SPR 波导耦合
SPR技术简介

SPR传感器的基本结构
1. 光波导耦合器件 2. 金属膜 3. 分子敏感膜
光波导耦合器件
Krestschmann 棱镜型 光栅型
光纤在线传输式
光纤终端反射式 Otto棱镜型 金属膜 分子敏感膜
金属膜
反射率高 化学稳定性好
Au 膜和Ag 膜是SPR 中最常用的两种金属薄膜
膜的厚度:50-100nm
SPR基本原理
当入射光波长固定时, 反射光强度是入射角的 函数,其中反射光强度 最低时所对应的入射角 称为共振角
SPR检测原理
SPR对附着在金属薄膜表面的介质折射率非常敏感 ,当表面 介质的属性改变或者附着量改变时,共振角将不同。因此, SPR 谱(共振角的变化 vs 时间)能够反映与金属膜表面接 触的体系的变化。
棱镜耦合
棱镜是SPR研究中应用最为广泛的光学耦合器件。棱镜由高折射率的非 吸收性的光学材料构成,其底部镀有厚度为50nm左右的高反射率的金属薄 膜(一般为金或银),膜下面是电介质。在SPR传感器中,该电介质即为待 测样品。由光源发出的p-偏振光以一定的角度θ0入射到棱镜中,在棱镜与 金属的界面处将发生反射和折射。当θ0大于临界角θc时,光线将发生全 内反射,即全部返回到棱镜中,然后,从棱镜的另一个侧面折射出去。这 里入射光应当用p-偏振光,因为其电场分量与界面垂直,这与表面等离子 体波的情况一致。
表面离子体共振 Surface plasmon resonance
组员:
Outline
• SPR技术简介 • SPR仪器介绍 • SPR应用
• SPR技术简介
1.表面等离子体共振(Surface plasmon resonance,SPR), 又称表面等离子体子共振,表面等离激元共振,是一种物理 光学现象,有关仪器和应用技术已经成为物理学、化学和生 物学研究的重要工具。 2.发展概史
表面等离子共振技术介绍

SPR仪的结构及工作原理
朱倩 90513126
表面等离子共振技术介绍
Biacore 3000
Biacore Control
工作仪器
表面等离子共振技术介绍
Biacore 3000工作仪器
核心部件: 传感器芯片 液体处理系统 光学系统
其他: LED状态指示器 温度控制系统
表面等离子共振技术介绍
发展简史
1902年,Wood在光学实验中发现SPR现象 1941年,Fano解释了SPR现象 1971年,Kretschmann为SPR传感器结构奠定了基础 1983年,Liedberg将SPR用于IgG与其抗原的反应测定 1987年,Knoll等人开始SPR成像研究 1990年,Biacore AB公司开发出首台商品化SPR仪器
2.等离子波
等离子体 等离子体通常是指由密度相当高的自由正、 负电荷组成的气体,其中正、负带电粒子数目 几乎相等。
金属表面等离子波 把金属的价电子看成是均匀正电荷背景下运 动的电子气体,这实际上也是一种等离子体。 由于电磁振荡形成了等离子波。
表面等离子共振技术介绍
3.SPR光学原理
表面等离子共振技术介绍
表面等离子共振原理
1. 消逝波 2. 等离子波 3. SPR的光学原理
表面等离子共振技术介绍
1.消逝波
菲涅尔定理: n1 sinθ1 = n2 sinθ2
当光从光密介质 密 入射到光疏介质 时(n1>n2)就 会有全反射现象 疏 的产生。
密
疏
表面等离子共振技术介绍
1.消逝波
密
界面 疏 这表示沿X轴方向传播而振幅衰减的一个波,这就是消逝波。 全反射的光波会透过光疏介质约为光波波长的一个深度,再 沿界面流动约半个波长再返回光密介质。光的总能量没有发 生改变。透入光疏介质的光波成为消逝波。 表面等离子共振技术介绍
表面等离子共振(SPR)技术

光纤在线传输式
光栅型
光纤终端反射式
金属膜 分子敏感膜
21
棱镜型装置工作原理
(a) Otto 型
(b) Kretschmann 型
22
光纤型光波导耦合器
在线传输式SPR 光纤传感器
23
光纤型光波导耦合器
终端反射式SPR 光纤传感器
24
光栅型光波导耦合器
25
传感芯片——金属膜
反射率高 化学稳定性好 厚度合适
32
Biacore 3000的LED状态指示器
LED(light-emitting diode)
• Ready:亮/灭 • Error:亮/灭 • Temperature:稳定/闪烁 • Sensor Chip:稳定/闪烁 • Run:亮/灭
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Biacore 3000的温度控制系统
34
SPR 技术的应用
11
SPR的响应模式
12
SPR的检测模式
直接检测: 适用于大分子 (>1000 Da)
13
SPR的检测模式
抑制模式: 将待测小分子 固定在传感器 表面,在样品 中加入过量对 应大分子。
14
SPR仪的结构及工作原理
15
Biacore 3000
Biacore Control
工作仪器
16
Biacore 3000工作仪器
41
42
食品领域
维生素检测 生物毒素检测 细菌和病原菌检测 农、兽药残留量检测
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微流控多通道SPR检测
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SPR Imaging
Layout and photograph of the microfluidic chip designed for coupling with SPR imaging system
顾悦_Y05110108_SPR在细胞检测中的应用

