CN101008615A - 使用耦合表面等离子体的表面等离子体共振生物传感器 - Google Patents

Abstract

一种表面等离子体共振装置(10)包括：棱镜(12)；接触棱镜(12)的一面(16)的介电层(90)；具有接触介电层(90)的第一表面和接触样本(22)的第二表面的传导层(14)，样本(22)要由表面等离子体共振装置(10)分析；以及发射具有波长λ₀的入射光束(26)的光源(18)，入射光束(26)进入棱镜(12)，并且以相对于垂直于由介电层(90)接触的棱镜(12)的面(16)的方向的可调节入射角α入射在由介电层(90)接触的棱镜(12)的面(16)上。传导层(14)具有这样的厚度，该厚度在入射角α等于共振角时能够生成略微不对称的耦合表面等离子体，其中共振角由入射光束(26)的波长λ₀、传导层的折射率(n_m)和样本(22)的折射率(n_s)确定。

Description

使用耦合表面等离子体的表面等离子体共振生物传感器

技术领域

本发明一般地涉及表面等离子体共振生物传感器(biosensor)，更具体而言，涉及使用耦合表面等离子体以减小反射率下降(dip)的宽度的表面等离子体共振生物传感器。

背景技术

表面等离子体共振生物传感器通过检测样本的折射率的改变来检测样本的改变，从而不需要任何荧光或样本的其他标记。因此，它们被称为无标记生物传感器。

在典型的表面等离子体共振生物传感器中，在一侧上的棱镜和另一侧上的样本之间提供了传导层。给定波长的光通过棱镜以某一角度入射在传导层上。除了某一特定角度外，几乎所有的光都将被从传导层反射，该特定角度取决于传导层的折射率和样本的折射率。在该角度(被称为共振角)处，入射光中的光子被转换为表面等离子体，表面等离子体沿传导层和样本之间的界面行进。这引起了传导层的反射率的急速下降。

样本的改变导致样本的折射率的改变，这又导致共振角的改变。通过测量共振角的改变，可以确定样本的折射率的改变，这又指示了样本的改变。

发明内容

本发明涉及使用耦合表面等离子体以减小反射率下降的宽度从而增大表面等离子体共振生物传感器的灵敏度的表面等离子体共振生物传感器。

附图说明

下面结合附图描述根据本发明的实施例，在附图中：

图1示出了根据本发明的表面等离子体共振生物传感器；

图2示出了图1的表面等离子体共振生物传感器中的反射率下降；

图3是能量相对于波数的图，其示出了位于光锥内的光辐射状态或平面波状态与位于单界面表面等离子体分散曲线上的表面等离子体状态之间的关系；

图4示出了根据本发明的实施例，其中生成了单界面表面等离子体；

图5是能量相对于波数的图，其示出了位于光锥内的光辐射状态或平面波状态与位于长程耦合表面等离子体(LRCSP)分散曲线和短程耦合表面等离子体(SRCSP)分散曲线上的表面等离子体状态之间的关系；

图6示出了具有电介质一传导层一电介质配置的根据本发明的实施例，其中生成了长程耦合表面等离子体(LRCSP)，并且可能生成短程耦合表面等离子体(SRCSP)；

图7示出了具有传导层一电介质一传导层配置的根据本发明的实施例，其中生成了LRCSP，并且可能生成SRCSP；

图8示出了根据本发明的实施例，其中生成了略微不对称的LRCSP，并且可能生成略微不对称的SRCSP；以及

图9示出了根据本发明的实施例，其中生成了耦合模式，在耦合模式中，单界面表面等离子体与波导模式相耦合。

具体实施方式

下面详细参考根据本发明的实施例，本发明的示例在附图中示出，附图中相似的标号在全文中指代相似的元件。下面描述根据本发明的实施例。

图1示出了根据本发明的表面等离子体共振生物传感器10，其包括棱镜12、接触棱镜12的一面16的传导层14、光源18和检测器20。样本22接触传导层14，并形成传导层/样本界面24。光源18发射具有波长λ0的准直单色入射光束26。光源18可以例如是激光器。入射光束26进入棱镜12，并以入射角α入射在接触传导层14的棱镜12的面16上，其随后被反射并形成反射光束28，反射光束28被检测器20检测。

