(19)国家知识产权局 (12)发明 专利申请 (10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请 号 202210211356.4 (22)申请日 2022.03.04 (71)申请人 南京理工大 学 地址 210094 江苏省南京市玄武区孝陵卫 200号 (72)发明人 沈哲　资雪飞　张林　 (74)专利代理 机构 南京理工大 学专利中心 32203 专利代理师 朱炳斐 (51)Int.Cl. G01N 21/01(2006.01) G01N 21/552(2014.01) (54)发明名称 一种引入金属探针的聚焦表面等离子体共 振传感器 (57)摘要 本发明公开了一种引入金属探针的聚焦表 面等离子体共振传感器， 包括： 光源、 分束器、 显 微物镜、 玻璃基底、 金属膜、 传感介质、 金属探针、 透镜元件、 成像器件CCD和终端工作站。 本发明所 提供的传感器， 相比于聚焦的表 面等离子体共振 传感器而言， 额外引入了金属探针， 是一种局域 等离子体共振和表面等离子体共振相互作用的 传感器， 对折射率的变化更加敏感， 对背景的噪 声抑制能力更强。 另外， 额外引入的金属探针具 备横向扫描成像的能力， 在能探测传感介质的折 射率同时还能对传感介质进行成像， 有助于更全 面的了解传感介质特征， 这在对化学分析、 生物 检测和生命科 学等领域有重大意 义。 权利要求书1页 说明书7页 附图4页 CN 114624190 A 2022.06.14 CN 114624190 A 1.一种引入金属探针的聚焦表面等离子体共振传感器， 其特征在于， 包括光源(1)、 分 束器(2)、 显微物镜(3)、 玻璃基底(4)、 金属膜(5)、 表面等离激元虚拟探针(6)、 传感介质 (7)、 金属探针(8)、 第一透镜元件(9)、 第二透镜元件(10)、 成像器件CCD(11)和终端工作站 (12)； 所述光源(1)与分束器(2)同轴设置， 在分束器(2)的透射光方向上沿光轴依次设置显 微物镜(3)、 玻璃基底(4)， 在分束器(2)的反射光方向上沿光轴同轴依次设置第一透镜元件 (9)、 第二透镜元件(10)、 成像器件(11)； 所述玻璃基底(4)上设置金属膜(5)， 该金属膜(5) 上表面设置传感介质(7)， 且其上方同时悬空设有金属探针(8)； 光源(1)透过分束器(2)被 显微物镜(3)聚焦， 聚焦的光源(1)在特定角度下依次透过玻璃基底(4)和金属膜(5)， 在金 属膜(5)上产生聚焦 的等离子体场即表面等离激元虚拟探针(6)， 该虚拟探针与金属探针 (8)相互作用， 产生强的等离子体场用于对传感介质(7)进行传感； 其余角度入射的光源(1) 依次经金属膜(5)反射、 玻璃基底(4)透射、 分束器(2)反射后， 通过第一透镜元件(9)、 第二 透镜元件(10)成像至成像器件(11)， 成像器件(11)的数据信息传输至终端工作站(12)进行 传感分析。 2.根据权利要求1所述的引入金属探针的聚焦表面等离子体共振传感器， 其特征在于， 所述光源(1)的偏振态为径向偏振， 工作波长为单一波长 。 3.根据权利要求1所述的引入金属探针的聚焦表面等离子体共振传感器， 其特征在于， 所述分束器(2)为半透半反镜 。 4.根据权利要求1所述的引入金属探针的聚焦表面等离子体共振传感器， 其特征在于， 所述金属膜(5)的材 料为Au或Ag， 厚度范围为 40nm‑60nm。 5.根据权利要求1所述的引入金属探针的聚焦表面等离子体共振传感器， 其特征在于， 所述显微物镜(3)的最大会聚角满足 其中NA为显微物镜(3)的数值 孔径， θspp为表面等离激元的激发角度， n 为显微物镜(3)周围的折 射率。 6.根据权利要求1所述的引入金属探针的聚焦表面等离子体共振传感器， 其特征在于， 所述金属探针(8)的曲率半径选择范围为1nm ‑200nm， 长度范 围为500nm ‑1000nm， 角度为锐 角。 