本科毕业设计(论文)题目SPR在细胞检测中的应用学院物理与电子工程学院年级10级专业电子科学与技术班级Y051101学号Y05110108学生姓名顾悦指导教师李方强职称论文提交日期摘要细胞生物学的众多研究项目一直被认为是生命科学研究领域的重要组成部分。
虽然目前有大量的仪器应用于细胞检测,但其各自因具有需要荧光标记、灵敏度低、对细胞具有破环性、无法实时检测等一个或多个缺点而限制了细胞检测技术的发展。
而基于表面等离子体共振(SPR)的传感方法是一种具有无需标记、高通量、高灵敏、可实时检测等特性的新颖光学检测方法。
因此,将SPR技术应用于细胞检测的应用中具有十分重要的意义。
本文主要研究,表面等离子体共振(SPR)传感技术在细胞检测中的应用。
利用MATLAB R2012b软件对基于角度调制的克莱舒曼型棱镜耦合传感模型的各参数进行数值仿真,得出各参数之间的相互关系。
通过改变模型各参数,使其在中红外波段形成最强共振吸收峰(SPW),以增加激发波长的方式来增加检测深度,从而更准确可靠地完成一些与SPW相匹配的生物细胞的测量。
关键字:SPR;细胞检测;中红外;仿真AbstractCell Biology has been seen as a very important part of life science research, and cell biology is one of the four basic life science disciplines in our country. There are a large number of instruments used in cell detection, but these instruments have one or more weak points, needing fluorescently labeled, low sensitivity, damaging cells, not real-time monitoring and etc, limiting the development of Cell Detection Technology. However, SPR sensor is a novel detection method, sensitive, high-throughput, without fluorescently labeled, capable of real-time monitoring and etc. Therefore, the SPR technology for cell detection application has very important significance.This paper mainly studies SPR sensing technology in cell detection. To numerical simulation for each parameter of Kretschmann-Raether prism sensor model based on the parameters of angle modulation with MATLAB software. By changing the parameters of the model to be formed in the maximum resonance infrared absorption peak (SPW), to increase the wavelength of the incident wave to increase the detection depth, thus completing the measurement more accurate and reliable SPW several matching the measurements of biological cells.Keywords: SPR; cell detection; infrared band; simulation目录第一章绪论 (6)1.1概述 (6)1.1.1细胞检测的意义 (6)1.1.2 细胞检测技术的研究现状 (7)1.1.3 细胞检测技术存在的问题 (12)1.2 基于SPR传感的细胞检测 (13)1.2.1 SPR现象与传感原理 (13)1.2.2 基于SPR传感的细胞检测技术概述 (15)1.2.3 SPR传感用于细胞检测的优势及瓶颈问题 (17)1.3 课题内容和意义 (18)第二章SPR传感用于细胞检测的理论分析 (19)2.1 棱镜耦合式SPR传感模型 (19)2.2 SPW的特性 (21)2.2.1 SPW的传播特性 (21)2.2.2 SPW穿透深度与激发波长的关系 (23)2.3 SPR细胞检测模型的建立及分析 (24)2.3.1 细胞的等效折射率 (24)2.3.2 SPR细胞检测的物理模型 (24)2.3.3 SPR传感的灵敏度分析 (25)第三章SPR细胞检测模型的设计 (26)3.1 Kreschmann SPR传感模型的数值模拟 (26)3.2金属膜材料与厚度的选择 (28)3.2.1金属膜材料的选择 (28)3.2.2 Ag膜厚度的选择 (29)3.3 Ag膜的制备工艺 (31)3.4 Ag膜SPR细胞检测模型的可行性分析 (31)第四章总结与展望 (32)参考文献 (33)第一章绪论1.1概述1.1.1细胞检测的意义细胞组学作为细胞生物学研究的一个前沿分支,它结合了基因组学、蛋白质组学与转录组学的技术等,主要对细胞结构以及内部DNA或蛋白质的功能进行研究。
动态范围可调的波导型SPR传感器模型

分 布 决 定 了其 能 量 大 部 分 分 布 于 金 属 表 面一 个 光 波
长 以 内 ,因 此 表 面 物 质 的光 学 性 质 的 变 化 对 共 振 有
射 率 、 射 波 长 和 角 度 设 定 一 个 工 作 点 。入 射 波 长 和 入
角 度 固定 , 品 折 射 率 的微 小 变化 使 输 出光 功 率 在 工 样
K y w r s u f epa mo eo a c ( P ; l too t a mo uao ; h s th rn fr t x e o d :s r c l a s n rs n n e S R) ee r- p i l d ltr p aemac ;t s e r c c a a m i
S R 传 感 器 中 , 射 光 必 须 用 P极 化 光 , 电 P 入 即 场 振 动 方 向平 行 于 入 射 面 。定 性 地 说 , S极 化 的 偏
振 光 ( 电波 ) 横 电场 方 向 平 行 于 界 面 , 属 电 子 的 运 金
自 由 电子 产 生 等 离 子 波 。在 人 射 角 和 光 波 长 为某 一 适 当 值 时 , 面 等 离 子 体 波 的 纵 向波 矢 与 衰 逝 波 的 表 纵 向波 矢 相 等 , 位 匹 配 , 者 发 生 共 振 , 射 光 能 相 二 入
金 红 涛 ,马 万 云
( 华 大 学 应 用物 理 系 , 京 108 ) 清 北 0 0 4
摘
要 :表 面等 离 子体 共振 ( P 技术 是 一种 简 单 直 接 的 传感 技 术 , P S R) S R对 金 属 表 面 附 近 的折 射 率 的变
化极 为 敏感 , 利用 这 一性 质 , 面等 离 子体 共振 传感 器 已成 为 生物 传 感器 研究 领域 的热点 。现提 出一 种 电 表
SPR

