專利名稱：一種降低背景干擾的表面等離子共振傳感器及其檢測方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及傳感器及傳感技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及實現(xiàn)表面等離子共振檢測 的器件結(jié)構(gòu)和相應(yīng)檢測方法。
背景技術(shù)：
表面等離子是沿著金屬和電介質(zhì)間界面?zhèn)鞑サ挠山饘俦砻骐姾傻募w 振蕩形成的振動模式。表面等離子波存在于兩種介電常數(shù)符號相反(一般為金 屬與電介質(zhì))的介質(zhì)界面上，并沿金屬表面?zhèn)鞑?。準直光東中垂直于介質(zhì)表面 的波矢分量激發(fā)金屬表面電子振蕩形成倏逝波，當光束平行于介質(zhì)界面的波 矢分量與表面等離子波的傳播常數(shù)匹配時，光東能量就能通過倏逝波耦合進 入介質(zhì)界面形成表面等離子波，反射光能量減弱。當準直光東滿足一定波長 和入射角度條件時，光束耦合進入表面等離子波的能量比例最大，反射光能
量最弱，同時相位產(chǎn)生延遲，形成表面等離子共振(SPR)，此時產(chǎn)生表面等 離子共振的光波波長稱為共振波長，光波入射角度稱為共振角度，同時在反 射光強的響應(yīng)曲線上看到一個反射光強度衰減的尖峰，這個尖峰稱為共振吸 收峰。
當金屬附近物質(zhì)的折射率、厚度等參數(shù)發(fā)生改變時，相應(yīng)引起表面等離 子波的傳播常數(shù)的變化，進而導致光波與表面等離子波的耦合特性變化，表 現(xiàn)為耦合共振條件的改變，如共振角度、共振波長、強度、相位的變化。利 用這些條件的變化來檢測待測物的物理參數(shù)變化，是表面等離子共振傳感器 形成的基礎(chǔ)。根據(jù)所測量的光波參數(shù)的不同，表面等離子共振傳感器檢測
技術(shù)分為角度、波長、強度或者相位測量。
因為表面等離子共振效應(yīng)對附著在金屬薄膜表面的介質(zhì)折射率等物理 屬性非常敏感，表面等離子共振技術(shù)近年來成為生化檢測的熱門測量手段， 在生物分子相互作用、藥物篩選、臨床診斷、食物檢測及環(huán)境監(jiān)控、生物學 等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。
表面等離子共振為實現(xiàn)特異性檢測通常需要使用標簽分子。標簽分子通 過物理或化學作用在金屬薄膜表面形成標簽層。標簽分子與被檢測物具有特異性的分子識別特征。當被檢測物經(jīng)過金屬薄膜表面時，標簽分子與被檢測 物即可通過分子間相互作用(如氫鍵、配位鍵、范德華力等)形成特異性吸 附，從而改變標簽層的折射率或厚度，進而反映為表面等離子共振共振條件 的改變，形成表面等離子共振的特異性響應(yīng)，實現(xiàn)表面等離子共振的特異性 檢測。除去表面等離子共振檢測過程中的特異性響應(yīng)，還存在表面等離子共 振的非特異性響應(yīng)。這是由于表面等離子波是一種倏逝波，該波的振幅隨著 離開金屬界面距離的增加而呈指數(shù)衰減，在表面等離子共振檢測中，距離金 屬界面l)am左右的物質(zhì)特性對表面等離子共振效應(yīng)都有一定影響。由于通常 標簽層的厚度都比較小，即使吸附了待測物質(zhì)的標簽層其厚度也不過50-200 nm，因此，表面等離子共振響應(yīng)信號也會受到標簽層以外的緩沖溶液的因素 影響，例如緩沖溶液溫度的起伏，緩沖溶液成分、濃度的變化，非標簽分子 的吸附。由這些變化引起的表面等離子共振響應(yīng)統(tǒng)稱為表面等離子共振的非 特定響應(yīng)。待測樣品分層結(jié)構(gòu)見圖l,這里將緩沖溶液稱為背景層。
