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1、第３１卷，第８期光譜學(xué)與光譜分析Ｖｏｌ．３１，Ｎｏ．８，ｐｐ２０１７－２０２０２０１１年８月ＳｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙａｎｄＳｐｅｃｔｒａｌＡｎａｌｙｓｉｓＡｕｇｕｓｔ，２０１１太赫茲表面等離激元共振傳感器馮輝，汪力＊北京凝聚態(tài)物理國家實驗室，中國科學(xué)院物理研究所，北京１００１９０摘要對通過棱鏡耦合的太赫茲表面等離激元共振傳感器的工作特性進(jìn)行了理論分析。此類器件在可見光波段工作時，在由樣品折射率、金屬膜層性質(zhì)和厚度決定的共振角度下會出現(xiàn)一個反射極小峰；但工作在太赫茲頻率時，表面等離激元共振現(xiàn)象表現(xiàn)為一個反射增強(qiáng)的尖峰，而且這一共振角度與棱鏡和樣品的折
2、射率之間存在一個簡單的對應(yīng)關(guān)系，并不依賴于棱鏡所鍍金屬膜層的性質(zhì)與厚度?？紤]到生物分子在太赫茲頻率存在與其微觀結(jié)構(gòu)相關(guān)的電磁響應(yīng)，該探測器在生物和醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的科學(xué)研究和應(yīng)用中將有獨(dú)特的應(yīng)用價值。關(guān)鍵詞太赫茲；表面等離激元共振傳感器；生物探測中圖分類號：Ｏ４３３．１文獻(xiàn)標(biāo)識碼：ＡＤＯＩ：１０．３９６４／ｊ．ｉｓｓｎ．１０００－０５９３（２０１１）０８－２０１７－０４［７］。表面等離激元共振傳感器的工作原理是：合來激發(fā)產(chǎn)生引言入射光激發(fā)金屬薄膜和電介質(zhì)界面產(chǎn)生表面等離激元，當(dāng)與金屬薄膜后面的樣品介電性質(zhì)相關(guān)的耦合條件滿足時，入射許多生物大分子與結(jié)構(gòu)相關(guān)的
3、特征振動和轉(zhuǎn)動能級處在波將會和表面等離子波發(fā)生共振相互作用，使反射光的性質(zhì)太赫茲頻率，因此太赫茲光譜分析技術(shù)在生物和醫(yī)學(xué)領(lǐng)域具發(fā)生改變，并帶有樣品的電磁響應(yīng)信息。根據(jù)光波與表面等［１］。２０００年Ｍａｒｋｅｌｚ等首次報道了用太赫有重大的應(yīng)用前景離激元相互作用的具體性質(zhì)，表面等離激元傳感器的工作方［２］。２００２年，Ｆｉｓｃｈｅｒ茲光譜研究生物分子中的集體振動模式式可以分為角度調(diào)制、波長調(diào)制、強(qiáng)度調(diào)制、相位調(diào)制和偏［８］。Ｍａｔｓｕｂａｒａ等使用表面等離激元共振傳感器測量等報道了用太赫茲時域光譜技術(shù)測量ＤＮＡ成分的遠(yuǎn)紅外介振調(diào)制［３］。２００７年，Ｌ
4、ｉｕ等使用差分太赫茲時域光譜測量了［９］，測量精度可達(dá)１０－４。Ｌｉｅｄ－電函數(shù)了酒精水溶液中酒精的濃度［４］。盡管太赫茲技術(shù)在生物領(lǐng)域取生物單細(xì)胞層的微小改變ｂｅｒｇ報道了表面等離激元共振傳感器在生物探測中的應(yīng)［１０］。Ａｄａｍ報道了使用光柵耦合的表面等離激元共振傳感得了上述成果，但是仍然存在一個重要問題需要解決：由于用［５］，極大地阻礙了對含水緩沖液水對太赫茲輻射的嚴(yán)重吸收器同時測量了探測器表面的牛血清蛋白層的厚度和折射［１１］。另為還有一些其他比較特別的例子，例如：金屬表面中近生理條件下的生物樣品進(jìn)行分析。迄今為止，在已有的率［１２］、在香煙
5、的煙霧中測量尼古?。郏保常萁^大多數(shù)實驗研究中，所分析的生物樣品都是一些干的粉末附近的折射率改變以及［１４］或者是多晶粉末和聚乙烯粉末的混合物。但是水在生命中扮單層膜的折射率和厚度測量等。演著重要角色，離開了水生物分子就要失去其生物功能。所雖然基于棱鏡耦合的表面等離激元共振傳感器在可見光以，有效地對含水緩沖液中生物樣品進(jìn)行太赫茲光譜測量和波段已是一項很成熟的技術(shù)，但工作在太赫茲波段的相應(yīng)器分析是一個急待解決的問題。件還未見報道。利用等離激元共振傳感器進(jìn)行探測，入射波在可見光波段，基于界面響應(yīng)分析和反射測量技術(shù)的表并不直接穿過樣品進(jìn)行透射測量，這就無需
6、考慮水對太赫茲面等離激元傳感器已經(jīng)在生物和醫(yī)學(xué)研究中廣泛使用，對液輻射的吸收。因此，太赫茲表面等離激元共振分析技術(shù)在生體樣品蹬電磁響應(yīng)性質(zhì)進(jìn)行測量和分析。所謂表面等離激元物和醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的科學(xué)研究和應(yīng)用中應(yīng)該具有很大的潛力。本共振，是存在于金屬和電介質(zhì)界面的一種電荷密度振蕩本征文將對通過棱鏡耦合的太赫茲表面等離激元共振傳感器的工［６］，它可以通過入射光經(jīng)棱鏡耦合、光柵耦合或波導(dǎo)耦模式作特性進(jìn)行詳細(xì)的分析。收稿日期：２０１０－１０－１２，修訂日期：２０１１－０４－０１基金項目：國家自然科學(xué)基金項目（１０８３４０１５，６１０７７０８２）和科技部（９７３）項
7、目（２００７ＣＢ３１０４０５）資助作者簡介：馮輝，１９８３年生，中國科學(xué)院物理研究所博士研究生ｅ－ｍａｉｌ：ｆｅｎｇｈｕｉ＠ａｐｈｙ．ｉｐｈｙ．ａｃ．ｃｎ＊通訊聯(lián)系人ｅ－ｍａｉｌ：ｗａｎｇｌｉ＠ａｐｈｙ．ｉｐｈｙ．ａｃ．ｃｎ２０１８光譜學(xué)與光譜分析第３１卷２πεｄεｍ傳播常數(shù)，是半無窮大金屬和電介質(zhì)界面上表１計算方法λ槡εｄ＋εｍ面等離激元波的傳播常數(shù)，Δβ是由于棱鏡的存在和金屬層圖１是棱鏡耦合表面等離激元共振傳感器的結(jié)構(gòu)和工作的有限厚度帶來的表面等離子體傳播常數(shù)的改變。在太赫茲原理的一個示意圖。入射波和金屬－介電材料界面處表面等波段，因為εｄ＜＜
8、εｍ，式（３）中的根號項可以表達(dá)為ｎｄ。此離激元之間的相互作用可以使用菲涅爾多層反射理論來研外，不同角度的反射信號中會出現(xiàn)
