CN101965509A - 用于相敏表面等离子体共振的方法和装置 - Google Patents

Abstract

公开了相敏SPR传感装置和用于表面等离子体共振传感的方法。所述相敏SPR包括传感单元(400)，其具有用于反射电磁辐射的测试光束(920)的传感表面(402)，其中测试光束(920)被所述传感表面(402)以多个角度反射。

Description

用于相敏表面等离子体共振的方法和装置

技术领域

本公开涉及表面等离子体共振(SPR)检测设备。

背景技术

一系列表面等离子体共振(SPR)技术是公知的。来自香港中文大学的Ho等人公布了基于马赫曾德尔干涉仪的相敏SPR传感器(Optics Letter(光学快报)，29，2378-2380，2004)。为了提供更宽的动态范围，Law等人提出了测量相敏SPR系统内的调制谐波(Biosensors and Bioelectronics(生物传感器和生物电子学)，23，627-632，2007)。

发明内容

本文公开了用于相敏SPR的方法和装置。

在第一实施方式中，公开了包括传感单元的相敏SPR传感装置，所述传感单元具有反射电磁辐射的测试光束的传感表面，其中测试光束被所述传感表面以多个角度反射。

在可替换的实施方式中，照明角的范围可以在约0°和10°之间、约10°和约20°之间、20°和约30°之间、约30°和约40°之间、约40°和约50°之间、约50°和约60°之间、60°和约70°之间、约70°和约80°之间、约80°和约90°之间。

在可替换的实施方式中，所述装置还可以包括检测单元，用于在所述反射角中的至少两个处检测所述反射光束。

在可替换的实施方式中，所述装置还可以包括多个检测器。

在可替换的实施方式中，检测单元将所述反射的测试光束的相位与参考光束的相位相比较。

在可替换的实施方式中，利用分束器产生参考光束和所述测试光束。

在可替换的实施方式中，所述装置还可以包括聚焦所述测试光束的聚焦单元。

在可替换的实施方式中，所述聚焦单元包括柱面透镜。

在可替换的实施方式中，所述装置还可以包括光束会聚单元，用于会聚所述测试光束。

在可替换的实施方式中，所述装置还可以包括具有光电探测器阵列的检测单元。

在可替换的实施方式中，所述装置还可以包括具有相位计的检测单元。

在可替换的实施方式中，所述装置还可以包括具有液晶调制器的所述第一光束的源。

在可替换的实施方式中，所述装置还可以包括具有可变相位延迟的偏振电磁辐射源。

在可替换的实施方式中，所述检测单元可以包括偏振器、检测来自所述偏振器的干涉的电磁辐射的光电探测器、以及将干涉的电磁辐射的相位方向图与参考光束相比较的处理器。

在可替换的实施方式中，所述第一光束的源包括气体激光器、固体激光器、激光二极管、发光二极管或者二极管激光器。

在可替换的实施方式中，所述传感单元还包括棱镜和允许样本流过传感表面的样本流动系统。

在可替换的实施方式中，所述传感单元包括转换层，所述转换层要么是适于执行常规SPR效应的金属层，要么是金属/电介质层/金属的配置。

在可替换的实施方式中，公开了一种传感装置，其包括电磁辐射源、产生测试光束和参考光束的分束器、传感表面、以多个角度将所述测试光束聚焦到所述传感表面上的电磁辐射聚焦单元、用于检测所述参考光束和所述反射的测试光束之间的差分相位变化的检测单元。

在可替换的实施方式中，照明角的范围在约0°和约10°之间、约10°和约20°之间、约20°和约30°之间、约30°和约40°之间、约40°和约50°之间、约50°和约60°之间、60°和约70°之间、约70°和约80°之间、约80°和约90°之间。

