CN112525859B - 表面等离激元共振传感测量方法、装置及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种表面等离激元共振传感测量方法、装置及系统，将偏振激光光束聚焦到镀金属膜透明基底上激发表面等离激元与目标介质发生相互作用，形成的反射光场在成像系统后焦平面位置处的成像，目标介质包含待测样品，在此基础上，通过获取待测样品对应的反射光空间频域图像，若目标介质除了包含待测样品以外，还包含其他介质，则基于反射光空间频域图像，得到待测样品对应的目标反射光空间频域谱，进而基于目标反射光空间频域谱以及预设对应关系，确定待测样品的折射率以及待测样品对应的厚度，有效地实现了目标介质为非均匀折射率的多层介质的情况下，样品折射率以及对应厚度的测量。

Description

表面等离激元共振传感测量方法、装置及系统

技术领域

本发明涉及光电检测技术领域，尤其涉及一种表面等离激元共振传感测量方法、装置及系统。

背景技术

表面等离激元(Surface Plasmon Polariton，SPP)是在金属—介质界面处产生的自由电子共振。当入射光满足波矢匹配的时候，激发光和金属表面的自由电子发生共振，产生沿金属—介质界面传播的SPP倏逝场，在金属—介质界面处SPP场强度最大，在远离界面处呈指数衰减，倏逝深度小于200纳米。

目前常用的SPP共振传感方法是基于SPP波矢匹配理论，通过测量SPP共振角度实现界面附近介质折射率测量。具体为使用单色激光激发SPP，利用金属界面处折射率变化引起的SPP共振角度改变，实现被测物的折射率传感。这种方式灵敏度高，但是仅能测量均匀介质的折射率，测量参数较为单一。

发明内容

本发明提供了一种表面等离激元共振传感测量方法、装置及系统，能够实现待测样品的折射率以及对应厚度信息的测量。

第一方面，本说明书实施例提供了一种表面等离激元共振传感测量方法，所述方法包括：获取待测样品对应的反射光空间频域图像，所述反射光空间频域图像为偏振激光光束聚焦到镀金属膜透明基底上激发表面等离激元与目标介质发生相互作用后，形成的反射光场在成像系统后焦平面位置处的图像，其中，所述目标介质为位于金属-介质界面激发的表面等离激元倏逝深度范围内的介质，所述目标介质包含所述待测样品；若所述目标介质还包含除所述待测样品以外的其他介质，则执行以下第一测量步骤：基于所述反射光空间频域图像，得到所述待测样品对应的目标反射光空间频域谱；基于所述目标反射光空间频域谱以及预设对应关系，确定所述待测样品的折射率以及所述待测样品对应的厚度，其中，所述预设对应关系为基于传输矩阵法得到的反射光空间频域谱与样品折射率以及目标厚度之间的对应关系。

进一步地，所述方法还包括：若所述目标介质不包含除所述待测样品以外的其他介质，则执行以下第二测量步骤：

基于所述反射光空间频域图像，得到目标表面等离激元共振角度；

基于所述目标表面等离激元共振角度，以及表面等离激元共振角度与金属界面处介质折射率的对应关系，确定所述待测样品的折射率。

进一步地，所述基于所述目标反射光空间频域谱以及预设对应关系，确定所述待测样品的折射率以及所述待测样品对应的厚度之前，还包括：

确定用于激发所述表面等离激元且包含待测样品的金属-介质界面的层级模型，并基于所述层级模型构建目标传输矩阵；

基于所述目标传输矩阵，得到反射光空间频域谱与样品折射率以及目标厚度之间的对应关系，作为所述预设对应关系，其中，所述目标厚度为与金属膜表面相邻层级介质的厚度。

进一步地，沿远离所述金属膜的方向，所述目标介质依次包括第一介质层和第二介质层，其中，所述第一介质层为所述待测样品，所述待测样品对应的厚度为所述待测样品的厚度。

进一步地，沿远离所述金属膜的方向，所述目标介质依次包括第一介质层和第二介质层，其中，所述第二介质层为所述待测样品，所述待测样品对应的厚度为所述待测样品底面距离所述金属膜表面的厚度。

