CN101556243B - 生物感测器 - Google Patents
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Abstract
一种生物传感器，包括一外腔式激光器，具有一光学谐振腔包括至少一全反射镜及一对应全射镜的半反射镜，其中全反射镜包括一透明基材；以及一表面等离子谐振单元，设置在透明基材上。
Description
技术领域
本发明为一种生物传感器，特别是关于一种具有外腔式激光器谐振放大的表面等离子谐振传感器，用以对微弱的生物探测信号进行光学放大，便于信号检测。
背景技术
生物传感器由于具有特异性，针对特定的待测分析物，必需要有特定的酶或反应物与待测分析物发生反应，然后依据反应前后电学、光学、质量等特性的变化设计出多种类型的生物传感器。由于生物分子之间的相互作用比较微弱，若对弱信号处理不好，有可能会使有用信号被淹没在干扰信号中。目前在生物传感领域用的比较广泛的检测方法是利用表面等离子谐振(Surface Plasma Resonance，SPR)效应来探测生物反应信号。
表面等离子谐振(SPR)探测方法的原理主要是利用光线在金属膜表面发生全反射时，会在金属膜中产生消失波，消失波与表面等离子波发生谐振时，检测到的反射光强度会大幅度地减弱。对表面等离子谐振传感器而言，一般都是改变金属膜与被测表面的结构用来提高探测灵敏度。如美国专利公告号US 5,991,048所述，将金属薄膜与被探测表面的中间电介质层作为增加灵敏度的途径。然而，这些表面等离子谐振技术都只利用了光线的单次或几次反射结果，信号未能被有效放大。
因此，为了提高生物传感器的探测精度，有时不得不投入大量资金用于弱信号的检测及处理上，这样将增加产品的生产成本。
发明内容
有鉴于上述课题，本发明之目的为提供一种生物传感器，可对弱生物反应信号实现光学放大，便于检测电路的信号处理。
为达上述目的，生物传感器主要包括一外腔式激光器，具有一光学谐振腔包括一全反射镜及一对应全反射镜的半反射镜，其中全反射镜包括一透明基材；以及一表面等离子谐振单元，设置在透明基材上。光学谐振腔的主要功能是提供光子在光学谐振腔中不断往返运动，在受激辐射的作用下，光子信号得到显著放大，当光子所受增益大于损耗时(即注入电流大于阈值电流时)，光子能量将以激光的形式输送出来。当光子照射表面等离子谐振单元后，大部分能量被全反射回光学谐振腔，部分能量以消失波的形式被表面等离子谐振单元吸收，当表面等离子谐振单元上固定的生物分子与待测分析物发生反应时，将会引起消失波能量的变化，因而被该表面等离子谐振单元反射的光子能量将受到表面等离子谐振单元生物反应信号的调制，结果导致输出的激光强度信号随着生物反应信号的变化而变化。
本发明外腔式激光器之光学谐振腔的两个镜片是可拆卸的独立部件，并且体积也较大，在镀表面等离子谐振单元(如金属膜)在全反射镜上并绑定特定生物分子比较容易实现，利用外腔式激光器制作的生物传感器适合于制作体积较大的生物反应分析测试仪。本发明提供之生物传感器，结合外腔式激光器的多次谐振放大特性，光子在光学谐振腔中往返一次便受到全反射镜的表面等离子谐振调制，光子的能量也相应受到表面等离子谐振单元表面生物分子信号的调制，这样经过光子的多次往返，表面等离子谐振单元表面之生物分子信号便可得到有效放大。使得微弱的生物反应信号变得易于检测，极大简化了生物传感器的检测手段。
附图说明
图1为本发明较佳实施例之生物传感器的立体图；
图2为图1之生物传感器之全反射镜的剖面图；
图3A至3C为本发明较佳实施例之全反射镜上之不同微通道的局部上视图；以及
图4为外腔式激光器输出强度随生物反应信号的变化曲线图。
主要组件符号说明
1：生物传感器 11：全反射镜
111：透明基材 112：表面等离子谐振单元
113：绝缘层 114：粘合层
115：特定生物分子
116、116a、116b、116c：微通通
12：半反射镜 13：增益介质
14：泵浦源
15：光强探测组件
具体实施方式
以下将参照相关图式，说明依据本发明较佳实施例之生物传感器。
图1为本发明较佳实施例之生物传感器的立体图。如图1所示，生物传感器1主要包括一外腔式激光器，具有一光学谐振腔包括至少一全反射镜11及一对应全反射镜11的半反射镜12，其中全反射镜11包括一透明基材111以及一表面等离子谐振单元112，设置在透明基材111上。