在可替换的实施方式中，所述检测单元包括多个检测器。

在可替换的实施方式中，所述检测单元包括检测器阵列。

在可替换的实施方式中，所述检测单元包括用于测量输出信号阵列的每个点的差分相位的相位计。

在可替换的实施方式中，所述源还包括用于选择所发射的电磁辐射的p偏振分量和s偏振分量之间的强度比的偏振器。

在可替换的实施方式中，所述检测单元还包括偏振器和光电探测器，而且所述检测单元适于将所述测试光束的相位与所述参考光束的相位相比较。

在可替换的实施方式中，所述聚焦单元包括用于扩展测试光束直径的光束扩展器；以及用于将光束聚焦到传感表面上的透镜。

在可替换的实施方式中，所述传感单元包括棱镜和允许样本流过传感表面的样本流动腔。

在可替换的实施方式中，所述源包括相位调制器。

在可替换的实施方式中，所述单元包括气体激光器、固体激光器、激光二极管、或者发光二极管。

在可替换的实施方式中，公开了一种用于SPR传感的方法，所述方法包括将来自多个照明角的测试光束反射出测试表面；检测所述反射光束的相位；以及将反射的测试光束的相位与所述参考光束的相位相比较以表征样本。

在可替换的实施方式中，所述方法还包括检测所述反射光束的相位的变化。

在可替换的实施方式中，将反射光束与参考光束相比较。

在可替换的实施方式中，当测试光束入射到所述传感表面时，测试光束是基本平行的。

在可替换的实施方式中，所述比较包括在参考光束的p偏振分量和s偏振分量之间形成干涉；检测干涉的电磁辐射；以及将所述干涉的电磁辐射的相位与所述测试光束的相位相比较。

在可替换的实施方式中，照明角的范围在约0°和10°之间、约10°和约20°之间、约20°和约30°之间、约30°和约40°之间、约40°和约50°之间、约50°和约60°之间、60°和约70°之间、约70°和约80°之间、约80°和约90°之间。

在可替换的实施方式中，第一光束由气体激光器、固体激光器、激光二极管、或者发光二极管产生。

在可替换的实施方式中，电磁辐射可以是光。

在可替换的实施方式中，电磁辐射可以是可见光。

根据后面对如附图所示的一些实施方式的详细描述，所公开的主题的特征和优点将变得更加明显。如所意识到的，在不脱离权利要求书的精神和范围的情况下，各个实施方式能够在各方面进行修改，并且可以以多种可替换的方式进行组合。因此，附图和说明书实质上应被认为是解释性的，而不应被认为是限制性的。

附图说明

图1是根据第一实施方式的宽动态范围相敏SPR生物传感器的框图；

图2是根据第一实施方式的电磁辐射源、参考单元和光束会聚单元的示意图；

图3是示出了根据图1的实施方式的液晶调制器的工作原理的示意图；

图4是传统的SPR传感表面配置的示意图；

图5是根据实施方式的LRSPR传感表面配置的示意图；

图6是根据实施方式的SPR传感器的示意图；

图7示出了从甘油和水的混合物中获得的具有传统的SPR传感表面配置的宽动态范围相敏SPR传感器的实验结果；

图8示出了在传统SPR和LRSPR传感表面配置中相位响应的模拟结果；

图9示出了在具有传统的SPR传感表面配置的宽动态范围相敏SPR传感器中相位响应的模拟结果；以及

图10示出了在使用LRSPR传感表面配置的宽动态范围相敏SPR传感器中相位响应的模拟结果。

具体实施方式

定义：

在本公开中，词语“包括”使用非限制性意义，表示包含跟在该词后面的项，但是不排除没有具体提及的项。通过不定冠词“一个(a)”对一个元素的引用不排除存在一个以上元素的可能性，除非上下文明确地要求只存在一个且唯一一个元素。

在本公开中，通过端点表述的数值范围包括包含在该范围内的所有数字，包括所有整数和所有的分数中间体(例如，1至5包括1、1.5、2、2.75、3、3.80、4以及5等)。

在本公开中，单数形式“一种(a)”、“一种(an)”、以及“该(the)”包括复数指代物，除非另有明确说明。因此，例如，对于包含“一种化合物”的组合物的指代包括具有两种或者两种以上化合物的混合物。

在本公开中，术语“或者”通常使用其包含“和/或”的意义，除非另有明确说明。

在本公开中，除非另有指明，用在说明书和权利要求中的表示数量或者成分、性能的测量等等的所有数字将被理解为在所有情况下由术语“大约”修饰。因此，除非根据上下文相反或者必要地指明，本公开中阐述的数值参数是近似值，其能够根据想要获得的期望的属性，由本领域的技术人员利用本公开中的指导并根据测量和量化的误差进行变化。在不限制应用权利要求的等同范围原则的情况下，每个数值参数应至少根据报告有效位数并运用一般的四舍五入方法进行理解。尽管阐明本公开的较宽范围的数字范围和参数是近似值，但是仅在与本公开效力以及所公开和要求保护的主题与现有技术的区别相一致的情况下，广泛地理解在具体的示例中阐明的这些数值。