进一步地，所述基于所述目标反射光空间频域谱以及预设对应关系，确定所述待测样品的折射率以及所述待测样品对应的厚度，包括：

基于所述预设对应关系，使用最小二乘法、残差平方和或均方根误差方法拟合，得到对应反射光空间频域谱与所述目标反射光空间频域谱匹配的样品折射率以及目标厚度；

将得到的样品折射率以及目标厚度，确定为所述待测样品的折射率以及所述待测样品对应的厚度。

进一步地，所述待测样品为单层膜或利用溶液搭载的样品。

第二方面，本说明书实施例提供了一种表面等离激元共振传感测量装置，所述装置包括：图像获取模块，用于获取待测样品对应的反射光空间频域图像，所述反射光空间频域图像为偏振激光光束聚焦到镀金属膜透明基底上激发表面等离激元与目标介质发生相互作用后，形成的反射光场在成像系统后焦平面位置处的图像，其中，所述目标介质为位于金属-介质界面激发的表面等离激元倏逝深度范围内的介质，所述目标介质包含所述待测样品；第一测量模块，用于在所述目标介质还包含除所述待测样品以外的其他介质时，执行以下第一测量步骤：基于所述反射光空间频域图像，得到所述待测样品对应的目标反射光空间频域谱；基于所述目标反射光空间频域谱以及预设对应关系，确定所述待测样品的折射率以及所述待测样品对应的厚度，其中，所述预设对应关系为基于传输矩阵法得到的反射光空间频域谱与样品折射率以及目标厚度之间的对应关系。

第二方面，本说明书实施例提供了一种表面等离激元共振传感测量系统，包括：入射光产生子系统、显微物镜、成像子系统、光电探测器以及数据处理装置。其中：

入射光产生子系统，用于产生平行入射的偏振激光；

显微物镜，用于将所述平行入射的偏振激光聚焦到镀金属膜透明基底上，以激发表面等离激元与目标介质发生相互作用，并使得形成的反射光场在成像子系统后焦平面位置处的成像，其中，所述目标介质为位于金属-介质界面激发的表面等离激元倏逝深度范围内的介质，所述目标介质包含待测样品；

光电探测器，用于采集所述成像子系统后焦平面位置处的反射光空间频域图像，并发送给所述数据处理装置；

所述数据处理装置，用于所述目标介质还包含除所述待测样品以外的其他介质，则执行以下第一测量步骤：基于所述反射光空间频域图像，得到所述待测样品对应的目标反射光空间频域谱；基于所述目标反射光空间频域谱以及预设对应关系，确定所述待测样品的折射率以及所述待测样品对应的厚度，其中，所述预设对应关系为基于传输矩阵法得到的反射光空间频域谱与样品折射率以及目标厚度之间的对应关系。

进一步地，所述数据处理装置，还用于：若所述目标介质不包含除所述待测样品以外的其他介质，则执行以下第二测量步骤：基于所述反射光空间频域图像，得到目标表面等离激元共振角度；基于所述目标表面等离激元共振角度，以及表面等离激元共振角度与金属界面处介质折射率的对应关系，确定所述待测样品的折射率。

本说明书实施例提供的表面等离激元共振传感测量方法、装置及系统，通过将偏振激光聚焦到镀金属膜透明基底上，实现一定范围内连续变化的入射角度，激发SPP与待测样品发生相互作用，使得SPP的激发条件与分布特征因待测样品折射率和厚度而发生相应的变化，这种变化体现在反射光场的空间频域谱上，在此基础上，通过获取待测样品对应的反射光空间频域图像，得到待测样品对应的目标反射光空间频域谱，进而分析目标反射光空间频域谱，就可以得到待测样品的折射率以及待测样品对应的厚度。上述测量过程中，无需另外控制入射光的角度扫描，有利于快速获得SPP的空间频域谱数据，进而快速得到测量结果，并且在目标介质为非均匀折射率的多层介质时，能够实现待测样品的折射率以及对应的厚度的测量，以便于对待测样品做进一步分析。

附图说明

通过阅读下文优选实施方式的详细描述，各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本说明书的限制。而且在整个附图中，用相同的参考符号表示相同的部件。在附图中：

图1为本说明书实施例第一方面提供的一种示例性表面等离激元共振传感测量系统的结构示意图；

图2为本说明书实施例第一方面提供的金属-介质界面激发表面等离激元的示意图；

图3为本说明书实施例第一方面提供的示例性样品对应的反射光空间频域图像；

图4为本说明书实施例第一方面提供的不同浓度葡萄糖溶液对应的反射光空间频域谱；

图5为本说明书实施例第一方面提供的不同浓度葡萄糖溶液对应的折射率；

图6为本说明书实施例第二方面提供的一种表面等离激元共振传感测量方法的流程图；

图7为本说明书实施例第三方面提供的一种表面等离激元共振传感测量装置的模块框图。

具体实施方式

为了更好的理解本说明书实施例提供的技术方案，下面通过附图以及具体实施例对本说明书实施例的技术方案做详细的说明，应当理解本说明书实施例以及实施例中的具体特征是对本说明书实施例技术方案的详细的说明，而不是对本说明书技术方案的限定，在不冲突的情况下，本说明书实施例以及实施例中的技术特征可以相互组合。

第一方面，本说明书实施例提供了一种表面等离激元共振传感测量系统，如图1所示，该系统包括：入射光产生子系统、显微物镜105、成像子系统、光电探测器108以及数据处理装置130。