外腔式激光器可例如为气体激光器、固体激光器、染料激光器或化学激光器，气体激光器例如为CO2激光器或氦氖激光器，固体激光器例如为Nd:YAG(钇铝石榴石)激光器，图1的外腔式激光器为Nd:YAG(钇铝石榴石)固体激光器，但不以此为限。外腔式激光器的光学谐振腔的两个镜片可为平平镜、平凸镜或平凹镜，图1之外腔式激光器1的光学谐振腔的两个镜片为平平镜，但不以此为限。全反射镜11包括一透明基材111，可为一玻璃基材，其上镀有表面等离子谐振单元112，表面等离子谐振单元112为一层薄的高反射金属膜，其材料可以是金、银、铜或其复合多层金属。半反射镜12镀有非全反射膜(图未示)，为一出光反射镜(激光输出镜)，部份反射、部份出光，非全反射膜的反射率依据实际需求设计。将全反射镜11的透明基材111镀上表面等离子谐振单元112(金属膜)有两个主要功能：一、反射光子，与半反射镜12构成光学谐振腔；二、产生表面等离子谐振(SPR)效应，使得表面等离子谐振单元112表面的生物反应能够对光学谐振腔中的激光实现微小调制。
外腔式激光器更包括增益介质13及至少一泵浦源14。泵浦源14设置于增益介质13之侧边，可以为氙灯泵浦或半导体激光泵浦，用以对增益介质13注入能量，使得增益介质13满足粒子数反转分布条件。增益介质13设置于全反射镜11与半反射镜12之间，可为Nd:YAG增益介质棒，增益介质13系提供受激辐射放大条件，当泵浦源14对增益介质13注入能量， 增益介质13便可实现粒子数反转分布，当光子在光学谐振腔中往返运动时，光子通过该增益介质13时，将引发受激辐射过程，引起光子信号能量放大。
图2为图1之生物传感器之全反射镜的剖面图。全反射镜11上更包括绝缘层113及粘合层114。绝缘层113设置于表面等离子谐振单元112上，用于形成待测分析物微通道116的侧壁，可由高分子材料构成。粘合层114覆盖在微通道116的表面等离子谐振单元112上方，用于固定特定生物分子115，特定生物分子115主要包括DNA片断、抗原、抗体、酶、辅酶和其它生物小分子等，用来与待测分析物中相应生物分子发生作用。当加入待测分析物时，该特定功能生物分子将与待测分析物中的对应的功能单元发生生物反应，从而影响表面等离子谐振单元112的反射率。
图3A至3C为本发明较佳实施例之全反射镜上之不同微通道的局部上视图。图2中表面等离子谐振单元露出的区域为微信道116，本发明之微通道116可为如图3A所示为一直微信道116a，由于光学谐振腔之激光光束集中在全反射镜11约中心部位，因此为提高探测精度，该直微通道116a需经过全反射镜11的中心区域。图3B所示为一环形微通道116b，透过向环微通道116b注入待测反应物，通过表面等离子谐振效应影响全反射镜11的反射率，然后检测输出光强能量的变化来分析待测反应物的成分。为了进一步增加生物反应对激光能量的影响，可采用图3C所示的S形微信道116c结构。无论是哪种结构微信道，都尽量使得微通道116集中在全反射镜11的中心部位。
生物传感器1更包括一光强探测组件15，设置在激光出光方向，光强探测组件15是与外腔式激光器之激光波长对应的光强度探测器件，主要功能是进行光电转换，再藉由检测分析处理电路通过光强信号的变化来分析生物反应信号的变化。
为了提高表面等离子谐振单元的谐振吸收效果，可采用三面反射镜、四面反射镜或多面反射镜来组成环形谐振腔(未图示)，亦即，环形谐振腔包括复数个全反射镜及一半反射镜(出光反射镜)，其中表面等离子谐振单元，设置在其中之一的全反射镜之透明基材上。透过调整该表面等离子谐振单元之全反射镜角度，可使表面等离子谐振吸收效应最强，从而导致激光输出功率变化最大。
本发明外腔式激光器之光学谐振腔的主要功能是提供光子在光学谐振腔中不断往返运动，当泵浦源注入能量时，增益介质将满足粒子数反转分布条件，光子经过该增益介质时将引发受激辐射，在受激辐射的作用下，光子信号得到显著放大，当光子所受增益大于损耗时，光子能量将以激光的形式输送出来。当光子照射表面等离子谐振单元后，大部分能量被全反射射回光学谐振腔，部分能量以消失波的形式被表面等离子谐振单元吸收。当表面等离子谐振单元上固定的生物分子与待测分析物发生反应时，将会引起消失波能量的变化，因而被该表面等离子谐振单元反射的光子能量将受到表面等离子谐振单元生物反应信号的调制，结果导致输出的激光强度信号随着生物反应信号的变化而变化，从而实现了对生物反应信号的光学放大。由于外腔式激光器的输出波长主要受增益介质的特性及光学谐振腔的长度影响，当这两者固定不变时，激光器的输出波长不会发生变化。