在本公开中，术语“电介质”具有其普通的含义，并且包含以下材料，如玻璃、聚合物、陶瓷、氮化硅、二氧化硅以及适合使用的具有电介质特性的任何材料等。

在本公开中，术语“源”或者“电磁辐射源”可以包括电磁辐射发射器，电磁辐射发射器可以包括气体激光器、固体激光器、激光二极管、发光二极管(LED)、宽带电磁辐射源或者任何其他适合的电磁辐射发射器。在实施方式中，电磁辐射源(在本文中还可以简称为“源”)可以是或者可以包括线偏振氦氖激光器。在具体的实施方式中，电磁辐射源可以具有约为12mW的光输出功率，但是在可替换的实施方式中，电磁辐射源可以具有大于1mW、2mW、4mW、6mW、8mW、10mW、12mW、14mW、16mW、20mW、22mW、24Mw、26mW、28mW、30mW、40mW、50mw或者更大的输出功率。辐射发射器可以发射包含s偏振分量和p偏振分量的光束，而输出光束的偏振被设置成以约45°的偏振角α偏离p偏振。在实施方式中，偏振角α可以大于或者小于约45°，而且容易由本领域的技术人员进行调节以适应具体要求。在实施方式中，偏振角可以达到约5°、10°、15°、20°、25°、30°、35°、40°、45°、50°、55°、60°、65°、70°、75°、80°、85°或者90°。在实施方式中，偏振角的一些选择可以减小s偏振分量和p偏振分量的振幅，并且可以降低系统的相位检测能力。应该理解，在实施方式中，电磁辐射源可以包括另外的设备，包括但不限于，光纤、透镜和/或用于聚焦、准直、偏振、滤波、瞄准和/或改变光束的性质的反射镜。

在本公开中，术语“电磁辐射”可以包括任何波长范围的电磁辐射，本领域的技术人员容易在其间进行选择以用于具体的实施方式中。在不对前文构成限制的情况下，在具体的实施方式中，电磁辐射可以包括光，并且可以包括可见光、紫外光、红外光、X射线、伽马射线、偏振辐射和无线电波。

在本公开中，术语“光电探测器”是指用于检测入射的电磁辐射的设备，并且可以包括电荷耦合器件、电荷注入器件、照相机、光电二极管、光电倍增器、CMOS传感器、摄影胶片、以及光敏二极管，并且可以包括任何上述器件的阵列或者多通道布置。

在本公开中，术语“分束器”是指用于将电磁辐射的入射光束分成两个或者更多个输出光束的设备。在实施方式中，分束器可以包括与入射光束成一定角度设置的载玻片或者等位面。

在本公开中，术语“传感单元”是指用于接收将使用实施方式来测试的样本的装置，并且可以包括适合的反射面、棱镜、样本保持腔、以及用于允许样本或者样本溶液保持在传感单元中或者通过传感单元的设备。

在本公开中，术语“检测单元(detecting unit)”或者“检测单元(detection unit)”是指用于检测电磁辐射的装置，并且可以包括用于处理关于所检测到的电磁辐射的信息的处理器。在实施方式中，检测单元还可以包括用于比较来自不同源的电磁辐射(包括参考光束和测试光束)的装置，可以包括光电探测器、光电探测器阵列，并且可以包括用于处理关于所检测到的电磁辐射的信息的处理装置。在实施方式中，检测单元可以检测偏振的电磁辐射，并且可以比较在两个或者多个接收的电磁辐射的光束中的偏振光的要素。

