CN103328952B - 感测装置 - Google Patents

Abstract

【问题】通过利用光谱测量方法实现最适合光学波导模式传感器的光学系统，提供小尺寸、稳定和高度灵敏的检测装置。【解决方案】一种检测装置包括：检测板，其中硅层和二氧化硅层以这个次序被布置在石英玻璃基板上；光学棱镜，其可选地粘附到检测板的石英玻璃基板的表面，其中所述表面不提供硅层和二氧化硅层；光照射单元，其配置为将光穿过光学棱镜照射到检测板，并布置成使光以固定的入射角入射在光学棱镜上；以及光检测单元，其配置为检测从检测板反射的反射光的强度，其中通过检测反射光的特性的变化，检测装置检测检测板的二氧化硅层的表面附近的介电常数的变化，并且其中在光学棱镜中，入射表面和粘附到检测板的粘附表面之间的角度是43°或更小，自光照射单元照射的光入射在所述入射表面上。

Description

感测装置

技术领域

本发明涉及小尺寸检测装置，其可以利用光谱测量方法和光学波导模式高灵敏度地检测待检测的样本的吸附、解吸附、接近以及特性改变。

背景技术

作为检测液体中的微物质（例如，生物样本中的蛋白质或病原微生物；以及在水中的金属离子或有机分子）的传感器，利用表面等离子体共振（SPR）的传感器是众所周知的（请参见NPL1-7）。采用表面等离子体共振的上述传感器通常被称为SPR（表面等离子体共振）传感器，并且可在商业上从许多公司获得，例如通用电气医疗集团（GEHealthcare）、FUJIFILM公司、NTT高级技术公司以及OPTOQUEST有限公司。

图1示出了在克雷奇曼（Kretschmann）配置中最受欢迎的SPR传感器200的示例性配置。SPR传感器200具有下列配置，其包括通过在玻璃基板201上汽相沉积金属（例如金或银）而形成的薄金属层202，并且包括光学棱镜203，其被粘附到玻璃基板201的与形成薄金属层202的表面相对的表面；并且具有以下功能，即通过偏振板205偏振从光源204照射的激光并且通过光学棱镜203将被偏振的光照射到玻璃基板201。入射光210A在发生全反射的条件下被入射。通过在入射光210A被发送到金属表面侧时形成的渐逝波，表面等离子体共振以特定入射角出现。当出现表面等离子体共振时，渐逝波被表面等离子体吸附，因此，入射角附近的反射光在强度上明显降低。出现表面等离子体共振的条件基于薄金属层202的表面附近的介电常数而改变。因此，当待检测的样本结合到薄金属层202的表面或在薄金属层202的表面上吸附以由此改变介电常数时，入射光210A的反射特性也改变。因此，待检测的样本可以通过利用检测器206监控从薄金属层202反射的反射光210B的强度的改变而被检测出。

SPR传感器200检测薄金属层202的表面附近的介电常数的改变，使得除了检测待检测的样本的吸附以外，其也可以检测特定物质是否接近金属表面（接近），已被粘附到金属表面的物质是否从金属表面解吸附，或已经存在于金属表面处的物质的特性是否改变。

然而，为了检测待检测的样本在薄金属层202的表面处的特性，有必要移动包括光源204的光学系统，改变入射光210A被引入到薄金属层202的角度θ，并且接着由检测器206适当监控反射光210B，这导致光学系统的配置的复杂和检测装置尺寸的增加。

光谱测量方法已被报道，其中SPR传感器中的光学系统被简化和小型化（请参见NPL6和7）。图2示出了提供有光学系统的SPR传感器300的示意图，其中所述光学系统在NPL6中应用。入射光310A通过光纤302A从光源301被引导到光学棱镜303的前面，由准直透镜30形成准直的光，并且接着由偏振板305进行p偏振后入射到光学棱镜303上。这个入射光310A被照射到玻璃基板306上的薄金属层307，所述玻璃基板被布置成粘附到光学棱镜303；并且作为从薄金属层307反射的反射光310B，引导通过聚光透镜308并经由光纤302B到达检测器309。在本文中，光电检测器309设置有分光器309A，并且具有测量反射光310B的反射光谱的功能。SPR传感器300类似于SPR传感器200，其中介电常数的改变可以通过测量反射光谱而被检测，其中所述反射光谱由薄金属层307的表面附近的介电常数的改变引起。不过，不同于SPR传感器200的是，反射光310B被波长分解，并且之后测量其光谱，而不是通过移动光学系统改变到薄金属层的入射角310A，这允许光学系统被简化和小型化。

