本發明涉及光學傳感檢測，尤其涉及一種激發波長可選、以鋁為表面等離子體共振材料的強度調制傳感方法。

背景技術：

1、表面等離子體共振(surface?plasmon?resonance，簡稱spr)的原理是光波激發金屬/環境電介質交界面的自由電子密度波。采用棱鏡耦合方式，當激發光和自由電子密度波的波矢量和頻率相匹配時發生共振現象，入射光的能量全部轉化為自由電子的密度波能量，在反射端出現強度谷。共振時表面自由電子密度波沿著金屬與介質的界面傳播，并在金屬膜與介質的內部產生沿垂直界面方向的消逝波，呈指數衰減形式。在介質中的有效深度約為100～200nm，在金屬薄膜表面形成納米尺寸的光學增強近場。當波矢量無法匹配時，無法激發spr，反射率接近全反射。

2、目前市面上所用的spr傳感材料多是基于金、銀等貴金屬，價格十分昂貴，同時存在一定的弊端。金spr傳感芯片多采用鉻等其他金屬提高金與玻璃基底的粘附性，有損spr傳感芯片的靈敏度。銀材料的化學穩定性極差，易產生黑色氧化層，使得spr傳感器完全失去使用功能。另外，金和銀等常用的表面等離激元材料在藍光頻段會發生帶間電子躍遷，因此無法支持藍光頻段的表面等離激子體共振。目前的spr傳感器大多數限于采用紅色激發光進行折射率傳感。因為激發波長單一，對目標分子的選擇性檢測，只能通過在spr傳感芯片上進行表面處理才能實現。基于貴金屬材料的spr傳感芯片由于以上原因，使得spr傳感技術的廣泛推廣受到了極大的限制。因此拓寬spr傳感的工作頻段十分必要，許多生物分子的電子躍遷頻率處于藍光頻段，有利于結合不同的光與物質相互作用，例如熒光光譜、表面增強拉曼光譜等，可基于spr提供的納米光學近場對生物分子進行多參數的傳感檢測。

3、另外，現在常用的表面等離子體共振調制方式主要是角度調制和波長調制，兩種調制方式存在一定的缺點。角度調制方式需要改變入射角度找尋共振角度，這使得系統的機械結構較為復雜，由于旋轉臺的精度問題，可能引入檢測誤差；波長調制方式需要光譜儀檢測共振波長，機械結構相對穩定，但是對入射白光的準直度、光譜數據的采集和后期數據處理要求較高，大大增加了檢測的復雜程度。

技術實現思路

1、為了克服表面等離子體共振檢測技術中激發波長受限、檢測系統復雜并且成本高的問題，本發明解決的技術問題在于提供一種激發波長可選、以鋁為表面等離子體共振材料的強度調制傳感方法。

2、本發明的技術方案如下：一種激發波長可選、以鋁為表面等離子體共振材料的強度調制傳感方法，包括：

3、步驟a)、選定激發波長后，根據激發波長與最佳鋁薄膜厚度的線性關系，得到選定激發波長的鋁薄膜最佳厚度；

4、步驟b)、根據熱蒸鍍技術制備對應最佳厚度的鋁薄膜；

5、步驟c)、通過表面等離子體共振檢測系統測定鋁薄膜的反射角譜，標定強度調制的固定入射角度；

6、步驟d)、改變鋁薄膜所接觸的介質環境，實時檢測反射強度，根據折射率與反射光強的線性關系，獲得介質環境的折射率。

7、所述激發波長與最佳鋁薄膜厚度的線性關系為y＝-0.02662x+30.86496，y為鋁薄膜厚度，單位為nm，x為激發波長，單位為nm。

8、所述激發波長為400～700nm區間內選擇。

9、所述強度調制的固定入射角度根據公式θ1/4＝θr-(θr-θtot)/4獲得，所述θ1/4為強度調制的固定入射角度，θtot為反射角度譜線的全反射點，θr為反射角度譜線的共振點。