在本公开中，“SPR”是指表面等离子体共振，并且包括但不限于大范围表面等离子体共振(本文中简称为“LPSPR”)。

在本公开中，在具体的实施方式中，术语“SPR传感单元”和“SPR传感器”以及相似的术语可以包括克雷奇曼(Kretschmann)和奥托(Otto)配置，可以包括透镜阵列或者微透镜阵列，并且可以包括棱镜配置、光栅配置、或者衍射配置。在实施方式中，棱镜可以具有较高的折射率范围，并且可以具有在约0.9和约2.5之间、或者小于约0.9或者大于约2.5、或者在约1.0和2.0之间、或者在约1.1和1.9之间、或者在约1.2和1.8之间、或者在约1.3和1.8之间、或者在约1.4和1.7之间的n。在具体的实施方式中，当棱镜包含硅时，n可以取3.4和3.5之间的值。

在本公开中，术语“导体”或者“导电层”等等包括能够支持表面等离子体的导电材料，可以包括具有自由电子的金属，也可以包括或者由金、银、铂、镍、铜、铬、或者铝组成，但是不限于这些成份。本领域的技术人员将容易地做出适合的选择。

主要参照图1至图10描述了实施方式。在第一实施方式中，公开了总体上指定为10的包括传感单元400的相敏SPR传感装置，传感单元400具有反射电磁辐射的测试光束920的传感表面，其中测试光束以多个角度从所述传感表面反射。在实施方式中，照明角的范围可以在约0°和约10°之间、约10°和约20°之间、约20°和约30°之间、约30°和约40°之间、约40°和约50°之间、约50°和约60°之间、60°和约70°之间、约70°和约80°之间、约80°和约90°之间。在实施方式中，所述装置还可以包括检测单元600(可替换地，也称为检测单元或者探针单元)，以所述反射的角度Y的至少两个量级来检测所述反射光束930，并且所述装置可以包括多个检测器。

在可替换的实施方式中，检测单元600可以将所述反射的测试光束910的相位与参考光束900的相位相比较。可以通过分束器104产生参考光束900和测试光束930。所述装置还可以包括总体上指定为300的聚焦单元(可替换地，称为光束会聚单元)以聚焦测试光束910。光束会聚单元300可以包括柱面透镜，而且所述装置还可以包括用于会聚测试光束910的光束扩展器301。检测单元600可以包括光电探测器阵列502，而且可以包括相位计。在实施方式中，所述装置还可以包括具有液晶调制器109的所述第一光束800的源100，而且在进一步的实施方式中，偏振光的源100能够进行可变相位延迟。

在实施方式中，检测单元600可以包括偏振器102，并且可以包括用于检测来自所述偏振器的干涉的光的光电探测器，以及将干涉的光的相位方向图与参考光束相比较的处理器。在具体的实施方式中，所述第一光束的源100可以包括气体激光器、固体激光器、激光二极管、发光二极管或者二极管激光器。传感单元还可以包括具有传感表面402的棱镜；以及允许样本流过传感表面的样本流动系统403。在可替换的实施方式中，转换层可以是适于执行常规SPR效应的金属层，或者是金属/电介质层/金属配置。在实施方式中，会聚单元300可以包括柱面透镜，而且可以包括透镜302。

下面参照附图更加详细地描述第一实施方式。

图1示出了宽动态范围相敏SPR和LRSPR(大范围表面等离子体共振)传感器。SPR传感器可以包括：包括电磁辐射发射器101的电磁辐射源100。源100可以是光学光源，用于提供包含p偏振分量和s偏振分量的光束800，光束800在p偏振分量和s偏振分量之间具有经调制的相位延迟；参考单元200，用于接收光束的一部分，以提供指示经调制的相位延迟的参考信号；光束会聚单元或者聚焦单元300，用于将平行光束改变为会聚光束；传感单元400，用于接收光束的另一部分，从而由于与样本相关联的SPR或者LRSPR而在p偏振分量和s偏振分量之间引起相位延迟变化；光学探测器阵列单元500，用于接收穿过SPR传感单元的光，从而提供用于计算由SPR传感单元引起的相位延迟变化的一组信号轨迹；以及检测单元(也称为检测单元或者探针单元)600，其连接于参考单元以计算参考延迟基线，从而通过从获得自光学检测阵列单元的延迟中减去参考延迟能够得到实际由SPR引起的延迟。应该注意，检测单元600可以与光电检测器502或者光电检测器阵列500相关联，或者可以包括光电检测器502或者光电检测器阵列500。

