CN105044043A - 等离子体传感器装置和用于表面等离子体共振光谱学的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种等离子体传感器装置，其具有光源、金属薄膜、能绕着至少一个旋转轴转动的至少一个微镜和检测器，所述光源构造用于产生相干光，所述金属薄膜在一侧上至少部分地由分析物分子覆盖，所述至少一个微镜如下定位和构造，以使得相干光能够从光源在一个入射角下偏转到金属薄膜的一侧上，其中，通过所述至少一个微镜绕着至少一个旋转轴转动能够改变所述入射角，所述检测器构造用于根据入射角确定被偏转到金属薄膜上的并且从那里被再次反射的光的强度，其中，由光源产生的相干光具有下述特性，根据入射角能够激励金属薄膜中的表面等离子体。

Description

等离子体传感器装置和用于表面等离子体共振光谱学的方法

技术领域

本发明涉及一种基于微镜的等离子体传感器装置以及一种利用这种传感器装置用于表面等离子体共振光谱学的方法。

背景技术

如果相干光在确定的条件下射到电介质(例如空气或玻璃)和金属薄膜(例如金)之间的界面上，那么所述相干光能够将金属薄膜表面附近的传导电子激励成集聚的密度波动、所谓的表面等离子体。此外，所述效应在表面等离子体共振光谱学(SPR光谱学)中用于研究处于金属表面的分析物的吸收和特性。为此，根据入射角确定由金属表面反射的光的强度。在此，例如借助于可翻转的或可转动的镜子改变入射角，通过所述镜子使光偏转到金属表面上。由于表面等离子体的激励，在确定的入射角下调节到最小强度值。所属的入射角特别是也与分析物的特性有关。

为了便携地使用等离子体的分析方法，要求所需的机械部件和光学部件小型化。由出版文献EP1684063A1中公知了一种便携的生物芯片扫描仪，其包括SPR单元，所述单元以旋转盘的形式存在。此外，由出版文献US2007/0139653A1中公知了一种方法，其中，微镜(MEMS)用于基于SPR的生物传感器。为了改变入射角，在此例如使用角度计。

然而对于接近病人的实验室诊断(POCT)而言，在此需要极强小型化的和自身封闭的构型，所述构型同时可以简单地制造。

发明内容

根据一个方面，本发明提出一种等离子体传感器装置，其具有光源、金属薄膜、能绕着至少一个旋转轴转动的至少一个微镜和检测器，所述光源构造用于产生相干光，所述金属薄膜在一侧上至少部分地由分析物分子覆盖，所述至少一个微镜如下定位和构造，以使得相干光能够从光源在一个入射角下偏转到金属薄膜的一侧上，其中，通过所述至少一个微镜绕着至少一个轴转动转动能够改变所述入射角，所述检测器构造用于根据入射角确定被偏转到金属薄膜上的并且从那里再次被反射的光的强度，其中，由光源产生的相干光具有下述特性，根据入射角能够激励金属薄膜中的表面等离子体。

根据另一个方面，本发明提出一种用于表面等离子体共振光谱学的方法，所述方法利用根据本发明的等离子体传感器装置进行并且具有下述步骤：通过转动至少一个微镜改变相干光的在金属薄膜上的入射角，其中，根据入射角激励金属薄膜中的表面等离子体；和借助于检测器根据入射角测量被偏转到金属薄膜上的并且从那里再次被反射的相干光的强度。

本发明的一个构思是，提出一种借助于至少一个微镜的小型化的等离子体传感器装置，所述微镜这样可转动地支承，以使得在不需要附加的辅助装置例如角度计的情况下，能够改变光到金属表面上的入射角。在此，从金属表面反射的光的强度由集成在传感器装置中的检测器作为入射角的函数来测量。

根据本发明的解决方案的一个显著的优点在于，可以极强小型化地构造等离子体传感器装置。微镜是所谓的MEMS(“微机电系统”)，所述微镜具有微米范围内的延伸长度。所述微镜的使用能够在几毫米直到厘米的范围内对整个传感器装置确定尺寸。不但光源而且检测器可以集成在所述传感器装置中。

