專利名稱：表面等離子體共振實(shí)驗(yàn)儀的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)用具，尤其是一種表面等離子體共振實(shí)驗(yàn)儀。
背景技術(shù)：
從20世紀(jì)60年代Otto和Kretschmann等人開始研究關(guān)于表面等離子體共振 (Surface Plasmon Resonance, SPR)問題以來，經(jīng)過半個(gè)多世紀(jì)的發(fā)展，現(xiàn)在已發(fā)展 為可檢測(cè)生物分子相互作用過程的SPR生物傳感器。SPR生物傳感器具有高靈敏 度、高響應(yīng)度等特點(diǎn)?，F(xiàn)SPR生物傳感器主要應(yīng)用在生物醫(yī)學(xué)檢測(cè)及分析方面。
目前，傳統(tǒng)的基礎(chǔ)物理實(shí)驗(yàn)包括力、熱、光、電等方面，項(xiàng)目較為單一；缺 乏創(chuàng)新性，很難激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新思維，并且很少與科學(xué)研究的前沿想結(jié)合。
分光計(jì)(光學(xué)測(cè)角儀)是用來精確測(cè)量入射光和出射光偏轉(zhuǎn)角度的一種儀器。 用它可以測(cè)量折射率、色散本領(lǐng)、光波波長(zhǎng)、光柵常數(shù)等物理量。分光計(jì)的調(diào)整 實(shí)驗(yàn)是大學(xué)普通物理實(shí)驗(yàn)必設(shè)的一個(gè)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，傳統(tǒng)的基于分光計(jì)的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容雖
然比較經(jīng)典，其存在的缺點(diǎn)試驗(yàn)項(xiàng)目單一、成本高。

發(fā)明內(nèi)容
為了克服已有基于分光計(jì)的實(shí)驗(yàn)設(shè)備的試驗(yàn)項(xiàng)目單一、成本高的不足,本發(fā)朋 提供一種具有多種試驗(yàn)項(xiàng)目、降低成本的表面等離子體共振實(shí)驗(yàn)儀。
本發(fā)明解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是
一種表面等離子體共振實(shí)驗(yàn)儀，所述表面等離子體共振實(shí)驗(yàn)儀包括光源系統(tǒng)、
耦合傳感元件和光強(qiáng)檢測(cè)器件；所述光源系統(tǒng)包括激光二極管和偏振片，所述偏 振片位于所述激光二極管與耦合傳感元件之間；所述耦合傳感元件為Kretschman
3棱鏡型表面等離子體共振結(jié)構(gòu)的柱面棱鏡；所述光強(qiáng)檢測(cè)器件為硅光電池光強(qiáng)檢 測(cè)元件，所述硅光電池光強(qiáng)檢測(cè)元件包括硅光電池和放大電路。
作為優(yōu)選的一種方案所述表面等離子體共振實(shí)驗(yàn)儀還包括分光計(jì)載物臺(tái)， 所述分光計(jì)載物臺(tái)上安裝二維水平調(diào)節(jié)架上，所述柱面棱鏡安裝在所述分光計(jì)載 物臺(tái)上。
進(jìn)一步，在所述柱面棱鏡中，采用電阻熱蒸發(fā)法在K9玻璃柱面棱鏡光學(xué)底 面沉積厚度為50nm銀膜，然后利用電子束蒸發(fā)技術(shù)在銀膜表面再沉積厚度為5nm 的二氧化硅。
或者是在所述柱面棱鏡中，采用電子束蒸發(fā)技術(shù)在K9玻璃柱面棱鏡底面 沉積厚度為2nm的鉻，然后再利用電阻熱蒸發(fā)法在鉻膜表面再沉積厚度為50nm 金膜。