入射光产生子系统，用于产生平行入射的偏振激光。具体来讲，入射光产生子系统可以包括：光源模块101、扩束整形透镜组102、偏振调节器件103以及薄膜分束器104。光源模块101发出的探测光，经过扩束整形透镜组102扩束整形后，依次通过偏振调节器件103及薄膜分束器104，使探测光以平行光状态垂直入射至显微物镜105。

其中，探测光可以为单色光，如激光器输出的单色光、超辐射发光二极管SLD、LED窄带光。偏振调节器件103用于调节入射光偏振态，具体可以采用多种偏振态，如线偏振光或径向偏振光。

显微物镜105，用于将平行入射的偏振激光聚焦到镀金属膜110透明基底100上，以激发表面等离激元(Surface Plasmon Polariton，SPP)与目标介质发生相互作用，并使得形成的反射光场在成像子系统后焦平面位置处的成像。这种聚焦激发方式，相比于单波长角度扫描的方式或者是采用固定入射角度的宽波带光源方式，有利于提高传感测量的速度，降低系统设备的复杂性和成本。

本实施例中，透明基底可以是玻璃如盖玻片。金属膜110可以是金膜，或者，也可以是其他能够用于激发SPP的金属膜。

可以理解的是，目标介质为位于金属-介质界面激发的SPP倏逝深度范围内的介质，且目标介质包含预先添加到金属膜表面的待测样品120，即待测样品120需要位于金属-介质界面激发的SPP倏逝深度范围内，与SPP发生相互作用。

具体实施过程中，待测样品可以是部分位于或者是全部位于SPP倏逝场深度范围内，根据实际应用场景确定。如图2中的左图所示，假设金膜上方存在厚度不均匀的多层介质，其中，紧邻金属膜的第一介质层全部位于倏逝场深度范围内，位于第一介质层之上的第二介质层部分位于倏逝场深度范围内，则第一介质层的厚度d、折射率n1以及第二介质层的折射率n2均会影响SPP共振角度，此时，目标介质包括上述第一介质层和第二介质层，待测样品可以是位于金属膜上方的第一介质层或者是第二介质层。

可以理解的是，显微物镜105聚焦激发SPP，可以同时实现一定范围内连续变化的入射角度激发SPP，当金属—介质界面处待测样品的折射率对应某一SPP共振角度时，在反射光场的空间频率域图像会呈现暗环分布。

光电探测器108，用于采集成像子系统后焦平面位置处的反射光空间频域图像，并发送给数据处理装置130。其中，成像子系统包括显微物镜105、管镜106以及光学透镜107。反射光场经同一显微物镜105收集后，依次通过薄膜分束器104、管镜106及光学透镜107入射至光电探测器108上，合理选择管镜106及光学透镜107焦距和位置，使光电探测器108处于显微物镜105后焦平面共轭成像面的傅里叶平面，此时光电探测器108接收的信号为反射光的空间频域图像。

数据处理装置130与光电探测器108连接，用于对光电探测器108采集的反射光空间频域图像进行处理，得到测量数据。具体来讲，数据处理装置130可以包括单片机、DSP、ARM等具有数据处理功能的芯片，例如可以是个人计算机、笔记本电脑等。

本实施例中主要针对两种情况的待测样品的处理流程进行说明。

第一种，目标介质为非均匀折射率的多层介质，待测样品为其中一层介质，即目标介质还包含除待测样品以外的其他介质，且其他介质为已知折射率的介质，此时，可以检测待测样品的折射率以及待测样品对应的厚度。例如，SPP共振传感在生物样品(例如细胞)检测的应用中，一般在倏逝深度内由溶液搭载待测样品，待测样品和金属—介质界面间可能存在一定厚度的溶液，溶液折射率、厚度以及待测样品折射率均影响SPP的激发条件与分布特征。又例如，SPP共振传感在薄膜检测应用中，当薄膜厚度小于SPP倏逝深度时，薄膜厚度和折射率也均会影响SPP的激发条件与分布特征。也就是说，这种情况下，在表面等离激元倏逝深度范围内，沿金属-介质界面的法向方向分布有除待测样品以外的其他介质。

此时，数据处理装置用于执行第一测量步骤，包括图像处理子步骤和折射率以及厚度确定子步骤。

其中，图像处理子步骤包括：基于所述反射光空间频域图像，得到所述待测样品对应的目标反射光空间频域谱。

折射率以及厚度确定子步骤包括：基于所述目标反射光空间频域谱以及预设对应关系，确定待测样品的折射率以及待测样品对应的厚度，其中，所述预设对应关系为基于传输矩阵法得到的反射光空间频域谱与样品折射率以及目标厚度之间的对应关系。