当入射光束26被从棱镜12的面16反射时，生成了消散波(evanescent wave)30，消散波30经过传导层14传播到样本22中。在特定入射角α(被称为共振角，其取决于入射光束26的波长λ₀、传导层14的折射率和样本22的折射率)处，消散波30生成表面等离子体，表面等离子体沿传导层/样本界面24传播。共振角总是大于发生内部全反射的临界角。在共振角处，几乎没有光从棱镜12的面16反射，这是因为入射光束26中的大多数光子已被转换为表面等离子体32。在所有其他的入射角α处，入射光束26中的几乎所有光子都被反射。从而，检测器20将检测到共振角处棱镜12的面16的反射率的急速下降。可以通过相对于入射光束26旋转棱镜12(如箭头34所指示)，同时监视检测器20的输出，来确定共振角。

样本22的改变导致样本22的折射率的改变，这又导致共振角的改变。由于共振角取决于入射光束26的波长λ₀、传导层14的折射率和样本22的折射率，并且发生改变的唯一变量是样本22的折射率，因此通过测量共振角的改变，可以确定样本22的折射率的改变，这又指示了样本22的改变。利用该技术可以检测超过5或6小数位的样本22的折射率的改变。

图2示出了在棱镜12围绕共振角旋转时反射率是如何随入射角α变化的示例。在入射角α接近共振角之前，反射率几乎为1.0，然后在共振角处急速下降到约0.05。反射率下降的全宽半高(FWHM)一般约为1°到2°的量级。反射率一般是在反射率下降的最陡峭的部分测量的。

表面等离子体共振生物传感器10的灵敏度大部分由反射率下降的宽度确定。随着反射率下降变窄或变陡，反射率的改变变得对入射角α更加敏感，从而增大了测量精度。反射率下降的宽度主要由传导层14中的表面等离子体吸收损耗确定，其中随着传导层14中的表面等离子体吸收损耗的减小，反射率下降的宽度也减小。因此，如果有一种减小传导层14中的表面等离子体吸收损耗的方式，则这将会减小反射率下降的宽度，从而增大表面等离子体共振生物传感器10的测量精度。

传导层14应当由这样的导体制成，该导体以便于观察目的的共振角生成可见或红外光范围内的表面等离子体。传导层14必须由纯导体制成，这是因为氧化物、硫化物或通过暴露于大气或与样本22反应形成的其他化合物干扰了表面等离子体的生成。用于传导层14的合适导体的一个示例是金属。其光学属性适合于用于传导层14的候选者包括Au、Ag、Cu、Al、Na和In。然而，In太贵，Na反应性太强，Cu和Al产生的反射率下降太宽，Ag太易于氧化(尽管Ag具有最低的表面等离子体的吸收损耗)。这只留下Au作为最实际的选择，尽管其比Ag具有更高的表面等离子体的吸收损耗。

表面等离子体可被认为是具有非常高的衰减的导波，其被约束遵循传导层/电介质界面，并且是传导层的表面电荷和电磁场的组合振荡。出于该讨论的目的，传导层/电介质界面是图1中的传导层/样本界面24。表面等离子体不是光辐射状态或平面波，因为其电场分布特性在远离传导层/电介质界面时指数衰落。表面等离子体的电场被称为消散波。

图3示出了绘在垂直能量轴40上的能量相对于绘在水平波数轴42上的波数k_z的图。k_z是平行于沿Z轴的某些界面的波数k＝2π/λ的分量。出于该讨论的目的，沿Z轴的界面是图1中的传导层/样本界面24。