本發(fā)明的技術(shù)構(gòu)思為本發(fā)明獨(dú)特的結(jié)合了表面等離子體共振傳感技術(shù)、分 光計(jì)技術(shù)及其光強(qiáng)檢測(cè)技術(shù)，并且將其應(yīng)用在高校的物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)實(shí)驗(yàn)儀器當(dāng)中。
該發(fā)明不僅與科學(xué)研究前沿緊密結(jié)合，并且可以更加有效的培養(yǎng)學(xué)生的綜合 實(shí)驗(yàn)?zāi)芰蛣?chuàng)新思維方式，同時(shí)由于本發(fā)明是基于分光計(jì)實(shí)驗(yàn)儀器設(shè)計(jì)，能很好 的降低學(xué)校和生產(chǎn)企業(yè)的成本。
在分光計(jì)基礎(chǔ)上利用SPR原理自行搭建一項(xiàng)創(chuàng)新性的SPR教學(xué)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。 通過該實(shí)驗(yàn)，可以讓學(xué)生更加直觀的了解倏逝波的概念以及表面等離子共振等原 理。該發(fā)明豐富了高等院校的普通物理實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，同時(shí)把高端的、先進(jìn)的生物檢 測(cè)技術(shù)——SPR傳感技術(shù)引入到了普通物理實(shí)驗(yàn)當(dāng)中，不僅可以鍛煉學(xué)生的動(dòng)手 能力、強(qiáng)化思維方式，而且可以提高學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí)。
本發(fā)明的有益效果主要表現(xiàn)在1.以分光計(jì)作為實(shí)驗(yàn)儀器的平臺(tái)，成本低廉；
2.操作方便快捷；3.實(shí)驗(yàn)結(jié)果直觀；4.重復(fù)性好。


圖l是光源系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖。 圖2是耦合敏感元件示意圖；其中，
(a) Ag/Si(V待測(cè)溶液；
(b) Cr/Au/待測(cè)溶液。
圖3是光強(qiáng)檢測(cè)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖。
圖4是二維水平組合調(diào)節(jié)組合架的結(jié)構(gòu)圖；其中(a)中安裝了準(zhǔn)星；(b)中
安裝了柱面棱鏡。
圖5(a)是敏感膜為Ag膜測(cè)得的不同折射率酒精溶液SPR共振曲線的示意圖。 圖5 (b)是酒精溶液折射率與共振角的關(guān)系曲線及擬合曲線(敏感膜為Ag膜) 的示意圖。
圖6(a)是敏感膜為Au膜測(cè)得的不同折射率酒精溶液SPR共振曲線的示意圖。 圖6(b)是酒精溶液折射率與共振角的關(guān)系曲線及擬合曲線(敏感膜為Au膜) 的示意圖。
圖7是本發(fā)明的表面等離子體共振實(shí)驗(yàn)儀的示意圖。
具體實(shí)施例方式
下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步描述。
參照?qǐng)D1 圖6(b)， 一種表面等離子體共振實(shí)驗(yàn)儀，所述表面等離子體共振 實(shí)驗(yàn)儀包括光源系統(tǒng)、耦合傳感元件和光強(qiáng)檢測(cè)器件；所述光源系統(tǒng)包括激光二 極管1和偏振片2，所述偏振片2位于所述激光二極1管與耦合傳感元件之間； 所述耦合傳感元件為Kretschman棱鏡型表面等離子體共振結(jié)構(gòu)的柱面棱鏡6;所 述光強(qiáng)檢測(cè)器件為硅光電池光強(qiáng)檢測(cè)元件3，所述硅光電池光強(qiáng)檢測(cè)元件3包括 硅光電池和放大電路。