需要说明的是，在一种应用场景中，沿远离金属膜的方向，目标介质依次包括第一介质层和第二介质层，其中，第一介质层为待测样品，例如待测样品为单层膜，第二介质层为空气，则上述测得的待测样品对应的厚度即为待测样品的厚度。在另一种应用场景中，上述第二介质层为待测样品，例如，溶液搭载样品检测实验中，可以认为第一介质层为用于搭载样品的溶液，第二介质层为搭载的样品如细胞，此时，上述测得的待测样品对应的厚度为待测样品底面距离金属膜表面的厚度。

下面对图像处理子步骤的具体实施过程进行说明。

本实施例采用泄漏辐射成像方法测量金属界面上样品折射率及厚度对SPP共振的影响。由于SPP的泄漏辐射特性，SPP共振信息会与反射光场一同传输至远场，在成像子系统后焦平面位置处，可获得SPP共振角度信息。通过光电探测器记录成像子系统后焦平面位置处的图像，即反射光强度分布的空间频率域图像，简称为反射光空间频域图像。

然后对空间频域图像进行处理，以获取反射光强度随入射角的变化曲线，即反射光空间频域谱。

如图3所示，由线偏振入射光激发的SPP对应的空间频域图像的特征是圆形亮背景下有一对沿中心对称分布的暗圆弧线，该暗圆弧半径对应了SPP的共振角度，因此，圆弧的半径大小可以反映样品的折射率大小。图3中位于左侧的图为使用空气作为待测样品得到的反射光空间频域图像，图3中位于中间的图为使用水作为待测样品得到的反射光空间频域图像，图3中位于右侧的图为使用质量分数为10％的葡萄糖溶液作为待测样品得到的反射光空间频域图像。使用空气、水与质量分数为10％的葡萄糖溶液三种折射率分别为1、1.33、1.35的样品进行测量，发现样品折射率越大，对应的圆弧半径越大。当然，使用聚焦光束激发SPP，也可以使用径向偏振片，产生径向偏振光入射，此时反射光的空间频率域图像出现一个完整的暗环，暗环半径与上述暗弧半径一致。

在一种实施方式中，采用线偏振光入射时，为了得到反射强度随入射角度的变化曲线，可以先通过使用Hough变换确定圆弧所在的圆，然后确定该圆上的强度值的极小值的位置(暗弧在该圆上对应的点均可以认定为强度极小值)，该点对应的入射角为SPP共振角度，圆心对应的入射角为零度。沿径向取从圆心到该点所在半径的强度值，即反射强度随入射角度的变化曲线。或者，由于通过调整光路可以使得暗圆弧基本左右对称，也可以通过沿暗弧中心所在径向方向，提取从图像中心到边缘的强度值变化曲线，从曲线极小值出现的位置可以快速得到样品对应的SPP共振角度，在曲线极小值附近的极大值为样品对应的全反射角。在另一种实施方式中，采用径向偏振光入射时，可以以圆心为起点沿径向提取强度值以及相应的入射角，即可得到反射强度随入射角度的变化曲线。进一步地，可以通过多组取平均的方式增加曲线的平滑度，减小噪声干扰。

需要说明的是，本实施例中，为了减小计算量以及节约存储资源，反射光空间频域谱可以对入射角范围进行截取。截取入射角范围需要考虑反射光强度极大值点(即全反射点)对应的入射角以及反射光强度极小值点对应的入射角，保证截取的入射角范围下限小于反射光强度极大值点对应的入射角，入射角范围上限大于反射光强度极小值点对应的入射角。在实际应用场景中，可以根据多次试验，确定反射光空间频域谱的入射角范围。

基于反射光空间频域图像，得到反射光强度随入射角的变化曲线，即反射光空间频域谱后，下面对折射率以及厚度确定子步骤的具体实施过程进行说明。

可以理解的是，传输矩阵法是将麦克斯韦方程转化为传输矩阵，利用麦克斯韦方程组求解两个紧邻层面上的电磁场，从而得到其传输矩阵，然后将单层结论推广到整个介质空间，由此即可计算出整个多层介质的透射系数和反射系数。

针对具有非均匀折射率的多层样品，为了得到多层样品的折射率和厚度信息，本实施例采用传输矩阵法的理论模型和实验数据拟合的方法进行处理。利用传输矩阵方法可以得到两个相邻层的电磁场强度振幅之间的关系，即该层介质对应的传输矩阵，因此可以计算出整个多层介质的透射系数和反射系数。在传输矩阵法中，多层结构的透射和反射与入射光的关系可以用以下公式表示：

式中，E_r是反射光的强度，E_t是透射光的强度，E₀是入射光的强度，M是多层结构对应的传输矩阵，

N是结构的层数，M_k是k层物质的特征传输矩阵，具体可以通过以下公式表示：

式中，q_k是第k物质的介电常数的函数，β_k是第k物质的介电常数和厚度的函数。该方法是在实空间中把麦克斯韦方程进行有限差分，然后将其变成传输矩阵的形式，使其与用于样品检测的实际结构更匹配，因此可以获得精确的计算结果。