在表面等離子共振實際測量中，背景層對測量結(jié)果的影響不能忽視。有 時背景層的非特定響應(yīng)甚至大于標簽層的特定響應(yīng)，從而使得表面等離子共 振測量系統(tǒng)無法區(qū)分表面等離子共振條件的改變是由何種響應(yīng)引起的，對檢 測的結(jié)果影響非常大。因此，如何消除背景層的影響是實際表面等離子共振 系統(tǒng)中必須考慮解決的問題之一。目前，采用的解決方法有
(1) 實驗中維持背景層條件穩(wěn)定不變。通過釆用同種緩沖液，并盡量嚴格 地控制緩沖液的溫度、濃度、pH值均保持不變，以降低背景層波動。 該方法的控制條件較多，實現(xiàn)較為困難。
(2) 增加參比通道。所謂的參比通道就是該通道中沒有標簽層，即被檢測 物不與標簽層發(fā)生生化反應(yīng)，那么參比通道中得到的響應(yīng)就是背景層 的響應(yīng)。將檢測通道所得表面等離子共振響應(yīng)信號與之比較，就能消 除背景層的非特定響應(yīng)。但實際檢測中，背景層在有無標簽層的情況 下的響應(yīng)并非完全相同的。消除背景影響并不徹底。另外該方法需要 占用兩個樣品通道，不利于測量系統(tǒng)的小型化和集成化。
(3) 四角棱鏡雙通道對比。采用寬光譜的光源以固定的入射角入射，用特 制的四角棱鏡取代原來的三角棱鏡，使入射光通過棱鏡內(nèi)的反射，形 成兩東以不同入射角的寬光譜光東，入射到同一個表面等離子共振傳 感器的金屬層上，從而在不同波長的位置上分別激發(fā)表面等離子共 振，得到關(guān)于同一生化反應(yīng)和背景層特性下的兩組表面等離子共振響
5應(yīng)。該兩組表面等離子共振響應(yīng)對標簽層和背景層變化的響應(yīng)各不相 同，從而分辨標簽層的特定響應(yīng)和背景層的非特定響應(yīng)，達到消除背 景層影響的目的。但此類方法中，為了有效消除背景影響，其中所涉 及的特制四角棱鏡的形狀大小與表面等離子共振響應(yīng)有著緊密的聯(lián) 系，需要精細的設(shè)計計算與制作，實現(xiàn)起來較為復(fù)雜。
(4)采用在入射光角度相同的情況下，在相同的表面等離子共振傳感器件
的金屬薄膜上的部分區(qū)域覆蓋一層電介質(zhì)薄膜。利用寬光譜入射光， 波長掃描的方式，在無電介質(zhì)薄膜和有電介質(zhì)薄膜處得到不同的表面
等離子共振響應(yīng)。與方法(3)類似，利用二者對標簽層和背景層變 化的響應(yīng)的不同，達到分辨標簽層和背景層的響應(yīng)、消除背景的目的。 此種方法，因為要在相同的傳感器金屬膜結(jié)構(gòu)下得到不同的表面等離 子共振響應(yīng)，需要在已有金屬膜的部分區(qū)域再涂覆電介質(zhì)薄膜，不僅 實現(xiàn)比較復(fù)雜而且可能影響和限制在金屬表面制備標簽層。因此，這 樣的方法的可實現(xiàn)性較低。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提出一種降低表面等離子共振檢測中背景層干擾的新方法，以及 實現(xiàn)該方法的一種表面等離子共振傳感器結(jié)構(gòu)。
