度的变化(45]。SPR曲线宽度增加而增加的温度。这报道发生,因为虚(吸收)的一部分金属介电函数随温度增加。其他参数的影响,如数值孔径和传感区域长度比纤维芯直径的灵敏度和检测精度也有相关报道。也报道,数值孔径较小的纤维提供了较大的检测精度不影响温度敏感性。同样,小的值传感区域长度纤维芯直径的比例给检测精度高。SPR-based光纤温度传感器感应小地区和高度推荐的多模光纤。

5.2。柚皮苷

柑橘类果汁的处理面临着可怕的痛苦的问题,从而影响其消费者的可接受性。痛苦是由于过度果汁中柚皮苷含量。中柚皮苷的存在果汁使用SPR-based光纤传感器可以检测到。一个SPR-based光纤传感器依靠光谱审讯方法对柚皮苷的检测报告(21]。SPR探测器是由固定的酶naringinase镀银光纤的核心。固定,凝胶诱捕技术使用。实验设置的描述SPR-based光纤传感器如图19(21]。光从宽带源(卤钨灯)是专注于输入的纤维使用环形狭缝和显微镜物镜。探测器安装在一个流细胞保持周围的样本调查。发射功率谱分布的示例使用单色仪探测周围的决心,硅探测器和功率计。透射光的光谱分布获得样本除以相应的光谱分布获得没有任何样本的调查。合成SPR光谱所以并不取决于源获得的光谱输出,光谱灵敏度的光电探测器的光谱吸光度和纤维。从SPR光谱共振波长测定。SPR-based光纤传感器的校准曲线获得了柚皮苷的检测图所示20.(21]。柚皮苷的浓度增加了共振波长增加。据报道,共振波长的增加是由于增加的固定层的折射率可能发生由于复杂的柚苷酶的形成naringinase的电影。

5.3。农药

表面等离子体resonance-based光纤传感器的检测有机磷农药、chlorphyrifos,最近也报道使用类似的实验方法用于检测的柚皮苷(46]。调查是由固定化乙酰胆碱酯酶酶镀银纤维的核心。农药的检测原理是稍微不同于柚皮苷。它是基于竞争的原则绑定的农药(作为抑制剂)衬底(碘化acetlythiocholine)酶。图21显示了农药的浓度1.0 SPR光谱M和2.5毫米的底物浓度的两种情况(一)没有酶(对照实验)和(B)与酶的电影(46]。浸在控制实验中出现由于折射率的凝胶。两个光谱的差异意味着酶发挥作用的折射率改变凝胶的杀虫剂。获得了共振波长590 nm为1.0左右M农药浓度。图22显示传感器的校准曲线(46]。趋势是相反的柚皮苷的检测报告。在这种情况下,SPR波长随浓度的增加而减小农药的固定底物的浓度。结果似乎是由于降低薄膜的折射率随着农药的浓度增加。

表面等离子体resonance-based光纤传感器也有其他化学物种。这些包括测量水的盐度(22,37),折射率醇(17],BSA [34),蒸汽和液体分析(18]。除了一个单模波导表面等离子体共振传感器开发生物分子相互作用分析(47]。最近,光纤SPR传感器已报告,使用一系列的长周期光栅(48)或布喇格光栅(49]。这些设计的优点是,这些提供多个感知通道功能。

6。总结

综述文章我们第一次描述了表面等离子体共振技术的原则。该技术建立和多年来将保持不变。一开始,这项技术被用于prism-based SPR传感器但后来光纤的优势实现时,它是应用于基于光纤传感器。最近有显著提高光纤SPR传感器的设计和策略增强传感器的性能特别敏感。探针设计包括锥形、u型和side-polished纤维。这些发展可能会推动未来趋势研究和开发的光纤传感器。独特的金属纳米粒子的光学性质也吸引了传感器社区开发基于局部表面等离子体共振——(LSPR)传感器。LSPR-based传感器批量SPR-based传感器几乎没有优势。然而,合作的步伐LSPR与光纤传感目前缓慢但可能在未来几年获得动力。

承认

目前的工作是科技部支持的部分(印度)。