不过，利用表面等离子体共振的SPR传感器在测量的稳定性和灵敏度方面具有缺陷。因此，存在提供高度稳定和高度灵敏的检测装置的需要。

光学波导模式传感器已经被报道，其在配置上类似于SPR传感器，并且光学波导模式传感器也检测在传感器的检测表面的物质的吸附或介电常数的改变（请参见NPL1、2、8-19，以及PTL1-5）。

光学波导模式传感器已知为能够使用等价于在SPR传感器中使用的任何光学系统的光学系统。图3示出了具有和克雷奇曼配置类似的配置的光学波导模式传感器400。光学波导模式传感器400使用由透明基板401a（例如，平板玻璃）构成的检测板401，反射层401b包含涂覆在透明基板上的金属层或半导体层，并且透明光学波导层401c在反射层401b上形成。进一步地，光学棱镜402通过折射率匹配油粘附到检测板401与形成透明光学波导层401c的表面相对的表面。光从光源403照射，被偏振板404偏振，并且接着穿过光学棱镜402被照射到检测板401。入射光410A在发生全反射的条件下在检测板401上入射。在以特定入射角将入射光410A与光学波导模式（可以被称为泄漏模式）结合后，光学波导模式被激励，从而明显改变入射角附近的反射光的强度。这样的用于激励光学波导模式的条件基于透明光学波导层401c的表面附近的介电常数而改变。因此，当物质被吸附到透明光学波导层401c的表面、接近透明光学波导层401c的表面，从所述透明光学波导层401c的表面解吸附，或所述透明光学波导层401c的表面的特性改变时，反射光410B的强度改变。通过用检测器405测量强度的改变，这些现象例如透明光学波导层401c表面上的吸附、接近、解吸附或特性的改变可以被检测。

如在NPL13或PTL5中公开的，用于光学波导模式传感器的检测板（SiO₂/Si/SiO₂检测板）已经被提出，其包括充当基板的石英玻璃（可以被称为SiO₂玻璃、硅石或石英玻璃）、被放置在石英玻璃上的硅（Si）层以及被放置在硅（Si）层上的二氧化硅（包括热氧化的SiO₂或石英玻璃）层，并且可以通过使用所述检测板实现高度灵敏和高度稳定的传感器。

引用文献列表

专利文献

PTL1：日本专利（JP-B）No.4581135

PTL2：JP-BNo.4595072

PTL3：日本专利申请特开（JP-A）No.2007-271596

PTL4：JP-ANo.2008-46093

PTL5：JP-ANo.2009-85714

非专利文献

NPL1：W.Knoll，MRSBulletin16，pp.29-39（1991）

NPL2：W.Knoll，Annu.Rev.Phys.Chem.49，pp.569-638（1998）

NPL3：H.Kano和S.Kawata，Appl.Opt.33，pp.5166-5170（1994）

NPL4：C.Nylander，B.Liedberg和T.Lind，Sensor.Actuat.3，pp.79-88（1982/83）

NPL5：K.Kambhampati，T.A.M.Jakob，J.W.Robertson，M.Cai，J.E.Pemberton，和W.Knoll，Langmuir17，pp.1169-1175（2001）

NPL6：O.R.Bolduc，L.S.Live，和J.F.Masson，Talanta77，pp.1680-1687（2009）

NPL7：I.Stammler，A.Brecht和G.Gauglitz，Sensor.Actuat.B54，pp98-105（1999）

NPL8：M.Osterfeld，H.Franke，和C.Feger，Appl.Phys.Lett.62，pp.2310-2312（1993）

NPL9：E.F.Aust和W.Knoll，J.Appl.Phys.73，p.2705（1993）

NPL10：M.Fujimaki，C.Rockstuhl，X.Wang，K.Awazu，J.Tominaga，T.Ikeda，Y.Ohki，和T.Komatsubara，MicroelectronicEngineering84，pp.1685-1689（2007）

NPL11：K.Awazu，C.Rockstuhl，M.Fujimaki，N.Fukuda，J.Tominaga，T.Komatsubara，T.Ikeda，和Y.Ohki，OpticsExpress15，pp.2592-2597（2007）

NPL12：K.H.A.Lau，L.S.Tan，K.Tamada，M.S.Sander，和W.Knoll，J.Phys.Chem.B108，pp.10812（2004）