1941年,Fano用金属与空气界面的表面电磁波激发模 型对SPR现象做出了解释。 1957年,Ritchie发现,当电子穿过金属薄片时存在数 量消失峰,他将这种消失峰称之为“能量降低的”等 离子体模式,并指出了这种模式与薄膜边界的关系, 第一次提出了用于描述金属内部电子密度纵向波动的 “金属等离子体”的概念。 1959年, Powell和Swan用高能电子发射法测定了金属 铝的特征电子能量损失,其结果可用Ritchie的理论来 解释,证实了Ritchie的理论。
全反射 菲涅尔定理:n1
当光从光密介质射入 光疏介质(n1>n2), 入射角增大到某一角 度,使折射角达到 90°时,折射光将完 全消失,而只剩下反 射光,这种现象叫做 全反射。
sinθ1 = n2 sinθ2
密
疏
密
疏
消逝波
密
界面
疏
当以波动光学的角度来研究全反射时,人们发现当入射 光到达界面时并不是直接产生反射光,而是先透过光疏介质 约一个波长的深度,再沿界面流动约半个波长再返回光密介 质,而光的总能量没有发生改变。则透过光疏介质的波被称 为消逝波。
表面等离子体波(Surface plasma wave,SPW)
表面等离子体振动产生的电荷密度波,沿着金属和 电介质的界面传播,形成表面等离子体波,其场矢量在 界面处达到最大,并在两种介质中逐渐衰减。表面等离 子体波是TM极化波,即横磁波(Transverse Magnetic mode),其磁场矢量与传播方向垂直,与界面平行,而 电场矢量则垂直于界面。
1968-1971年,Kretschmann和Otto各自利用衰减全反 射的方法证实了光激发表面等离子体共振现象的存在。 1983年,Liedberg首次将SPR技术应用于IgG与其抗原 的反应测定并取得了成功后,SPR以其具有的实时、 高效及无损检验等优于其他生物检测的优势,引起了 人们越来越浓的兴趣,并逐步在很多领域得到广泛应 用。 1987年,Knoll等人开始SPR成像研究。
分析表面等离子体共振和波导耦合特性

分析表面等离子体共振和波导耦合特性表面等离子体共振(Surface Plasmon Resonance,SPR)和波导耦合是两种常用的光学传感器技术,广泛应用于生物传感、化学传感和环境监测等领域。
本文将从原理、传感器设计、器件制备和应用等方面进行分析和讨论。
一、表面等离子体共振原理表面等离子体共振是指当入射光与金属表面处的自由电子耦合形成等离子体波,且满足布拉格共振条件时,会发生共振现象。
这种共振现象产生的电磁场分布在金属和介质之间,形成一个等离子体波。
当有物质吸附在金属表面时,由于折射率的变化,会导致等离子体波的共振角度发生变化,从而可以通过测量共振角度的变化来检测物质吸附的情况。
二、传感器设计表面等离子体共振传感器通常由金属薄膜、玻璃基底和波导构成。
其中,金属薄膜是产生等离子体波的重要组成部分,常用的金属包括银、铝和金等。
金属薄膜通常具有一定的厚度,一般在几十纳米至几百纳米之间。
玻璃基底用于支撑金属薄膜,并形成感光材料与金属之间的界面。
波导则用于引导入射光进入金属薄膜,并通过测量出射光来获取传感信号。
三、器件制备表面等离子体共振传感器的制备过程通常涉及光刻、薄膜沉积和表面修饰等步骤。
首先,使用光刻技术在玻璃基底上制作波导结构,以引导光进入金属薄膜。
然后,通过物理气相沉积或溅射等方法在玻璃基底上沉积金属薄膜。
最后,可以通过自组装、化学修饰等方法对金属表面进行修饰,以增强对目标物质的选择性吸附。
四、应用表面等离子体共振传感器在生物传感、化学传感和环境监测等领域有着广泛的应用。
在生物传感中,通过修饰金属表面的生物分子可以实现对特定生物反应的检测,如蛋白质-蛋白质相互作用、抗原-抗体结合等。
在化学传感中,根据目标物质与金属表面的相互作用,可以实现对化学分子的检测,如气体传感、溶液浓度检测等。
在环境监测中,通过修饰金属表面以增强对特定环境因素的敏感性,可以实时监测空气污染、水质污染等环境问题。
综上所述,表面等离子体共振和波导耦合是两种常用的光学传感器技术,能够实现高灵敏度和实时监测等优势。
SPR生物传感器