图3的图中的每个点代表一个光子状态，其中该状态的属性是其能量E(或波长λ)和其波数k(或动量p)。能量E＝hc/λ，其中h是普朗克常数，c是光速，从而E反比于波长λ。因此，随着能量E沿图3中的能量轴40增大，波长λ减小。动量 $p=\stackrel{-}{h}k,$ 其中

或“h杠”是减小后的普朗克常数，即普朗克常数h除以2π，从而动量p正比于波数k。因此，随着波数k_z沿图3中的波数轴22增大，动量p也增大。

光辐射状态或平面波状态(即，在自由空间中传播的光)必须总是位于图3所示的光锥44内。光锥44代表所有可能的光辐射状态或平面波状态。在能量轴40的右侧的光锥44的右半部分代表沿前向方向传播的光子的所有可能的光辐射状态或平面波状态，在能量轴40的左侧的光锥44的左半部分代表沿后向方向传播的光子的所有可能的光辐射状态或平面波状态。延伸经过光锥44的中心的能量轴40代表垂直于传导层/样本界面24传播的光子的光辐射状态或平面波状态。对角线46代表沿前向方向平行于传导层/样本界面24传播的光子的光辐射状态或平面波状态，对角线48代表沿后向方向平行于传导层/样本界面24传播的光子的光辐射状态或平面波状态。对角线50代表沿前向方向相对于传导层/样本界面24以入射角α传播的光子的光辐射状态或平面波状态。

沿传导层/样本界面24前向传播的表面等离子体的所有可能的表面等离子体状态由能量轴40右边的表面等离子体分散曲线52代表，沿传导层/样本界面24后向传播的表面等离子体的所有可能的表面等离子体状态由能量轴40左边的表面等离子体分散曲线54代表。

为了使光辐射状态与表面等离子体状态相耦合，能量和动量都必须守恒(conserved)。

为了使能量守恒，具有波长λ₀的入射光束26的沿前向方向相对于传导层/样本界面24以入射角α传播的光子的光辐射状态56必须与具有相同波长λ₀的表面等离子体状态58相耦合。

然而，在图3中的能量轴40右侧的表面等离子体分散曲线52上的任何表面等离子体状态的波数k_Z，SP(从而是动量p)将总是大于具有相同能量E(或波长λ)的任何光辐射状态的波数k_Z，PHOTON(从而是动量p)，这是因为表面等离子体分散曲线52位于光锥44外部。在能量轴40的左侧有同样的情形。从而，任何表面等离子体状态都是非辐射状态，并且在正常的情况下永远不可能与光辐射状态相耦合，因为动量还未守恒。因此，在正常的情况下，光辐射状态56不能与表面等离子体状态58相耦合。

然而，在表面等离子体共振生物传感器10中，通过由棱镜12提供的棱镜耦合，克服了光辐射状态56不能与表面等离子体状态58相耦合的问题，棱镜12按如下方式工作。当入射光束26进入棱镜12时，具有波长λ₀的入射光束26中的光子的波数k_Z，PHOTON(从而是动量)被乘以棱镜12的折射率n_p。这加宽了图3中的光锥44，从而使其封入了表面等离子体分散曲线52和54，因此当入射光束26以等于共振角的入射角α入射在棱镜12的面16上时(此时n_pk_Z，PHOTON＝k_Z，SP，从而动量守恒)，可以使光辐射状态56与表面等离子体状态58相耦合。

图4示出了与图1的一部分相对应的实施例，其中n_p是棱镜12的折射率，n_m是传导层14的折射率，n_s是样本22的折射率。如果传导层14至少有100nm厚，则在传导层/样本界面24处将以共振角生成具有电场分布特性60的表面等离子体。垂直虚线代表0电场。这类表面等离子体被称为单界面表面等离子体，并且图3中的表面等离子体分散曲线52和54是单界面表面等离子体分散曲线。

