郜洪云，陳 哲，黎 敏

(武漢理工大學(xué) 理學(xué)院物理系，湖北 武漢 430000)

SPR(表面等離子體共振)技術(shù)是用于分析生物分子間相互作用的一項(xiàng)重要檢測技術(shù)，在航空航天，生物化學(xué)等領(lǐng)域應(yīng)用廣泛，受到眾多相關(guān)科研人員的關(guān)注。SPR光學(xué)生物傳感器可實(shí)時(shí)、動態(tài)地研究蛋白質(zhì)-蛋白質(zhì)、蛋白質(zhì)-核酸、新藥分子-靶分子等生物分子的相互作用過程，具有實(shí)時(shí)監(jiān)測反應(yīng)動態(tài)過程、分析樣品不需純化、生物樣品無需標(biāo)記、靈敏度高等優(yōu)點(diǎn)。相對于棱鏡型SPR傳感器而言，光纖型SPR傳感器在小型化和實(shí)時(shí)在線監(jiān)測等方面具有其獨(dú)特的優(yōu)勢，成為SPR生物傳感領(lǐng)域中一個(gè)重要的前沿課題[1]。目前，生物、農(nóng)藥和獸藥的殘留以及食品添加劑中的小分子進(jìn)行準(zhǔn)確檢測面臨一定的困難，主要是因?yàn)檩^大分子而言同樣濃度的小分子引起的介電常數(shù)變化很小，超過了普通SPR傳感器的檢測下限。此外，在AIDS(艾滋病)、p53蛋白(抑癌基因)、尿酸(UA)等的早期診斷中同樣需要傳感器具有很高的檢測靈敏度。因此，如何有效提高傳感器的靈敏度成為國內(nèi)外眾多學(xué)者不斷探索的重要問題之一。典型的光纖傳感器的光纖結(jié)構(gòu)主要有：D型光纖[2,3]、側(cè)邊拋磨光纖[4,5]、錐形光纖[6]、楔形光纖[7]、對接光纖[8]、雙芯光纖[9]、空芯光纖[10]、微結(jié)構(gòu)光纖[11]等等。雖然上述SPR傳感器在靈敏度上有一定的提高，但制作敏感單元時(shí)均需要拋磨或腐蝕光纖包層，制作成功率較低，難以實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品化。

本文提出了一種新型多模-單模(MS)結(jié)構(gòu)光纖SPR傳感實(shí)驗(yàn)，MS結(jié)構(gòu)避免了單模光纖和多模光纖的光耦合，明顯提高了傳感器的光傳輸效率，降低了檢測難度，且提高了檢測準(zhǔn)確度。

1 傳感原理及理論計(jì)算

圖1為MS結(jié)構(gòu)光纖SPR傳感實(shí)驗(yàn)的原理示意圖。

圖1 MS結(jié)構(gòu)光纖SPR傳感實(shí)驗(yàn)原理

圖1中，從光源發(fā)出的光線以一定角度(滿足臨界角)入射到多模光纖纖芯中傳輸，當(dāng)傳輸?shù)蕉嗄５哪┒耍炊嗄９饫w和單模光纖的交界時(shí)，有一部分光會泄漏到單模光纖包層中，并在單模光纖包層表面與銀膜交界處發(fā)生全反射，產(chǎn)生的倏適波進(jìn)入銀膜中，并在銀膜和待測物交界處激發(fā)SPW，當(dāng)入射光波矢與SPW波矢相匹配時(shí)，就會發(fā)生表面等離子體共振，產(chǎn)生共振吸收，在單模光纖的出射端利用光譜儀對光信號進(jìn)行檢測可檢測到共振吸收，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對待測物折射率的實(shí)時(shí)檢測。

根據(jù)菲涅爾公式，入射光激發(fā)一次SPR效應(yīng)對應(yīng)的反射率可寫為：

(1)

式中，k0z,k1z,k2z分別為單模光纖包層，銀膜和待測介質(zhì)處沿z方向的波矢。ε0,ε1,ε2分別為單模光纖包層，銀膜和待測介質(zhì)的介電常數(shù)。d為銀膜厚度。r01為單模光纖包層和銀膜交界處的反射系數(shù)，r12為銀膜和待測介質(zhì)交界處的反射系數(shù)，從式(1)可以看出，激發(fā)SPR效應(yīng)時(shí)，入射光的反射率與波長存在一一對應(yīng)關(guān)系。

光經(jīng)過光纖敏感單元(單模光纖包層鍍銀膜區(qū)域)時(shí)，會發(fā)生多次反射，其總的反射次數(shù)為：

(2)

則，模型的總反射率為：

(3)