NPL13：M.Fujimaki，C.Rockstuhl，X.Wang，K.Awazu，J.Tominaga，Y.Koganezawa，Y.Ohki，和T.Komatsubara，OpticsExpress16，pp.6408-6416（2008）

NPL14：M.Fujimaki，C.Rockstuhl，X.Wang，K.Awazu，J.Tominaga，N.Fukuda，Y.Koganezawa，和Y.Ohki，Nanotechnology19，pp.095503-1-095503-7（2008）

NPL15：M.Fujimaki，C.Rockstuhl，X.Wang，K.Awazu，J.Tominaga，T.Ikeda，Y.Koganezawa，和Y.Ohki，J.Microscopy229，pp.320-326（2008）

NPL16：M.Fujimaki，K.Nomura，K.Sato，T.Kato，S.C.B.Gopinath，X.Wang，K.Awazu，和Y.Ohki，OpticsExpress18，pp.15732-15740（2010）

NPL17：R.P.Podgorsek，H.Franke，J.Woods，和S.Morrill，Sensor.Actuat.B51pp.146-151（1998）

NPL18：J.J.Saarinen，S.M.Weiss，P.M.Fauchet，和J.E.Sipe，Opt.Express13，pp.3754-3764（2005）

NPL19：G.Rong，A.Najmaie，J.E.Sipe，和S.M.Weiss，Biosens.Bioelectron.23，pp.1572-1576（2008）

发明内容

技术问题

通过将已经报道的在SPR传感器中的光谱测量方法应用于光学波导模式传感器，可以实现高性能和小型化传感器。

不过，虽然SPR传感器在光学设置上类似于光学波导模式传感器，但是激励SPR的条件完全不同于激励光学波导模式的条件。因此，用于激励常规SPR传感器中的SPR的条件与用于激励光学波导模式传感器中的光学波导模式的条件之间的差异需要被补充。

关于上述情况，能够激励SPR的波长取决于所使用的金属材料而被限于特定的波长范围。而且，用于激励SPR的条件取决于每个材料例如金属材料、基板材料以及光学棱镜的材料的复数折射率。例如，入射光穿过基板入射到金属材料表面后的入射角的最佳值是基于所使用的材料唯一确定的。

另一方面，使用SiO₂/Si/SiO₂检测板的光学波导模式传感器中的光学波导模式的激励波长极大地取决于硅层的厚度或二氧化硅层的厚度。基于上述特性，只要光学波导模式的激励波长带落入紫外线到近红外线区域内，则光学波导模式的激励波长范围可以通过控制这些层的厚度被自由设定。在光学波导模式传感器的情况下，和SPR传感器不同，从基板到检测板中光学波导层的入射角的最佳值取决于硅层和二氧化硅层的厚度，以及入射光的波长。因此，光学波导模式传感器比SPR传感器更有优势，原因在于，光学波导模式传感器在设计上具有极大的灵活性。

为了使光谱测量方法适于使用SiO₂/Si/SiO₂检测板的光学波导模式传感器，用于激励SPR传感器中的SPR的条件与用于激励光学波导模式传感器中的光学波导模式的条件之间的差异可以通过将来自光源的光照射到光学棱镜的角度设定为特定的角度而补充，从而允许入射光最佳地用于激励光学波导模式。

本发明的目的是为了解决上述存在的问题以及通过试图提供检测装置而产生的新颖的技术问题，所述检测装置使用适于所述光谱测量方法的光学波导模式传感器，并且实现下列目的。也就是，本发明的目的是通过补充用于激励SPR传感器中的SPR的条件与用于激励光学波导模式传感器中的光学波导模式的条件之间的差异，以便实现使用适于所述光谱测量方法的光学波导模式传感器的检测装置，从而提供小型化、稳定和高度灵敏的检测装置。

