近红外区域各向异性生物传感的优值增强等离子体-波导共振及其潜力

摘要

在光谱域中研究了耦合的等离子体 - 波导共振配置中的TM和TE引导模式。在这里，我们使用分散模式来研究其在近红外区域感测的能力。结果表明，引导模式的光谱宽度至少是比传统的表面等离子体共振对应小的一个数量级。引导模式的增强灵敏度和优异的优点揭示了它们在传统配置本身限制的光谱询问方法中感测的潜力。此外，与窄谐振相关的高分辨率和偏振依赖性使得这些模式在光谱询问方法中对各向异性生物溶解非常有前途。近红外区域中的极高的优点，大的穿透深度和传播距离，打开了与用于分子识别的吸收光谱技术相结合的等离子体波导构型的可能性。

1.介绍

近年来，基于表面等离子体共振(SPRs)的光学传感器引起了人们极大的兴趣。当表面等离子体波(SPWs)在由银和金等贵金属制成的薄膜与介质介质之间的界面上共振激发时，就会得到这些。SPR模式对邻近介质的光学特性高度敏感，使其成为生物传感和分子检测的强大工具[1- - - - - -14］．KROSCHMANN-RETHET（KR）配置广泛用于SPR感测，其中使用具有高折射率（RI）的棱镜耦合器来实现动量匹配条件。在SPR基传感器中通常考虑的主要特征是灵敏度（要么例如角询问或光谱询问)、优点(FOM)、被感知介质内的穿透深度和传播距离。尽管SPR传感器在基于消失波现象的传感器中表现出最高的灵敏度，但在过去的20年里，人们投入了巨大的努力来提高它们的灵敏度、FOM和检测极限[3.］．

作为SPR技术的扩展，Tollin和同事们报道了一种改进设计的发展，在薄金属膜上添加了介电层[15- - - - - -18］．在这种结构中，即所谓的耦合等离子体-波导共振(CPWR)，介质层除了SPR激励之外还会出现导模。与传统的SPR结构不同，附加的导模可以在TE和TM偏振态下被激发。在作为波导的介质顶层内部激发时，导模在分析物界面上具有较大的传播距离，使其具有很高的传感效率。这种大的传播距离是通过共振的极窄的角度带宽实现的，这反过来增加了测量的分辨率。此外，介质板在机械和化学上保护了金属膜，增加了传感器的寿命。所有这些优点使得基于cpwl的传感器非常适合并有希望用于生物物种的研究[16- - - - - -18］．在最近的一项研究中，Harté等人使用CPWR构型研究脂质膜的形成及其与无毒和有毒淀粉样蛋白的相互作用[19］．

到目前为止，CPWR主要针对角询问方法研究，其中提出了在可见区域中感测的[20.］．尚未研究光谱询问方法中的引导模式的分散特性，并且几乎没有探索使用这些谐振进行感测的可能性。此外，介电板内的引导模式和金属界面处的SPW之间的耦合不完全理解。

在这项工作中，我们从理论上研究了在氪构型下CPWR的光导模特性。通过对色散场的分析，研究了TM和TE两种偏振态中所观测到的模的主要特征和起源。我们表明，与传统SPR传感器相比，制导模式具有非常狭窄的带宽，特别是在近红外(NIR)区域。大的FOM、增强的灵敏度和偏振依赖性使这些模式在各向异性传感方面非常有前景，这与细胞和蛋白质研究高度相关[19，21- - - - - -23］．此外，NIR区域中的导向模式的不寻常能力铺平了与分子检测的吸收光谱技术相结合的基于SPR基传感器。

2.结果和讨论

研究的结构由由SF11玻璃制成的棱镜耦合器组成，该镜涂有薄银膜（Ag），然后用厚的SiO覆盖₂层(见图1(一))．Ag膜和顶部sio2膜的厚度₂层是 nm andnm，如图所示1(一)．AG膜的厚度被优化，以最大化AG / SIO的SPR激发的效率₂界面。SIO.₂另一方面，层厚度确定询问的光谱范围中允许的引导模式的最高阶。要感测的分析物被认为是SIO上的半无限培养基₂并有一个背景RI(SF11、Ag、SiO的分散₂是在网上的补充资料http://dx.doi.org/10.1155/2016/1898315)．光学模式显示为反射率的倾斜与激发波长固定时的入射角。

另一方面，在光谱询问中，反射率是作为波长的函数，当宽带光源的入射角是固定的。

图1 (b)和1（c）显示激发波长的角模式的反射率 nm. The SPR mode is excited at higher angles than the guided modes due to its larger momentum. Furthermore, the plasmonic mode shows broader angular dips as it partially propagates inside the metal where it experiences large dissipation. The guided modes, on the other hand, are narrower because they are confined inside the SiO₂核，因此有较大的传播距离。在这里，我们可以同时观察SPR模式和引导模式，这是由于在合理的低角度获得SPR的棱镜的高RI。

