CN102565004A - 表面等离子体共振光纤感测元件以及使用其的感测装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种表面等离子体共振光纤感测元件以及使用其的表面等离子体共振感测装置，该表面等离子体共振光纤感测元件，包括：一光纤基材，其具有一感测区；一第一金属层，其设置于该光纤基材的该感测区上；以及一第二金属层，其是一金层且设置于该第一金属层上。本发明通过在感测区域上堆叠两层以上的不同金属材料，增加表面等离子体共振测量范围，进而提升灵敏度及化学稳定性。

Description

表面等离子体共振光纤感测元件以及使用其的感测装置

技术领域

本发明涉及表面等离子体共振光纤感测元件、以及使用其的表面等离子体共振感测装置，尤指一种表面具有多层堆叠金属层的表面等离子体共振光纤感测元件、以及使用其的表面等离子体共振感测装置。

背景技术

对于医疗检测或环境检测的应用而言，迅速且精确地检测出生物分子的种类及浓度是非常重要的。尤其在环境毒害的场合中，处理人员必须先检测出灾害现场的有害物质的种类及浓度，他们才能依据检测结果决定后续相关的处理程序，以减低处理的风险。所以，分析仪器的精确度、灵敏度、操作流程的简易度及可携带性均非常重要。

目前，业界已使用一种表面等离子体共振感测仪检测微量的生物分子的种类及浓度，其是利用表面等离子体共振效应(Surface PlasmonResonance Effect)原理进行检测。此种表面等离子体共振效应感测仪具有：(1)检测所需时间短；(2)不需事先对待测物进行标记(lable-free)；(3)所需样本量少；(4)可在线实时检测待测物与其配位体(ligand)间的交互作用；及(5)检测灵敏度高等优点。

现有表面等离子体共振感测仪通常包含激光光源、入射光处理单元、棱镜、金属层、光检测器、待测物承载单元及光谱仪，其中，金属层位于棱镜的背面。当进行检测时，激光光源产生的光线先通过入射光处理单元后，由棱镜的一侧入射，而后光被金属层反射，而自棱镜另一侧射出，再进入光检测器，光检测器将其所接收的光信号对应转换为电信号并将其提供给光谱仪以分析光谱的变化。

但是，此种表面等离子体共振感测仪的体积庞大，且其各元件之间的相对位置必须精确地维持，否则从其入射光处理单元所出射的光便无法正确地被位于其棱镜背面的金属层反射，便无法顺利到达其光检测器，且于棱镜上溅射的金属膜层大多为金或银膜，容易限制表面等离子体共振响应范围，且除金以外的材料所构成的金属膜层，化学稳定性不佳，在测量灵敏度上易受到待测物质的影响。此外，上述结构为增加灵敏度，常常需要进行表面改质，造成制作流程繁杂不简便。

因此，业界亟需一种灵敏度高、适用性广且制作方便的表面等离子体共振光纤感测元件及表面等离子体共振感测装置，以加速相关检测。

发明内容

本发明的主要目的是提供一种表面等离子体共振光纤感测元件，其中通过于感测区域上堆叠两层以上的不同金属材料，结合不同金属材料对于表面等离子体共振的光谱反应，增加表面等离子体共振测量范围，进而提升灵敏度及化学稳定性。

本发明的另一目的是提供一种使用本发明表面等离子体共振光纤感测元件的表面等离子体共振感测装置，以便能增加可检测物的种类，同时拓展可检测环境。

为达成上述目的，本发明的一态样提供一种表面等离子体共振光纤感测元件，包括：一光纤基材，其具有一感测区；一第一金属层，其设置于该光纤基材的该感测区上；以及一第二金属层，其是一金层且设置于该第一金属层上。

本发明的另一态样提供一种表面等离子体共振感测装置，包括：一光源单元，用以提供一光源；一表面等离子体共振光纤感测元件，其包括：一光纤基材，其具有一感测区；一第一金属层，其设置于该光纤基材的该感测区上；以及一第二金属层，其是一金层且设置于该第一金属层上，其中该光源并通过该表面等离子体共振光纤感测元件而产生一光信号；一光传感器，用以感测通过该表面等离子体共振光纤感测元件的该光信号并对应转换为一电信号；多条光纤，分别连接该光源单元、该光纤感测单元及该光传感器；以及一连接该光传感器的运算显示单元，该运算显示单元接受来自该光传感器的该电信号并显示运算所得的结果。