问题的解决方案

用于解决上述问题的装置如下。

<1>一种检测装置，其包括：

检测板，其中硅层和二氧化硅层以这个次序布置在石英玻璃基板上；

光学棱镜，其光学地粘附到所述检测板的石英玻璃基板的表面，其中所述表面不提供所述硅层和二氧化硅层；

光照射单元，其经配置将光穿过光学棱镜照射到检测板，并布置成使光以固定的入射角入射在光学棱镜上；以及

光检测单元，其经配置检测从检测板反射的反射光的强度，

其中通过检测反射光的特性的变化，所述检测装置检测检测板的二氧化硅层的表面附近的介电常数的变化，以及

其中在所述光学棱镜中，自光照射单元照射的光入射到其上的入射表面与粘附到检测板的粘附表面之间的角度是43°或更小。

<2>根据<1>所述的检测装置，其中所述光照射单元以平行于粘附表面的内平面方向照射光。

<3>根据<1>或<2>所述的检测装置，其中所述硅层由单晶硅构成。

<4>根据<1>到<3>中任意一个所述的检测装置，其中所述硅层与所述二氧化硅层之间的界面粗糙度作为RMS值是0.5nm或更小。

<5>根据<1>到<4>中任意一个所述的检测装置，其中所述光照射单元包括光源，经配置使从光源照射的光准直以形成准直的光的准直仪，以及经配置将所述准直的光偏振为s偏振光的偏振板，并且其中所述光照射单元使所述s偏振光穿过光学棱镜照射到检测板。

<6>根据<1>到<5>中任意一个所述的检测装置，其中所述光检测单元包括分光镜，所述分光镜经配置光谱分散和检测反射光。

<7>根据<1>到<6>中任意一个所述的检测装置，其中所述光学棱镜具有出射表面，其与粘附表面形成与入射表面到粘附表面一样的角度。

<8>根据<1>到<7>中任意一个所述的检测装置，其中所述光学棱镜从石英玻璃形成，所述石英玻璃具有和石英玻璃基板一样的折射率。

<9>根据<1>到<8>中任意一个所述的检测装置，其中所述光学棱镜和检测板是整体形成的。

<10>根据<1>到<9>中任意一个所述的检测装置，其中所述二氧化硅层的表面的物质的吸附、解吸附、接近或特性的变化被检测为介电常数的变化。

本发明的有益效果

根据本发明，可以解决上述现有问题，以及试图提供通过使用适于光谱测量方法的光学波导模式传感器提供的检测装置而产生的新颖的技术问题；并且通过补充用于激励传统的SPR传感器中的SPR的条件与用于激励光学波导模式传感器中的光学波导模式的条件之间的差异，以便使用适于光谱测量方法的光学波导模式传感器实现检测装置，从而可以提供小型化、稳定和高度灵敏的检测装置。

附图说明

图1示出了根据相关技术的采用表面等离子体共振的SPR传感器200的示例性光学配置的示例性视图。

图2示出了根据相关技术的采用表面等离子体共振的SPR传感器300的示例性光学配置的示例性视图。

图3示出了根据相关技术的光学波导模式传感器400的示例性光学配置的示例性视图。

图4示出了根据本发明的用于检测装置中的检测板的横截面结构的示例性视图。

图5示出了根据本发明的用于检测装置中的光学棱镜的形状的示例性视图。

图6示出了根据本发明的用于检测装置中的光学棱镜的形状的另一个示例性视图。

图7示出了根据本发明的用于检测装置中的一体形成的光学棱镜和检测板的横截面结构的示例性视图。

图8示出了根据本发明的一个实施例的检测装置示例性示意图。

图9示出了根据本发明的示例的检测装置的示例性示意图。

图10示出了根据本发明的示例的由检测装置测量的发射光的光谱。

图11示出了根据本发明的示例的反射光光谱的倾角位置的偏移量与使用检测装置的配置设置计算的棱镜的角度之间的关系。

图12示出了根据本发明的示例的反射光光谱的倾角位置的偏移量与利用检测装置的配置设置计算的棱镜的角度之间的关系。

具体实施方式

（检测装置）

本发明的检测装置包括检测板、光学棱镜、光照射单元以及光检测单元。

<检测板>

所述检测板包括石英玻璃基板、硅层和二氧化硅层，其以这个次序被布置在所述石英玻璃基板上。

石英玻璃基板不受特别的限制，并且可以根据期望的目的适当选择，只要其是由石英玻璃形成的玻璃材料。例如，石英玻璃基板可以从被称为例如SiO₂玻璃、硅石或石英玻璃的玻璃材料中适当选择。

用于形成硅层的材料不受特别的限制，并且可以根据期望的目的适当选择。上述内容的示例包括主要包含硅的材料，例如单晶硅、非晶硅和多晶硅。其中，从光学和结构均匀性的观点看，单晶硅是优选的。

