表面等离子体共振传感器灵敏度仿真研究

牟海维，顾雪平，刘　超

(东北石油大学 电子科学学院，黑龙江 大庆 163318)

表面等离子体共振传感器灵敏度仿真研究

牟海维，顾雪平，刘超

(东北石油大学 电子科学学院，黑龙江 大庆 163318)

摘要：为深入研究SPR传感器的传感特性，进一步提高传感器的灵敏度，应用TFCale软件仿真研究表面等离子体共振(SPR)传感器的反射光谱特性，考察金属敏感膜及敏感膜厚度对SPR传感器灵敏度的影响。仿真结果表明，当金属膜为Ag膜、厚度为60 nm时，传感器灵敏度最高。应用MATLAB软件对表面等离子体共振传感器的主要灵敏度指标进行仿真研究，考察了不同的外界介质折射率和棱镜折射率对灵敏度的影响，仿真得出当棱镜折射率一定时，SPR传感器灵敏度与外界介质折射率之间的变化规律，为提高表面等离子体共振传感器的灵敏度提供了理论依据。

关键词：表面等离子体共振；TFCale；灵敏度

由于表面等离子体共振技术(Surface Plasmon Resonance，简称SPR)对外界介质折射率极其敏感，使其在近年来发展迅猛。在临床诊断、生化制药、物理化学、环境监测以及食品安全等领域有广泛的应用前景[1]。基于表面等离子体共振技术的传感器件，目前已成为测试检测领域的主流。而灵敏度、检测精度、可重复使用性和工作范围是衡量表面等离子体共振传感器性能的重要指标[2-4]；因此，深入研究表面等离子体共振传感器的灵敏度具有重大意义。

1表面等离子体共振传感器的传感原理

表面等离子体共振是一种物理光学现象，表面等离子体波是一种在金属与电介质界面处固有的电子集体振荡。SPR传感原理三层结构(介质-金膜-环境介质)示意图如图1所示。

图1　SPR传感原理三层结构示意图

当光以某一入射角入射到介质与金膜的界面发生全内反射时，会有一少部分透入到金膜一定深度并呈指数衰减，这部分光波被称为倏逝波，其波矢量在界面上的分量为：

(1)

式中，ω为光波的角频率；c为真空中的光速；ε1为介质的介电常数；θ0为入射角。

在薄膜与环境介质的界面上，局限于金属表面上的等离子振荡会产生一种沿Z方向衰减的电磁波，被称为表面等离子体波，其波矢为：

(2)

式中，εm为金属的介电常数；ε2为待测价值的介电常数。

电磁波发生共振的条件是2个波具有相同的频率和波矢，并且传播方向一致。当kz=kspw，即当入射光波矢沿Z轴的分量与表面等离子体波波矢的Z分量相同时，会导致入射光的能量被SPW波大幅度吸收，导致反射光强急剧降低。

2仿真结果与讨论

2.1金属材料对SPR灵敏度的影响

金属敏感膜的介电常数是影响表面等离子体共振传感器灵敏度的主要因素。表面等离子体共振传感器的灵敏度通常用共振半峰宽度和共振深度这两个基本特征参数表示。假定表面等离子体共振传感器的金属敏感膜分别为Au膜、Ag膜和Cu膜，厚度为50 nm，参考波长为550 nm，入射角度为45°。应用TFCalc软件对其进行仿真，得到波长调制的共振光谱曲线(见图2)。

图2　不同金属材料的SPR反射光谱仿真图

从图2可以看出，在该条件下Au膜、Ag膜和Cu膜的共振深度和共振半峰宽度差异较大。Au膜的共振深度最大，Cu膜次之，Ag膜最低。而Ag膜的半峰宽度最小且共振现象最明显。这说明在敏感薄膜厚度为50 nm时，表面等离子体共振传感器的金属敏感膜为Ag膜时，传感器有较好的灵敏度和检测精度。而且Ag膜有较为尖锐的共振吸收峰，有助于确定共振波长位置。综合考虑，选用Ag膜作为传感器的敏感膜。

2.2金属膜厚度对SPR灵敏度的影响

金属敏感膜的厚度也是影响表面等离子体共振传感器灵敏度的一个主要因素。图3所示为金属敏感膜为Ag膜，入射角度为45°时，金属膜厚度从30 nm变化到70 nm时的反射光谱。从图3可以看出，当敏感薄膜厚度从30 nm逐渐增加到60 nm时，共振峰的位置逐渐加深；当敏感薄膜厚度从60 nm变化到70 nm时，共振峰的位置逐渐变浅。这说明在入射角度为45°时，表面等离子体共振传感器的灵敏度随着Ag膜厚度的增加，先增大后减小，其厚度在60 nm左右共振吸收峰深度最大。

图3　不同膜厚的Ag膜SPR反射光谱仿真图

应用Origin软件对反射光谱进行高斯拟合，得出反射光谱的半峰宽度及其标准差，见表1。从表1可以看出，随着金属膜厚度的增加，Ag膜反射谱的半峰宽度逐渐减小，说明灵敏度逐渐提高。当金属膜厚度从60 nm增加到70 nm时，半峰宽度变化不大。但由于金属膜在厚度为60 nm时，共振吸收峰深度最大，有较尖锐的共振吸收峰。综合考虑，当金属膜为Ag膜且厚度为60 nm时，传感器灵敏度最高。

