專利名稱：表面等離子體共振傳感器中的表面等離子體光譜術(shù)方法及其所用元件的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
0001本發(fā)明涉及表面等離子體共振傳感器的表面等離子體的光譜術(shù)
方法及其所用元件。
背景技術(shù)：
0002傳感器屬于用來(lái)測(cè)量物理量、化學(xué)量和生物量的現(xiàn)代設(shè)備。現(xiàn) 代傳感器(比如電、光、機(jī)械傳感器)依靠各種方法。用于光學(xué)傳感器 的手段之一是表面等離子體的光譜術(shù)或光譜法。表面等離子體是電磁波， 其可以在金屬和電介質(zhì)之間的界面被激發(fā)(7 a"/ze" 5V/acep/ow2ora o
由于表面等離子體的電磁場(chǎng)高度局限在金屬表面，所以表面等離子體對(duì) 發(fā)生在金屬表面鄰近區(qū)域的光學(xué)參數(shù)的變化非常敏感。在光學(xué)傳感器中， 表面等離子體通常用可見或近紅外光譜的電磁波進(jìn)行光激發(fā)。用電磁波 激發(fā)表面等離子體的共振條件依賴于金屬表面鄰近處電介質(zhì)的折射率。 因此，折射率的改變可以通過電磁波和表面等離子體之間相互作用的變 化進(jìn)行監(jiān)控。表面等離子體共振(SPR)傳感器可以用作高敏感折射計(jì)， 并且還可以應(yīng)用于生物分子及其相互作用的研究以及化學(xué)和生物化合物 的探測(cè)。在這些應(yīng)用中，SPR傳感器結(jié)合與分析物(例如抗體、酶、DNA) 具有特定相互作用的生物識(shí)別元件。在傳感器表面固定的生物識(shí)別元件 和液體樣本中的分析物之間的相互作用增大了傳感器表面臨近處的折射 率。該折射率變化可以通過光學(xué)受激的表面等離子體進(jìn)行探測(cè)。0003表面等離子體共振(SPR)傳感器存在眾多結(jié)構(gòu)。這些結(jié)構(gòu)包括 采用如下的結(jié)構(gòu)棱鏡耦合器(Sensors and Actuators, 4 (1983) 299-304; Electronics Letters, 23 (1988) 1469-1470)、光柵耦合器(Sensors and Actuators B, 8 (1992) 155-160)、光纖(Sensors and Actuators B, 12(1993) 213-220; Analytical Chemistry, 66 (1994) 963-970)和集成光波導(dǎo)(Sensors and Actuators B， 12 (1993) 213-220; Analytical Chemistry, 66 (1994)
963-970)?；诠鈻诺腟PR傳感器，電磁波和表面等離子體之間的相互 作用通過測(cè)量從光柵耦合器反射的電磁波的強(qiáng)度(Biosensors, 3 (1987/88) 211-225)、角度譜(American Laboratory, 33 (2001) 37-40)或者波長(zhǎng)i普 (Measurements and Science Technology, 6 (1995) 1193-1200)的變化來(lái)探 測(cè)。對(duì)于多種化學(xué)或生物化合物的并行探測(cè)或者它們相互作用的并行監(jiān) 控，可以使用多通道SPR傳感器。在使用光柵耦合器的多通道SPR傳感器 中，電磁波和表面等離子體的共振相互作用可以通過角度反射譜的空間 分布進(jìn)行探測(cè)(AmericanLaboratory, 33 (2001) 37-40)。近來(lái)，在捷克專 利號(hào)291 728 (J. Ctyrok、 J.Dostdlek,J.Homola)中描述了一種基于棱鏡耦 合器的多通道SPR傳感器以及順序激發(fā)表面離子體的方法。

發(fā)明內(nèi)容