10、所述表面等離子體共振檢測系統包括led光源、光闌、半波片、反射鏡、偏振分光棱鏡、旋轉臺和光電探測器；

11、led光源提供激發光，激發光經光闌控制激發光光斑尺寸；半波片、反射鏡和偏振分光棱鏡依次布置；所述半波片用于控制激發光功率；所述反射鏡用于激發光的準直；所述偏振分光棱鏡的出射光為p偏振光，用于激發spr效應；光電探測器用于檢測反射強度；控制系統控制旋轉臺的角度，控制激發光的入射角度。

12、所述反射強度通過光功率計實時測量。

13、本發明的有益效果：

14、(1)本發明使用鋁作為表面等離子體共振材料，由于鋁具有更高的電子密度和更高的等離子體頻率，所以激發波長可延伸至深紫外波段和近紅外波段，因此可根據檢測物質的特性，選擇合適的激發波長。

15、(2)本發明使用強度調制的檢測方式，不僅檢測系統相對簡單，方便搭建，利于集成小型化，而且檢測過程相對簡易，固定在合適的角度，使用光電探測器檢測反射光強即可。

16、(3)本發明在450nm、520nm和633nm激發光下的強度調制靈敏度，均大于金在633nm激發波長下的強度調制靈敏度，而金在激發波長小于520nm時，不具有表面等離子體共振效應。

技術特征：

1.一種激發波長可選、以鋁為表面等離子體共振材料的強度調制傳感方法，其特征在于，包括：

2.根據權利要求1所述激發波長可選、以鋁為表面等離子體共振材料的強度調制傳感方法，其特征在于，所述激發波長與最佳鋁薄膜厚度的線性關系為y＝-0.02662x+30.86496，y為鋁薄膜厚度，單位為nm，x為激發波長，單位為nm。

3.根據權利要求1所述激發波長可選、以鋁為表面等離子體共振材料的強度調制傳感方法，其特征在于，所述激發波長為400～700nm區間內任意選擇。

4.根據權利要求1所述激發波長可選、以鋁為表面等離子體共振材料的強度調制傳感方法，其特征在于，所述強度調制的固定入射角度根據公式θ1/4＝θr-(θr-θtot)/4獲得，所述θ1/4為強度調制的固定入射角度，θtot為反射角度譜線的全反射點，θr為反射角度譜線的共振點。

5.根據權利要求1所述激發波長可選、以鋁為表面等離子體共振材料的強度調制傳感方法，其特征在于，所述表面等離子體共振檢測系統包括led光源(1)、光闌(2)、半波片(3)、反射鏡、偏振分光棱鏡(6)、旋轉臺(9)和光電探測器(7)；

6.根據權利要求1所述激發波長可選、以鋁為表面等離子體共振材料的強度調制傳感方法，其特征在于，所述反射強度通過光功率計實時測量。

技術總結
本發明涉及光學傳感檢測技術領域，尤其涉及一種激發波長可選、以鋁為表面等離子體共振材料的強度調制傳感方法。根據激發波長與最佳鋁薄膜厚度的線性關系，得到選定激發波長的鋁薄膜最佳厚度；根據熱蒸鍍技術制備對應最佳厚度的鋁薄膜；通過表面等離子體共振檢測系統測定鋁薄膜的反射角譜，標定強度調制的固定入射角度；改變鋁薄膜所接觸的介質環境，實時檢測反射強度，根據折射率與反射光強的線性關系，獲得介質環境的折射率。本發明以鋁作為表面等離子體共振材料，實現從深紫外到近紅外的表面等離子體共振，利用其在400nm～700nm范圍內折射率的實部和虛部近似線性特性，實現此波長范圍內激發光波長的任意選擇。

技術研發人員：韓雪,范懷坤,楊宇翔,石林
受保護的技術使用者：大連理工大學
技術研發日：
技術公布日：2025/4/24