二氧化硅层不受特别的限制，并且可以根据期望的目的适当选择，只要其可以充当光学波导层。上述内容的示例包括硅氧化物，例如热氧化的硅（SiO₂）或石英玻璃。

石英玻璃的厚度不受特别的限制，并且可以根据期望的目的适当选择。不过，从容易处理的观点考虑，0.5mm到3mm是优选的。

硅层的厚度不受特别的限制，并且可以根据期望的目的适当选择，只要可以激励光学波导模式。不过，从能够在从近紫外线到近红外线的波长范围内激励光学波导模式的观点来看，10nm到1μm是优选的，而从易于制造的观点来看，500nm或更少是更加优选的。

二氧化硅层的厚度不受特别的限制，并且可以根据期望的目的适当选择。不过，从发挥光学波导的功能和易于制造的观点来看，200nm到800nm是优选的。

硅层与二氧化硅层之间的界面粗糙度不受特别的限制，并且可以根据期望的目的适当选择。不过，从抑制光散射的观点来看，作为RMS（均方根）值，0.5nm或更少是优选的，理想的是0nm。

进一步地，通过在二氧化硅层的表面上形成纳米孔，可以提高检测灵敏度。

图4示出了检测板的横截面结构。如图4所示，在检测板6中，硅层6b和二氧化硅层6c以这个次序被布置在石英玻璃基板6a上。下面所述的光学棱镜被粘附到石英玻璃基板6a的和其上形成二氧化硅层6c的表面相对的表面上。

<光学棱镜>

光学棱镜光学地被粘附到所述检测板的石英玻璃基板的表面，其中所述表面不提供硅层和二氧化硅层。

光学棱镜的材料不受特别的限制，并且可以根据期望的目的适当选择，但是从防止在与检测板的界面处的光的反射或折射的观点来看，石英玻璃具有和石英玻璃基板的折射率相同的折射率是优选的。

本发明的检测装置的主要特征在于，在入射表面和粘附表面之间的角度（即，在附图中被示为α的角度）是43°或更小，从光照射单元照射的光入射在所述入射表面上，所述粘附表面粘附到检测板。因此，用于激励常规SPR传感器中的SPR的条件与用于激励光学波导模式传感器中的光学波导模式的条件之间的差异可以被补充。

因此，光学棱镜的形状不受特别的限制，并且可以根据期望的目的适当选择，只要光学棱镜具有落入上述范围的角度。例如，光学棱镜具有在图5中示出的任何形状。值得注意的是，通过抛光，角的顶端可以是圆的。

光学棱镜的优选示例包括具有如图6所示的梯形横截面或等腰三角形横截面的棱镜。在上述光学棱镜的情况下，所述光学棱镜具有出射表面，其与粘附到检测板的粘附表面形成的角度与从光照射单元照射的光入射到入射表面上的角度（即，图6中的角度α）相同，以便光照射单元和光检测单元可以关于光学棱镜被光学对称地配置，这允许检测装置具有更小的尺寸以及具有更加简化的配置设计。

允许光学棱镜粘附到检测板的方法不受特别的限制，并且可以根据期望的目的适当选择。优选地，光学棱镜被粘附到检测板，以便通过用折射率匹配油或折射率匹配聚合物片材填充检测板与光学棱镜之间的间隙而光学连续。

从更加容易获得光学连续性的观点来看，检测板和光学棱镜可以被一体形成。

在这种情况下，在检测板中的石英玻璃基板可以被抛光，以便具有棱柱状的形状，从而获得相同效果。

图7示出了检测板和光学棱镜被一体形成的示例。在这种情况下，使用一种芯片作为检测板和光学棱镜，在所述芯片中，硅层16b和二氧化硅层16c以这个次序被布置在棱柱状石英玻璃基板16a上，通过处理石英玻璃基板，所述棱柱状石英玻璃基板16a形成光学棱柱状的形状。在本文中，棱柱状石英玻璃基板16a的光入射表面与粘附到检测板（即，硅层16b）的粘附表面之间的角度（在这个图中是α）是43°或更少。

<光照射单元>

光照射单元使光穿过光学棱镜照射到检测板，并被布置成使光以固定的入射角入射在光学棱镜上。

光照射单元不受特别的限制，并且可以根据期望的目的适当选择，但是优选地，以平行于粘附表面的平面内方向照射光。光照射单元中的这样的光学系统的配置可以实现更小尺寸和更加简单的光学系统。