在执行折射率以及厚度确定子步骤之前，需要先针对本实施例要检测的待测样品，确定的预设对应关系，具体包括：确定用于激发所述表面等离激元且包含待测样品的金属-介质界面的层级模型，并基于层级模型构建目标传输矩阵；基于目标传输矩阵，得到反射光空间频域谱与样品折射率以及目标厚度之间的对应关系，作为预设对应关系，其中，目标厚度为与金属膜表面相邻层级介质的厚度。可以理解的是，预设对应关系中选取的样品折射率范围以及目标厚度范围根据实际应用中需要检测的材料的折射率范围以及厚度范围设置。

举例来讲，层级模型包括四个层级，由底层到顶层分别是：透明盖玻片、金膜、第一介质层和第二介质层。此时，就可以根据上述的传输矩阵公式，取N＝4，构建该层级模型对应的目标传输矩阵。假设第一介质层的折射率为n1，厚度为d，第二介质层的折射率为n2。由传输矩阵公式可知，n1，n2，d均将影响反射谱分布，可根据实际应用场景在三个量中选择两个作为待测量。

在具体实施过程中，确定层级模型以及待测量后，可以预先根据传输矩阵法得到预设对应关系，即反射光空间频域谱随待测样品折射率和厚度d的变化情况，即在待测样品的不同折射率和厚度下的SPP共振的数据。然后，通过上述表面等离激元共振传感测量系统进行实验得到待测样品的反射光空间频域图像，提取出目标反射光空间频域谱即反射强度随入射角变化的数据，进而，将实验提取的目标反射光空间频域谱与预设对应关系进行匹配，确定待测样品的折射率和对应的厚度值。

例如，在一种应用场景中，需要对薄膜材料进行折射率以及厚度检测。对薄膜材料的测量中，一般考虑对单层膜的测量，此时第一介质层为待测样品，即待测的薄膜，第二介质层为空气，即n2＝1。基于目标传输矩阵就可以得到反射光空间频域谱随薄膜的折射率和厚度的变化，即得到预设对应关系。可以理解的是，预设对应关系为理论数据，配合实验数据即上述根据反射光空间频域图像，得到的薄膜对应的目标反射光空间频域谱，就可以同时测得薄膜的折射率n1和厚度d。

在另一种应用场景中，需要对溶液搭载的样品进行折射率以及表面形态检测。在对溶液搭载样品(如细胞)检测中，一般认为下层材料为溶液即上述的第一介质层为溶液，折射率为n1，第二介质层为溶液搭载的样品，折射率为n2，第一介质层的厚度d为样品下表面到金属膜表面的距离。其中，溶液的折射率n1已知，需要检测厚度d以及样品折射率n2。基于目标传输矩阵可以得到反射光空间频域谱随样品折射率和厚度d的变化，同样配合实验数据就可以得到样品折射率n2以及厚度d。

具体来讲，将实验提取的目标反射光空间频域谱与预设对应关系进行匹配的过程可以包括：基于预设对应关系，使用最小二乘法、残差平方和或均方根误差方法拟合，得到对应反射光空间频域谱与目标反射光空间频域谱匹配的样品折射率以及目标厚度；将得到的样品折射率以及目标厚度，确定为待测样品的折射率以及待测样品对应的厚度。

可以理解的是，使用最小二乘法，残差平方和或均方根误差方法拟合，使得由传输矩阵法得到的理论数据与实验数据的目标函数值最小，就可以得到待测样品的折射率和对应的厚度值。其中，理论数据为预设对应关系中不同样品折射率以及厚度对应的反射光空间频域谱，实验数据为测得的目标反射光空间频域谱。目标函数值为用于表征理论数据与实验数据之间差异程度的函数值，具体函数根据采用的拟合方法确定。

第二种，目标介质不包含除待测样品以外的其他介质，即如图2中的有图所示，目标介质为均匀折射率的待测样品，且待测样品的厚度远大于SPP的倏逝深度，SPP共振角度不受样品厚度的影响。这种情况下，在SPP倏逝深度范围内，未分布有除所述待测样品以外的其他介质，即折射率是均匀分布的。此时，数据处理装置用于执行以下第二测量步骤：基于反射光空间频域图像，得到目标SPP共振角度；基于目标表面等离激元共振角度，以及SPP共振角度与金属界面处介质折射率的对应关系，确定所述待测样品的折射率。

针对均匀折射率样品，可以使用波矢匹配条件和实验测得反射光场空间频域谱，获得SPP共振角度，具体可以参见上文中的相关描述，进而可以根据SPP激发角度即共振角度得到待测样品的折射率。如图4所示，待测样品为不同浓度葡萄糖溶液，溶液浓度越大，折射率越大，提取的SPP共振角度反映了溶液折射率变化。需要说明的是，图4中横坐标“angle”表示入射角，纵坐标“intensity”表示反射光的强度，按照反射光强度极小值对应的入射角即SPP共振角度由小到大的顺序，图4中曲线对应的样品依次为：水、质量分数为10％的葡萄糖溶液、质量分数为20％的葡萄糖溶液、质量分数为30％的葡萄糖溶液、质量分数为40％的葡萄糖溶液以及质量分数为50％的葡萄糖溶液。