0004本發(fā)明涉及具有波長(zhǎng)探詢和光柵耦合器的表面等離子體共振傳 感器。本發(fā)明包含一種用電磁波激發(fā)表面等離子體同時(shí)發(fā)散電磁波頻譜 的SPR傳感器方法。該方法中，使電磁波入射到衍射光柵上，在此處其被 衍射耦合到表面等離子體。同吋，電磁波的波長(zhǎng)譜通過光柵上的衍射被 空間發(fā)散。利用系統(tǒng)測(cè)量發(fā)散電磁波強(qiáng)度的譜分布，探測(cè)由表面等離子 體激發(fā)弓1起的電磁波頻譜的變化。
0005對(duì)于這種方法，電磁波是從兩個(gè)或兩個(gè)以上單色光源或者從多 色光源發(fā)射的。使電磁波入射到具有衍射光柵的傳感器元件表面，在此 處該電磁波在窄帶波長(zhǎng)內(nèi)激發(fā)表面等離子體。表面等離子體的激發(fā)伴隨 該波段內(nèi)的被衍射電磁波的強(qiáng)度變化。不同波長(zhǎng)的輻射以不同角度從光 柵衍射出去。因此，電磁波的波長(zhǎng)譜的變化被轉(zhuǎn)換為衍射電磁波強(qiáng)度的 空間分布的改變。這些變化用一種可以測(cè)量電磁輻射的空間分布的系統(tǒng) 來(lái)檢測(cè)(這種檢測(cè)系統(tǒng)進(jìn)一步被稱為位置敏感探測(cè)器)。衍射電磁輻射 的強(qiáng)度分布的測(cè)量使得可以監(jiān)控電磁波和表面等離子體之間共振相互作 用的變化，并因此可以確定傳感器的響應(yīng)。
0006該方法是基于作為耦合和發(fā)散元件工作的傳感器元件進(jìn)行的。 傳感器元件包含衍射光柵，在該衍射光柵上表面等離子體隨電磁波入射 到其表面上而被激發(fā)，并且電磁波的波長(zhǎng)譜被發(fā)散為不同角度。這種方
法大體上不同于現(xiàn)存的具有波長(zhǎng)探詢的SPR傳感器，其中傳感器元件只用 于表面等離子體的激發(fā)，并且電磁波的譜分析是利用具有獨(dú)立發(fā)散元件 的光譜儀單獨(dú)執(zhí)行的。此處描述的方法顯著簡(jiǎn)化了SPR傳感器的構(gòu)造。
0007SPR傳感器探測(cè)的方法依賴于傳感器元件1。這個(gè)傳感器元件l 使得表面等離子體2的激發(fā)和波長(zhǎng)譜的角度發(fā)散成為可能，并且其可以以 如下方式來(lái)實(shí)現(xiàn)?？梢娀蚪t外光譜的電磁波3在介質(zhì)4中傳播，并且其 以入射角10入射到具有衍射光柵6和金屬層7的傳感器元件1上。在金屬表 面上具有電介質(zhì)5。在起伏的衍射光柵6上，窄波段的電磁波3被衍射耦合 到金屬7和電介質(zhì)5之間界面處的表面等離子體2。同時(shí)，電磁波3被衍射 為發(fā)散束8。在發(fā)散束8中，不同波長(zhǎng)的電磁輻射從光柵以不同角度傳播 出去。在衍射束8內(nèi)，由于表面等離子體2的激發(fā)，電磁輻射的強(qiáng)度在窄 波段內(nèi)被改變。使發(fā)散束8入射到位置敏感探測(cè)器9，其測(cè)量電磁強(qiáng)度的 空間分布。衍射光柵6上的表面等離子體2的激發(fā)表現(xiàn)為由位置敏感探測(cè) 器9所探測(cè)的電磁束8強(qiáng)度分布的變化。
0008使用上述傳感器元件1的SPR傳感器的方法可以通過下面實(shí)施例 擴(kuò)展用于多通道傳感器結(jié)構(gòu)。
0009在第一實(shí)施例中，使電磁波3同時(shí)入射到具有衍射光柵6的多個(gè) 感測(cè)區(qū)域12上。這些感測(cè)區(qū)域12平行于表面等離子體2的傳播方向進(jìn)行安 置。在不同的感測(cè)區(qū)域12中，電磁波3被衍射為一系列空間分離的發(fā)散電 磁束8，其從傳感器元件l的表面?zhèn)鞑コ鋈?。這些電磁束8入射到位置敏感 探測(cè)器9的不同區(qū)域上。
0010在第二實(shí)施例中，使電磁波3入射到具有衍射光柵6的多個(gè)感測(cè) 區(qū)域12上。這些感測(cè)區(qū)域12垂直于表面等離子體的傳播方向進(jìn)行安置。 在不同的感測(cè)區(qū)域12中，電磁波3被衍射為一系列空間分離的發(fā)散光束8， 其從傳感器元件l的表面?zhèn)鞑コ鋈?。這些光束S入射到位置敏感探測(cè)器9的 不同區(qū)域上。