电场分布特性60在远离传导层/样本界面24时指数衰落，并且延伸到传导层14中的部分比延伸到样本22中的部分衰落得快，这是因为传导层14中的吸收损耗高于样本22中的吸收损耗。

如上所述，如果有一种减小传导层14中的表面等离子体吸收损耗的方式，则这将会减小反射率下降的宽度，从而增大表面等离子体共振生物传感器10的测量精度。一种这样做的方式是生成长程耦合(long-rangecoupled)表面等离子体。

随着传导层14的厚度减小到低于约100nm，图3中的单界面表面等离子体分散曲线52和54分为长程耦合表面等离子体(LRCSP)分散曲线62和64以及短程耦合表面等离子体(SRCSP)分散曲线66和68，如图5所示。随着传导层14的厚度继续减小，LRCSP分散曲线62和64继续向光锥44旋转，而SRCSP分散曲线66和68继续远离光锥44旋转，其速率比LRCSP分散曲线62和64向光锥44旋转的速率快。

如同单界面表面等离子体分散曲线52和54一样，LRCSP分散曲线62和64以及SRCSP分散曲线66和68位于光锥44外部。因此，在正常的情况下，具有波长λ₀和波数k_Z，PHOTON的光辐射状态56不能与具有波长λ₀和波数k_Z，LRCSP的LRCSP状态70或具有波长λ₀和波数k_Z，SRCSP的SRCSP状态72相耦合。

然而，由棱镜12提供的棱镜耦合加宽了光锥44，如上所述，从而使其至少封入了LRCSP分散曲线62和64，甚至可能封入了SRCSP分散曲线66和68，因此当入射光束26以等于共振角的入射角α入射在棱镜12的面16上时(此时n_pk_Z，PHOTON＝k_Z，LRCSP，从而动量守恒)，可以使光辐射状态56与LRCSP状态70相耦合，或者甚至当入射光束26以等于共振角的入射角α入射在棱镜12的面16上时(此时n_pk_Z，PHOTON＝k_Z，SRCSP，从而动量守恒)，使光辐射状态56与SRCSP状态72相耦合。

图6示出了根据本发明的实施例，其中第一介电层74置于棱镜12和传导层14之间，由与第一介电层74相同的介电材料制成的第二介电层76置于传导层14和样本22之间。棱镜12的折射率n_p大于第一介电层74和第二介电层76的折射率n_d。传导层14的厚度小于约100nm。如果传导层14由Au制成，则厚度优选地约为50nm。第一介电层74和第二介电层76的厚度小于约入射光束26的波长λ₀。第一介电层74和第二介电层76可以由SiO₂或任何其他合适的介电材料制成。

传导层14足够薄，以使得在传导层14和第一介电层74之间的界面处形成的表面等离子体的电场将会重叠在传导层14和第二介电层76之间的界面处形成的表面等离子体的电场并与之耦合，以形成耦合表面等离子体，该耦合表面等离子体可能具有对称场分布特性78或反对称场分布特性80。

在对称电场分布特性78中，两处表面等离子体的电场在传导层14中具有相同极性，从而在传导层14中加在一起，因此传导层14中的电场永远不会变为0。这有效地将耦合表面等离子体的电场拉入传导层14中，从而与图4中所示的单界面表面等离子体相比增大了该耦合表面等离子体的总吸收损耗，这是因为在传导层14中的吸收损耗基本上高于在第一介电层74和第二介电层76中的吸收损耗。吸收损耗的增大减小了耦合表面等离子体的生存时间，从而减小了耦合表面等离子体在被吸收之前可以传播的距离。由此，具有对称电场分布特性78的耦合表面等离子体被称为短程耦合表面等离子体或SRCSP。SRCSP状态位于图5中的SRCSP分散曲线66和68上。

