摘 要

表面等离子体共振现象是在近百年前发现的现象，因为表面等离子体波对待测介质的折射率非常敏感，所以可以用来测量任何可以转换为待测物质的折射率变化的物理、化学量，随着研究的深入，人们发现SPR传感器拥有传统传感器所不拥有的优点，于是SPR技术的应用也变的越来越多。

论文是以Kretschmann型棱镜耦合表面等离子体传感装置为研究对象，针对基于角度调制的表面等离子体效应进行了共振曲线的理论仿真及实验验证。主要通过使用Matlab仿真得到共振谱曲线，从理论上分析了金膜和银膜、不同入射光波长、不同的金属层厚度以及不同粘连层厚度对共振谱曲线的影响，为了进一步掌握已有表面等离子体共振理论的效果，论文对三层结构和四层结构模型进行了仿真对比分析。为了验证仿真结果的正确性，实验选择了两种不同的入射光波长，分别测量得到了对应的表面等离子体共振谱；对应实验数据和前期的仿真结果可以看出，在误差允许的范围内，实验结果能与理论仿真结果匹配较好，且可以解释不同波长与反射光强度之间的变化规律。

关键词：表面等离子体共振；棱镜型SPR传感器；角度调制

Abstract

Surface plasmon resonance is a phenomenon that was discovered nearly a hundred years ago， because the surface plasmon wave is very sensitive to the refractive index of the medium to be measured, so it can be used to measure any physical and chemical quantities that can be converted to the refractive index of the material to be measured. With the deepening of research, it was found that SPR sensors have the advantages of traditional sensors do not have, so SPR technology become more and more in applications.

In this paper, a Katherchmann type prism-coupled surface plasmon sensing device is used to study the resonant curves of the surface plasmas based on the angle modulation. The theoretical simulation and experimental verification are carried out. The influence of the gold film and the silver film, the wavelength of different incident light, the thickness of different metal layers and the thickness of different adhesive layers on the resonance spectrum curve are analyzed theoretically by using Matlab simulation. In order to further master the existing surface plasmas,The effect of the resonance theory is analyzed, and the three-layer structure and the four-layer structure model are simulated and analyzed. In order to verify the correctness of the simulation results, the experiment selected two different wavelengths of incident light, respectively, measured the corresponding surface plasmon resonance spectrum; corresponding to the experimental data and the previous simulation results can be seen in the error allowed range, The experimental results can be matched with the theoretical simulation results well, and can explain the variation between the different wavelengths and the reflected light intensity.

Keywords: Surface Plasmon Resonance technology (SPR); Prismatic SPR sensor; Angle modulation

目 录

摘 要 I

Abstract II

第1章 绪论 1

1.1 表面等离子体技术的发展 1

1.2 表面等离子体共振技术的应用现状 1

1.3 SPR传感器的耦合方式 2

1.3.1 棱镜型 2

1.3.2 光栅型 3

1.3.3 波导型 3

1.3.4 光纤型 4

1.4 SPR传感器的响应曲线的分析方法 5

1.4.1 角度调制法 5

1.4.2 波长调制法 5

1.4.3 强度调制法 6

1.4.4 相位调制法 6

1.5 论文的主要内容与安排 6

第2章 表面等离子体共振原理 8

2.1 表面等离子体波（SPW） 8

2.2 表面等离子体共振原理 8

2.3 表面等离子体共振产生的条件 10

2.4 共振谱的理论计算 11

2.4.1 三层结构的反射率 12

2.4.2 四层结构的反射率 13

2.5 本章小结 15

第3章 Kretschmann型SPR传感的理论仿真 16

3.1 前言 16

3.2三层结构的SPR仿真 16

3.2.1 不同材料金属膜层的理论仿真 16

3.2.2 不同入射光波长的理论仿真 17

3.2.3 不同膜层厚度的理论仿真 18

3.3 四层结构的SPR仿真 20

3.3.1 不同粘连层厚度的理论仿真 20

3.3.2 不同入射光波长的理论仿真 21

3.4 本章小结 23

第4章 Kretschmann型SPR传感实验 24

4.1 实验采用的系统装置 24

4.2 实验结果与数据分析 25

4.2.1 实验结果 25

4.2.2 实验数据分析 26

4.3 本章小结 27

第5章 总结 28

参考文献 29

致 谢 31

第1章 绪论

1.1 表面等离子体技术的发展

在当代的所有革命性技术中，传感技术算是现代科学中最重要的一项技术了。而表面等离子体共振技术（Surface Plasmon Resonance technology，SPR）作为新型传感技术在近年有了快速的发展。

SPR技术的研究最开始起源于1902年^[1]，Wood在光学实验中首次发现了光在通过光栅后它的某些频谱区域会消失，1941年Fano从电磁波理论和边界条件方面解释了这个现象，1959年Power和Swan通过实验证明了这项理论的正确性，随后在1960年Stern和Farrell在研究中首次提出了表面等离子体这个概念，直到1968年，Ritchie通过表面等离子体共振理论解释了这一现象，此时SPR现象才算真正的得到了有力的解释。之后1968年Otto利用棱镜为基体制成了Otto模型，用以观察SPR现象，但是这个模型结构中棱镜和金属膜之间的空气膜的厚度不好把握，操作时重复性差，所以之后1971年Krestchmann改进发明了Krestchmann模型，这个模型中将金属薄膜直接覆盖在棱镜底部，待测物在金属膜的下方，只需要改变入射光的入射角度或者波长就可以看到SPR现象^[2]。之后科学研究将SPR技术原理应用到气体检测和生物传感领域，SPR技术得到了深入的发展，于是又出现了光栅耦合式SPR传感器、光纤SPR传感器和集成光波导耦合式SPR传感器，但随着应用的深入，老式SPR传感器的一些缺点慢慢显现出来，新型传感器的研究慢慢开展，又出现了分布式光纤SPR传感器、倾光子晶体光纤SPR传感器以及结合纳米技术的光纤SERS传感器^[3]。SPR传感器的种类越来越丰富了。

1.2 表面等离子体共振技术的应用现状

SPR传感器的原理是基于物质折射率与共振谱之间的关系，所以可以通过分析共振谱的特点得到此时待测物质的性质。SPR传感器对环境的要求比较高，其稳定性相较于传统的传感器来说还是有待加强，但是SPR传感器具有很多优点与潜力，如检测过程实时快速，所需的样品量少且无需对样品进行标记，检测灵敏度高、检测结果准确可靠，能检测混浊甚至不透明物质等,如今已经广泛应用于生物科技、药物筛选、临床诊断、食物检测、环境检测、毒品检测以及法医鉴定等方面^[4]。

随着SPR技术的发展，越来越多的研究学者注意到这项技术的在检测方面的优越性，SPR 生物传感器的应用更加趋向多样化，在近些年来，SPR传感器已经面向商用，一些大的公司也在相继改进SPR传感器以满足更多方面的需要。但相比于国外，国内对于SPR传感器的研究还是落后了国外不少距离，大多数高校和研究所对这方面的研究没有做得很深入，只能购买国外的产品用于实验研究，所以我们需要投入更多的研究力量，从而试图赶上国外相关领域，以抓住这一领域的研究机遇，随着国内对这一方面了解的深入，我们越来越认识到这一领域具有的深厚研究潜力，现在更多的高校及研究所都正在做这方面的深入探索。因此，SPR传感器的使用前景极为广阔，这项技术的研究是具有很大潜力的。