CN101175989A - 表面等离子体共振传感器中的表面等离子体光谱术方法及其所用元件 - Google Patents

表面等离子体共振传感器中的表面等离子体光谱术方法及其所用元件 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种表面等离子体的光谱术方法，其在于：把电磁波入射到衍射光栅上，在该衍射光栅上表面等离子体激发和电磁波波长谱的发散通过衍射同时发生。衍射电磁辐射的波长谱中强度的空间分布的变化被测量，所述变化归因于表面等离子体的激发。表面等离子体的光谱术可以是利用至少两种电磁波或单个电磁波的不同部分在至少两个衍射光栅或单个光栅的不同区域中同时进行的。电磁波可以从电磁辐射的至少两个单色源或者单个多色源中发射。波长发散的衍射电磁辐射的特性通常用至少两个单独的探测器、探测器线性阵列或探测器二维阵列来探测。多通道SPR传感器的传感器元件(1)包含一个或多个衍射光栅，所述衍射光栅用金属层(7)进行完全或部分镀膜，以激发表面等离子体(2)。所述传感器元件(1)的至少一个感测区域(12)用包含被选分子的层进行完全或部分镀膜，用以研究分子及其交互作用或者用以探测化学或生物物质。

Description

表面等离子体共振传感器中的表面等离子体光谱术方法及其所用元件
技术领域
【0001】本发明涉及表面等离子体共振传感器的表面等离子体的光谱术方法及其所用元件。
背景技术
【0002】传感器属于用来测量物理量、化学量和生物量的现代设备。现代传感器(比如电、光、机械传感器)依靠各种方法。用于光学传感器的手段之一是表面等离子体的光谱术或光谱法。表面等离子体是电磁波，其可以在金属和电介质之间的界面被激发(Raether：Surface plasmons onsmooth and rough surfaces and on gratings，Springer-Verla Berlin，1988)。由于表面等离子体的电磁场高度局限在金属表面，所以表面等离子体对发生在金属表面邻近区域的光学参数的变化非常敏感。在光学传感器中，表面等离子体通常用可见或近红外光谱的电磁波进行光激发。用电磁波激发表面等离子体的共振条件依赖于金属表面邻近处电介质的折射率。因此，折射率的改变可以通过电磁波和表面等离子体之间相互作用的变化进行监控。表面等离子体共振(SPR)传感器可以用作高敏感折射计，并且还可以应用于生物分子及其相互作用的研究以及化学和生物化合物的探测。在这些应用中，SPR传感器结合与分析物(例如抗体、酶、DNA)具有特定相互作用的生物识别元件。在传感器表面固定的生物识别元件和液体样本中的分析物之间的相互作用增大了传感器表面临近处的折射率。该折射率变化可以通过光学受激的表面等离子体进行探测。
【0003】表面等离子体共振(SPR)传感器存在众多结构。这些结构包括采用如下的结构：棱镜耦合器(Sensors and Actuators，4(1983)299-304；Electronics Letters，23(1988)1469-1470)、光栅耦合器(Sensors andActuators B，8(1992)155-160)、光纤(Sensors and Actuators B，12(1993)213-220；Analytical Chemistry，66(1994)963-970)和集成光波导(Sensorsand Actuators B，12(1993)213-220；Analytical Chemistry，66(1994)963-970)。基于光栅的SPR传感器，电磁波和表面等离子体之间的相互作用通过测量从光栅耦合器反射的电磁波的强度(Biosensors，3(1987/88)211-225)、角度谱(American Laboratory，33(2001)37-40)或者波长谱(Measurements and Science Technology，6(1995)1193-1200)的变化来探测。对于多种化学或生物化合物的并行探测或者它们相互作用的并行监控，可以使用多通道SPR传感器。在使用光栅耦合器的多通道SPR传感器中，电磁波和表面等离子体的共振相互作用可以通过角度反射谱的空间分布进行探测(American Laboratory，33(2001)37-40)。近来，在捷克专利号291728(J.