根据传感器装置的一个优选的进一步方案，各个部件在传感器装置运行时可以在它们的位置中相对彼此固定。也就是说，相干光源、金属薄膜、检测器和至少一个微镜的至少一个旋转轴可以相对彼此不运动地设置，从而仅仅至少一个微镜能够绕着其至少一个旋转轴转动。以这种方式有利地能够简单地和低成本地小型化地构造等离子体传感器装置。

根据传感器装置的一个优选的进一步方案，光源可以产生激光束。所述激光束则通过至少一个微镜偏转到金属薄膜上。激光光源是有利的相干光源，此外，所述相干光源易于操作并且适合于小型化的结构。

根据传感器装置的一个优选的进一步方案，设置一个反射棱镜。所述反射棱镜可以这样定位，以使得其基面邻接于金属薄膜的背向分析物分子的侧，并且在相干光射到检测器上之前，来自光源的相干光在入射面上射入反射棱镜中，在由基面构成的在反射棱镜和金属薄膜之间的界面被反射并且在出射面上再次从反射棱镜射出。在原理的结构中，反射棱镜的所述布置相应于所谓的Kretschmann结构，所述结构使用在表面等离子体共振光谱学的多个实际的应用中。在此，反射棱镜用于使相干光与表面等离子体耦合。

根据传感器装置的一个优选的进一步方案，金属薄膜在一侧上可以构造为光栅结构，所述光栅结构如下定位，以使得在相干光射入检测器之前，所述相干光能够在所述光栅结构上被反射。光栅结构是用于使光的波矢量与表面等离子体耦合的一种可替换的可能性。这不需要反射棱镜，并且因此有利地可以更简单地并且以更小的尺寸制造。

根据传感器装置的一个优选的进一步方案，金属薄膜可以设置有连接器。通过连接器可以使分析物分子与金属薄膜耦合，从而在连接器和匹配的分析物分子之间反应时改变用于表面等离子体的激励条件。连接器是有利的辅助装置，以便使选择的分析物与金属薄膜耦合。

根据传感器装置的一个优选的进一步方案，检测器可以是CCD传感器或者CMOS传感器。两种传感器技术有利于小型化地运行并且低成本地批量生产。所述检测器的激活的面的延伸长度能够有利地这样大地选择，以使得可以补偿由于入射角的改变同时引起的入射位置改变，其方式是，使射入的光量集中到整个激活的面上。因此，检测器由条件决定地把光强度测量仅仅作为入射角的函数来测量。

根据传感器装置的一个优选的进一步方案，金属薄膜可以包含金和/或银。然而可替换地也可以设置其他适合的金属、例如铜或钛。金和银基于其导电性和简单的可加工性具有对于等离子体技术特别有利的特性。

根据传感器装置的一个优选的进一步方案，通过转动至少一个微镜能够利用光二维地扫描金属薄膜。此外根据传感器装置的一个另外的优选的进一步方案，金属薄膜可以构造为测试条。并排布置的由分析物分子构成的分析区域可以施加在所述测试条上。所述有利的实施方式能够使等离子体传感器装置构造为类似于通常的Point-Of-Care-Test(即时检验)(POCT)的诊断装置、例如血糖测量装置。光源、微镜和检测器能够固定地集成在所述装置中，而测试条(例如金薄膜)在施加待分析的物质之后插入所述装置中并且在检验之后再次取出。基于测试条的二维的可扫描性，所述测试条可以例如设置有不同的连接器，从而可以在不同的物质上被检验。此外，所述实施方式例如能够使测试条设置有参考结构，所述参考结构可以用于使测试条相对于其他构件进行自动地定位修正。可替换地，在测试条上可以为参考测量设置预留区域。