SPR生物传感器1 SPR生物传感器的工作原理SPR是一种物理光学现象,是由入射光的电磁波和金属导体表面的自由电子形成的电荷密度波相互作用产生的。
这种沿着金属导体(金、银)表面传播的电荷密度波是一种电磁波,被称为表面等离子体波(Surface Plasmon Wave,SPW)。
它是一种消逝波,在金属内部的分布是随着与表面垂直距离的增大而呈指数衰减的。
当平行表面的偏振光以一定角度照在界面上发生衰减全反射时,入射光被耦合人表面等离子体内,光能大量被吸收,在这个角度由于表面等离子体谐振将引起界面反射率显著减少。
SPR对附着在金属表面的电介质的折射率非常敏感,而折射率是所有材料的固有特征。
因此,任何附着在金属表面上的电介质均可被检测,不同电介质其表面等离子角不同。
而同一种电解质,其附着在金属表面的量不同,则SPR响应强度不同。
基于这种原理,将一种具有特异识别属性的分子(配体)固定在传感芯片表面金属膜上含分析物的样品(受体)以恒定的速度通过传感芯片,与该配体之间发生相互作用,引起金属膜表面溶液的光学参数(如折射率)发生变化,SPR光学信号也随之改变。
记录和处理这些信号可将整个反应显示出来。
基于这种原理的检测仪器被称为SPR生物传感器(SPR Biosensor)。
根据耦合方式的不同,SPR传感器在结构上可分为棱镜耦合式SPR传感器,集成光波导耦合式SPR传感器,光纤式SPR 传感器和光栅耦合式SPR传感器。
根据测量方式,则可分为:(1)角度指示型,固定入射光波长,观测反射光归一化强度达到最小时的入射角;(2)波长指示型,固定入射光的入射角,测量反射光归一化强度达到最小时的波长(3)光强指示型,固定入射光的入射角和波长,测量反射光的归一化光强;(4)相位指示型,固定入射光的角度和波长,测量入射光和反射光的相位差。
此外,根据支撑表面等离子体的金属膜不同,则有金膜型和银膜型。
对光纤SPR传感器,还有单模光纤和多模光纤之分。
SPR

头孢菌素类药物与人血清白蛋白之间的相互作用
1 mmol /L的头孢克洛与HSA作用的SPR光谱(B)
不同浓度的头孢克洛( a)和头孢曲松( b)与共振电压位移的关系曲线
食品工业领域
• • • • 维生素检测 生物毒素检测 细菌和病原菌检测 农、兽药残留量检测
临床医学领域
临床检验
SPR技术证明系统性红斑狼疮(SLE)患者血浆中 含有C4bBP,它与PS结合并阻断后者的抗凝血作 用,揭示了SLE患者常伴有血栓发生的机理。 利用SPR技术在胞外环境中研究控制基因转录、 细胞周期、细胞分裂和凋亡的信号传递途径,从 而可以准确地设计出这些生化作用催化剂的拮抗 物,应用于癌症的治疗。
• 我们在前面提到光以大于临界角入射在光疏介质 和光密介质表面时,会形成衰逝波进入到光疏介 质中,而在介质(假设为金属介质)中又存在一 定的本征等离子波。 • 当物质的本征波遇到外界波的时候可能会发生什 么?
举个共振的例子
• 18世纪中叶,一队士兵在指挥官的口令下,迈着威武雄 壮、整齐划一的步伐,通过法国昂热市一座大桥,快走到 桥中间时,桥梁突然发生强烈的颤动并且最终断裂坍塌, 造成许多官兵和市民落入水中丧生。后经调查,造成这次 惨剧的罪魁祸首,正是共振!因为大队士兵齐步走时,产 生的一种频率正好与大桥的固有频率一致,使桥的振动加 强,当它的振幅达到最大限度直至超过桥梁的抗压力时, 桥就断裂了。类似的事件还发生在俄国和美国等地。有鉴 于此,所以后来许多国家的军队都有这么一条规定:大队 人马过桥时,要改齐走为便步走。
1900年: Wood就发现光波通过光栅后,光频谱发生了小区域的损 失,这是关于表面等离子共振电磁场效应的最早记载。 1909年:Sommerfeld从麦克斯韦的电磁理论出发,引入了复介电 常数的概念,得到了局限在表面附近的电磁波的波解。 1957年:Ritchie首次发现了金属等离子共振现象,为表面等离子 共振仪的诞生提供了理论依据。 20世纪60年代:Otto和Kretschmann等人研究了金属和介质界面 用光学方法激发SPR的问题。分别设计了两种棱 耦合方式。 1990年:第一台商业制造的生物传感器诞生。
SPR技术简介

传感器的基本原理
• 表面等离子体子共振的产生与入射光的角度θ、波长、 金属薄膜的介电常数s及电介质的折射率ns有关,发生共 振时θ和分别称为共振角度和共振波长。对于同一种金 属薄膜,如果固定θ,则与ns有关;固定,则θ与ns有 关。
• 如果将电介质换成待测样品,测出共振时的θ或,就可 以得到样品的介电常数s或折射率ns;如果样品的化学或 生物性质发生变化,引起ns的改变,则θ或也会发生变 化,这样,检测这一变化就可获得样品性质的变化。
对生物分子进行识别及定量检测 研究生物分子间的相互作用
用SPR可获得的信息:
1. 两个分子之间结合的特异性
2. 目标分子的浓度 3. 结合以及解离过程的动力学参数 4. 结合的强度
Applications in life science research
Elucidate the function of novel proteins in proteomics
光声光谱( PAS) 、光热偏转光谱(PDS)、反 射干涉光谱、Ellipsometric Microscopy、电化 学法
微流控多通道SPR检测
Anal. Chem. 2001,73: 5525-5531
SPR扫描显微镜
Optics Communications 2000, 182 : 11–15
SPR缺点
1. 难以区分非特异性吸附 2. 对温度、样品组成等干扰因 素敏感
SPR技术发展动态
1. 提高检测灵敏度
2. 高通量检测(SPR imaging)
3. 与质谱等高分辨仪器联用
4. 敏感器件及测量装置的微型化
提高SPR检测灵敏度的方法
• 纳米技术的应用
以纳米粒子作为载体,夹心法测定
SPR技术全解