0010在第三實(shí)施例中，電磁波通常入射到具有衍射光柵6的多個(gè)感測(cè) 區(qū)域12。在不同感測(cè)區(qū)域12中，不同衍射光柵6相對(duì)于位置敏感探測(cè)器9 的中心被不同定向。在不同感測(cè)區(qū)域12，電磁波3被衍射為一系列空間分 離的發(fā)散光束8，其從傳感器元件l的表面?zhèn)鞑コ鋈ァＳ捎谘苌涔鈻?在不
同感測(cè)區(qū)域12的不同定向，衍射發(fā)散電磁束8投影到位置敏感探測(cè)器9的 不同區(qū)域上。
0011傳感器元件1可以在至少一個(gè)區(qū)域上由分子層15進(jìn)行鍍膜，用以 探測(cè)或研究存在于樣品5中的化學(xué)或者生物物質(zhì)的相互作用，所述樣品5 與傳感器元件l的表面接觸。
0012用于此處介紹的方法的傳感器元件l可以用玻璃通過例如切割、 研磨、拋光、蝕刻的方法來(lái)制作。另外，其可以用聚合物通過例如注射 成型或熱壓成型的方法來(lái)制作。支撐表面等離子體的薄金屬層7 (例如金、 銀)以及其他光學(xué)層可以通過例如真空蒸發(fā)或?yàn)R射的方法制備。作為位 置敏感探測(cè)器9，可以使用諸如CCD、 PDA和CMOS的線性或二維探測(cè)器。 作為電磁輻射源，可以采用發(fā)光二極管(LED)、白熾燈或放電燈。


0013本發(fā)明在下面的附圖中說(shuō)明。圖l描述了使用傳感器元件l的表 面等離子體共振傳感器的探測(cè)方法，在所述傳感器元件l上制備了起伏的 衍射光柵6。在衍射光柵6上，入射電磁波3耦合到表面等離子體2，并被 衍射為發(fā)散束8。在衍射束8中，不同波長(zhǎng)的電磁輻射從傳感器元件l的表 面向不同方向傳播。表面等離子體的激發(fā)和電磁波3到發(fā)散束8的發(fā)散是 通過光柵的不同衍射級(jí)實(shí)現(xiàn)的。
0014圖2顯示了使用傳感器元件1的多通道SPR傳感器探測(cè)方法，所述 傳感器元件1具有多個(gè)感測(cè)區(qū)域12，其帶有起伏的衍射光柵6。在不同的 感測(cè)區(qū)域12，電磁波3被衍射成一系列空間分離的發(fā)散電磁束8，其遠(yuǎn)離 傳感器元件l的表面進(jìn)行傳播。這些電磁束8入射到線性的位置敏感探測(cè) 器13的不同區(qū)域上。
0015圖3顯示了使用傳感器元件1的多通道SPR傳感器探測(cè)方法，所述 傳感器元件1具有多個(gè)帶有衍射光柵6的感測(cè)區(qū)域12。在不同的感測(cè)區(qū)域 12，電磁波3被衍射為一系列空間分離的發(fā)散電磁束8，其遠(yuǎn)離傳感器元 件l的表面進(jìn)行傳播。這些電磁束8入射到二維位置敏感探測(cè)器14的不同 區(qū)域上。
0016圖4顯示了使用傳感器元件1的多通道SPR傳感器探測(cè)方法，所述
傳感器元件1具有多個(gè)帶有衍射光柵6的感測(cè)區(qū)域12。在不同的感測(cè)區(qū)域
12中，衍射光珊6被定向在不同方向。在不同的的感測(cè)區(qū)域12，電磁波3 被衍射為一系列空間分離的發(fā)散電磁束8，其遠(yuǎn)離傳感器元件l的表面進(jìn) 行傳播。由于衍射光柵6在不同感測(cè)區(qū)域12中的不同定向，衍射的發(fā)散電 磁束8投影到二維位置敏感探測(cè)器14的不同區(qū)域上。0017圖5以具有陣列衍射光柵6的平面載片16顯示了傳感器元件1。
具體實(shí)施例方式
實(shí),