于本发明上述表面等离子体共振光纤感测元件中，该第一金属层所使用的材料，可选自由银、铝、铜及其合金所组群组的其中之一，其中较佳者为铝。此外，该第二金属层的厚度可介于1nm至10nm的范围，较佳介于3nm至7nm的范围；该第一金属层的厚度可介于20nm至100nm的范围，较佳介于30nm至50nm的范围。另外，该光纤基材可为一侧抛型光纤基材，该侧抛型光纤基材的制作方式如下：首先，提供一光纤基材，该光纤基材具有一核心层及一包覆该核心层的披覆层，而后对该光纤基材经侧边研磨工艺形成一凹槽且该凹槽暴露该核心层后，即可得该侧抛型光纤基材。

于本发明上述表面等离子体共振感测装置中，该光源单元可为激光二极管，该光传感器可为光二极管传感器，此外该些光纤可为多模光纤或单模光纤。

一般而言，不同的金属材料具有不同的化学稳定性以及不同的表面等离子体共振反应光谱，其中，化学稳定性会影响表面等离子体共振检测的检测种类及检测环境，表面等离子体共振反应光谱决定检测光谱的反应范围大小及灵敏度。

本发明将两种以上的金属材料薄膜堆叠于光纤基材的感测区，其中可于单一腔体中搭配多源蒸/溅射设备，通过简易工艺便可形成双层或多层金属层结构，以提升表面等离子体共振光纤感测元件的化学稳定性及灵敏度。此外，利用上述表面等离子体共振光纤感测元件的表面等离子体共振感测装置，便可拓展可适用的检测物种类、可检测范围。

附图说明

图1A为本发明实施例一的表面等离子体共振光纤感测元件的示意图；

图1B为本发明实施例二的表面等离子体共振感测装置的示意图；

图2为本发明实施例一及比较例一的表面等离子体共振光纤感测元件的表面等离子体共振波长光谱图；

图3为本发明实施例一的表面等离子体共振光纤感测元件检测不同折射油的光谱图；

图4为本发明实施例一及比较例一的表面等离子体共振光纤感测元件检测不同折射油的激光功率变化图。

【主要元件符号说明】

2 表面等离子体共振感测装置     21 外壳

24 光源单元                    23 样本槽

22 表面等离子体共振光纤感测元  223 凹槽

件

221 披覆层                     222 核心层

224 第一金属层                 225 第二金属层

25 光传感器                    26 样本储存槽

261、262 导管                  263 注入口

27 运算显示单元                271 按键组

272 显示屏                     281、282 光纤

29 电源单元

具体实施方式

以下通过特定的具体实施例说明本发明的实施方式，熟习此技艺的人士可由本说明书所揭示的内容轻易地了解本发明的其它优点与功效。本发明亦可通过其它不同的具体实施例加以施行或应用，本说明书中的各项细节亦可基于不同观点与应用，在不悖离本发明的精神下进行各种修饰与变更。

本发明的实施例中该等图式均为简化的示意图。惟该等图标仅显示与本发明有关的元件，其所显示的元件非为实际实施时的态样，其实际实施时的元件数目、形状等比例为一选择性的设计，且其元件布局型态可能更复杂。

实施例一

请参阅图1A，其为表面等离子体共振光纤感测元件22的放大示意图。

如图1A所示，表面等离子体共振光纤感测元件22包括一核心层222、一包覆该核心层222的披覆层221、一暴露该核心层222的凹槽223、一位于该凹槽223中核心层222表面的第一金属层224、以及一堆叠于该第一金属层表面的第二金属层225。

上述表面等离子体共振光纤感测元件22中，该凹槽223可利用侧边研磨(side polish)工艺或蚀刻工艺而形成，其长度约为5mm，深度约为62.5μm，但凹槽223的长度及深度并非以此为限，其可依据所需要检测的样本的种类及检测环境(如溶液的折射率)而有所变化；该第一金属层224与该第二金属层225可利用直流溅射(DC sputter deposition)、射频溅射(RF sputter deposition)、蒸镀(evaporation deposition)或其它的方法于该凹槽223的表面沉积而得，而该凹槽223便是做为感测区SA。

该第一金属层224所使用的材料可选自由银、铝、铜及其合金所组群组的其中之一，其厚度大致为30nm至50nm的范围，于本实施例中使用铝膜层做为该第一金属层224，而铝膜层的厚度为35nm，使用金膜层做为该第二金属层225，而金膜层的厚度为5nm。虽然本实施例的第一金属层224仅为单层结构，但此第一金属层亦可为选自上述材料的多层金属结构。