所述表面等離子體共振實(shí)驗(yàn)儀還包括二維水平調(diào)節(jié)基座4，在分光計(jì)載物臺(tái)5 上安裝所述二維水平調(diào)節(jié)基座4，所述柱面棱鏡6安裝在二維水平調(diào)節(jié)基座4上。光源系統(tǒng)采用波長(zhǎng)為635nm的激光二極管(LD)作為光源。激光二極管具有 單色性好，波長(zhǎng)穩(wěn)定，發(fā)散角小，價(jià)格低廉等優(yōu)點(diǎn)。由于表面等離子體波具有P 波的特性，所以需要具有P偏振特性的入射光才能與表面等離子體發(fā)生耦合，因 此需要在光源發(fā)出的激光束到達(dá)耦合傳感器件之前的光路中增加一偏振片。通過 調(diào)整偏振片的偏振方向，得到所需的P偏振光。光源系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖(l)所示。圖 1中，將分光計(jì)平行光管的透鏡和狹縫等元件卸除，然后在原狹縫處裝上LD激 光器，在原透鏡處裝上一個(gè)偏振片。
耦合敏感元件耦合敏感元件的設(shè)計(jì)我們分別采用了兩種方案。方案(l):利
用Kretschman棱鏡型表面等離子體共振結(jié)構(gòu)的柱面棱鏡，釆用電阻熱蒸發(fā)法在 K9玻璃柱面棱鏡光學(xué)底面沉積厚度為50nm銀膜(Ag，純度為99.99%)，然后利用 電子束蒸發(fā)技術(shù)在銀膜表面再沉積厚度為5nm的二氧化硅(Si02，純度為 99.99%)，見圖2(a)所示。作為耦合傳感元件，Ag膜長(zhǎng)期處于大氣環(huán)境或待測(cè)溶
液中，容易氧化形成一層銀的氧化物而影響測(cè)量的靈敏度以及使用壽命。此處Si02
膜為保護(hù)層，主要起到防止Ag薄膜氧化和脫落的作用。方案(2):利用Kretschman 棱鏡型表面等離子體共振結(jié)構(gòu)的柱面棱鏡，釆用電子束蒸發(fā)技術(shù)在K9玻璃柱面 棱鏡底面沉積厚度為2nm的鉻(Cr,純度為99.99%)，然后再利用電阻熱蒸發(fā)法在 鉻膜表面再沉積厚度為50nm金膜(Au,純度為99.99%)，見圖2(b)。由于金膜與 玻璃襯底的結(jié)合能力比較弱，而金屬鉻與玻璃及金膜的結(jié)合能力都較強(qiáng)，因此需 要在棱鏡底面先蒸鍍一層薄的鉻膜作為吸附層然后再沉積一層金薄膜作為SPR的 敏感層。為了減少外界環(huán)境對(duì)敏感膜靈敏度的影響，我們將不同折射率的酒精水 溶液封裝于上述兩個(gè)方案中的耦合敏感層(如圖2所示)作為SPR實(shí)驗(yàn)的標(biāo)準(zhǔn)試樣。 鍍膜的真空條件均為5x10—4pa的真空狀態(tài)下，其中金屬膜(Au、 Ag以及Cr) 是在室溫下蒸發(fā)完成，而二氧化硅膜是在襯底溫度為200攝氏度下進(jìn)行的。沉積 速率以及薄膜厚度由石英晶振測(cè)厚儀(FCM-II)檢測(cè)控制，并利用臺(tái)階儀(AMBIOS-XP-l)校正得到。鍍膜的沉積速率均約為0.1 nm/s，不同薄膜的厚度見 圖2所示。
光強(qiáng)檢測(cè)器件反射光光強(qiáng)的檢測(cè)采用杭州精飛光學(xué)儀器制造有限公司制造 的與光源配套的光強(qiáng)檢測(cè)設(shè)備，該套光強(qiáng)檢測(cè)設(shè)備是由硅光電池及其配套的放大 電路組成，并且只對(duì)波長(zhǎng)為635nm的入射光敏感，從而減少了外界環(huán)境對(duì)檢測(cè)結(jié) 果的影響，提高了靈敏度。圖3給出了光強(qiáng)檢測(cè)設(shè)備的結(jié)構(gòu)圖。圖中將分光計(jì)望 遠(yuǎn)鏡的物鏡和目鏡等元件卸除，然后在物鏡處裝上硅光電池光強(qiáng)檢測(cè)元件，并通 過放大電路以數(shù)值顯示的模式測(cè)量反射光的強(qiáng)度，見圖3。