Figure A20068000481100041
，J.Dostálek，J.Homola)中描述了一种基于棱镜耦合器的多通道SPR传感器以及顺序激发表面离子体的方法。
发明内容
【0004】本发明涉及具有波长探询和光栅耦合器的表面等离子体共振传感器。本发明包含一种用电磁波激发表面等离子体同时发散电磁波频谱的SPR传感器方法。该方法中，使电磁波入射到衍射光栅上，在此处其被衍射耦合到表面等离子体。同时，电磁波的波长谱通过光栅上的衍射被空间发散。利用系统测量发散电磁波强度的谱分布，探测由表面等离子体激发引起的电磁波频谱的变化。
【0005】对于这种方法，电磁波是从两个或两个以上单色光源或者从多色光源发射的。使电磁波入射到具有衍射光栅的传感器元件表面，在此处该电磁波在窄带波长内激发表面等离子体。表面等离子体的激发伴随该波段内的被衍射电磁波的强度变化。不同波长的辐射以不同角度从光栅衍射出去。因此，电磁波的波长谱的变化被转换为衍射电磁波强度的空间分布的改变。这些变化用一种可以测量电磁辐射的空间分布的系统来检测(这种检测系统进一步被称为位置敏感探测器)。衍射电磁辐射的强度分布的测量使得可以监控电磁波和表面等离子体之间共振相互作用的变化，并因此可以确定传感器的响应。
【0006】该方法是基于作为耦合和发散元件工作的传感器元件进行的。传感器元件包含衍射光栅，在该衍射光栅上表面等离子体随电磁波入射到其表面上而被激发，并且电磁波的波长谱被发散为不同角度。这种方法大体上不同于现存的具有波长探询的SPR传感器，其中传感器元件只用于表面等离子体的激发，并且电磁波的谱分析是利用具有独立发散元件的光谱仪单独执行的。此处描述的方法显著简化了SPR传感器的构造。
【0007】SPR传感器探测的方法依赖于传感器元件1。这个传感器元件1使得表面等离子体2的激发和波长谱的角度发散成为可能，并且其可以以如下方式来实现。可见或近红外光谱的电磁波3在介质4中传播，并且其以入射角10入射到具有衍射光栅6和金属层7的传感器元件1上。在金属表面上具有电介质5。在起伏的衍射光栅6上，窄波段的电磁波3被衍射耦合到金属7和电介质5之间界面处的表面等离子体2。同时，电磁波3被衍射为发散束8。在发散束8中，不同波长的电磁辐射从光栅以不同角度传播出去。在衍射束8内，由于表面等离子体2的激发，电磁辐射的强度在窄波段内被改变。使发散束8入射到位置敏感探测器9，其测量电磁强度的空间分布。衍射光栅6上的表面等离子体2的激发表现为由位置敏感探测器9所探测的电磁束8强度分布的变化。
【0008】使用上述传感器元件1的SPR传感器的方法可以通过下面实施例扩展用于多通道传感器结构。
【0009】在第一实施例中，使电磁波3同时入射到具有衍射光栅6的多个感测区域12上。这些感测区域12平行于表面等离子体2的传播方向进行安置。在不同的感测区域12中，电磁波3被衍射为一系列空间分离的发散电磁束8，其从传感器元件1的表面传播出去。这些电磁束8入射到位置敏感探测器9的不同区域上。
【0010】在第二实施例中，使电磁波3入射到具有衍射光栅6的多个感测区域12上。这些感测区域12垂直于表面等离子体的传播方向进行安置。在不同的感测区域12中，电磁波3被衍射为一系列空间分离的发散光束8，其从传感器元件1的表面传播出去。这些光束8入射到位置敏感探测器9的不同区域上。
【0010】在第三实施例中，电磁波通常入射到具有衍射光栅6的多个感测区域12。在不同感测区域12中，不同衍射光栅6相对于位置敏感探测器9的中心被不同定向。在不同感测区域12，电磁波3被衍射为一系列空间分离的发散光束8，其从传感器元件1的表面传播出去。由于衍射光栅6在不同感测区域12的不同定向，衍射发散电磁束8投影到位置敏感探测器9的不同区域上。