如图2所示，电磁辐射源100可以包括电磁辐射发射器101、偏振器102、液晶相位调制器103、以及分束器104。

在实施方式中，电磁辐射发射器101包括气体激光器。在可替换的实施方式中，电磁辐射发射器101可以包括固体激光器、激光二极管、发光二极管(LED)或者任何其他适合的电磁辐射发射器。辐射发射器101产生包含s偏振分量和p偏振分量的光束。在实施方式中，采用光学输出功率为12mW的线偏振氦氖激光器，并且线偏振氦氖激光器的偏振方向可被设置为与p偏振成45°。

偏振器102可以被提供以通过转动偏振器102的偏振角来选择电磁辐射源的p偏振分量和s偏振分量之间的含量比。在实施方式中，偏振器102的偏振角被设置为与p偏振光轴成45°，以在p偏振分量和s偏振分量上获得相等的含量。

相位调制器103可以是液晶调制器(LCM)，用于调制p偏振分量和s偏振分量之间的光学相位延迟。调制原理如图3所示。LCM 103接收穿过偏振器102的光。在光穿过LCM103之后，可以将周期驱动电压应用于LCM103以引起p偏振分量和s偏振分量的相位延迟θ。根据实施方式的示例，LCM 103的调制深度可以在大约0至9π之间，而LCM 103的频率可以设置为约30Hz。在可替换的实施方式中，调制深度可以达到约1π、2π、3π、4π、5π、6π、7π、8π、9π、10π、11π、12π、13π、14π、15π、20π、25π、30π或者大于30π。在可替换的实施方式中，LCM的频率可以设置为高达约10Hz、20Hz、30Hz、40Hz、50Hz、60Hz、70Hz、80Hz、90Hz、100Hz、1kHz、10kHz、100kHz、1MHz、10MHz、100MHz、1GHz、10GHz、100GHz、或者更大。根据LCM的特性，其他调制深度和频率也可以使用，并且容易由本领域的技术人员想到和实现，以适合具体要求。

可以是无色的载玻片的分束器104可以用于将光束分为两部分。所获得的一条光束可以是探针或者测试光束910，而另一条可以是参考光束900。利用包括偏振器201和光电探测器202的参考单元200能够产生参考光束900。如图2所示，偏振器201可以被设置为偏振角α，偏振器201能够在参考光束的p偏振分量和s偏振分量之间产生干涉。在具体实施方式中，偏振角α可以是任何适合的角，本领域的技术人员将容易地识别所有这些角，在具体实施方式中，根据用户的具体要求偏振角α可以是约45°或者可以大于或小于45°。当LCM连续地扫过p偏振分量和s偏振分量之间的延迟差时，光电探测器202可以用于将光强变化转换成电信号。在这个示例中，光电探测器202可以是光电二极管。

在光束会聚单元300(还称为聚焦单元)中，光束扩展器301可以首先扩展测试光束的光束直径，而透镜302接着可以聚焦光束以形成覆盖一系列照明角的光束920。该光束线到达其在SPR系统的传感表面302处的焦点，并且在反射后开始发散。由于SPR只在狭窄的入射角范围内出现，因此这种配置确保了照明覆盖了较宽的条件范围，包括与共振之前和之后相关的那些条件。入射角的分辨率依赖于光电探测器阵列502中像素的数量以及SPR传感表面402的接纳角。

在实施方式中，入射角的所述范围可以在约60°和约70°之间。应该理解，在实施方式中，入射角的范围可以是在传感层的全内反射的临界角和90°之间的任何范围。在可替换的实施方式中，所述角可以在约50°和70°之间、约55°和75°之间、约50°和80°之间、约45°和85°之间、约40°和90°之间。在实施方式中，入射角可以包括大于约80°或者小于约10°的角。在实施方式中，所述角可以大于约5度、10度、15度、20度、25度、30度、35度、40度、45度、50度、55度、60度、65度、70度、75度、80度、85度、90度、95度、100度、105度、110度、115度、120度、125度、130度、135度、140度、145度、150度、155度、160度、165度、170度或者更大的度数，或者可以小于约5度、10度、15度、20度、25度、30度、35度、40度、45度、50度、55度、60度、65度、70度、75度、80度、85度、90度、95度、100度、105度、110度、115度、120度、125度、130度、135度、140度、145度、150度、155度、160度、165度、170度。在实施方式中，所述角可以在约0°和约10°之间、约10°和约20°之间、约20°和约30°之间、约30°和约40°之间、约40°和约50°之间、约50°和约60°之间、60°和约70°之间、约70°和约80°之间、约80°和约90°之间。