對(duì)于分光計(jì)載物臺(tái)的改進(jìn)，我們?cè)O(shè)計(jì)了二維水平調(diào)節(jié)架組合件，不僅可以固 定柱面棱鏡，而且可以利用其來調(diào)節(jié)入射光與載物臺(tái)中心軸垂直，如圖4所示。 二維水平調(diào)節(jié)基座有兩顆調(diào)節(jié)螺絲和一顆彈簧螺絲組成，在調(diào)節(jié)二維水平調(diào)節(jié)架 的中心軸與入射光空間垂直時(shí)，先調(diào)節(jié)平行光管傾斜角度，使得激光光斑位于準(zhǔn) 星的最底部，調(diào)節(jié)螺絲與平行光管光軸水平調(diào)節(jié)螺釘，使得在每一角度時(shí)，激光 光斑位于準(zhǔn)星最底部中心處；按照上述的調(diào)節(jié)方法，依次調(diào)節(jié)平行光管的傾斜角， 轉(zhuǎn)動(dòng)載物臺(tái)，調(diào)節(jié)螺絲及平行光管光軸水平調(diào)節(jié)螺釘，使激光光斑都位于準(zhǔn)星的 中心處。
本實(shí)施例的具體試驗(yàn)過程為
第一步打開激光器開關(guān)，調(diào)整圖l所示的偏振片的偏振方向，得到所需的 P偏振光。
第二步調(diào)節(jié)二維水平組合調(diào)節(jié)架，使得入射激光束與分光計(jì)中心軸垂直。 具體調(diào)節(jié)步驟如下
在二維水平調(diào)節(jié)基座上先安裝準(zhǔn)星7，如圖4(a)所示。通過漸進(jìn)法調(diào)整入射 光方向與二維水平調(diào)節(jié)基座的調(diào)節(jié)螺釘，逐步調(diào)整使得入射光方向與二維水平調(diào)
節(jié)架的中心軸垂直調(diào)節(jié)平行光管傾斜角度，使得激光光斑位于準(zhǔn)星的最底部，調(diào)節(jié)螺絲與平行光管光軸水平調(diào)節(jié)螺釘，使得在每一角度時(shí)，激光光斑位于準(zhǔn)星 最底部中心處；然后調(diào)節(jié)平行光管的傾斜角，使得激光束光斑位于準(zhǔn)星的中部。 轉(zhuǎn)動(dòng)載物臺(tái)，調(diào)節(jié)螺絲及平行光管光軸水平調(diào)節(jié)螺釘，使激光光斑都位于準(zhǔn)星的 中間處；繼續(xù)調(diào)節(jié)平行光管的傾斜角，使得激光束光斑位于準(zhǔn)星的頂端。轉(zhuǎn)動(dòng)載 物臺(tái)時(shí)激光光斑始終都位于準(zhǔn)星的頂端，即調(diào)整入射光與分光計(jì)中心軸垂直。
第三步在調(diào)整完畢二維水平調(diào)節(jié)基座，移去準(zhǔn)星7，將耦合敏感元件(即圖 2所示的柱面棱鏡6)放入二維水平調(diào)節(jié)基座中原準(zhǔn)星所在位置，如圖4(b)所示。 在實(shí)驗(yàn)過程中，利用分光計(jì)轉(zhuǎn)盤的機(jī)械轉(zhuǎn)動(dòng)改變?nèi)肷涔獾娜肷浣嵌?，入射角度?62。到88。逐一改變，入射角最小改變度數(shù)為A^:r，從而檢測(cè)出不同入射光角度 下反射光強(qiáng)的大小，當(dāng)反射光強(qiáng)最小時(shí)即發(fā)生了表面等離子體共振，這時(shí)的入射 角即為共振角。
我們采用上述調(diào)節(jié)方法利用敏感膜為Ag膜及Au膜的敏感元件分別檢測(cè)了折 射率分別為1.3325、 1.3387、 1,3451、 1.3525、 1.3567、 1.359、 1.3615、 1.3638
的酒精水溶液標(biāo)準(zhǔn)試樣的SPR共振曲線及共振角與試樣折射率的關(guān)系曲線。