光照射单元的合适的配置示例包括：光源；经配置使从光源照射的光准直以形成准直光的准直仪；以及经配置将准直光偏振为s偏振光的偏振板；并且经配置使s偏振光穿过光学棱镜照射到检测板。光照射单元的这样的配置可以实现一种光学系统，该光学系统能够以合适的入射角使光照射到光学棱镜并且能够进行更高灵敏度的检测。

从执行光谱测量的观点来看，光源优选是白灯、LED或LD。p偏振板可以被用于替代s偏振板。不过，s偏振板可以实现更高的灵敏度。

需要注意的是，其他部件可以被包括在光照射单元中，例如光学部件（例如，用于将从光源照射的光引导到准直仪的光纤）。

<光检测单元>

光检测单元具有检测从检测板反射的反射光的强度的功能。本发明的检测装置通过检测反射光的特性的变化，检测所述检测板中的二氧化硅层的表面附近的介电常数的变化。

光检测单元不受特别的限制，并且可以根据期望的目的适当选择，只要其具有上述的功能。例如，光检测单元可以包括分光镜和光电检测器；并且如果必要的话，进一步包括其他单元，例如聚光透镜或光纤。聚光透镜和光纤可以提供光学配置的灵活性。

光电检测器不受特别的限制，并且可以根据期望的目的适当选择。光电检测器的示例包括用于测量从光学棱镜激励的反射光的强度的装置，例如CCD阵列、光电二极管阵列或光电倍增器。基于用分光镜在每个波长获得的反射光的强度，上述装置可以检测特定波长范围或反射光谱内的反射光的强度。

根据本发明的一个实施例的检测装置50在图8中示出。如图8所示，光照射单元包括光源1、光纤2A、准直透镜3和偏振板4。来自光源1的光入射到光纤2A，并且接着被引导到某位置，在该位置，光能够轻易地入射到光学棱镜5上。被布置在光纤2A的前部的准直透镜3被设定为使得从光纤2A出射的光是准直的光。出射光被偏振板4偏振到期望的偏振状态，并且接着入射到光学棱镜5上。

已经入射到光学棱镜5上的光被检测板6反射，并且接着作为反射光从光学棱镜5出射，随后被聚光透镜7聚光，并被引导到光纤2B，从而能够由分光镜8和光电检测器9测量反射强度或反射光谱。检测板6具有这样的配置，其中硅层6b和二氧化硅层6c以这个次序被布置在石英玻璃基板6a上；并且其中光学棱镜5被光学粘附到石英玻璃基板6a的与其上提供有二氧化硅层6c的表面相对的表面。

光学棱镜5被设定为在入射表面和粘附表面之间具有43°或更少的角度（即，在附图中的角度α），其中光通过偏振板4入射到所述入射表面上，所述粘附表面粘附到检测板6。通过补充用于激励常规SPR传感器中的SPR的条件与用于激励光学波导模式传感器中的光学波导模式的条件之间的差异，这样的设置可以实现小尺寸和高度灵敏的检测装置。

当使用具有上述配置的检测装置50测量由检测板6反射的入射光的特性（例如，反射光的光谱）时，入射光中的特定波长范围满足用于激励光学波导模式的条件，所述入射光在检测板6的表面上形成的二氧化硅层6c中和附近局部传播，这导致波长范围中的反射强度明显变弱的现象。用于激励光学波导模式的条件基于检测板6中的二氧化硅层6c的表面附近的介电常数而变化。因此，当二氧化硅层6c的表面附近的介电常数改变时，反射光谱也改变。因此，通过测量反射光谱的变化或在特定波长范围内的反射光的强度的变化，二氧化硅层6c的表面附近的介电常数的变化原因（例如，物质的吸附、解吸附、接近或特性变化）可以被光电检测器9检测。

示例

图9示出了根据本发明的示例的检测装置100的示意图。在这个检测装置100中，从钨-卤素灯101照射的光通过光纤102A以这个次序被顺序引导到准直透镜103和偏振板104，变成s偏振的准直的光，并且接着被照射到棱镜105。检测板106被光学地粘附到棱镜105。在本文中，两个底角α都是38°的梯形棱镜被用作棱镜105。作为检测板106，使用一种检测板，其中具有220nm的厚度的单晶硅层106b以及具有448nm的厚度的热氧化的硅层106c以这个次序被布置在具有1.2mm的厚度的石英玻璃基板106a上。