0018圖1顯示了用具有衍射光柵6的傳感器元件1進(jìn)行SPR傳感器探測(cè) 的方法的實(shí)施例，所述衍射光柵6使得電磁波3衍射耦合到表面等離子體 2，且使電磁波3的波長(zhǎng)譜的角度發(fā)散。準(zhǔn)直電磁波3以一角度10從光學(xué)介 質(zhì)4入射在傳感器元件1上。在傳感器元件l的頂部，具有一個(gè)鍍有金屬層 7的周期起伏的衍射光柵6。具有金屬層7的光柵6與電介質(zhì)5接觸。在金屬 7和電介質(zhì)5之間的界面，電磁波3通過第二衍射級(jí)在窄帶波長(zhǎng)內(nèi)激發(fā)表面 等離子體2。表面等離子體2的激發(fā)伴隨電磁波3在這些波長(zhǎng)上的能量吸 收。同時(shí)，電磁波3入射到起伏的衍射光柵6之后，其被衍射為形成發(fā)散 電磁束8的第一衍射級(jí)。在該電磁束8中，不同波長(zhǎng)的輻射從傳感器元件l 的表面以不同角度傳播出去。在發(fā)散的波長(zhǎng)譜中，在電磁波3耦合到表面 等離子體2的波長(zhǎng)上存在強(qiáng)度的變化。角度發(fā)散的波長(zhǎng)譜可以用位置敏感 探測(cè)器9來(lái)測(cè)量。 實(shí)樹0019圖2顯示了用具有多個(gè)帶衍射光柵6的感測(cè)區(qū)域12的傳感器元件1 進(jìn)行多通道SPR傳感器探測(cè)的方法的實(shí)施例，所述衍射光柵6使得電磁波3 衍射耦合到表面等離子體2，且使電磁波3的波長(zhǎng)譜的角度發(fā)散。準(zhǔn)直電 磁波3同時(shí)入射到與表面等離子體的傳播方向平行安置的多個(gè)感測(cè)區(qū)域 12上。通過光柵6上的衍射，在不同感測(cè)區(qū)域12中，電磁波3耦合到空間 分離的發(fā)散電磁束8。衍射束8從傳感器元件1的表面?zhèn)鞑コ鋈ィ⑷肷涞?線性的位置敏感探測(cè)器13的不同區(qū)域上。在每個(gè)衍射束8中，不同波長(zhǎng)的 電磁輻射從傳感器元件l的表面以不同角度傳播出去。衍射束8的空間分
離可以通過改變每個(gè)傳感器區(qū)域12中的衍射光柵6的周期來(lái)實(shí)現(xiàn)。 實(shí),
0020圖3顯示了用具有多個(gè)帶衍射光柵6的感測(cè)區(qū)域12的傳感器元件1 進(jìn)行多通道SPR傳感器探測(cè)的方法的實(shí)施例，所述衍射光柵6使得電磁波3 衍射耦合到表面等離子體2，且使電磁波3的波長(zhǎng)譜的角度發(fā)散。準(zhǔn)直電 磁波3同時(shí)入射到與表面等離子體的傳播方向垂直安置的多個(gè)感測(cè)區(qū)域 12上。通過光柵6上的衍射，在不同感測(cè)區(qū)域12中，電磁波3耦合到空間 分離的發(fā)散電磁束8。衍射束8從傳感器元件1的表面?zhèn)鞑コ鋈ィ⑷肷涞?二維位置敏感探測(cè)器14的不同區(qū)域上。在每個(gè)衍射束8中，不同波長(zhǎng)的電 磁輻射從傳感器元件l的表面以不同角度傳播出去。
0021圖4顯示了用具有多個(gè)帶衍射光柵6的感測(cè)區(qū)域12的傳感器元件1 進(jìn)行多通道SPR傳感器探測(cè)的方法的實(shí)施例，所述衍射光柵使得電磁波3 衍射耦合到表面等離子體2，且使電磁波3的波長(zhǎng)譜的角度發(fā)散。同時(shí)使 準(zhǔn)直電磁波3入射到多個(gè)感測(cè)區(qū)域12上。在不同的感測(cè)區(qū)域12中，衍射光 柵相對(duì)于二維位置敏感探測(cè)器的中心被不同定向。通過衍射光柵6上的衍 射，在不同的感測(cè)區(qū)域12中，電磁波耦合到空間分離的發(fā)散電磁束8。衍 射束8從傳感器元件1的表面?zhèn)鞑コ鋈?，并入射到二維位置敏感探測(cè)器14 的不同區(qū)域上。在每個(gè)衍射束8中，不同波長(zhǎng)的電磁輻射從傳感器元件l 的表面以不同角度傳播出去。 微0022圖5描述了用于此處描述的SPR傳感器方法的傳感器元件1的 實(shí)施例，其形式為具有陣列感測(cè)區(qū)域12的平面載片16。在每個(gè)感測(cè)區(qū)域 12中具有衍射光柵，其用于將電磁波3耦合到表面等離子體2，并用于 電磁波3的波長(zhǎng)譜的角度發(fā)散。 工業(yè)應(yīng)用