圖5(a)、 (b)分別是敏感膜為Ag膜測(cè)得8種標(biāo)準(zhǔn)試樣的SPR共振曲線及共振 角與折射率的關(guān)系曲線。我們發(fā)現(xiàn)共振曲線的共振深度可以達(dá)到20%以下。共振 角隨酒精折射率的變化而變化明顯。將共振角與折射率的關(guān)系曲線進(jìn)行擬合，發(fā) 現(xiàn)共振角與酒精溶液折射率之間存在以下關(guān)系《^ =-133.63935 + 139.57564"，
靈敏度為139.57564。/RIU。
敏感膜為Au膜測(cè)得8種標(biāo)準(zhǔn)試樣的SPR共振曲線及共振角與折射率的關(guān)系 曲線如圖6(a)、 (b)所示。將共振角與折射率的關(guān)系曲線進(jìn)行擬合，發(fā)現(xiàn)共振角與 酒精溶液折射率之間存在以下關(guān)系《p =-121.3825 + 144.04152"，靈敏度為
144.041527RIU。
權(quán)利要求
1、一種表面等離子體共振實(shí)驗(yàn)儀，其特征在于所述表面等離子體共振實(shí)驗(yàn)儀包括光源系統(tǒng)、耦合傳感元件和光強(qiáng)檢測(cè)器件；所述光源系統(tǒng)包括激光二極管和偏振片，所述偏振片位于所述激光二極管與耦合傳感元件之間；所述耦合傳感元件為Kretschman棱鏡型表面等離子體共振結(jié)構(gòu)的柱面棱鏡；所述光強(qiáng)檢測(cè)器件為硅光電池光強(qiáng)檢測(cè)元件，所述硅光電池光強(qiáng)檢測(cè)元件包括硅光電池和放大電路。
2、 如權(quán)利要求1所述的表面等離子體共振實(shí)驗(yàn)儀，其特征在于所述表面等離子 體共振實(shí)驗(yàn)儀還包括二維水平調(diào)節(jié)基座，分光計(jì)載物臺(tái)上安裝所述二維水平調(diào)節(jié) 基座，所述柱面棱鏡安裝在所述二維水平調(diào)節(jié)基座上。
3、 如權(quán)利要求1或2所述的表面等離子體共振實(shí)驗(yàn)儀，其特征在于在所述柱面 棱鏡中，采用電阻熱蒸發(fā)法在K9玻璃柱面棱鏡光學(xué)底面沉積厚度為50nm銀膜， 然后利用電子束蒸發(fā)技術(shù)在銀膜表面再沉積厚度為5nm的二氧化硅。
4、 如權(quán)利要求1或2所述的表面等離子體共振實(shí)驗(yàn)儀，其特征在于在所述柱面 棱鏡中，采用電子束蒸發(fā)技術(shù)在K9玻璃柱面棱鏡底面沉積厚度為2nm的鉻，然 后再利用電阻熱蒸發(fā)法在鉻膜表面再沉積厚度為50nm金膜。
全文摘要
一種表面等離子體共振實(shí)驗(yàn)儀，所述表面等離子體共振實(shí)驗(yàn)儀包括光源系統(tǒng)、耦合傳感元件和光強(qiáng)檢測(cè)器件；所述光源系統(tǒng)包括激光二極管和偏振片，所述偏振片位于所述激光二極管與耦合傳感元件之間；所述耦合傳感元件為Kretschman棱鏡型表面等離子體共振結(jié)構(gòu)的柱面棱鏡，所述柱面棱鏡位于二維水平調(diào)節(jié)組合架上；所述光強(qiáng)檢測(cè)器件為硅光電池光強(qiáng)檢測(cè)元件，所述硅光電池光強(qiáng)檢測(cè)元件包括硅光電池和放大電路。本發(fā)明提供一種具有多種試驗(yàn)項(xiàng)目、降低成本的表面等離子體共振實(shí)驗(yàn)儀。
文檔編號(hào)G09B23/00GK101599229SQ20091010047
公開日2009年12月9日 申請(qǐng)日期2009年6月30日 優(yōu)先權(quán)日2009年6月30日
發(fā)明者柳永寬, 超 汪, 申屠藩, 霞 蔡, 許曉軍, 隋成華, 魏高堯 申請(qǐng)人:浙江工業(yè)大學(xué);杭州精飛光學(xué)儀器制造有限公司;杭州匯達(dá)光電儀器有限公司