检测装置100被制造成使得穿过棱镜105的光入射表面A照射到检测板106的光被所述检测板反射，并且接着从棱镜105的光出射表面B出射，随后通过聚光透镜107和光纤102B被引导到配备有CCD阵列的分光镜108，并且利用光电检测器109测量所述光谱。

根据下面的这个示例，利用检测装置100执行用于生物素110与链霉抗生物素蛋白（streptavidin）111之间的特定吸附的检测试验。

首先，检测板106被浸渍在弱碱性水溶液中10小时并干燥，随后在0.2％质量的3-氨基丙基三乙氧基硅烷（3-aminopropyltriethoxysilane）的乙醇溶液中浸渍10小时，从而利用活性氨基基团修改二氧化硅层106c的表面。

将所得物用乙醇漂洗并干燥，随后在含有0.1mM的磺酸琥珀酰亚氨基-N-(D-生物素基)-6-氨基乙醇己酸酯（sulfosuccinimidyl-N-(D-biotinyl)-6-aminohexanate）（含琥珀酰亚胺基团的化合物）的1/15M的磷酸缓冲液中浸渍。在静置5小时后，氨基基团被允许与含有琥珀酰亚胺基团的化合物中的琥珀酰亚胺基团反应，从而将生物素基团引入到二氧化硅层106c的表面上。如上所述，链霉抗生物素蛋白到生物素基团的特定吸附可以被测量。

具体地，根据上述方法，生物素基团被引入到二氧化硅表面106c上，液体池被安放在得到的改变后的二氧化硅表面106c上。液体池被1/15M的磷酸缓冲液填充，并且接着检测装置100被驱动以便由光电检测器109测量反射光谱。在图10中的测量结果被示为实线。

此后，1/15M的磷酸缓冲液被移除，液体池被填装包含0.5μM的链霉抗生物素蛋白的新鲜的1/15M的磷酸缓冲液，并且接着反射光谱被再次测量。在图10中的测量结果被示为虚线。

从图10可以看出，在将包含链霉抗生物素蛋白的溶液注入后，在生物素110与链霉抗生物素蛋白111之间发生吸附反应，导致在反射光谱中看到的倾角位置向着更长波长侧偏移。

当检测板106的表面附近的介电常数改变时发生如图10所示的允许倾角位置的波长偏移量更大的设置可以提供介电常数变化的更高灵敏度的检测，并且因此提供引起介电常数变化的反应的更加可靠的检测。因此，用于棱镜的角度α和倾角位置的波长偏移量之间关系的仿真计算被执行。对于上述的仿真计算，使用基于菲涅耳（Fresnel）方程式和免费软件计算机程序WINSPALL（WolfgangKnoll的基团，MPI-P）的计算计算机程序。

对于上述的仿真计算，下列4个条件被使用：（1）在检测板中的硅层的厚度是45nm，并且倾角的底部处于600nm的入射波长的情况；（2）在检测板中的硅层的厚度是80nm，并且倾角的底部处于470nm的入射波长的情况；（3）在检测板中的硅层的厚度是160nm，并且倾角的底部处于520nm的入射波长的情况；以及（4）在检测板中的硅层的厚度是220nm，并且倾角的底部处于650nm的入射波长的情况。在任何情况下，所述计算均是在假设硅层由单晶硅形成的基础上执行的。

此外，所述计算是在假设检测板106的表面被浸渍在具有的折射率等价于水的折射率的液体中，并且二氧化硅层106c是由石英玻璃形成的基础上执行的。二氧化硅层106c的厚度影响出现倾角的波长位置。因此，二氧化硅层的厚度被设定为使得在检测板的表面被浸没在液体中的状态下，所述倾角位置存在于上述波长中。假设具有厚度为5nm、1.45的折射率的物质被吸附在检测板106的表面上，从而计算倾角位置的偏移量。

通过计算获得的结果如图11所示，其示出了波长偏移量依赖于棱镜的角度α。图12示出了当棱镜的角度α是31°时的归一化的偏移量值。

如图11和12所示，在用于计算的条件下，不管检测板106中硅层的厚度的差异和激励波长范围之间的差异如何，在任何情况下，棱镜的角度α越小，偏移量越大（就是说，灵敏度越高）。

然而，当棱镜的角度α小于30°时，入射光不能满足某种条件，在该条件下，所有反射均是在检测板106的表面上发生。就是说，光到检测板106的表面的入射角会比临界角更小。用于检测板106中的每个材料的折射率取决于波长。因此，光到检测板的表面的入射角小于所述临界角的棱镜的角度α不能被唯一确定。不过，应当指出，当光的入射角小于临界角时，光学波导模式不被激励。