SPR基本原理
当入射光波长固定时, 反射光强度是入射角的 函数,其中反射光强度 最低时所对应的入射角 称为共振角
SPR检测原理
SPR对附着在金属薄膜表面的介质折射率非常敏感,当表面 介质的属性改变或者附着量改变时,共振角将不同。因此, SPR谱(共振角的变化vs时间)能够反映与金属膜表面接 触的体系的变化。
different conditions, for example, health, disease, drug treatment
Investigate the binding properties of protein isoforms Find antagonists to critical binding events Identify disease markers in clinical samples Optimize therapeutic antibodies Evaluate ion selectivity in signaling pathways Identify DNA damage – mutations, DNA adducts etc
• 采用新型检测方法
光声光谱( PAS) 、光热偏转光谱(PDS)、反 射干涉光谱、Ellipsometric Microscopy、电化 学法
微流控多通道SPR检测
Anal. Chem. 2001,73: 5525-5531
SPR扫描显微镜
Optics Communications 2000, 182 : 11–15
research
Identify binding partners to any target molecule – ligand
fishing
波导光纤耦合模型建立和传输特性分析

波导光纤耦合模型建立和传输特性分析光纤通信作为一种高速、大容量的通信方式,已经成为现代通信领域的重要技术之一。
而波导光纤则是光纤通信中最常用的一种光传输方式。
为了更好地理解波导光纤的传输特性,建立一个准确的耦合模型是十分必要的。
波导光纤耦合模型的建立是通过数学方法和物理启示相结合的过程。
首先,我们可以通过麦克斯韦方程组来描述波导光纤中的光场分布。
其中,麦克斯韦方程组包括电场分量和磁场分量两个方程,可以精确地描述电磁波在波导光纤中的传播过程。
在建立波导光纤耦合模型时,我们需要考虑波导光纤的结构特性和材料特性。
波导光纤通常由一个或多个介质层组成,其中包括芯层和包层。
波导光纤的芯层是主要传输光信号的部分,而包层则用于保护和引导光信号。
通过对波导光纤的结构进行合理的建模,可以准确地描述光信号在波导光纤中的传输过程。
另外,波导光纤的材料特性也是建立耦合模型的重要考虑因素。
波导光纤的材料通常具有特定的折射率,这决定了光信号在波导光纤中的传输速度和传输距离。
同时,材料的损耗也会对光信号的传输产生影响。
通过对波导光纤材料特性的准确建模,可以更好地分析光信号的传输特性和性能表现。
建立波导光纤耦合模型后,我们可以进一步分析波导光纤的传输特性。
波导光纤的传输特性主要包括传输损耗、色散、非线性效应等方面。
传输损耗是指光信号在波导光纤中传输过程中的能量损失,其大小与波导光纤的结构特性和材料特性密切相关。
色散是指光信号在光纤中传输时由于光的频率差异而引起的传输延迟,会导致光信号的失真和衰减。
非线性效应主要包括光的非线性色散、自相位调制等,会对光信号的传输质量产生不可忽视的影响。
在分析波导光纤的传输特性时,我们还可以考虑耦合效率和衍射损耗。
耦合效率是指由于光信号与波导光纤之间的光场耦合过程中,有多少光信号被成功输送到波导光纤中。
耦合效率的高低会直接影响光信号的传输质量和信号强度。
衍射损耗是指由于波导光纤的尺寸和形状导致的光信号传输过程中的衍射现象所引起的能量损失。
SPR生物传感器及其在生物医学中的应用

Col e o 0 gle ig, on ig Unieri Ch ng n 4 03 l fBien n er eg n Ch gqn v st y, o qig, 00 0
等离激 元共振 引起界 面反射光 显著 减少 。 由于 S R P 对金 属表面 电介质 的折射率 非常敏 感 ,不 同电介质 其表面 等离激元 共振角不 同。 同种 电介质 , 其附在金 属表 面的量不 同,则 S R的响应 强度不 同。基于这 P 种原理 , 先在 金属表面 固定一层受 体分子 , 加在缓冲 液 中的配 体与固定 的受 体 的反应 将导致 S R谱峰 发 P 生可 以观测到 的位移 。这些 信息数 据传 输到计算 机 上, 通过谱分析 可 以实 时、定量 、灵 敏地 监测 到生物 大分 子的相互作 用 。 于这种 原理 的检测 仪器被称 基
为 S R生物传感器 (P isno) P S R B oe sr。从 国内外近 2 0
火如荼 。 经过近3 年的发展, P 0 S R技术 已广 泛应用 于
分子生物学 、医学 、 环境 科学等领域 。基于 S R技术 P
的生物传感器具有其它大分子相互作用检测技术所无 法 比拟 的优点, 如不需对分子进行标记, 能实时检测生
维普资讯
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文章编号
17 - 1420 )50 8 -3 6 170 (0 60 -3 30
S R生物传 感器 及其在生物 医学 中的应用 P
【 作 【 摘 【 关 键 者】 翁璇 .郑小林 .杨军 重庆大学生物工程学院 ( 重庆 ,4 0 3 ) 0 0 0 要 】 综述 了 S R生物传 感器 的基本原理 、技术流程和相对于常规技术的优越性 .及其在生物医学领域的应用进展情况 .并简 P 要展望 了该技术 的发展趋势和应用前景。 词 1 表 面等 离激 元共振 ( SPR) :生物 传感器 :生 物 医学 【 中图分类号 】 T 2 . P1 3 2
第2章波导的耦合讲解