本实施例中，SPP共振角度与样品折射率之间的对应关系可以由以下公式得到。

ε₀是真空中介电常数，θ是SPP的激发角即SPP共振角度，n是透明基底折射率，k₀是入射光波矢，k_spp是表面等离子体波的波矢，ε_m是金属膜的介电常数，ε_d是金属界面处介质的介电常数)，拥有不同折射率

的待测样品会对应特定的SPP共振角度θ。将测得的SPP共振角度θ代入上述公式，可以快速获得待测样品的折射率信息。这样可以将理论模型简化，有利于在测量精度要求不高的情况下快速测得材料的折射率。如图5所示是按照上述方法测得的不同浓度的葡萄糖溶液对应的折射率。图5中的横坐标“Glucose solutionmass fraction”表示葡萄糖溶液的质量分数，纵坐标“Refractive Index”表示折射率。

综上所述，本说明书实施例提供的表面等离激元共振传感测量系统，通过将偏振激光聚焦到镀金属膜透明基底上，实现一定范围内连续变化的入射角度，激发SPP与待测样品发生相互作用，使得SPP的激发条件与分布特征因待测样品折射率和厚度而发生相应的变化，这种变化体现在反射光场的空间频域谱上，从而通过分析待测样品的反射光场空间频域谱可以实现待测样品折射率和厚度的测量。一方面，测量系统无需另外控制入射光的角度扫描，有利于快速获得SPP的空间频域谱数据，进而快速得到待测样品的折射率信息；另一方面，在目标介质为非均匀折射率的多层介质时，也能够实现待测样品的折射率以及对应的厚度的测量，以便于对待测样品做进一步分析。

第二方面，基于与前述第一方面实施例提供的表面等离激元共振传感测量系统同样的发明构思，如图6所示，本说明书实施例提供了一种表面等离激元共振传感测量方法，应用于上述表面等离激元共振传感测量系统中的数据处理装置，该方法至少可以包括以下步骤S601至步骤S602。

步骤S601，获取待测样品对应的反射光空间频域图像。

其中，反射光空间频域图像为偏振激光光束聚焦到镀金属膜透明基底上激发表面等离激元与目标介质发生相互作用后，形成的反射光场在成像系统后焦平面位置处的图像。目标介质为位于金属-介质界面激发的表面等离激元倏逝深度范围内的介质，目标介质包含待测样品。举例来讲，待测样品可以为单层膜或需要利用溶液搭载的样品。

步骤S602，若目标介质还包含除待测样品以外的其他介质，则执行第一测量步骤：基于反射光空间频域图像，得到待测样品对应的目标反射光空间频域谱；基于目标反射光空间频域谱以及预设对应关系，确定待测样品的折射率以及待测样品对应的厚度。

其中，预设对应关系为基于传输矩阵法得到的反射光空间频域谱与样品折射率以及目标厚度之间的对应关系。

需要说明的是，上述步骤S601和步骤S602的具体实施过程可以参照上述系统实施例中的相应描述，此处不再赘述。

在一种可选的实施例中，上述表面等离激元共振传感测量方法还包括：若目标介质不包含除待测样品以外的其他介质，则执行以下第二测量步骤：基于反射光空间频域图像，得到目标表面等离激元共振角度；基于目标表面等离激元共振角度，以及表面等离激元共振角度与金属界面处介质折射率的对应关系，确定待测样品的折射率。具体实施过程可以参照上述系统实施例中的相应描述，此处不再赘述。

在一种可选的实施例中，上述基于目标反射光空间频域谱以及预设对应关系，确定待测样品的折射率以及待测样品对应的厚度之前，还包括：确定用于激发表面等离激元且包含待测样品的金属-介质界面的层级模型，并基于层级模型构建目标传输矩阵；基于目标传输矩阵，得到反射光空间频域谱与样品折射率以及目标厚度之间的对应关系，作为预设对应关系，其中，目标厚度为与金属膜表面相邻层级介质的厚度。具体实施过程可以参照上述系统实施例中的相应描述，此处不再赘述。

在一种可选的实施例中，沿远离金属膜的方向，目标介质依次包括第一介质层和第二介质层。在一种应用场景中，第一介质层为待测样品，待测样品对应的厚度为待测样品的厚度。或者，在另一种应用场景中，第二介质层为待测样品，待测样品对应的厚度为待测样品底面距离金属膜表面的厚度。