在反对称电场分布特性80中，两处表面等离子体的电场在传导层14中具有相反极性，从而在传导层14中彼此相减，因此传导层14中的电场变为0。这有效地将耦合表面等离子体的电场推出传导层14，并推入到第一介电层74和第二介电层76中，从而与图4中所示的单界面表面等离子体相比减小了该耦合表面等离子体的总吸收损耗，这是因为在第一介电层74和第二介电层76中的吸收损耗基本上低于在传导层14中的吸收损耗。吸收损耗的减小增大了耦合表面等离子体的生存时间，从而增大了耦合表面等离子体在被吸收之前可以传播的距离。由此，具有反对称电场分布特性80的耦合表面等离子体被称为长程耦合表面等离子体或LRCSP。LRCSP状态位于图5中的LRCSP分散曲线62和64上。

SRCSP一般比单界面表面等离子体具有更高的吸收损耗，从而将会产生比单界面表面等离子体更宽的反射率下降。相反地，LRCSP一般比单界面表面等离子体具有更低的吸收损耗，从而将会产生比单界面表面等离子体更窄的反射率下降。因此，希望生成尽可能多的LRCSP和尽可能少的SRCSP，以获得尽可能窄的反射率下降。这可以通过以下方式来实现：选择折射率n_p、n_d和n_m，以使得图5中的光锥44加宽到足以封入LRCSP分散曲线62和64但不足以封入SRCSP分散曲线66和68的程度。

反射率下降的宽度可以通过增大LRCSP和SRCSP的生存时间来减小，这可以通过减小传导层14的厚度来实现，因为较薄的传导层14将具有较低的吸收损耗。传导层14一般通过在介电衬底(例如图6中的第一介电层74或第二介电层76)上沉积导体来形成。然而，对于某些导体，不可能形成比约15nm还薄的传导层14，这是因为低于该厚度，沉积在介电衬底上的导体原子会产生聚合并形成岛状膜(island film)。这些岛状膜是粗糙的，并且将会散射入射光束26，这将会加宽反射率下降，并抵消由于较薄的传导层14而带来的反射率下降的任何变窄的努力。发生这一现象的导体示例是Au和Ag。然而，这一问题可通过利用传导层一电介质一传导层配置，而不是图6中所示的电介质一传导层一电介质配置来加以克服。

图7示出了根据本发明的实施例，其中第一传导层82置于棱镜12和样本层22之间，由与第一传导层82相同的导体制成的第二传导层84置于与第一传导层82不同的样本22的另一侧上。棱镜12的折射率n_p大于样本22的折射率n_s，样本22充当传导层一电介质一传导层配置中的电介质。第一传导层82的厚度应当为约50nm或更小，以使得由被反射的入射光束26生成的图1中所示的消散波30能够穿透第一传导层82进入到样本22中，从而使其可以生成表面等离子体。第二传导层84可以厚的多，例如约1000nm。该配置使得样本22的厚度能够小到约5nm，并且基本等同于在图6的配置中使用5nm的传导层14，而这由于如上所述在约15nm或更小的厚度时形成岛状膜是不可能的。

图7中的配置生成具有电场分布特性86的SRCSP和具有电场分布特性88的LRCSP。如同图6的情形一样，希望生成尽可能多的LRCSP和尽可能少的SRCSP，以获得尽可能窄的反射率下降。这可以通过以下方式来实现：选择折射率n_p、n_d和n_m，以使得图5中的光锥44加宽到足以封入LRCSP分散曲线62和64但不足以封入SRCSP分散曲线66和68的程度。

反射率下降的宽度还可以通过利用不对称几何结构生成略微不对称的LRCSP来进一步减小，不对称LRCSP可以比利用如图6和7所示的对称几何结构生成的对称LRCSP具有基本上更长的生存时间。这基本上更长的生存时间导致略微不对称的LRCSP的传播长度可能超过对称LRCSP的传播长度高达三个数量级。对称几何结构是指这样的事实：即图6中的传导层14两侧上的第一介电层74和第二介电层76由相同材料制成，图7中的样本22两侧上的第一传导层82和第二传导层84由相同导体制成。