第2章 波导的耦合77. 波导的耦合有哪些类型?各有些什么实际应用?波导的耦合有多种类型,如棱镜耦合、端面耦合、偏折耦合、定向耦合、弯曲耦合、波纹界面耦合等等。
波导的耦合有许多实际应用,如利用棱镜耦合可以测量波导的折射率分布,利用端面耦合可以实现波导的互连,利用偏折耦合可以用来改变光的传输方向,利用定向耦合可以实现直波导间的光功率相互交换,依此可以制作波导定向耦合器、光调制器和光开关,利用弯曲耦合可以使微环波导中的光产生谐振,依此可以制作微环滤波器和波分复用器,利用波纹界面耦合可以制作波纹波导滤波器、布拉格光栅、分布反馈激光器、布拉格反射激光器等等。
78. 一般形式的耦合模方程可以写成如下形式()()()[]z t z z A s s βω+-j exp d d ()()()[]z t zz A s s βω--+j exp d d()()()⎰⎰∞∞*∂∂-=-r y x y x E t P t s yy d d ,,'4j 22ω 式中()s A +、()s A -分别为沿+z 方向传输的正向行波和沿-z 方向传输的反向行波的振幅,试对上述方程加以说明。
式中上角标带有符号(-)的项表示沿-z 方向传输的反向行波,而带有符号(+)的项则表示沿+z 方向传输的正向行波。
式中右边的项可视为引起正向行波()[]z t z A s s βω-+j exp )()(和反向行波()[]z t z A s s βω+-j exp )()(的激励源。
79. 什么是波导的定向耦合?有些什么有用的功能?当相互平行的波导相互邻近时,波导中的模式在传输过程中要发生相互耦合,其结果使模式在传输过程中在波导间产生功率交换,这种现象称为波导的定向耦合。
波导的定向耦合在薄膜器件中可以实现多种有用的功能,包括功率分配、调制、开关、频率选择和偏振选择等等。
80. 双波导定向耦合器的耦合模方程可以写成如下形式()()()()[]z z A K z A M zz A 21212111j exp j j d d ββ---=()()()()[]z z A K z A M zz A 12121222j exp j j d d ββ---= 式中A 1(z )、A 2(z )分别为在波导1和波导2中沿z 方向传输的正向行波的振幅,M 1、M 2称为自耦系数,K 12、K 21称为耦合系数。
锥形耦合波导的耦合效率分析

武汉理工大学本科生毕业设计(论文)锥形耦合波导的耦合效率分析学院(系): 信息工程学院专业班级: 电子科学与技术专业0802班学生姓名: 蒋艳芳指导教师: 洪建勋学位论文原创性声明本人郑重声明:所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研究成果。
除了文中特别加以标注引用的内容外,本论文不包括任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。
本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。
作者签名:年 月 日学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解学校有关保障、使用学位论文的规定,同意学校保留并向有关学位论文管理部门或机构送交论文的复印件和电子版,允许论文被查阅和借阅。
本人授权省级优秀学士论文评选机构将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据进行检索,可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。
本学位论文属于1、保密囗,在年解密后适用本授权书2、不保密囗。
(请在以上相应方框内打“√”)作者签名:年月日导师签名:年月日目 录摘 要 (I)Abstract (II)1 绪论 (1)1.1 发展及现状 (1)1.2 研究目的 (1)2 波束传播法 (3)2.1简述 (3)2.2 BPM基本原理 (3)2.3 BPM中常用的边界条件 (4)2.4 Beamprop基本简介 (5)3 锥形波导设计 (6)3.1 单模光纤 (6)3.2 锥形波导结构 (6)3.3 锥形波导软件设计 (7)3.4 设计结果仿真 (10)4 锥形波导特性分析 (12)4.1 耦合效率分析 (12)4.2 功率传输分析 (15)4.3 模式转换分析 (17)5 结论 (20)6 结束语...................................................错误!未定义书签。
参考文献. (21)致 谢 (22)摘要通过理论分析和仿真实验,研究分析了锥形波导的几何形状对锥形光纤的传输损耗和传输效率的影响。
SPR传感器原理简介

SPR Imaging
Anal Bioanal Chem (2004) 379: 328–331
SPR IMAGING
DNA Microarray on AU film
检测限 10nM
空间分辨:50-70微米
1、共振角
当入射光波长固定时, 反射光强度是入射角的 函数,其中反射光强度 最低时所对应的入射角 称为共振角
2、SPR检测原理
SPR对附着在金属薄膜表面的介质折射率非常敏感 ,当表面介 质的属性改变或者附着量改变时,共振角将不同。因此, SPR谱(共振角的变化 vs时间)能够反映与金属膜表面接触 的体系的变化。
2薄膜界面处发生全内反射时渗透到金属薄膜内的消失波引发金属中的自由电子产生表面等离子体子当表面等离子体与消失波的频率相等时二者将发生共振界面处的全反射条件将被破坏呈现衰减全反射现象入射光被金属表面电子吸收使反射光能量急剧下降当入射光波长固定时反射光强度是入射角的函数其中反射光强度最低时所对应的入射角称为共振角1共振角2spr检测原理spr对附着在金属薄膜表面的介质折射率非常敏感当表面介质的属性改变或者附着量改变时共振角将不同
SPR 传感器的原理和 应用简介
内容
概述 原理 研究相互作用的一般过程及应用 发展前景
一、表面等离子共振(SPR)传感器
光学传感器 瑞典科学家Liedberg 等于80 年代首次将SPR传感器技术运 用于IgG抗体与其抗原相互作用的测定 1990 年,瑞典的Biacore AB 公司开发出世界上第一台商业化 的SPR 生物传感器BiacoreTM,随后不断有专业化的商用SPR 生物传感器平台 广泛应用于从蛋白、寡核苷酸、寡糖、脂类到小分子、噬 菌体、病毒颗粒、细胞等各种生物体系。 从根本上改变了生物分子识别科学,成为生命科学和制药研 究上的标准工具
光波导端面耦合