一方面，本發(fā)明提供的表面等離子共振傳感檢測結(jié)構(gòu)是利用金屬薄膜激 發(fā)表面等離子波的一種表面等離子共振傳感器結(jié)構(gòu)。該傳感器結(jié)構(gòu)主要有兩 部分組成， 一部分是將入射光能量耦合進傳感器的光學耦合元件，另一部分 是能激發(fā)表面等離子共振的傳感層。本發(fā)明在同一個傳感器結(jié)構(gòu)中，采用兩 種或兩種以上能夠激發(fā)表面等離子共振現(xiàn)象的不同金屬薄膜組成傳感層。在 其他條件(光源、入射角度、被檢測樣品、背景層性質(zhì))都一致的情況下， 對比不同材料傳感層的表面等離子共振響應(yīng)差異，以達到消除背景干擾的目 的。
上述傳感結(jié)構(gòu)中，整個傳感層由兩個或兩個以上、空間上互不交疊的區(qū) 域構(gòu)成，每個區(qū)域內(nèi)的金屬薄膜由一種金屬材料構(gòu)成，整個傳感層由兩種或
兩種以上的金屬薄膜組成；
上述傳感結(jié)構(gòu)中，所述的傳感所用的金屬薄膜由能夠產(chǎn)生表面等離子共 振的金屬材料構(gòu)成，例如金，銀，銅，鉬，或其合金；
上述傳感結(jié)構(gòu)中，傳感層中的兩種或兩種以上金屬材料的選擇必須滿 足在各個不同金屬薄膜上激發(fā)表面等離子共振的共振條件(即表面等離子
6共振角度或表面等離子共振波長)都不相同；
上述傳感結(jié)構(gòu)中，入射光同時照在不同的金屬薄膜區(qū)域上，或者通過單
次或多次反射的方式，照在不同的金屬薄膜區(qū)域上；
上述傳感結(jié)構(gòu)中，入射光入射到傳感層的不同金屬薄膜區(qū)域上都有顯著 的表面等離子共振響應(yīng)，且響應(yīng)不相同；
上述傳感結(jié)構(gòu)中，為了在傳感層的不同區(qū)域得到相同的表面修飾，在能 夠區(qū)分兩個區(qū)域的不同響應(yīng)的情況下，在傳感層表面再附加一層極薄的金屬 薄膜。附加的薄膜不能影響原來的表面等離子共振激發(fā)
上述傳感結(jié)構(gòu)中，所述的光學耦合元件采用棱鏡、光柵、光纖、波導耦 合元件中的任何一種。
另一方面，本發(fā)明提供了一種表面等離子共振的測量方法，包括以下步
驟
(1) 對傳感層進行生化預(yù)處理，使標簽分子附著在傳感層上，形成 標簽層；
(2) 將P偏振的入射光入射到表面等離子共振傳感組件上；
(3) 入射光通過光學耦合元件同時或先后依次照射在傳感層的不 同金屬材料的區(qū)域上；
(4) 將背景溶液進樣，入射光在不同的傳感層區(qū)域上發(fā)生反射，在 不同的條件下產(chǎn)生表面等離子共振，通過分別對表面等離子共振傳感 組件的出射光進行測量，得到不同傳感層區(qū)域?qū)?yīng)的表面等離子共振 條件；
(5) 將待檢測溶液進樣，入射光在傳感層的不同區(qū)域上、在不同條 件下產(chǎn)生表面等離子共振，通過分別對表面等離子共振傳感組件的出 射光進行測量，得到傳感層不同區(qū)域?qū)?yīng)的表面等離子共振條件；
(6) 根據(jù)上述測量傳感層的不同金屬薄膜區(qū)域下的表面等離子共 振條件的變化量，通過數(shù)據(jù)處理算法，得到待測樣品的檢測信息。
上述方法所述的步驟(3)中，金屬薄膜結(jié)構(gòu)根據(jù)上面所述的傳感結(jié)構(gòu)， 由分布在不同空間區(qū)域上的兩種或兩種以上的金屬薄膜構(gòu)成。入射光同時照 在兩種或兩種以上金屬表面上，分別產(chǎn)生對應(yīng)于不同金屬材料的表面等離子 共振；或者將入射光先后照在兩種或兩種以上的金屬上分別產(chǎn)生對應(yīng)于不同 金屬的表面等離子共振，即入射光先照在某一金屬材料的區(qū)域上，然后經(jīng)過 單次或多次反射后以相同角度入射到另 一 金屬材料的區(qū)域上，分別先后產(chǎn)生 相應(yīng)的表面等離子共振。
上述方法所述的步驟(6)中，檢測傳感層的不同區(qū)域，即不同金屬薄