实施例二

请参阅图1B，其为表面等离子体共振感测装置2的示意图。

如图1B所示，本发明的表面等离子体共振感测装置2具有一外壳21、一光源单元24、一样本槽23、一表面等离子体共振光纤感测元件22、一光传感器25、一样本储存槽26、一运算显示单元27、多条光纤281与282、以及一电源单元29。其中，该表面等离子体共振光纤感测元件22使用实施例一所述的表面等离子体共振光纤感测元件，且其位于样本槽23内。

在本实施中，该光源单元24为激光二极管，且光源单元24所产生的光源通过多模光纤281传递至位于样本槽23内的表面等离子体共振光纤感测元件22。之后，通过表面等离子体共振光纤感测元件22并带有待测样本相关信息的光信号则通过另一多模光纤282被传递至光传感器25。接着，光传感器25便将此光信号对应转换为一电信号，且将此电信号传递至运算显示单元27，以进行进一步的计算。

在本实施例中，运算显示单元27用以控制本发明一实施例的表面等离子体共振感测装置2的运作并通过位于外壳21表面的按键组271接受来自外界的控制指令。此外，运算显示单元27并将其运算的结果显示于位于外壳21表面的显示屏272中。至于本发明一实施例的表面等离子体共振感测装置2运作时所需的电力，则由电源单元29提供，其可为一配合一变压器的插头或一电池组(应用于无法使用市电的场所，如室外的检测场合)。

此外，样本储存槽26容纳有一可提供适当检测环境的溶液，此溶液并经由导管261及导管262分别流入及流出样本槽23，以使样本槽23内处于一稳定状态(如处于特定温度、特定pH值或特定折射率的状态)。此溶液可经由位于外壳21表面的注入口263被注入至样本储存槽26中。除此之外，样本储存槽26更可具有一多管阀(图中未示)，以控制此溶液的流动。

位于样本槽23中的表面等离子体共振光纤感测元件22，于其两端可利用光纤连接器，分别与多模光纤281及多模光纤282连接，如此，光源单元24所产生的光源便可经由多模光纤281进入位于样本槽23中的表面等离子体共振光纤感测元件22，最后通过表面等离子体共振光纤感测元件22而到达光传感器25。

此时，由于位于表面等离子体共振光纤感测元件22的第二金属层245表面的待测样本的缘故，此表面等离子体共振光纤感测元件22便发生表面等离子体共振效应(Surface Plasmon Resonance effect)，即当此光源通过表面等离子体共振光纤感测元件22后，其光谱分布(spectrumdistribution)会因为待测样本的种类、浓度、折射率等因素，或样本与第二金属层245之间的作用力的不同而产生对应的变化，所产生的信号则经由多模光纤282而到达光传感器25。光传感器25便将其所接收的光信号对应转换为一电信号，且将此电信号提供给与其连接的运算显示单元27。当经过适当的运算程序之后，运算显示单元27便可依照使用者事先所设定的模式，显示光谱分布图形于显示屏272中。或经过与事先储存于其内存的数据比较之后，直接显示此一待测样本的种类或浓度于显示屏272中。

比较例一

本比较例的表面等离子体共振光纤感测元件，大致上相似实施例一的表面等离子体共振光纤感测元件，唯一不同点在于本比较例的表面等离子体共振光纤感测元件的感测区上，仅有厚度为40nm金膜层的单金属层结构。

测试例一

利用实施例二所述的表面等离子体共振感测装置，测试实施例一与比较例一的表面等离子体共振光纤感测元件的表面等离子体共振波长，其结果如图2所示。

图2的光谱图结果显示，比较例一的表面等离子体共振光纤感测元件的单金属层结构，其半峰全幅值(full width at half maximum，FWHM)对应波长范围为100nm；另一方面，实施例一的表面等离子体共振光纤感测元件的双金属层结构，其半峰全幅值对应波长范围为250nm。

由半峰全幅值对应波长范围自100nm增加至250nm可知，双金属层结构可增加表面等离子体共振波长反应范围。

测试例二

利用实施例二所述的表面等离子体共振感测装置，测试实施例一的表面等离子体共振光纤感测元件对于不同折射油(折射率分别为1.3、1.33、1.36、1.39、1.42、1.45、1.48)的反应，其结果如图3所示。