在一种可选的实施例中，上述基于目标反射光空间频域谱以及预设对应关系，确定待测样品的折射率以及待测样品对应的厚度，包括：基于预设对应关系，使用最小二乘法、残差平方和或均方根误差方法拟合，得到对应反射光空间频域谱与目标反射光空间频域谱匹配的样品折射率以及目标厚度；将得到的样品折射率以及目标厚度，确定为待测样品的折射率以及待测样品对应的厚度。具体实施过程可以参照上述系统实施例中的相应描述，此处不再赘述。

第三方面，基于与前述第二方面实施例提供的表面等离激元共振传感测量方法同样的发明构思，本说明书实施例还提供了一种表面等离激元共振传感测量装置。如图7所示，该测量装置70包括：

图像获取模块71，用于获取待测样品对应的反射光空间频域图像，所述反射光空间频域图像为偏振激光光束聚焦到镀金属膜透明基底上激发表面等离激元与目标介质发生相互作用后，形成的反射光场在成像系统后焦平面位置处的图像，其中，所述目标介质为位于金属-介质界面激发的表面等离激元倏逝深度范围内的介质，所述目标介质包含所述待测样品；

第一测量模块72，用于在所述目标介质还包含除所述待测样品以外的其他介质时，执行以下第一测量步骤：

基于所述反射光空间频域图像，得到所述待测样品对应的目标反射光空间频域谱；

基于所述目标反射光空间频域谱以及预设对应关系，确定所述待测样品的折射率以及所述待测样品对应的厚度，其中，所述预设对应关系为基于传输矩阵法得到的反射光空间频域谱与样品折射率以及目标厚度之间的对应关系。

在一种可选的实施例中，上述测量装置还包括：第二测量模块74，用于在所述目标介质不包含除所述待测样品以外的其他介质时，执行以下第二测量步骤：

基于所述反射光空间频域图像，得到目标表面等离激元共振角度；

基于所述目标表面等离激元共振角度，以及表面等离激元共振角度与金属界面处介质折射率的对应关系，确定所述待测样品的折射率。

在一种可选的实施例中，上述测量装置70还包括：关系确定模块73，用于确定用于激发所述表面等离激元且包含待测样品的金属-介质界面的层级模型，并基于所述层级模型构建目标传输矩阵；基于所述目标传输矩阵，得到反射光空间频域谱与样品折射率以及目标厚度之间的对应关系，作为所述预设对应关系，其中，所述目标厚度为与金属膜表面相邻层级介质的厚度。

在一种可选的实施例中，沿远离所述金属膜的方向，所述目标介质依次包括第一介质层和第二介质层，其中，所述第一介质层为所述待测样品，所述待测样品对应的厚度为所述待测样品的厚度。

在一种可选的实施例中，沿远离所述金属膜的方向，所述目标介质依次包括第一介质层和第二介质层，其中，所述第二介质层为所述待测样品，所述待测样品对应的厚度为所述待测样品底面距离所述金属膜表面的厚度。

在一种可选的实施例中，上述第一测量模块72用于：基于所述预设对应关系，使用最小二乘法、残差平方和或均方根误差方法拟合，得到对应反射光空间频域谱与所述目标反射光空间频域谱匹配的样品折射率以及目标厚度；将得到的样品折射率以及目标厚度，确定为所述待测样品的折射率以及所述待测样品对应的厚度。

在一种可选的实施例中，待测样品为单层膜或利用溶液搭载的样品。

需要说明的是，本说明书实施例所提供的表面等离激元共振传感测量装置，其中各个模块执行操作的具体方式已经在上述第一方面提供的系统实施例中进行了详细描述，具体实施过程可以参照上述第一方面提供的系统实施例，此处将不做详细阐述说明。

需要说明的是，本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可。

本说明书是参照根据本说明书实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的设备。

这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令设备的制造品，该指令设备实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。

这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。

在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。术语“两个以上”包括两个或大于两个的情况。

尽管已描述了本说明书的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本说明书范围的所有变更和修改。

显然，本领域的技术人员可以对本说明书进行各种改动和变型而不脱离本说明书的精神和范围。这样，倘若本说明书的这些修改和变型属于本说明书权利要求及其等同技术的范围之内，则本说明书也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (8)

1.一种表面等离激元共振传感测量方法，其特征在于，所述方法包括：

获取待测样品对应的反射光空间频域图像，所述反射光空间频域图像为偏振激光光束聚焦到镀金属膜透明基底上激发表面等离激元与目标介质发生相互作用后，形成的反射光场在成像系统后焦平面位置处的图像，其中，所述目标介质为位于金属-介质界面激发的表面等离激元倏逝深度范围内的介质，所述目标介质包含所述待测样品；

若所述目标介质还包含除所述待测样品以外的其他介质，则执行以下第一测量步骤：

基于所述反射光空间频域图像，得到所述待测样品对应的目标反射光空间频域谱；

基于所述目标反射光空间频域谱以及预设对应关系，确定所述待测样品的折射率以及所述待测样品对应的厚度，其中，所述预设对应关系为基于传输矩阵法得到的反射光空间频域谱与样品折射率以及目标厚度之间的对应关系；