7膜所激發(fā)出的表面等離子共振效應(yīng)的出射光信號。對于每一種金屬薄膜，由 其表面的表面等離子共振產(chǎn)生的條件，得到一組表面等離子共振響應(yīng)。因而 對于兩種或兩種以上的不同金屬薄膜，得到對于相同標簽層和背景層條件下 的兩個或兩個以上表面等離子共振響應(yīng)。當標簽層或背景層特性發(fā)生變化 后，再次測量的兩個或兩個以上表面等離子共振響應(yīng)與前面測量的表面等離 子共振響應(yīng)，構(gòu)成兩組或兩組以上表面等離子共振條件。由于不同金屬薄膜 對標簽層和背景層特性變化所引起的表面等離子共振條件變化的靈敏度不 同，，因此由這兩組或兩組以上的表面等離子共振條件分別解出標簽層和背 景層的物理量變化，達到消除背景層干擾的目的。
本發(fā)明的表面等離子共振傳感的測量結(jié)構(gòu)及其測量系統(tǒng)具有以下優(yōu)點
1. 本發(fā)明可用于實現(xiàn)表面等離子共振生化反應(yīng)過程的高精度檢測， 相對于目前的檢測結(jié)構(gòu)，能夠分辨生化反應(yīng)標簽層及待測樣品中背景層變 化的影響，消除背景層帶來的干擾，使得對于待測物質(zhì)的測量結(jié)果更為準 確。
2. 本發(fā)明的金屬薄膜結(jié)構(gòu)組成的表面等離子共振傳感組件采用的掃 描方式為角度掃描，波長掃描、強度掃描、相位掃描中的任何一種。
3. 本發(fā)明具有廣泛的兼容性，適用于目前多種的表面等離子共振檢 測結(jié)構(gòu)，包括傳統(tǒng)單層金屬表面等離子共振、長程表面等離子共振、耦合 等離子波導共振、波導耦合表面等離子共振中的任何一種檢測結(jié)構(gòu)
4. 本發(fā)明所涉及的測量結(jié)構(gòu)的體積小，有利于檢測裝置的小型化、 集成化。
5. 本發(fā)明無需參考通道即可實現(xiàn)消除背景的測量，節(jié)省資源，有利 于實現(xiàn)多通道、高通量的并行檢測。
6. 本發(fā)明制作簡單實現(xiàn)方便，應(yīng)用靈活，兼容性強，成本較低，操 作便捷。


以下，結(jié)合附圖來詳細說明本發(fā)明的實施例，其中 圖1待測溶液樣品分層結(jié)構(gòu)；
圖2并聯(lián)式結(jié)構(gòu)表面等離子共振傳感組件結(jié)構(gòu)示意圖； 圖3表面等離子共振角度掃描系統(tǒng)流程示意框圖； 圖4并聯(lián)式結(jié)構(gòu)表面等離子共振傳感組件測得曲線； 圖5串聯(lián)式結(jié)構(gòu)表面等離子共振傳感組件結(jié)構(gòu)示意圖； 圖6串聯(lián)式結(jié)構(gòu)表面等離子共振傳感組件測得曲線；
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具體實施例方式
圖2給出了一個根據(jù)本發(fā)明內(nèi)容所述的傳感層結(jié)構(gòu)實例的示意圖。采用 直角棱鏡作為光學耦合元件。由金屬薄膜l和金屬薄膜2組成傳感層，將棱 鏡底面分成兩個長方形傳感層區(qū)域，兩區(qū)域相鄰。金厲薄膜l區(qū)域鍍55 nm 厚的金膜，金屬薄膜2區(qū)域鍍55 nm厚的銀膜，形成傳感層的兩個區(qū)域。同 時為了保證生化檢測過程中，標簽分子的修飾條件相同，在傳感層的兩個區(qū) 域表面再鍍一層5 nm的金膜。入射光從棱鏡側(cè)邊入射，光斑落在兩個區(qū)域 的分界線上，光束照射在傳感層的兩個區(qū)域上的面積相同。此種結(jié)構(gòu)由于在 傳感層的不同區(qū)域上表面等離子共振的激發(fā)是并行的，故稱之為并聯(lián)式結(jié) 構(gòu)。
