基于液体棱镜耦合方式的表面等离子体共振传感特性和应用研究

发布时间：2018-01-23 12:25

  本文关键词： 表面等离子体共振 液体棱镜 灵敏度 品质因数 角度检测 相位检测 波长检测 色散　出处：《哈尔滨工业大学》2016年博士论文　论文类型：学位论文

【摘要】：表面等离子体共振传感技术已经成为化学、生物和物理等领域一个非常重要的检测手段。基于振幅检测并使用Kretschmann-Raether棱镜激发结构的表面等离子体共振检测技术和装置被广泛研究,并已经商用化。最近,相位检测方法也有大量的报道。当表面等离子体共振发生的时候,激发光的相位角受到调制并发生剧烈的变化。利用相位角的变化比振幅变化剧烈这个特点,相位检测的灵敏度比振幅检测提高了1-3个数量级。表面等离子体共振传感技术的研究已经有几十年的历史,随着科学的发展和研究的深入,开发具有更高的灵敏度、更大的动态范围、更高的信噪比、结构简单、微型化、微量样品探测的表面等离子体共振传感系统一直是表面等离子体共振传感研究领域的始终追求。本文设计了一种基于液体棱镜耦合方式的表面等离子体共振传感装置,利用这种装置和电磁场理论开展了液体棱镜耦合的表面等离子体共振传感的特性研究、相位检测和角度检测共同检测的液体棱镜表面等离子体共振传感的特性研究、利用液体棱镜耦合的表面等离子共振传感技术进行液体色散测量的应用研究以及基于角度检测的液体棱镜耦合方式的Kretschmann结构表面等离子体共振传感器的特性研究,主要研究内容包括:设计了一种基于自适应探测光路的液体棱镜耦合的表面等离子体共振折射率传感装置。利用镀膜的玻璃基片作为传感芯片,利用一个切面为直角三角形的中空盒作为液体棱镜和样品的载体,同时将传感芯片放置在中空盒的直角面,并使传感芯片的玻璃面和液体接触、金属膜面和外界空气接触,这样就构成了液体棱镜的基本结构。得益于直角中空盒的采用,在中空盒转动的过程中,出射光并不改变方向,这使得光路探测很容易实现。由于液体棱镜和样品的统一,与固体棱镜装置相比,液体棱镜装置在结构上进行了简化。通过电磁理论和菲涅尔公式的分析表明,如果采用相同的待测样品,液体棱镜装置比固体棱镜装置具有更高的品质因数。提出了基于液体棱镜的相位和角度共同检测的表面等离子体共振折射率传感方法。这种方法依然采用液体棱镜和样品统一的液体棱镜结构。由于液体棱镜结构的自适应特点,保证了出射光的方向不变,使得相位检测方法很容易实施。利用液体棱镜结构具有更窄的半高全宽的表面等离子体共振曲线的特点,得到了变化率更大的相位角曲线。通过菲涅尔多层反射公式的分析可知,表面等离子体共振激发光的反射率和相位角都是入射角的函数,所以采用反射光强检测法和线偏振光干涉法可以同时得到p偏振光的反射率和p偏振与s偏振之间的相位差在不同入射角下的数值。利用液体棱镜耦合方式的相位和角度共同检测的方法同时得到了高灵敏度、大动态范围、高信噪比和简易相位提取算法的传感特性。此外我们还利用Michelson干涉仪的办法测量了固定入射角度情况下p偏振与s偏振之间的相位差,并采用多组数据正弦拟合求平均值的方法减小测量误差、提高测量精度。开展了基于液体棱镜表面等离子体共振传感技术进行液体色散测量的应用研究。采用液体棱镜和样品统一的结构,利用表面等离子体共振条件对液体棱镜的折射率、入射光的波长和入射角敏感的特点来进行液体色散的测量。系统采用准直的宽带光源作为激发光源,采用光谱仪探测反射光的光谱,分别利用金膜和银膜作为传感介质。实验中,采用水作为标准样品测量了金膜和银膜的介电常数的实部,利用上述数据和不同入射角下的波长检测方法测量了酒精、正己烷、二甲基硅油、二氯甲烷、二甘醇和甘油6种样品的色散曲线。上述样品的测量数据同阿贝折射仪在几种波长下的测量结果进行了比较,两者的误差在合理的范围内,证明了液体棱镜表面等离子体共振技术进行液体色散测量的应用是可行了。这种方法为高灵敏度、快速的液体色散测量提供了一种新的解决方案。分析了基于角度检测的液体棱镜耦合方式Kretschmann结构表面等离子体共振传感器的灵敏度和品质因数。在这种液体棱镜结构中,液体棱镜只发挥棱镜的耦合作用而不作为样品使用。利用液体棱镜结构的自适应特点,我们采用角度检测的方式来分析液体棱镜结构的表面等离子体共振特性。利用液体棱镜的折射率连续可调的特点,我们采用不同的液体作为棱镜对一组相同的样品进行实验研究,从中得到了较低的液体棱镜折射率可以获得更高的灵敏度和更高的品质因数的结论。同时,给出了采用水作为液体棱镜对空气进行检测的表面等离子体共振吸收曲线,结果表明水作为液体棱镜比大多数固体棱镜获得了更高的灵敏度和品质因数。这种液体棱镜耦合的Kretschmann结构表面等离子体共振传感器提供了一种高灵敏度和高品质因数的传感应用。
[Abstract]:The surface plasmon resonance sensing system based on the coupling of liquid prism has been widely studied and has been commercialized . The dispersion curves of alcohol , n - hexane , dimethyl silicone oil , methylene chloride , diethylene glycol and glycerol are measured by using the above data and the wavelength detection method at different angles of incidence . The measurement data of the above - mentioned sample is compared with the measurement results at several wavelengths . The results show that the liquid prism has higher sensitivity and quality factor than most solid prisms .

【学位授予单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：O53;TP212.9

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本文编号：1457531