綜合式(1)～(3)可知，模型總的反射率與待測介質(zhì)介電常數(shù)及入射波長存在對應(yīng)關(guān)系：

R～[ε2,λ]

(4)

2 仿真及分析

影響SPR傳感實(shí)驗(yàn)的因素主要有金屬薄膜種類、厚度、光入射角度等，下面對這幾種影響因素進(jìn)行逐一分析。

本文選取SPR傳感器中四種常用的金屬：Au、Ag、Cu、Al進(jìn)行分析，從圖2可以看出，相同條件下，對同一待測介質(zhì)進(jìn)行檢測時(shí)，四種金屬共振波長從長波到短波方向依次為：Au、Ag、Cu、Al，共振深度從淺到深依次為：Al、Cu、Au、Ag，半高寬從寬到窄依次為：Al、Cu、Au、Ag。共振深度越深，SPR效應(yīng)越明顯，半高寬越窄，對應(yīng)的相應(yīng)波長值越精確，檢測精度越高，因此，本文選擇共振深度深，半高寬窄的金屬銀作為光學(xué)SPR傳感器敏感單元處的金屬薄膜。

Wavelength/nm

在對同種待測介質(zhì)進(jìn)行檢測時(shí)，不同銀膜厚度對共振波長的影響如圖3所示。從圖3中可以看出，隨著銀膜厚度的增加，共振波長向長波長方向移動。

Thickness/nm

多模光纖中可以傳輸多個(gè)模式，即同時(shí)有多個(gè)角度的光在纖芯中傳輸。由圖4可知，對同一折射率物質(zhì)進(jìn)行檢測時(shí)，隨著傳輸角度的增大，共振波長向長波長方向移動。

Refractive index

圖5為不同折射率介質(zhì)對應(yīng)的SPR光譜圖，從圖5中可以看出，隨著折射率的增大，共振波長向長波長方向移動。

Wavelength/nm

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

圖6為MS結(jié)構(gòu)光纖SPR傳感系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)框圖。銀膜采用磁控濺射法制作。光源選用寬譜光源(海洋光學(xué)，波譜范圍350～2 500 nm)，多模光纖和單模光纖均為普通光纖，其芯徑分別為62.5 μm和4.3 μm，二者的光纖包層直徑均為125 μm，單模光纖鍍膜區(qū)域的長度為15 mm左右，多模光纖的長度為4 m，光譜儀選用的是BWTEK光纖光譜儀，最后由電腦進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。

圖6 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)框圖

圖7是利用傳感系統(tǒng)檢測水、丙酮、乙醇、異丙醇和正硅酸乙酯五種待測介質(zhì)的共振光譜圖。圖8是待測介質(zhì)的折射率和共振波長之間的關(guān)系曲線圖。從圖7和8中可以看出：1.隨著折射率的增大，共振波長向長波長方向移動，且折射率和波長間呈良好的線性關(guān)系；2.隨著折射率的增大，光譜展寬，深度增加；3.傳感系統(tǒng)的平均靈敏度可以達(dá)到2 902 nm/RIU，最高折射率靈敏度為5 970。

Wavelength/nm

Refractive index

仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)果存在差異，主要是由于以下原因造成的：

① 單模光纖包層和銀膜交界處入射角會對共振光譜產(chǎn)生較大影響，對共振波長位置最大影響可以達(dá)到250 nm,本次仿真中，采用的入射角為88°，光纖中其它入射角會對實(shí)驗(yàn)結(jié)果產(chǎn)生影響，因此仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)果有差別；

② 薄膜厚度均勻性對實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響。實(shí)驗(yàn)采用的鍍膜方法為磁控濺射，采用了光纖自轉(zhuǎn)夾具，提高了光纖截面方向的鍍膜均勻性，但由于濺射時(shí)光纖軸向方向不同位置和靶材的距離存在差異，同時(shí)光纖距晶振片的位置較遠(yuǎn)，鍍膜厚度和理想結(jié)果會有較大差別，從圖5可以看出，銀膜厚度的差異會導(dǎo)致共振光譜發(fā)生顯著變化。

4 結(jié) 語

本文系統(tǒng)地研究了一種多模-單模結(jié)構(gòu)光纖表面等離子體共振傳感器實(shí)驗(yàn)。仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)果均表明，隨著待測折射率的增加傳感系統(tǒng)的共振波長會向長波方向移動，該傳感系統(tǒng)的平均靈敏度為2902 nm/RIU，可以實(shí)現(xiàn)待測液的準(zhǔn)確檢測。不需去包層直接在單模光纖外鍍納米膜的特點(diǎn)非常有利于在本科實(shí)驗(yàn)中開展實(shí)驗(yàn)和教學(xué)。