为了深入了解模的特性，我们绘制了两种偏振态不同模的色散图。图中最低的分支2（a）对应于SPR, SPR几乎表现出与这种类型的激发相关的正常行为。在近红外区色散非常陡峭，在自由空间中接近光线，SPW不太局限于表面。另一方面，在可见区域，弥散几乎饱和，这意味着波高度局限于表面，传播距离减少。图中上部分支2（a）表示不同阶导模的色散，显示出它们相对于SPR的小宽度。导模的开始出现在大于临界角的角度，这意味着它们是通过金属包层逐渐激发的。TE模的色散如图所示2（b）除了TE极化中不存在SPR模式外，TM模式的主要特征为导模。但是，它们的对比比TM壳小，这可能是由于金属膜对TM和TE态激发的影响不同所致。

结构内部的电场强度的平行分量的分布如图所示3.．而SPR模式主要局限于Ag/SiO₂界面，引导模式在波导内部，在分析物内部具有重要的尾部。我们进一步证实，引导模式的光谱灵敏度与模态结构和分析物区域之间的重叠完全相关。光谱敏感性定义为共振波长的位移对于分析物RI的有限变化（)．这些发现与之前关于SPR模式的报告完全一致[24］．

然而，小于1650nm的波长的SP的光谱灵敏度极低为SIO₂波导厚度远大于SPW的渗透深度（参见图中的SP场分布3(一个))．图中的字段3.在激发波长下计算λ.= 785海里。

为了评估引导模式在光谱询问方法中的传感潜力，我们比较了CPWR和传统SPR(没有介质层)的TM和TE偏振态的反射率光谱，如图所示4(一)和4（c）．这里我们调整入射角来获得近红外区域的共振。我们将重点放在光谱询问方法上，因为这种方法由于微型和廉价的光谱仪的可用性和结合SPR传感器和吸收光谱对分子识别的重要性而变得越来越有吸引力。在实际应用中，生物物种通常是在水缓冲液中制备的;因此，分析物RI保留为= 1.33。

在TM偏振中获得两个尖锐和强烈的导向模式，其对应于TM₀和tm.₁订单 nm andnm，如图所示4(一)．te.₀和te.₁模态强度较低，分别出现在747 nm和2270 nm处(见图)4（c）)．导模光谱窄且定义良好，通过控制SiO可以在近红外区域连续调谐₂层厚度。另一方面，在SPR的情况下，我们观察到由于棱镜色散而产生的两个倾斜，正如之前Shalabney和Abdulhalim所显示的[25］．棱镜在这个光谱区域的色散导致SPR模式色散分支发生弯曲，如图所示4（c），因此可以观察到两种可能的共振，如箭头所示。这两个交点对应的是短波长SPR (SWLSP)和短波长SPR (LWSPR)，在反射率光谱中表现为两个可区分的倾斜，如图所示4(一)．在分析物RI或入射角的微小变化下，这两种倾角会叠加，导致产生非常宽的倾角，这极大地限制了传感的可能性。由于通常用于这些结构的棱镜耦合器的固有色散，这种限制在SPR在光谱领域的大多数实际应用中都存在。

在图4（d）比较了TM的半宽和FOM₀在CPWR配置与传统SPR的引导模式(没有SiO)₂层）当它们在相同波长处激励时。我们发现TM的宽度₀模(全菱形)在相同波长激发时，比传统SPR(全圆)至少小一个数量级。此外，在整个光谱范围内，导模的宽度几乎是恒定的，而SPR的宽度则随着波长的增大而增大。TE模式的宽度(图4（c）)甚至比TM更窄，可以达到比传统SPR小两个数量级。由于光谱宽度较窄，引导模表现出增强的FOM(图中打开的菱形)4（d）)，特别是在近红外区域。FOM通常定义为光谱灵敏度与倾角宽度()．FOM的陡增和光谱宽度的恒定表明，在近红外区域，导模的灵敏度显著增强。

TM和TE引导模式的极窄的线宽及其对分析物介质的变化的高光谱敏感性表现为感测的高电位，特别是在NIR区域中。例如，可以使用光谱询问方法中的CPWR引导模式来检测特征细胞和蛋白质的各向异性。重要的是要注意，NIR区域中导向模式的穿透深度可以在分析物介质内达到几微米，这对于细胞和细菌研究至关重要。由于大型生物实体的结构特征与其功能之间的确定性相关性，这些应用对生物物理学家具有高相关性[19，26，27］．

结论

我们从理论上研究了CPWR构型中激发的导模的性质和性质。通过计算TM和TE偏振态的完全色散，我们表征了这些模式的角度和光谱行为以及它们对结构的依赖。我们发现这些模式在光谱查询方法中可以被激发，并且易于在近红外区域进行调谐，具有较高的光谱灵敏度。此外，它们极窄的光谱带宽和偏振依赖性使这些共振非常有希望用于各向异性生物传感，其中与结构变形有关的信息是高度感兴趣的。由于SPR传感器的小型化和廉价，以及将SPR传感器与吸收光谱结合用于分子识别的重要性，在SPR传感器中使用光谱询问方法变得越来越有吸引力。在CPWR配置中使用引导模式使近红外区域传感成为可能，而不受传统SPR传感器固有特性共振展宽的限制。

利益争夺

作者声明本文的发表不存在利益冲突。

补充材料

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