7.根据权利要求1所述的引入金属探针的聚焦表面等离子体共振传感器， 其特征在于， 所述金属膜(5)与金属探针(8)的纵向间距d在表面等离激元穿透深度z以内， 即 其中c是光速， w是角频率， ε1是金属膜(5)周围介质的介电常数， ε2是金属膜(5)的介电常数。 8.根据权利要求7所述的引入金属探针的聚焦表面等离子体共振传感器， 其特征在于， 所述传感介质(7)与金属膜(5)的距离d1满足0<d1<d。 9.根据权利要求1所述的引入金属探针的聚焦表面等离子体共振传感器， 其特征在于， 所述第一透 镜元件(9)、 第二透 镜元件(10)为会聚透 镜， 并与成像 器件(11)构成望远系统。权　利　要　求　书 1/1 页 2 CN 114624190 A 2一种引入金属探针的聚焦表面等离 子体共振传感器 技术领域 [0001]本发明属于于光学传感领域， 特别是一种引入金属探针的聚焦表面等离子体共振 传感器。 背景技术 [0002]表面等离激元是光在特定频率下， 入射至金属 薄膜上， 光子与电子相互振荡而形 成的光子和电子的耦合态， 是一种沿着金属表面传播的横向电磁波， 其能量沿着纵向方向 呈指数衰减， 在微纳尺度内具有一定的穿透能力。 该横向电磁波的振荡频率取决于重金属 和其周围介质的折射率， 因此表面等离激元对周围介质的折射率变化很敏感。 不同环境的 折射率支持不同的表面等离激元共振频率， 利用这一特性， 基于表面等离激元 的光学折射 率传感器是一种非接触的、 反应灵敏的和无荧光标记的新型微纳探测器件， 在生物分子检 测、 化学分析和环境 监控等方面受到广大研究人员的青睐。 [0003]基于表面等离激元的光学折射率传感器得到了快速的发展。 传统的利用表面等离 激元做光学折射率传感有两种结构： 一种是棱镜 ‑金属薄膜耦合的Kretschmann结构； 一种 是在金属表面进行工艺刻蚀形成的金属 光栅结构。 然而， 这两种 结构单一的表面等离子体 共振模式导致金属层上 的表面等离激元局 域化程度不高， 在传感方面表现出灵敏度低下、 可探测的折射率范围小和低信噪比的缺点， 难以满足一些检测应用的需求。 另外， 传统的 Kretschmann结构进行传感需要特定的入射角度才 能在金属层上表面产生表面等离激元。 如果采用单一的光源进行折射率传感， 不同介质层的折射率对应不同的表面等离子体共振 频率， 这就需要不同的入射角度， 这意味着在实际应用中我们需要不断改变入射光的角度 进行光学折射率的传感， 显然在集 成方面是不占优势的， 在操作方面是不方便的， 同时这对 系统的稳定性要求 也高。 [0004]为了得到相对高灵敏度、 实时性的光学折射率传感器， 同时在操作方面简单， 无需 调整入射角度， 研究人员在以往的Kretsch mann结构做了改进， 通过使用紧聚焦的径向偏振 光垂直入射至Kretsch mann结构， 在金属薄膜上产生了强的等离子体场， 即表 面等离激元虚 拟探针， 一定程度上提升了传感灵敏度。 另外该聚焦光源本身包含多角度的入射光源信息， 无需额外调整入射光的角度。 同时仅靠CCD成像器件收集反射光信息就能够就行传感， 操作 简单。 然而， 基于表面 等离激元虚拟探针的折 射率传感器的传感灵敏度仍有 待提升。 发明内容 [0005]本发明的目的在于针对上述现有技术存在的问题， 提供一种高灵敏度、 实时性快、 信噪比高、 多功能的光学折 射率传感器。 [0006]实现本发明目的的技术解决方案为： 一种引入金属探针的聚焦表面等离子体共振 传感器， 包括光源、 分束器、 显微物镜、 玻璃基底、 金属膜、 传感介质 、 金属探针、 第一透镜元 件、 第二透镜元件、 成像器件CCD和终端工作 站； 所述光源与分束器同轴设置， 在分束器的透 射光方向上沿光轴依 次设置显微物镜、 玻璃基底， 在分束器的反射光方向上沿光轴同轴依说　明　书 1/7 页 3 CN 114624190 A 3