光波导端面耦合是指将光信号从自由空间耦合到光波导中,或者从光波导耦合到自由空间的过程。
这种耦合通常发生在光波导的端面上,因此得名。
光波导是一种能够导引光束在有限空间内传播的介质,常用于光纤通信、光学传感器和光电子器件中。
端面耦合的效率受到多种因素的影响,包括:
1. 耦合端面的几何形状和质量:平滑、高反射的端面可以提高耦合效率。
2. 耦合介质的光学特性:耦合介质(如空气或特定介质)与光波导(如光纤或平面波导)之间的折射率匹配可以减少能量损耗。
3. 入射光的模式匹配:为了实现高效耦合,入射光的模式(如高斯模式或环状模式)应与光波导中的模式相匹配。
4. 耦合角度:入射光与耦合端面的角度也会影响耦合效率。
通常,有一个最佳耦合角度,使得光可以高效地从一种介质耦合到另一种介质。
为了提高端面耦合的效率,可以采取以下措施:
使用高反射率的耦合端面。
优化耦合端面的几何形状,以实现更好的模式匹配。
在耦合端面之间使用高折射率的匹配层,以减少从空气到光波导的折射率跳变。
精确控制入射光的模式和耦合角度。
光波导端面耦合是光通信和光电子技术中的一个关键过程,对其进行深入研究和优化对于提高光器件的性能至关重要。
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Integrated optical SPR sensor based on mode conversion efficiencyH.S.Pang,T.W.Lee,M.G.Moharam,P.L.Likamwa and H.J.ChoA novel type of integrated optical surface plasmon resonance (SPR)sensor is proposed,for which the operational principle is based on the launching efficiency of eigenmodes in the sensor head.The sensor comprises an inverted-rib-type dielectric waveguide,a portion of which is covered with a thin gold layer.Eigenmodes in the sensor head are coupled modes of a surface plasmon polariton and a dielectric guided wave.The excitation efficiency of the coupled modes varies sig-nificantly depending on the refractive index of the analyte medium on the sensor head.Following this principle,the transmission coefficient of light through the sensor head can be used as a sensitive measure of the variation in the refractive index of the analyte medium.Introduction:Surface plasmon resonance (SPR)-based biomolecular detection techniques are widely used with well developed protocols [1].Current issues in developing SPR-based sensors are throughput enhance-ment and system miniaturisation [2].There have been approaches using SPR imaging systems based on an array of sensor heads on a prism for SPR sensor throughput improvement [3].Integrated optical SPR sensors have a great potential to realise high throughput and highly min-iaturised sensor systems [4,5].For integrated optical SPR sensor heads,absorption types and interferometer types were widely introduced and investigated during the time [5,6].In this Letter,we propose a novel mode-matching-type integrated optical sensor with a small sensor head length and reasonable tolerance in device fabrication.Sensor head scheme and guided modes:The present SPR sensor head was designed based on a singlemode inverted-rib-type dielectric wave-guide with a thin gold layer covering a portion of it,as shown in Fig.1.With this design,the gold layer covered region supports either only one bound mode or one bound mode and one quasi-bound mode depending on the refractive index of an analyte medium on the gold layer.front viewgold layercore cladinverted-rib-type dielectric waveguideFig.1SPR sensor based on inverted-rib-type waveguide,schematic view Inverted rib dimensions:width ¼2m m,height 1.5mm1614121086420–20.4000.30.20.10–0.1–0.2–0.3–0.410–10210abc d–1–2–3–4–5210–1–2–3–4–510–100Fig.2Electric field profiles of eigenmodes in SPR sensor head Two-dimensional plot a SPD-S mode b SPD-A modeThree-dimensional plot c SPD-S mode d SPD-A modeThe bound mode and the quasi-bound mode are coupled modes of surface plasmon polariton (SPP)and dielectric guided wave (DGW)mode.Figs.2a and b demonstrate a representative field profile of the bound mode.As demonstrated in the Figures,the fields of the bound mode on the gold layer and in the dielectric core point in the same direction and the mode is termed as SPD-S (symmetric)mode.The field profile of the quasi-bound mode,shown in Figs.2c and d ,illustrates that the quasi-bound mode has opposite field directions on the gold layer and in a dielectric core.The quasi-bound mode is termed as SPD-A (anti-symmetric)mode.n1460 1.6×101.4×101.2×101.0×108.0×106.0×104.0×102.0×10–2.0×10–4.0×10–6.0×10–8.0×10–1.0×10–1.2×100.012108h ei g ht (y )e l e c t r i cf i e l d (E y )e l e c t r i cf i e l d (E y )1.6×101.4×101.2×101.0×108.0×106.0×104.0×102.0×10–2.0×10–4.0×10–6.0×10–8.0×10–1.0×10–1.2×100.064212108h e i g ht (y )642n1464n1468n1470n1472n1476n1480n1484n1492n1472n1476n1480n1484n1492abFig.3Field profile variation depending on analyte refractive index a SPD-S mode b SPD-A modeRefractive index dependence of mode field profiles:The field profiles of SPD-S and SPD-A modes are sensitively affected by variation of the analyte medium’s refractive index on the gold layer.Figs.3a and b show the electric field profiles of SPD-S and SPD-A modes,respectively,depending on the analyte refractive index.The analyte’s refractive index was scanned from 1.460to 1.492.As illustrated in Fig.3a ,the SPD-S