图8示出了根据本发明的实施例，其中介电层90置于棱镜12和传导层12之间，样本22置于传导层12的另一侧上。棱镜12的折射率n_p大于介电层90的折射率n_d，而介电层90的折射率n_d小于样本22的折射率n_s。

图8中的配置生成具有电场分布特性92的略微不对称的SRCSP和具有电场分布特性94的略微不对称的LRCSP。略微不对称的SRCSP和略微不对称的LRCSP的电场被推入到样本22中比在介电层90中更远的距离，这是因为样本22的折射率n_s大于介电层90的折射率n_d。如同图6和7中的情形一样，希望生成尽可能多的LRCSP和尽可能少的SRCSP，以获得尽可能窄的反射率下降。这可以通过以下方式来实现：选择折射率n_p、n_d和n_m，以使得图5中的光锥44加宽到足以封入类似于图5中的LRCSP分散曲线62和64的略微不对称的LRCSP分散曲线但不足以封入类似于图5中所示的SRCSP分散曲线66和68的略微不对称的SRCSP分散曲线的程度。

另一种减小传导层14中的吸收损耗从而减小反射率下降的宽度的方式是生成耦合模式，其中单界面表面等离子体与波导模式相耦合。

图9示出了根据本发明的实施例，其中介电波导层96置于传导层14和样本22之间，棱镜12置于传导层14的另一侧上。介电波导层96的折射率n_w大于样本22的折射率n_s。图9中的配置生成具有沿棱镜12和传导层14之间的界面传播的电场分布特性98的单界面表面等离子体，该表面等离子体与具有在介电波导层96中传播的电场分布特性100的波导模式相耦合。耦合模式的大部分组合电场在介电波导层96中，介电波导层96具有非常低的吸收损耗，从而减小了反射率下降的宽度。

尽管已经示出并描述了根据本发明的某些实施例，但是本领域技术人员应当理解，可以在这些实施例中进行改变，而不脱离本发明的原理和精神，本发明的范围在权利要求和其等同物中限定。

Claims (5)

1.一种表面等离子体共振装置(10)，包括：

棱镜(12)；

接触所述棱镜(12)的一面(16)的介电层(90)；

具有接触所述介电层(90)的第一表面和接触样本(22)的第二表面的传导层(14)，所述样本(22)要由所述表面等离子体共振装置(10)分析；以及

发射具有波长λ₀的入射光束(26)的光源(18)，所述入射光束(26)进入所述棱镜(12)，并且以相对于垂直于由所述介电层(90)接触的棱镜(12)的面(16)的方向的可调节入射角α入射在由所述介电层(90)接触的棱镜(12)的面(16)上；

其中所述传导层(14)具有这样的厚度，该厚度在所述入射角α等于共振角时能够生成略微不对称的耦合表面等离子体，其中所述入射光束(26)以所述入射角α入射在由所述介电层(90)接触的棱镜(12)的面(16)上，并且所述共振角由所述入射光束(26)的波长λ₀、所述传导层的折射率(n_m)和所述样本(22)的折射率(n_s)确定。

2.如权利要求1所述的装置，其中所述耦合表面等离子体具有至少从所述传导层(14)延伸到所述样本(22)中的电场(92、94)。

3.如权利要求1所述的装置，其中所述传导层(14)由Au制成，并且约为50nm厚。

4.如权利要求1所述的装置，其中所述棱镜(12)的折射率(n_p)大于所述介电层(90)的折射率(n_d)；并且

其中所述介电层(90)的折射率(n_d)小于所述样本(22)的折射率(n_s)。

5.如权利要求1所述的装置，其中所述棱镜(12)的折射率(n_p)、所述传导层(14)的折射率(n_m)和所述样本(22)的折射率(n_s)被选择使得，所生成的略微不对称的耦合表面等离子体包括基本上所有的略微不对称的长程耦合表面等离子体，并且基本上不包括略微不对称的短程耦合表面等离子体。

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