假设用当棱镜的角度α是31°时的值归一化的偏移量值是理想值，所述理想值与当棱镜的角度α不是31°时的偏移量比较。当棱镜的角度α是43°或更少时，在所述计算被执行的任何条件下，相对于当棱镜的角度α是31°时的倾角位置的偏移量，所述倾角位置的偏移量是60%或更多（请参见图12）。因此，在适于SiO₂/Si/SiO₂检测板和光谱测量方法的情况下，棱镜的角度α为43°或更少可以实现高灵敏度。

当棱镜的角度α是41°或更少时，在所述计算被执行的任何条件下，相对于当棱镜的角度α是31°时的倾角位置的偏移量，所述倾角位置的偏移量是约70%或更多，这是更加优选的（请参见图12）。

产业可利用性

本发明的检测装置是小尺寸、高度稳定和高度灵敏的检测装置。因此，它可以被应用在用于DNA、蛋白质（例如，抗原或抗体）或糖链的生物传感器中；用于金属离子或有机分子的化学传感器；以及温度计。此外，它可以被用在广泛的领域中，如医学、药物开发、食品或环境。

参考标记列表

1、101、204、301、403：光源

2A、2B、102A、102B、302A、302B：光纤

3、103、304：准直透镜

4、104、205、305、404：偏振板

5、105、203、303、402：光学棱镜

6、106、401：检测板

6a、106a：石英玻璃基板

6b、16b、106b：硅层

6c、16c、106c：二氧化硅层

7、107、308：聚光透镜

8、108、309A：分光镜

9、109、206、309、405：光电检测器

16a：光学棱镜状的石英玻璃基板

110：生物素

111：链霉抗生物素蛋白

50、100：检测装置

200、300：SPR传感器

400：光学波导模式传感器

201、306：玻璃基板

202、307：薄金属层

210A、310A、410A：入射光

210B、310B、410B：出射光

401a：透明基板

401b：反射层

401c：透明光学波导层

Claims (10)

1.一种检测装置，其包括：

检测板，所述检测板自顶部依次包括二氧化硅层、硅层和石英玻璃基板；

光学棱镜，其可选地被粘附到所述检测板的石英玻璃基板的表面，其中所述表面不提供所述硅层和所述二氧化硅层；

光照射单元，其配置为将光穿过所述光学棱镜照射到所述检测板，并布置为使得光以固定的入射角入射在所述光学棱镜上；以及

光检测单元，其配置为检测从所述检测板反射的反射光的强度，

其中通过检测所述反射光的特性的变化，所述检测装置检测所述检测板的二氧化硅层的表面附近的介电常数的变化，以及

其中在所述光学棱镜中，入射表面和粘附表面之间的角度是43°或更小，自所述光照射单元照射的光入射在所述入射表面上，所述粘附表面粘附到所述检测板。

2.根据权利要求1所述的检测装置，其中所述光照射单元与所述粘附表面的平面内方向平行地照射光。

3.根据权利要求1或2所述的检测装置，其中所述硅层由单晶硅形成。

4.根据权利要求1所述的检测装置，其中所述硅层与所述二氧化硅层之间的界面粗糙度作为RMS值是0.5nm或更小。

5.根据权利要求1所述的检测装置，其中所述光照射单元包括光源，配置为使自所述光源照射的光准直以形成准直的光的准直仪，以及配置为将准直的光偏振为s偏振光的偏振板，并且其中所述光照射单元使所述s偏振光穿过所述光学棱镜照射到所述检测板。

6.根据权利要求1所述的检测装置，其中所述光检测单元包括分光镜，所述分光镜配置为光谱分散和检测所述反射光。

7.根据权利要求1所述的检测装置，其中所述光学棱镜具有出射表面，该出射表面与所述粘附表面形成的角度与所述入射表面与所述粘附表面形成的角度相同。

8.根据权利要求1所述的检测装置，其中所述光学棱镜由石英玻璃构成，所述石英玻璃具有和所述石英玻璃基板相同的折射率。

9.根据权利要求1所述的检测装置，其中所述光学棱镜和所述检测板是一体形成的。

10.根据权利要求1所述的检测装置，其中所述二氧化硅层的表面附近的物质的吸附、解吸附、接近或特征改变中的任意项被检测为介电常数的变化。