本實例中的表面等離子共振檢測系統(tǒng)釆用Ki:etschmann型表面等離子 共振裝置。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意框圖見圖3，包括
光源l:波長為670 nm的單色光源，目的為了得到固定單波長入射光；
光路元件2:包括半波片，偏振片，及準直透鏡。目的是為了得到P偏 振且固定入射角度的準直入射光；
表面等離子共振傳感組件3:釆用本發(fā)明所述的表面等離子共振傳感組 件，其中傳感層巳經(jīng)過生化預(yù)處理，即傳感層上巳吸附標簽分子；
待測樣品4:通過樣品通道或樣品池裝置進入表面等離子共振傳感組件 3，與標簽分子發(fā)生作用；
表面等離子共振信號檢測裝置5:采用光電二極管，將其置于光線的出 射光路上，接收出射光的光強信號，并且將光強信號轉(zhuǎn)換成電壓信號；
數(shù)據(jù)處理設(shè)備6:將釆集到的實驗數(shù)據(jù)進行計算，得到測量結(jié)果。
實驗中采用角度掃描利用機械轉(zhuǎn)臺，改變?nèi)肷涞絺鞲袑由系慕嵌?，?發(fā)表面等離子共振。當進行角度掃描時，入射角度隨時間連續(xù)改變，此時光 點保持沿著分界線移動。
上述表面等離子共振檢測系統(tǒng)的檢測方法如下 由光源發(fā)出的光，經(jīng)過光路配套元件得到P偏振的準直入射光； 入射光由棱鏡耦合，平均分布在傳感層的兩種金屬薄膜區(qū)域內(nèi)； 將生化待測樣品進樣，即通過樣品通道或樣品池到達已經(jīng)有標簽層的傳 感層，并與其作用；控制機械轉(zhuǎn)臺進行角度掃描，同時對光電探測器測得的反射光強做實時的釆集；對實驗數(shù)據(jù)按以下方法進行處理計算當反射光強達到最小值時，金屬薄膜上對應(yīng)的入射光角度稱為表面等離 子共振共振角。由于兩種金屬介電常數(shù)不同，則所對應(yīng)的表面等離子共振共振角也就不同。設(shè)金膜的表面等離子共振共振角為e^，設(shè)銀膜的表面等離子 共振共振角為e^。由于入射光東一半分布在金層上， 一半分布在銀層上，傳 感器的整體表面等離子共振響應(yīng)包括上述兩個表面等離子共振峰。由于表面 等離子波對于標簽層和背景層的變化都有響應(yīng)，但對于不同材料的金屬薄膜 所激發(fā)的表面等離子共振響應(yīng)受到標簽層和背景層的影響的大小也不相同。 因此，表面等離子共振角的變化與標簽層和背景層的微小變化和金屬薄膜材 料特性有著緊密的聯(lián)系，通過測量不同材料金屬薄膜的表面等離子共振角的 變化及其差異，計算分別得到標簽層與背景的折射率變化。設(shè)標簽層的折射率為％，背景層的折射率為％。在表面等離子共振裝置 中通入待測物質(zhì)溶液，待測物質(zhì)與標簽層發(fā)生作用后，標簽層和背景層折射率都將發(fā)生變化。^AM分別為生化反應(yīng)前，標簽層和背景層的折射率。％2，%2分別為生化反應(yīng)后，標簽層和背景層的折射率。需檢測的標簽層和背景層的折射率變化為A"s="i'i_"s2 (6) A"s="w—"S2 (7) 進行角度掃描后，表面等離子共振角也會發(fā)生變化。分別得到金、銀薄膜傳感層的表面等離子共振角分別對應(yīng)標簽層和背景層的折射率改變的函數(shù)關(guān)系△ =;A"S+^A"B (8) AW"s《A (9) 其中，A ^^-^,A^^^2-^,都通過實驗測得。而方程中的Ans,Ahb就是要求解的量。SAu,SAg分別表示金和銀層對應(yīng)的表面等離子共振角對標簽層折射率變化的靈敏度。