【0011】传感器元件1可以在至少一个区域上由分子层15进行镀膜，用以探测或研究存在于样品5中的化学或者生物物质的相互作用，所述样品5与传感器元件1的表面接触。
【0012】用于此处介绍的方法的传感器元件1可以用玻璃通过例如切割、研磨、抛光、蚀刻的方法来制作。另外，其可以用聚合物通过例如注射成型或热压成型的方法来制作。支撑表面等离子体的薄金属层7(例如金、银)以及其他光学层可以通过例如真空蒸发或溅射的方法制备。作为位置敏感探测器9，可以使用诸如CCD、PDA和CMOS的线性或二维探测器。作为电磁辐射源，可以采用发光二极管(LED)、白炽灯或放电灯。
附图说明
【0013】本发明在下面的附图中说明。图1描述了使用传感器元件1的表面等离子体共振传感器的探测方法，在所述传感器元件1上制备了起伏的衍射光栅6。在衍射光栅6上，入射电磁波3耦合到表面等离子体2，并被衍射为发散束8。在衍射束8中，不同波长的电磁辐射从传感器元件1的表面向不同方向传播。表面等离子体的激发和电磁波3到发散束8的发散是通过光栅的不同衍射级实现的。
【0014】图2显示了使用传感器元件1的多通道SPR传感器探测方法，所述传感器元件1具有多个感测区域12，其带有起伏的衍射光栅6。在不同的感测区域12，电磁波3被衍射成一系列空间分离的发散电磁束8，其远离传感器元件1的表面进行传播。这些电磁束8入射到线性的位置敏感探测器13的不同区域上。
【0015】图3显示了使用传感器元件1的多通道SPR传感器探测方法，所述传感器元件1具有多个带有衍射光栅6的感测区域12。在不同的感测区域12，电磁波3被衍射为一系列空间分离的发散电磁束8，其远离传感器元件1的表面进行传播。这些电磁束8入射到二维位置敏感探测器14的不同区域上。
【0016】图4显示了使用传感器元件1的多通道SPR传感器探测方法，所述传感器元件1具有多个带有衍射光栅6的感测区域12。在不同的感测区域12中，衍射光珊6被定向在不同方向。在不同的的感测区域12，电磁波3被衍射为一系列空间分离的发散电磁束8，其远离传感器元件1的表面进行传播。由于衍射光栅6在不同感测区域12中的不同定向，衍射的发散电磁束8投影到二维位置敏感探测器14的不同区域上。
【0017】图5以具有阵列衍射光栅6的平面载片16显示了传感器元件1。
具体实施方式
实例1
【0018】图1显示了用具有衍射光栅6的传感器元件1进行SPR传感器探测的方法的实施例，所述衍射光栅6使得电磁波3衍射耦合到表面等离子体2，且使电磁波3的波长谱的角度发散。准直电磁波3以一角度10从光学介质4入射在传感器元件1上。在传感器元件1的顶部，具有一个镀有金属层7的周期起伏的衍射光栅6。具有金属层7的光栅6与电介质5接触。在金属7和电介质5之间的界面，电磁波3通过第二衍射级在窄带波长内激发表面等离子体2。表面等离子体2的激发伴随电磁波3在这些波长上的能量吸收。同时，电磁波3入射到起伏的衍射光栅6之后，其被衍射为形成发散电磁束8的第一衍射级。在该电磁束8中，不同波长的辐射从传感器元件1的表面以不同角度传播出去。在发散的波长谱中，在电磁波3耦合到表面等离子体2的波长上存在强度的变化。角度发散的波长谱可以用位置敏感探测器9来测量。
实例2