若所述目标介质不包含除所述待测样品以外的其他介质，则执行以下第二测量步骤：

基于所述反射光空间频域图像，得到目标表面等离激元共振角度；

基于所述目标表面等离激元共振角度，以及表面等离激元共振角度与金属界面处介质折射率的对应关系，确定所述待测样品的折射率。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述基于所述目标反射光空间频域谱以及预设对应关系，确定所述待测样品的折射率以及所述待测样品对应的厚度之前，还包括：

确定用于激发所述表面等离激元且包含待测样品的金属-介质界面的层级模型，并基于所述层级模型构建目标传输矩阵；

基于所述目标传输矩阵，得到反射光空间频域谱与样品折射率以及目标厚度之间的对应关系，作为所述预设对应关系，其中，所述目标厚度为与金属膜表面相邻层级介质的厚度。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，沿远离所述金属膜的方向，所述目标介质依次包括第一介质层和第二介质层，其中，所述第一介质层为所述待测样品，所述待测样品对应的厚度为所述待测样品的厚度。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，沿远离所述金属膜的方向，所述目标介质依次包括第一介质层和第二介质层，其中，所述第二介质层为所述待测样品，所述待测样品对应的厚度为所述待测样品底面距离所述金属膜表面的厚度。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述基于所述目标反射光空间频域谱以及预设对应关系，确定所述待测样品的折射率以及所述待测样品对应的厚度，包括：

基于所述预设对应关系，使用最小二乘法、残差平方和或均方根误差方法拟合，得到对应反射光空间频域谱与所述目标反射光空间频域谱匹配的样品折射率以及目标厚度；

将得到的样品折射率以及目标厚度，确定为所述待测样品的折射率以及所述待测样品对应的厚度。

6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述待测样品为单层膜或利用溶液搭载的样品。

7.一种表面等离激元共振传感测量装置，其特征在于，所述装置包括：

图像获取模块，用于获取待测样品对应的反射光空间频域图像，所述反射光空间频域图像为偏振激光光束聚焦到镀金属膜透明基底上激发表面等离激元与目标介质发生相互作用后，形成的反射光场在成像系统后焦平面位置处的图像，其中，所述目标介质为位于金属-介质界面激发的表面等离激元倏逝深度范围内的介质，所述目标介质包含所述待测样品；

第一测量模块，用于在所述目标介质还包含除所述待测样品以外的其他介质时，执行以下第一测量步骤：

基于所述反射光空间频域图像，得到所述待测样品对应的目标反射光空间频域谱；

基于所述目标反射光空间频域谱以及预设对应关系，确定所述待测样品的折射率以及所述待测样品对应的厚度，其中，所述预设对应关系为基于传输矩阵法得到的反射光空间频域谱与样品折射率以及目标厚度之间的对应关系；

第二测量模块，用于在所述目标介质不包含除所述待测样品以外的其他介质时，执行以下第二测量步骤：

基于所述反射光空间频域图像，得到目标表面等离激元共振角度；

基于所述目标表面等离激元共振角度，以及表面等离激元共振角度与金属界面处介质折射率的对应关系，确定所述待测样品的折射率。

8.一种表面等离激元共振传感测量系统，其特征在于，包括：入射光产生子系统、显微物镜、成像子系统、光电探测器以及数据处理装置，其中：

入射光产生子系统，用于产生平行入射的偏振激光；

显微物镜，用于将所述平行入射的偏振激光聚焦到镀金属膜透明基底上，以激发表面等离激元与目标介质发生相互作用，并使得形成的反射光场在成像子系统后焦平面位置处的成像，其中，所述目标介质为位于金属-介质界面激发的表面等离激元倏逝深度范围内的介质，所述目标介质包含待测样品；

光电探测器，用于采集所述成像子系统后焦平面位置处的反射光空间频域图像，并发送给所述数据处理装置；

所述数据处理装置，用于所述目标介质还包含除所述待测样品以外的其他介质，则执行以下第一测量步骤：基于所述反射光空间频域图像，得到所述待测样品对应的目标反射光空间频域谱；基于所述目标反射光空间频域谱以及预设对应关系，确定所述待测样品的折射率以及所述待测样品对应的厚度，其中，所述预设对应关系为基于传输矩阵法得到的反射光空间频域谱与样品折射率以及目标厚度之间的对应关系；

所述数据处理装置，还用于：

若所述目标介质不包含除所述待测样品以外的其他介质，则执行以下第二测量步骤：

基于所述反射光空间频域图像，得到目标表面等离激元共振角度；

基于所述目标表面等离激元共振角度，以及表面等离激元共振角度与金属界面处介质折射率的对应关系，确定所述待测样品的折射率。

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