S' Au， S' Ag分別表示金和銀層對應(yīng)的表面等離 子共振角對背景層折射率變化的靈敏度。這些靈敏度，由理論計算得到。根 據(jù)公式(3) — (5),通過計算一定折射率附近的表面等離子共振角度隨標 簽層或背景層折射率變化的斜率，即可得到對應(yīng)的靈敏度。將其代入上述的方程組，分別計算求得標簽層與背景層折射率的微小變化。得以對生化反應(yīng) 實驗的過程進行測量和判斷。本實例中的系統(tǒng)主要物理參數(shù)為 棱鏡折射率 1.76; 金薄膜折射率0.154+3.55i; 銀薄膜折射率0.0666+4.045i; 標簽層厚度 5 nm;根據(jù)上述參數(shù)和公式(3) — (5)，得到上述結(jié)構(gòu)中 SAu =3.0330; S' Au =68.4469; SAg 二2.5711; S' Ag =64.6767;分別在標簽層及背景層發(fā)生變化之前和之后進行兩次角度掃描，這里設(shè) 標簽層的折射率從1.430變化到1.440,背景層的折射率由于環(huán)境因素的影響， 從1.330變化到1.335。表面等離子共振響應(yīng)曲線見圖4。分別測量得到6Aul=54.9581° ; 6Au2=55.3314° ; 6Agl=53.8712° ; 6Ag2=54.2210° ; 計算得厶6細=0.3733° ; AeAg=0.3498° ; 將上述參數(shù)帶入式(10)，即可算得折射率的改變量 Ans=0.0100; AnB=0.0050; 上述結(jié)果與實際折射率變化非常接近。如果釆用傳統(tǒng)的表面等離子共振器件及檢測方法，不區(qū)分標簽層和背景 層的不同響應(yīng)，認為金屬薄膜下的溶液為一個整體。以單層銀膜為例，上述 實驗條件下，根據(jù)e^， 0Ag2的差別，則計算得到的被檢測物的折射率變化為 △n =0.005,該測量結(jié)果顯然不符合實際。經(jīng)過對兩種結(jié)果的比較說明，本發(fā)明較準確地獲得標簽層及背景層的折 射率變化，從而去除背景層變化的影響。除了并聯(lián)式結(jié)構(gòu)，根據(jù)本發(fā)明內(nèi)容所述，入射光先后依次入射到傳感層 的不同金屬薄膜區(qū)域上，分別產(chǎn)生對應(yīng)的表面等離子共振，這種結(jié)構(gòu)可稱之 為串聯(lián)式結(jié)構(gòu)。下面舉例說明，如圖5，采用等腰梯形棱鏡作為光學耦合元 件，其上下兩底邊相互平行。其下底面為傳感面，上底面鍍?nèi)瓷淠?。，?別采用金屬薄膜l和金屬薄膜2，兩種不同金屬薄膜作為傳感層。金屬薄膜 1區(qū)域鍍55nm厚的金膜，金屬薄膜2區(qū)域鍍55nm厚的銀膜，形成兩個區(qū)域。11同時為了保證生化檢測過程中，標簽分子的修飾條件相同，在兩個區(qū)域表面再鍍一層5nm的金膜。入射光從棱鏡的一側(cè)入射，在金膜上反射后，經(jīng)棱鏡 上底面反射，以同樣的角度入射到銀膜上。本實例中的表面等離子共振檢測系統(tǒng)釆用Kretschmann型表面等離子 共振裝置。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意框圖見圖3，包括光源l:波長為670 nm的單色光源，目的為了得到固定單波長入射光;光路元件2:包括半波片，偏振片，及準直透鏡。