表1　不同金属膜厚SPR反射光谱的半峰宽度

2.3棱镜折射率对SPR灵敏度的影响

设置棱镜表面等离子体共振传感器的金属敏感膜为Ag膜，其厚度为60 nm，参考波长为550 nm，入射角度为45°。在该参数下，应用MATLAB软件进行模拟仿真，得到图4所示在Ag膜不同棱镜折射率条件下，外界介质折射率与SPR传感器灵敏度之间的变化关系曲线。

图4　Ag膜不同棱镜折射率的SPR灵敏度仿真图

从图4可以看出：当棱镜介质为BK7，外界介质折射率从1.31增加到1.43时，SPR传感器的灵敏度迅速增加，并在外界介质折射率为1.43时达到最大值17.79；当棱镜介质为BaK4，外界介质折射率从1.38增加到1.46时，SPR传感器的灵敏度迅速增加，并在外界介质折射率为1.46时达到最大值17.21；当棱镜介质为SF5，外界介质折射率从1.47增加到1.56时，SPR传感器灵敏度增长迅速，并在外界介质折射率为1.56时达到最大值15.29。随着棱镜折射率的减小，SPR传感器的灵敏度逐渐增大；当棱镜介质为BK7，棱镜介质折射率为1.51时，SPR灵敏度达到最大值17.79；当棱镜介质为SF10，外界介质折射率从1.5增加到1.6时，SPR传感器的灵敏度迅速增加，并在棱镜介质折射率为1.6时，SPR传感器的灵敏度达到最高14.77。从图4可以看出，不同棱镜折射率对于待测介质的传感器灵敏度有较大影响。当棱镜介质折射率不同时，对应的外界介质折射率灵敏度区间也不相同。

3结语

应用TFCale软件进行仿真，研究了金属材料及金属膜厚度对SPR传感器灵敏度的影响，并应用MATLAB软件仿真，研究了不同棱镜折射率的SPR传感器在外界介质折射率发生改变时灵敏度的变化。获得的主要结论如下。

1)不同金属对表面等离子体共振传感器的灵敏度有较大影响，其中Ag膜的现象比Au膜和Cu膜的现象要好。

2)当Ag膜厚度从30 nm增加到70 nm时，表面等离子体共振吸收峰的半峰宽度在金属膜厚度为70 nm时最小，60 nm时次之。表面等离子体共振吸收峰对应的反射率先增大后减小，其中60 nm厚时Ag膜的共振现象最明显。综合考虑，当金属膜为Ag膜、厚度为60 nm时，传感器灵敏度最高。

3)棱镜折射率对SPR传感器灵敏度有较大影响。当棱镜折射率一定时，SPR传感器灵敏度随着外界介质折射率的增加先增大后减小。当棱镜介质折射率不同时，对应的外界介质折射率灵敏度区间也不相同。

综合考虑上述因素，通过合理设置传感器参数，可进一步提高传感器灵敏度，在表面等离子体共振传感器的结构设计和优化方面有重要意义。

参考文献

[1] 牟海维，王宏瑾，王强，等．表面等离子体共振理论仿真研究[J]．光学仪器，2011，33(2)：1-6.

[2] 赵冬娥，赵豫姝．表面等离子体共振传感理论仿真研究[J]．测试技术学报，2008(3)：265-268.

[3] Kim Y C, Masson J F. Single-crystal sapphire-fiber optic sensors based on surface plasmon resonance spectroscopy for in situ monitoring[J].Talanta, 2005(67):908-917.

[4] Jiri H, Yee S S, Gunter G. Surface plasmon resonance sensors: review[J]. Sensors and Actuators B: Chemical, 1999, 54(1/2):3-15.

*国家科技重大专项课题资助项目(2011ZX05020-006)

国家自然科学基金资助项目(51474069，51374072，51101027)

黑龙江省新世纪优秀人才支持计划资助项目(1253-NCET-002)

责任编辑郑练

Research on Simulation of Surface Pasmon Rsonance Sensors Sensitivity

MU Haiwei, GU Xueping, LIU Chao

(College of Electronic Science, Northeast Petroleum University, Daqing 163318, China)

Abstract:For further research on SPR sensor sensing characteristics, increased the sensor sensitivity, by using TFCale software, simulated surface plasmon resonance (SPR) sensor spectral reflectance characteristics of metal sensitive film, sensitive film thickness on the influence of the SPR sensor sensitivity. The simulation results showed that when the metal film is Ag film and the thickness is 60 nm, sensor sensitivity is best. By using MATLAB software, researched the sensitivity of the main index in the surface plasmon resonance sensors for simulation and examined the different external refractive index and prism refractive index medium influence on sensitivity. The simulation was concluded that when the prism refractive index confirmed, SPR sensor sensitivity and the medium of refractive index has change rule, provided the theoretical basis for improving the sensitivity of surface plasmon resonance sensors.

Key words:surface plasmon resonance, TFCale, sensitivity

收稿日期：2015-01-05

作者简介：牟海维(1963-)，男，教授，硕士，主要从事电子类专业教学以及传感测试技术和信息处理等方面的研究。

中图分类号：TP 212

文献标志码：A