太赫兹表面等离激元共振传感器.pdf

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1、第３１卷，第８期光谱学与光谱分析Ｖｏｌ．３１，Ｎｏ．８，ｐｐ２０１７－２０２０２０１１年８月ＳｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙａｎｄＳｐｅｃｔｒａｌＡｎａｌｙｓｉｓＡｕｇｕｓｔ，２０１１太赫兹表面等离激元共振传感器冯辉，汪力＊北京凝聚态物理国家实验室，中国科学院物理研究所，北京１００１９０摘要对通过棱镜耦合的太赫兹表面等离激元共振传感器的工作特性进行了理论分析。此类器件在可见光波段工作时，在由样品折射率、金属膜层性质和厚度决定的共振角度下会出现一个反射极小峰；但工作在太赫兹频率时，表面等离激元共振现象表现为一个反射增强的尖峰，而且这一共振角度与棱镜和样品的折

2、射率之间存在一个简单的对应关系，并不依赖于棱镜所镀金属膜层的性质与厚度。考虑到生物分子在太赫兹频率存在与其微观结构相关的电磁响应，该探测器在生物和医学领域的科学研究和应用中将有独特的应用价值。关键词太赫兹；表面等离激元共振传感器；生物探测中图分类号：Ｏ４３３．１文献标识码：ＡＤＯＩ：１０．３９６４／ｊ．ｉｓｓｎ．１０００－０５９３（２０１１）０８－２０１７－０４［７］。表面等离激元共振传感器的工作原理是：合来激发产生引言入射光激发金属薄膜和电介质界面产生表面等离激元，当与金属薄膜后面的样品介电性质相关的耦合条件满足时，入射许多生物大分子与结构相关的

3、特征振动和转动能级处在波将会和表面等离子波发生共振相互作用，使反射光的性质太赫兹频率，因此太赫兹光谱分析技术在生物和医学领域具发生改变，并带有样品的电磁响应信息。根据光波与表面等［１］。２０００年Ｍａｒｋｅｌｚ等首次报道了用太赫有重大的应用前景离激元相互作用的具体性质，表面等离激元传感器的工作方［２］。２００２年，Ｆｉｓｃｈｅｒ兹光谱研究生物分子中的集体振动模式式可以分为角度调制、波长调制、强度调制、相位调制和偏［８］。Ｍａｔｓｕｂａｒａ等使用表面等离激元共振传感器测量等报道了用太赫兹时域光谱技术测量ＤＮＡ成分的远红外介振调制［３］。２００７年，Ｌ

4、ｉｕ等使用差分太赫兹时域光谱测量了［９］，测量精度可达１０－４。Ｌｉｅｄ－电函数了酒精水溶液中酒精的浓度［４］。尽管太赫兹技术在生物领域取生物单细胞层的微小改变ｂｅｒｇ报道了表面等离激元共振传感器在生物探测中的应［１０］。Ａｄａｍ报道了使用光栅耦合的表面等离激元共振传感得了上述成果，但是仍然存在一个重要问题需要解决：由于用［５］，极大地阻碍了对含水缓冲液水对太赫兹辐射的严重吸收器同时测量了探测器表面的牛血清蛋白层的厚度和折射［１１］。另为还有一些其他比较特别的例子，例如：金属表面中近生理条件下的生物样品进行分析。迄今为止，在已有的率［１２］、在香烟

5、的烟雾中测量尼古丁［１３］绝大多数实验研究中，所分析的生物样品都是一些干的粉末附近的折射率改变以及［１４］或者是多晶粉末和聚乙烯粉末的混合物。但是水在生命中扮单层膜的折射率和厚度测量等。演着重要角色，离开了水生物分子就要失去其生物功能。所虽然基于棱镜耦合的表面等离激元共振传感器在可见光以，有效地对含水缓冲液中生物样品进行太赫兹光谱测量和波段已是一项很成熟的技术，但工作在太赫兹波段的相应器分析是一个急待解决的问题。件还未见报道。利用等离激元共振传感器进行探测，入射波在可见光波段，基于界面响应分析和反射测量技术的表并不直接穿过样品进行透射测量，这就无需

6、考虑水对太赫兹面等离激元传感器已经在生物和医学研究中广泛使用，对液辐射的吸收。因此，太赫兹表面等离激元共振分析技术在生体样品蹬电磁响应性质进行测量和分析。所谓表面等离激元物和医学领域的科学研究和应用中应该具有很大的潜力。本共振，是存在于金属和电介质界面的一种电荷密度振荡本征文将对通过棱镜耦合的太赫兹表面等离激元共振传感器的工［６］，它可以通过入射光经棱镜耦合、光栅耦合或波导耦模式作特性进行详细的分析。收稿日期：２０１０－１０－１２，修订日期：２０１１－０４－０１基金项目：国家自然科学基金项目（１０８３４０１５，６１０７７０８２）和科技部（９７３）项

7、目（２００７ＣＢ３１０４０５）资助作者简介：冯辉，１９８３年生，中国科学院物理研究所博士研究生ｅ－ｍａｉｌ：ｆｅｎｇｈｕｉ＠ａｐｈｙ．ｉｐｈｙ．ａｃ．ｃｎ＊通讯联系人ｅ－ｍａｉｌ：ｗａｎｇｌｉ＠ａｐｈｙ．ｉｐｈｙ．ａｃ．ｃｎ２０１８光谱学与光谱分析第３１卷２πεｄεｍ传播常数，是半无穷大金属和电介质界面上表１计算方法λ槡εｄ＋εｍ面等离激元波的传播常数，Δβ是由于棱镜的存在和金属层图１是棱镜耦合表面等离激元共振传感器的结构和工作的有限厚度带来的表面等离子体传播常数的改变。在太赫兹原理的一个示意图。入射波和金属－介电材料界面处表面等波段，因为εｄ＜＜

8、εｍ，式（３）中的根号项可以表达为ｎｄ。此离激元之间的相互作用可以使用菲涅尔多层反射理论来研外，不同角度的反射信号中会出现