对于传感单元400，使用了针对传统SPR配置(棱镜/金属层/样本)和针对LRSPR配置(棱镜/金属层/电介质层/金属层/样本)的棱镜耦合方案，而且其配置分别在图4和图5中示出。在这些配置中，棱镜耦合方案包括棱镜401、在棱镜401上的传感表面402、以及与棱镜401相关联的样本流动腔404，样本流动腔404用于引导样本403流过传感表面402。在实施方式中，棱镜401可由透明的介电材料制成，如塑料或者玻璃，以提高光的动量，从而与SPW的动量相匹配。在实施方式中，采用了由BK7玻璃制成的达夫棱镜(dove prism)。在传统的SPR配置中，传感表面402的转换层通常由导电材料如金或者银制成。一系列其他金属也是可用的，例如但不限于，在实施方式中导电表面可以包括或者由铂、镍、铜、铝、或者铬组成，而且在实施方式中，导电表面可以覆盖不同的金属或者其它导电层或者电介质。

在实施方式中，由于金层良好的抗化学腐蚀性能，因此可以采用标称48nm厚的金层。根据应用场合和材料选择，该层的厚度可以在20nm至80nm之间。在实施方式中，该厚度可以是0.1和1nm之间、1和2nm之间、2和5nm之间、5和10nm之间、10和20nm之间、20和30nm之间、30和40nm之间、40和50nm之间、50和60nm之间、60和70nm之间、70和80nm之间、80和90nm之间、90和100nm之间、100和110nm之间、110和120nm之间、120和140nm之间、140和180nm之间、180和220nm之间、或者大于220nm的任何值。

在LRSPR配置中，传感表面402的转换层由电介质层406组成，电介质层406被图5的两个导电材料层405和407夹在中间。在实施方式中，所述导电层可包括金或银。在实施方式中，形成棱镜表面的导电材料的第一层可以是厚度为48nm的金。导电材料的第二层可以是厚度为453nm的二氧化硅。导电材料的第三层可以是厚度为2nm的金。对于具体的应用场合和材料选择可以对各层选择的厚度进行修改，本领域的技术人员将容易地修改适合具体要求的尺寸等。在实施方式中，样本403可以以含水形式使用。在一个实施方式中，可以使用重量百分比浓度从0％至8％并且增量为1％的甘油和水的混合物。样本流动腔404可被设计为允许样本403流进和流出腔404，并接触传感面。

在光学检测器阵列单元502/500中，偏振器501可被定向成使得探针光束的p偏振分量和s偏振分量能够相互干涉。然后，光电探测器阵列502可以用于在不同的入射角处获取发散的探针光束的光强变化。来自每个光学检测器元件的信号轨迹可以包含在具体入射角处计算与SPR效应相关联的相位改变所需要的所有信息。

如图6所示，检测单元600包括相位计601和微处理器602，该检测单元600可以连接在参考单元200和光学检测器阵列单元502/500之间，并且可包括光学检测器阵列500。可以采用相位计601以测量参考通道和探针通道之间的差分相位，使得利用微处理器602能够得到该差分相位以及随后的与待分析的生物分子或其他分子结合到传感器表面相关联的折射率变化。

应该理解，光学光束的数值孔径和光学检测器阵列的像素数之间的折中可以决定或者影响性能。在实施方式中，阵列中较高的检测器元素数可以提供更好的分辨率。但是这也意味着完成测量所需要的时间将增加，因为系统需要处理更多的信号轨迹。

应该理解，在可替换的实施方式中，所描述的装置的一个或者多个单独的部件可以组合或者包含在另一个之中。

可替换的实施方式：

在可替换的实施方式中，公开了用于SPR传感的方法。该方法可以包括将来自多个照明角的测试光束反射离开测试表面，检测所述反射的光束的相位，以及将反射的测试光束的相位与所述参考光束的相位相比较以特征化所述样本。在实施方式中，方法还包括检测所述反射光束相位的变化，将检测的光束与参考光束相比较。在实施方式中，当测试光束入射到所述传感表面时，测试光束基本是平行的。在可替换的实施方式中，反射光束和参考光束之间的比较可以包括在参考光束的p偏振分量和s偏振分量之间形成干涉；检测干涉的光；以及将所述干涉的光的相位与所述测试光束的相位相比较。