0023根據(jù)本發(fā)明的方法可以用于多個(gè)領(lǐng)域中，例如醫(yī)療診斷(生物 醫(yī)學(xué)標(biāo)記物的探測(cè))、醫(yī)藥工業(yè)(藥物發(fā)展)、食品工業(yè)(質(zhì)量管理、 有害污染物的探測(cè)、食源性致病菌及毒素)、環(huán)境保護(hù)(水和大氣污染 的監(jiān)控)、戰(zhàn)爭(zhēng)與安全(有害化合物的探測(cè))。
權(quán)利要求
1.表面等離子體的光譜術(shù)方法，其特征在于使電磁波入射到衍射光柵上，在該衍射光柵上，表面等離子體的激發(fā)和所述電磁波的波長(zhǎng)譜的發(fā)散通過衍射同時(shí)進(jìn)行；衍射電磁輻射的所述波長(zhǎng)譜中強(qiáng)度的空間分布的變化被測(cè)量，所述變化歸因于表面等離子體的激發(fā)。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中表面等離子體的光譜術(shù)是利用至 少兩種電磁波或者單個(gè)電磁波的不同部分在至少兩個(gè)衍射光柵或者單個(gè)光 柵的不同區(qū)域中同時(shí)進(jìn)行的。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中所述電磁波從至少兩個(gè)單色電磁 輻射源或者至少 一個(gè)多色電磁輻射源中發(fā)射。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中波長(zhǎng)發(fā)散的衍射電磁輻射的特性 由至少兩個(gè)單獨(dú)的探測(cè)器、探測(cè)器的線性陣列或者探測(cè)器的二維陣列進(jìn)行 探測(cè)。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中多通道SPR傳感器的傳感器元件 (1)包含一個(gè)或多個(gè)衍射光柵，所述衍射光柵用金屬層(7)迸行鍍膜或部分鍍膜，以激發(fā)表面等離子體(2)。
6. 根據(jù)權(quán)利要求5所述的傳感器元件(1)，其中所述傳感器元件(1) 上的至少一個(gè)感測(cè)區(qū)域(12)用包含被選分子的層進(jìn)行完全或部分鍍膜， 用以探究分子及其交互作用或者用以探測(cè)化學(xué)或生物物質(zhì)。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種表面等離子體的光譜術(shù)方法，其在于把電磁波入射到衍射光柵上，在該衍射光柵上表面等離子體激發(fā)和電磁波波長(zhǎng)譜的發(fā)散通過衍射同時(shí)發(fā)生。衍射電磁輻射的波長(zhǎng)譜中強(qiáng)度的空間分布的變化被測(cè)量，所述變化歸因于表面等離子體的激發(fā)。表面等離子體的光譜術(shù)可以是利用至少兩種電磁波或單個(gè)電磁波的不同部分在至少兩個(gè)衍射光柵或單個(gè)光柵的不同區(qū)域中同時(shí)進(jìn)行的。電磁波可以從電磁輻射的至少兩個(gè)單色源或者單個(gè)多色源中發(fā)射。波長(zhǎng)發(fā)散的衍射電磁輻射的特性通常用至少兩個(gè)單獨(dú)的探測(cè)器、探測(cè)器線性陣列或探測(cè)器二維陣列來(lái)探測(cè)。多通道SPR傳感器的傳感器元件(1)包含一個(gè)或多個(gè)衍射光柵，所述衍射光柵用金屬層(7)進(jìn)行完全或部分鍍膜，以激發(fā)表面等離子體(2)。所述傳感器元件(1)的至少一個(gè)感測(cè)區(qū)域(12)用包含被選分子的層進(jìn)行完全或部分鍍膜，用以研究分子及其交互作用或者用以探測(cè)化學(xué)或生物物質(zhì)。
文檔編號(hào)G01N21/55GK101175989SQ200680004811
公開日2008年5月7日 申請(qǐng)日期2006年1月12日 優(yōu)先權(quán)日2005年1月12日
發(fā)明者J·多斯塔爾克, J·霍莫拉, O·捷列日尼科夫 申請(qǐng)人:無(wú)線電工程和電子Ascr學(xué)院