图4为外腔式激光器输出强度随生物反应信号的变化曲线图。图中曲线A表示未加入待测反应物时激光的输出光强与注入电流的回应关系图。当加入不同的待测液时，光子入射到表面等离子谐振单元上引起的消失场强度会发生变化，实际上是影响了光子在表面等离子谐振单元上的反射率，相应改变了激光的损耗参数，结果将导致激光器表现出不同输出光强与注入功率P0的响应曲线，如图中的曲线B或C所示。理想条件下，当稳定注入功率P0不变时，激光的输出功率应保持恒定。若因生物反应信号导致外腔式激光器的损耗发生变化时，即使注入功率不发生变化，激光的输出光强也会发生变化，光强探测组件便可采集到这种变化的信号，得到探测信号强度对时间的曲线，然后便可实时分析待测分析物与特定功能生物分子的反应状态。
承上所述，本发明之外腔式激光器之光学谐振腔的两个镜片是可拆卸的独立部件，并且体积也较大，在镀有表面等离子谐振单元(如金属膜)之全反射镜上固定特定生物分子比较容易实现，利用外腔式激光器制作的生物传感器适合于制作体积较大的生物反应分析测试仪。本发明结合外腔式激光器的多次谐振放大特性，光子在光学谐振腔中往返一次便受到全反射镜的表面等离子谐振调制，光子的能量也相应受到表面等离子谐振单元表面生物分子信号的调制，这样经过光子的多次往返，表面等离子谐振单元表 面之生物分子信号便可得到有效放大。使得微弱的生物反应信号变得易于检测，大幅简化了生物传感器的检测手段。
以上所述仅为举例性，而非为限制性者。任何未脱离本发明之精神与范畴，而对其进行之等效修改或变更，均应包含于后附之申请专利范围中。
Claims (18)
1.一种生物传感器，包括：
一外腔式激光器，具有一光学谐振腔包括至少一全反射镜及一对应该全反射镜的半反射镜；以及
一表面等离子谐振单元，设置于其中一个全反射镜上，其中该全反射镜包括一透明基材，该表面等离子谐振单元，设置在该透明基材上。
2.权利要求1所述之生物传感器，其中该透明基材为玻璃基材。
3.权利要求1所述之生物传感器，其中该表面等离子谐振单元为金属膜，该金属膜的材质包括金、银、铜或其复合多层金属膜。
4.权利要求1所述之生物传感器，其中该外腔式激光器为气体激光器、固体激光器、染料激光器、或化学激光器。
5.权利要求4所述之生物传感器，其中的气体激光器为CO2激光器或氦氖激光器，或其中的固体激光器为Nd:YAG激光器。
6.权利要求1所述之生物传感器，其中该光学谐振腔之该至少一全反射镜及该半反射镜为平平镜、平凸镜或平凹镜。
7.权利要求1所述之生物传感器，其更包括一绝缘层，设置在该表面等离子谐振单元上，形成待测分析物微通道的侧壁。
8.权利要求7所述之生物传感器，其中该绝缘层的材料为高分子材料。
9.权利要求7所述之生物传感器，其中该微通道为直微信道、环微信道或S形微信道。
10.权利要求7所述之生物传感器，其中该微通道集中在该全反射镜约中心部位。
11.权利要求7所述之生物传感器，其更包括一粘合层，覆盖在该微通道的该表面等离子谐振单元上，用于固定特定生物分子，与待测分析物中相应生物分子发生作用。
12.权利要求11所述之生物传感器，其中该特定生物分子包括DNA片断、抗原、抗体、酶、辅酶。
13.权利要求1所述之生物传感器，其更包括一光强探测组件，设置在激光出光方向。
14.权利要求4所述之生物传感器，其中该外腔式激光器更包括一增益介质，设置于全反射镜与半反射镜之间。
15.权利要求14所述之生物传感器，其中该增益介质为Nd:YAG增益介质棒。
16.权利要求14所述之生物传感器，其中该外腔式激光器更包括至少一泵浦源，设置于该增益介质之侧边，用以对该增益介质注入能量，使得该增益介质满足粒子数反转分布条件。
17.权利要求16所述之生物传感器，其中该泵浦源为氙灯泵浦或半导体激光泵浦。
18.权利要求1所述之生物传感器，其中该光学谐振腔为一环形谐振腔，包括复数个全反射镜及一半反射镜，该表面等离子谐振单元设置在其中之一的该全反射镜之透明基材上。
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