在可替换的实施方式中，公开了传感装置，其包括：电磁辐射源；产生测试光束和参考光束的分束器；传感表面；光聚焦单元，以多个角度将所述测试光束聚焦到所述传感表面上；检测单元，用于检测所述参考光束和所述反射测试光束之间的差分相位变化。

实施例：

为了证明实施方式的性能，进行了使用传统SPR传感表面的实验。测试样本是甘油和水的混合物。这些混合物的浓度为0％到8％重量比，而相应折射率单位(RIU)的范围从1.3330至1.3424。相应的结果如图7所示。如该图所示，当光学检测器阵列只包含6个元件时，系统覆盖的动态范围是1×10^-2RIU。来自传统SPR配置和LRSPR配置的相位响应的模拟结果如图8所示。对于传统的SPR配置，传感器层的结构是厚度为48nm的薄金层，而对于LRSPR配置，传感器层的结构是厚度分别为48nm、453nm和2nm的金/二氧化硅/金的多层堆叠。结果表明，对于1°相位变化，对于传统的SPR配置而言相应折射率变化是9.62×10^-7，而对于LRSPR配置而言相应折射率变化是1.72×10^-8RIU。图9和图10示出了当传统SPR和LRSPR配置分别被并入宽动态范围相敏SPR传感器中时，来自传统SPR和LRSPR配置的相位响应的模拟结果。在此模拟中使用的入射角覆盖了62.500°到65.627°的范围，对于传统的SPR配置，利用16个元件的光学检测器阵列来检测产生的信号轨迹，而对于LRSPR配置，利用32个元件的光学检测器阵列来检测产生的信号轨迹。曲线表示在每个照明角处传感层的相位响应，该相位响应是在检测器阵列的每个通道中检测到的相位信号。来自传统的SPR配置的相位响应曲线在图9中所示，折射率传感范围从1.333RIU到1.38RIU(即，动态范围大约是5×10^-2 RIU)。随着折射率进一步远离最佳值移动，分辨率渐渐地从2.92×1^-6RIU/度减小到7.67×10^-5 RIU/度。如图10所示，LRSPR配置的相位响应表明，在5×10^-2RIU的动态范围内，分辨率仅从2.14×10^-8RIU/度改变到6.57×10^-8RIU/度。

本文所介绍的实施方式和示例是对所要求保护的主题的一般性特征的说明，而不是限制性的。本领域的技术人员应当理解，在不脱离所公开和所要求保护的主题的精神和范围的情况下，如何能够针对不同的应用和以不同的方式容易地修改和/或适用这些实施方式。权利要求应被理解为包括但不限于所要求保护的主题的所有可替换的实施方式和等价物。本文所采用的短语、单词和术语是说明性的而不是限制性的。在法律允许的情况下，本文所引用的所有参考文献的全部内容通过引用并入本文。应当理解，在可能的可替换的实施方式和可替换的特征组合的范围内，本文所公开的不同实施方式的任何方面可以进行组合，改变特征组合的所有的实施方式将被理解为形成所要求保护的主题的一部分。

Claims (35)

1.一种相敏SPR传感装置，包括：传感单元，所述传感单元具有传感表面以反射电磁辐射的测试光束，其中所述测试光束被所述传感表面以多个角度反射。

2.如权利要求1所述的装置，其中所述照明角的范围可以在约0°和10°之间、约10°和约20°之间、约20°和约30°之间、约30°和约40°之间、约40°和约50°之间、约50°和约60°之间、60°和约70°之间、约70°和约80°之间、约80°和约90°之间。