mode shows strong field strength in the dielectric core and relatively weak field strength on the gold layer when the refractive index of the analyte on the gold film is small.Conversely,SPD-A has strong field strength in the dielectric core region in the high refractive index range,as shown in Fig.3b .Mode excitation efficiency and transmittance:The field profile with strong field strength in the dielectric core region,which is similar to the field profiles of the dielectric waveguide (DEWG)mode,makes better mode conversion from DEWG mode to one of the SPD modes.Because the field profiles of the eigenmodes in the sensor head are sig-nificantly affected by the refractive index condition of the analyte on the sensor head,the mode conversion efficiency and finally the transmission characteristics of the sensor head are strongly affected by an analyte medium’s refractive index.In this work,the power conversion efficiency was calculated using the overlap integral equation [7]:a n m ¼2ðþÀð11E i ÂH Ãn m dxdyFig.4represents modal power conversion efficiencies and decay con-stants of SPD-S and SPD-A mode as a function of refractive index.ELECTRONICS LETTERS 31st July 2008Vol.44No.160.500.450.400.35p o w e r c o n v e r s i o n c o e f f i c i e n t0.301.4551.460 1.4651.470analyte refractive indexpower conversion coefficient: DEWG to SPD modesmode decay constantSPD-S mode SPD-A mode1.475 1.480 1.485 1.490 1.4950.250.200.15Fig.4Analyte refractive index dependence of power conversion coefficient and decay constants of SPD-S and SPD-A modesBased on the mode power conversion efficiency and the decay charac-teristics of the eigenmodes in a sensor head,the dependence of the trans-mission coefficient is plotted against the refractive index of the analyte in Fig.5.Each line indicates a different sensor head length.When the sensor head length is short,the transmission characteristic is dominantly affected by mode conversion efficiency.However,for a longer sensor head length,the propagation attenuation of the mode significantly con-tributes to the transmission spectrum.0.240.220.200.180.160.140.120.100.080.060.040.020.00–0.021.4551.4601.4651.470 1.475refractive indextransmittance15 m m 20 m m 100 m m 400 m m1.4801.4851.4901.495t r a n s m i t e d p o w e rFig.5Refractive index dependence of transmissionConclusion:We present a novel type of integrated optical SPR sensor based on field profile matching of a dielectric waveguide mode and the eigenmodes in an SPR sensor head.This type of sensor head has the potential to realise an SPR sensor head with significantly reduced length and requiring reasonable device fabrication tolerance.Further study on the optimisation of sensor dimensions and the refractive indices of each dielectric layer will lead to aqueous analyte operation and sensitivity improvements.#The Institution of Engineering and Technology 200812June 2008Electronics Letters online no:20081684doi:10.1049/el:20081684H.S.Pang,M.G.Moharam and P.L.Likamwa (CREOL:The College of Optics and Photonics,University of Central Florida,4000Central Florida Blvd.,Orlando,FL 32816,USA )E-mail:hbang@T.W.Lee (Center for Computation &Technology,Louisiana State University,216Johnston Hall,Baton Rouge,LA 70803,USA )H.J.Cho (Department of Mechanical,Materials and Aerospace Engineering,University of Central Florida,4000Central Florida Blvd.,Orlando,FL 32816,USA )References1Spadavecchia,J.,Manera,M.G.,Quaranta,F.,Siciliano,P.,and Rella,R.:‘Surface plamon resonance imaging of DNA based biosensors for potential applications in food analysis’,Biosens.Bioelectron.,2005,21,pp.894–9002Homola,J.:‘Present and future of surface plasmon resonance biosensors’,Anal.Bioanal.Chem.,2003,377,pp.528–5393Piliarik,M.,Vaisocherova,H.,and Homola,J.:‘A new surface plasmon resonance sensor for high-throughput screening applications’,Biosens.Bioelectron.,2005,20,pp.2104–21104Harris,R.D.,Luff,B.J.,Wilkinson,J.S.,Piehler,J.,Brecht,A.,Gauglitz,G.,and Abuknesha,R.A.:‘Integrated optical surface plasmon resonance immunoprobe for simazine detection’,Biosens.Bioelectron.,1999,14,pp.377–3865Debackere,P.,Scheerlinck,S.,Bienstman,P.,and Baets,R.:‘Surface plasmon interferometer in silicon-on-insulator:novel concept for an integrated biosensor’,Opt.Express ,2006,14,pp.7063–70726Harris,R.D.,and Wilkinson,J.S.:‘Wave-guide surface-plasmon resonance sensors’,Sens.Actuators B,Chem.,1995,29,pp.261–2677Garmire,E.,Hammer,J.M.,Kogelnik,H.,Tamir,T.,and Zernike,F.:‘Integrated optics’(Springer-Verlag,New York,1975)ELECTRONICS LETTERS 31st July 2008Vol.44No.16。