目的是為了得到P偏 振且固定入射角度的準直入射光；表面等離子共振傳感組件3:采用本發(fā)明所述的表面等離子共振傳感組 件，其中傳感層已作好生化預(yù)處理，即傳感層上已吸附標簽分子；待測樣品4:通過樣品通道或樣品池裝置進入表面等離子共振傳感組件 3，與標簽分子發(fā)生作用；表面等離子共振信號檢測裝置5:釆用光電二極管，將其置于光線的出射光路上，接收出射光的光強信號，并且將光強信號轉(zhuǎn)換成電壓信號； 數(shù)據(jù)處理設(shè)備6:將釆集到的實驗數(shù)據(jù)進行計算，得到測量結(jié)果。 實驗中釆用角度掃描利用機械轉(zhuǎn)臺，改變?nèi)肷涞絺鞲袑由系慕嵌龋ぐl(fā)表面等離子共振。當進行角度掃描時，入射角度隨時間連續(xù)改變，始終先入射到金膜上然后經(jīng)反射入射到銀膜上。上述表面等離子共振檢測系統(tǒng)的檢測方法如下 由光源發(fā)出的光，經(jīng)過光路配套元件得到P偏振的準直入射光； 入射光由棱鏡耦合，首先入射到下底面的金膜上，然后經(jīng)上底面反射，入射到下底面的銀膜上；將生化待測樣品進樣，即通過樣品通道或樣品池到達已經(jīng)有標簽層的傳感層，并與其作用；控制機械轉(zhuǎn)臺進行角度掃描，同時對光電探測器測得的反射光強做實時的采集；對實驗數(shù)據(jù)按以下方法進行處理計算 棱鏡折射率 1.76; 金薄膜折射率0.154+3.55i; 銀薄膜折射率0.0666+4.045i; 標簽層厚度 5 nm;SAu =3.0442; S' Au =68.5361; SAg =2.5694; S' Ag =64.6477;分別在標簽層及背景層發(fā)生變化之前和之后進行兩次角度掃描，這里標 簽層的折射率設(shè)為從1.430變化到1.450，背景層的折射率從1.330變化到1. 335。表面等離子共振響應(yīng)曲線見圖6。分別測量得到6Aul=54.9801° ; 6Au2=55.3539° ;6Agl=53.8630° ; 6Ag2=54.2128° ;故厶6&=0.3738° ; A6Ag =0.3498° ;將上述參數(shù)帶入式(10)，即可算得折射率的改變量；△ns=0.092; AnB 二0.005j由此較準確地獲得被測層及背景層的折射率變化。
權(quán)利要求
1.一種能夠降低表面等離子共振檢測中背景層變化對測量結(jié)果干擾的表面等離子共振傳感器結(jié)構(gòu)，包括具有兩個或兩個以上形狀任意但互不交疊的區(qū)域的傳感層，各個區(qū)域內(nèi)由不同種金屬的薄膜構(gòu)成，整個傳感層由兩種或兩種以上能夠產(chǎn)生表面等離子共振的金屬薄膜同時組成。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的表面等離子共振傳感器結(jié)構(gòu)，其特征在于， 所述傳感層使用的金屬薄膜材料包括金，銀，銅，鋁等所有能產(chǎn)生表面等離 子共振的金< 屬或其合金材料，且材料的介電系數(shù)已知。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的表面等離子共振傳感器結(jié)構(gòu)，其特征在于， 分割后的每個區(qū)域上金屬薄膜的選擇必須滿足當釆用波長掃描時，每個金 屬薄膜上激發(fā)表面等離子共振的表面等離子共振波長都不相同；當采用角度 掃描時，激發(fā)表面等離子共振的表面等離子共振共振角都不相同。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的表面等離子共振傳感器結(jié)構(gòu)，其特征在于， 每個區(qū)域由的金屬薄膜對于標簽層和背景層的變化的靈敏度不同。