3.如权利要求2所述的装置，还包括检测单元，用于在所述反射角中的至少两个处检测所述反射光束。

4.如权利要求3所述的装置，其中所述检测单元包括多个检测器。

5.如权利要求2所述的装置，其中所述检测单元将所述反射的测试光束的相位与参考光束的相位相比较。

6.如权利要求5所述的装置，其中所述参考光束和所述测试光束由分束器产生。

7.如权利要求4所述的装置，还包括聚焦单元，用于聚焦所述测试光束。

8.如权利要求7所述的装置，其中所述聚焦单元包括柱面透镜。

9.如权利要求8所述的装置，还包括光束会聚单元，用于会聚所述测试光束。

10.如权利要求4所述的装置，其中所述检测单元包括光电探测器阵列。

11.如权利要求10所述的装置，其中所述检测单元包括相位计。

12.如权利要求1所述的装置，其中所述第一光束的所述源包括液晶调制器。

13.如权利要求1所述的装置，还包括具有可变相位延迟的偏振电磁辐射源。

14.如权利要求13所述的装置，其中所述检测单元包括：

偏振器；

光电探测器，用于检测来自所述偏振器的干涉的电磁辐射；以及

处理器，用于将所述干涉的电磁辐射的相位方向图与所述参考光束相比较。

15.如权利要求1所述的装置，其中所述第一光束的所述源包括气体激光器、固体激光器、激光二极管、发光二极管或者二极管激光器。

16.如权利要求2所述的装置，其中所述传感单元还包括：

棱镜；以及

样本流动系统，用于允许所述样本流过所述传感表面。

17.如权利要求16所述的装置，其中所述传感单元包括转换层，所述转换层包括：

金属层，适于提供常规SPR效应；或者

电介质层，位于两个金属层之间。

18.一种传感装置，包括

电磁辐射源；

分束器，用于产生测试光束和参考光束；

传感表面；

电磁辐射聚焦单元，以多个角度将所述测试光束聚焦到所述传感表面上；以及

检测单元，用于检测所述参考光束和所述反射的测试光束之间的差分相位变化。

19.如权利要求18所述的装置，其中照明角的范围在约0°和10°之间、约10°和约20°之间、20°和约30°之间、约30°和约40°之间、约40°和约50°之间、约50°和约60°之间、60°和约70°之间、约70°和约80°之间、约80°和约90°之间。

20.如权利要求19所述的装置，其中所述检测单元包括多个检测器。

21.如权利要求20所述的装置，其中所述检测单元包括检测器阵列。

22.如权利要求21所述的装置，其中所述检测单元包括相位计，用于测量输出信号阵列的每个点的差分相位。

23.如权利要求18所述的装置，其中所述源还包括偏振器，用于选择所发射的电磁辐射的p偏振分量和s偏振分量之间的强度比。

24.如权利要求18所述的装置，其中所述检测单元还包括偏振器和光电探测器，而且适于将所述测试光束的相位与所述参考光束的相位相比较。

25.如权利要求24所述的装置，其中所述聚焦单元包括：

光束扩展器，用于扩展所述测试光束的直径；以及

透镜，用于将所述光束聚焦到所述传感表面上。

26.如权利要求18所述的装置，其中所述传感单元包括：

棱镜；以及

样本流动腔，允许样本流过所述传感表面。

27.如权利要求18所述的装置，其中所述源包括相位调制器。

28.如权利要求18所述的装置，其中所述单元包括气体激光器、固体激光器、激光二极管、或者发光二极管。

29.一种用于SPR传感的方法，所述方法包括：

将来自多个照明角的测试光束反射出测试表面；

检测所述反射光束的相位；以及

将反射的测试光束的相位与所述参考光束的相位相比较以表征样本。

30.如权利要求29所述的方法，还包括检测所述反射光束的相位的变化。

31.如权利要求30所述的方法，其中将所述反射光束与参考光束相比较。

32.如权利要求29所述的方法，其中当所述测试光束入射到所述传感表面时是基本平行的。

33.如权利要求31所述的方法，其中所述比较包括：

在所述参考光束的p偏振分量和s偏振分量之间形成干涉；

检测所述干涉的电磁辐射；以及

将所述干涉的电磁辐射的相位与所述测试光束的相位相比较。

34.如权利要求29所述的方法，其中照明角的范围在约0°和10°之间、约10°和约20°之间、约20°和约30°之间、约30°和约40°之间、约40°和约50°之间、约50°和约60°之间、60°和约70°之间、约70°和约80°之间、约80°和约90°之间。

35.如权利要求29所述的方法，其中第一光束由气体激光器、固体激光器、激光二极管、或者发光二极管产生。

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