图3的光谱图结果显示，实施例一的表面等离子体共振光纤感测元件的双金属层结构对不同折射油具有良好辨识效果，即使折射率差仅为0.03的两种折射油，本发明的表面等离子体共振光纤感测元件仍可清楚区别。

测试例三

利用实施例二所述的表面等离子体共振感测装置，测试实施例一及比较例一的表面等离子体共振光纤感测元件对于不同折射油(折射率分别为1.3、1.33、1.36)的反应，其结果如图4所示。

图4的激光功率测量图结果显示，相较于比较例一的表面等离子体共振光纤感测元件，使用实施例一的表面等离子体共振光纤感测元件检测折射油时，激光功率衰减量明显较高，此表示实施例一具有双金属层结构的表面等离子体共振光纤感测元件，具有更佳的灵敏度。

综上所述，现有技术中使用棱镜做为全反射的光学元件，通常对于响应不同波长的各种样本，只要调整其入射光波长，便可适用不同样本的检测，不过使用棱镜则会由前述体积庞大、各件的相对位置必须精确、表面等离子体共振响应范围受限、灵敏度不佳等缺陷。

反观，本发明使用光纤做为全反射的光学元件，虽然要达到光纤全反射效果的入射光波长范围会有所限制，而且不同样本通常有对应的波长响应范围，导致使用一般光纤元件时产生灵敏度不高或波长响应范围不适用的问题，但由于本发明于光纤基材的感测区上堆叠两种以上的金属材料薄膜，因此拓展光纤的表面等离子体共振测量范围，而可以解决上述灵敏度不高及波长响应范围不适用的问题，同时克服现有技术使用棱镜的缺点。

此外，于制作本发明表面等离子体共振光纤感测元件的过程中，可于单一腔体中搭配多源蒸/溅射设备，通过简易工艺便可形成双层或多层金属层结构，因此所制得的表面等离子体共振光纤感测元件，具有更佳的化学稳定性及灵敏度，因此可以适用于更广的可检测物种类及可检测范围。

上述实施例仅为了方便说明而举例而已，本发明所主张的权利范围自应以申请专利范围所述为准，而非仅限于上述实施例。

Claims (12)

1.一种表面等离子体共振光纤感测元件，其特征在于包括：

一光纤基材，其具有一感测区；

一第一金属层，其设置于该光纤基材的该感测区上；以及

一第二金属层，其为一金层且设置于该第一金属层上。

2.如权利要求1所述的表面等离子体共振光纤感测元件，其特征在于，该第一金属层选自由银、铝、铜及其合金所组群组的其中之一所构成的金属层。

3.如权利要求2所述的表面等离子体共振光纤感测元件，其特征在于，该第一金属层为一铝层。

4.如权利要求3所述的表面等离子体共振光纤感测元件，其特征在于，该第二金属层的厚度介于1nm至10nm的范围。

5.如权利要求4所述的表面等离子体共振光纤感测元件，其特征在于，该第一金属层的厚度介于20nm至100nm的范围。

6.如权利要求1所述的表面等离子体共振光纤感测元件，其特征在于，该光纤基材为一侧抛型光纤基材。

7.一种表面等离子体共振感测装置，其特征在于包括：

一光源单元，用以提供一光源；

一表面等离子体共振光纤感测元件，其包括：一光纤基材，其具有一感测区；一第一金属层，其设置于该光纤基材的该感测区上；以及一第二金属层，其为一金层且设置于该第一金属层上，其中该光源通过该表面等离子体共振光纤感测元件而产生一光信号；

一光传感器，用以感测通过该表面等离子体共振光纤感测元件的该光信号并对应转换为一电信号；

多条光纤，分别连接该光源单元、该光纤感测单元及该光传感器；以及

一连接该光传感器的运算显示单元，该运算显示单元接受来自该光传感器的该电信号并显示运算所得的结果。

8.如权利要求7所述的表面等离子体共振感测装置，其特征在于，该第一金属层选自由银、铝、铜及其合金所组群组的其中之一所构成的金属层。

9.如权利要求8所述的表面等离子体共振感测装置，其特征在于，该第一金属层为一铜层。

10.如权利要求9所述的表面等离子体共振感测装置，其特征在于，该第二金属层的厚度介于1nm至10nm的范围。

11.如权利要求10所述的表面等离子体共振感测装置，其特征在于，该第一金属层的厚度介于20nm至100nm的范围。

12.如权利要求7所述的表面等离子体共振光纤感测元件，其特征在于，该光纤基材为一侧抛型光纤基材。

Images