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的表面等離子共振傳感器結(jié)構(gòu)，其特征在于， 入射光同時照在不同的金屬薄膜區(qū)域上，或者通過單次或多次反射的方式， 先后照在不同的金屬薄膜區(qū)域上。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的表面等離子共振傳感器結(jié)構(gòu)，其特征在于，傳感層的不同區(qū)域上應(yīng)具有相同的標簽層修飾。當需要得到相同的標簽層修 飾時，先在傳感層的各個不同區(qū)域上附加一層由同一種材料構(gòu)成的極薄的金 屬薄膜，然后再做標簽層修飾，附加的金屬薄膜不影響原來的表面等離子共 振的激發(fā)，其厚度范圍為5—10 nm。
7. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的表面等離子共振傳感器結(jié)構(gòu)，其特征在于， 通過求解由不同條件所激發(fā)的表面等離子共振的方程，分別得到待測樣品標 簽層和背景層折射率變化的響應(yīng)。
8. —種用于上述傳感器結(jié)構(gòu)的測量方法，包括以下步驟(1) 在所述傳感器的傳感層表面修飾標簽分子；(2) 將所述偏振光同時或先后入射到所述傳感器傳感層的不同區(qū)域上；(3) 固定入射光波長改變?nèi)肷涔饨嵌?，得到反射光的反射強度的信息?4) 在所述傳感器的傳感層表面使標簽分子成與被檢測物質(zhì)充分反應(yīng)；(5) 重復(fù)上述步驟(2)， (3);(6)根據(jù)步驟(3)， (5)得到的信息以及不同傳感區(qū)域的響應(yīng)差異， 確定被標簽層和背景層的折射率或厚度變化。
9. 一種用于上述傳感器結(jié)構(gòu)的測量方法，包括以下步驟(1) 在所述傳感器的傳感層表面修飾標簽分子；(2) 將所述偏振光同時或先后入射到所述傳感器傳感層的不同區(qū)域上;(3) 固定入射光角度改變?nèi)肷涔獠ㄩL，得到反射光的反射強度的信息;(4) 在所述傳感器的傳感層表面使標簽分子成與被檢測物質(zhì)充分反應(yīng);(5) 重復(fù)上述步驟(2)， (3);(6) 根據(jù)步驟(3)， (5)得到的信息以及不同傳感區(qū)域的響應(yīng)差異， 確定被標簽層和背景層的折射率或厚度變化。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種在表面等離子共振檢測中，能夠消除樣品背景層影響的表面等離子共振檢測器件結(jié)構(gòu)及檢測方法。該結(jié)構(gòu)根據(jù)不同金屬材料的表面等離子共振的產(chǎn)生條件及對被檢測物變化的靈敏度不同的原理，在同一個檢測器件上，集成了兩種或兩種以上能激發(fā)表面等離子的傳感層，同時對同一待測樣品進行檢測，并分別得到響應(yīng)，從而實現(xiàn)對于待測樣品的標簽層與背景層變化的響應(yīng)的區(qū)分，起到了消除背景層干擾的作用。本發(fā)明能夠在簡單的結(jié)構(gòu)下對樣品進行精確檢測，避免了待測樣品背景層的干擾，增加了檢測系統(tǒng)的精度和可靠性。此外，本發(fā)明的檢測器件設(shè)計和加工簡單，體積小，便于實際應(yīng)用，也便于集成化、小型化。
文檔編號G01N21/43GK101660997SQ20091008125
公開日2010年3月3日 申請日期2009年3月31日 優(yōu)先權(quán)日2009年3月31日
發(fā)明者萬育航, 琳 朱, 朱勁松, 魏 李, 范江峰, 錚 鄭 申請人:國家納米科學中心;北京航空航天大學