【0019】图2显示了用具有多个带衍射光栅6的感测区域12的传感器元件1进行多通道SPR传感器探测的方法的实施例，所述衍射光栅6使得电磁波3衍射耦合到表面等离子体2，且使电磁波3的波长谱的角度发散。准直电磁波3同时入射到与表面等离子体的传播方向平行安置的多个感测区域12上。通过光栅6上的衍射，在不同感测区域12中，电磁波3耦合到空间分离的发散电磁束8。衍射束8从传感器元件1的表面传播出去，并入射到线性的位置敏感探测器13的不同区域上。在每个衍射束8中，不同波长的电磁辐射从传感器元件1的表面以不同角度传播出去。衍射束8的空间分离可以通过改变每个传感器区域12中的衍射光栅6的周期来实现。
实例3
【0020】图3显示了用具有多个带衍射光栅6的感测区域12的传感器元件1进行多通道SPR传感器探测的方法的实施例，所述衍射光栅6使得电磁波3衍射耦合到表面等离子体2，且使电磁波3的波长谱的角度发散。准直电磁波3同时入射到与表面等离子体的传播方向垂直安置的多个感测区域12上。通过光栅6上的衍射，在不同感测区域12中，电磁波3耦合到空间分离的发散电磁束8。衍射束8从传感器元件1的表面传播出去，并入射到二维位置敏感探测器14的不同区域上。在每个衍射束8中，不同波长的电磁辐射从传感器元件1的表面以不同角度传播出去。
实例4
【0021】图4显示了用具有多个带衍射光栅6的感测区域12的传感器元件1进行多通道SPR传感器探测的方法的实施例，所述衍射光栅使得电磁波3衍射耦合到表面等离子体2，且使电磁波3的波长谱的角度发散。同时使准直电磁波3入射到多个感测区域12上。在不同的感测区域12中，衍射光栅相对于二维位置敏感探测器的中心被不同定向。通过衍射光栅6上的衍射，在不同的感测区域12中，电磁波耦合到空间分离的发散电磁束8。衍射束8从传感器元件1的表面传播出去，并入射到二维位置敏感探测器14的不同区域上。在每个衍射束8中，不同波长的电磁辐射从传感器元件1的表面以不同角度传播出去。
实例5
【0022】图5描述了用于此处描述的SPR传感器方法的传感器元件1的实施例，其形式为具有阵列感测区域12的平面载片16。在每个感测区域12中具有衍射光栅，其用于将电磁波3耦合到表面等离子体2，并用于电磁波3的波长谱的角度发散。
工业应用
【0023】根据本发明的方法可以用于多个领域中，例如医疗诊断(生物医学标记物的探测)、医药工业(药物发展)、食品工业(质量管理、有害污染物的探测、食源性致病菌及毒素)、环境保护(水和大气污染的监控)、战争与安全(有害化合物的探测)。

Claims (6)

1.表面等离子体的光谱术方法，其特征在于：使电磁波入射到衍射光栅上，在该衍射光栅上，表面等离子体的激发和所述电磁波的波长谱的发散通过衍射同时进行；衍射电磁辐射的所述波长谱中强度的空间分布的变化被测量，所述变化归因于表面等离子体的激发。
2.根据权利要求1所述的方法，其中表面等离子体的光谱术是利用至少两种电磁波或者单个电磁波的不同部分在至少两个衍射光栅或者单个光栅的不同区域中同时进行的。
3.根据权利要求1所述的方法，其中所述电磁波从至少两个单色电磁辐射源或者至少一个多色电磁辐射源中发射。
4.根据权利要求1所述的方法，其中波长发散的衍射电磁辐射的特性由至少两个单独的探测器、探测器的线性阵列或者探测器的二维阵列进行探测。
5.根据权利要求1所述的方法，其中多通道SPR传感器的传感器元件(1)包含一个或多个衍射光栅，所述衍射光栅用金属层(7)进行镀膜或部分镀膜，以激发表面等离子体(2)。
6.根据权利要求5所述的传感器元件(1)，其中所述传感器元件(1)上的至少一个感测区域(12)用包含被选分子的层进行完全或部分镀膜，用以研究分子及其交互作用或者用以探测化学或生物物质。
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