根据传感器装置的一个优选的进一步方案，设置能绕着至少一个另外的旋转轴转动的至少一个另外的微镜。所述至少一个另外的微镜可以如下定位和构造，以使得相干光借助于在微镜上的多次反射能够在一个入射角下被偏转到金属薄膜的一侧上的一个入射位置上。在此，通过微镜绕着旋转轴个别地转动能够改变入射角和入射位置。所述多镜结构与具有带仅一个旋转轴的仅一个微镜的实施方式相比有利地提供关于控制入射角和入射位置的附加的自由度。特别是，不同的旋转轴不必彼此平行。

根据用于表面等离子体共振光谱学的方法的一个优选的进一步方案，此外通过借助于转动至少一个微镜来改变相干光的入射位置，对金属薄膜进行扫描。

附图说明

下面根据实施方式参考附图说明本发明的另外的特征和优点。

附图中：

图1示出根据本发明的第一实施方式的具有反射棱镜的等离子体传感器装置的示意性的横截面图；

图2示出两个作为入射角的函数的强度曲线的简图，其根据本发明的第一实施方式产生；

图3示出根据本发明的第二实施方式的具有光栅结构的等离子体传感器装置的示意性的横截面图；

图4示出根据本发明的第三实施方式的等离子体传感器装置的测试条的示意性的俯视图；和

图5示出根据本发明的第四实施方式的具有反射棱镜和三个微镜的等离子体传感器装置的示意性的横截面图。

在附图中，相同的附图标记表示相同的或功能相同的元件。

具体实施方式

图1示出根据本发明的第一实施方式的具有反射棱镜7的等离子体传感器装置9的示意性的横截面。

所述等离子体传感器装置包括光源1、具有旋转轴15的微镜2、金属薄膜6、反射棱镜7、检测器8以及在金属薄膜6上固定的连接器5，分析物分子4与所述连接器耦合。光源1发射由相干光3构成的光线3，所述光线在可转动的微镜2上被反射并且在通过微镜2预定的入射角13下被引导到反射棱镜7上。在那里，光线3经由入射面17射入，在基面16上被反射并且再次在出射面18上被射出。然后，光线3射到检测器8上。

光源1例如可以是激光器，也就是说，图1中的光线3在所述情况中相应于激光束。借助于例如可由玻璃或者塑料构成的反射棱镜6，光线3能够在金属薄膜6中与表面等离子体耦合。对于一定的入射角13，光线3和表面等离子体处于共振中，从而光线3的强度被最大地减弱。光线3的强度由检测器8测量。所述检测器例如可以是CCD传感器或CMOS传感器，所述检测器通过集中到激活的传感器面上确定光强度。通过微镜2的转动除了改变入射角13以外也同时改变激光束的入射位置14。然而由于集中到延伸的激活面上，由检测器8测量的强度与入射位置14无关，从而所述检测器将光线3的强度作为入射角的函数来测量。在所述的实施方式中，仅仅微镜2可运动。所有其他的构件相对彼此固定，从而所述等离子体传感器装置能够极强小型化地实现。典型的是微镜2(MEMS)在测微米范围内确定尺寸。如图1中所示的典型的等离子体传感器装置9垂直于金属薄膜6具有几毫米的延伸长度。等离子体传感器装置9在宽度上朝向金属薄膜6的平面的方向延伸例如超过几厘米。

连接器5用于使分析物分子4与金属薄膜6耦合。这样耦合的分析物分子4影响金属薄膜6的对于表面等离子体的激励特性，也就是说，特别是入射角13发生偏移，在所述入射角下存在光线3的最小强度。金属薄膜6例如可以由金、银或相应适合的金属构成。

等离子体传感器装置9的所述第一实施方式可以视为示例性的，原理上可以设置基本元件的不同的布置及其不同的构型。此外，设置具有多个微镜2的构型，在此，所述微镜能够连续地或者以不连续的步长转动或翻转。此外，原理上设置微镜2，所述微镜能够在不同的方向上绕着不同的旋转轴15转动或者翻转。

图2示例性地示出两个作为入射角13的函数的强度曲线的简图，其根据本发明的第一实施方式产生。

所述强度曲线中的一个相应于分析物分子4通过连接器5与金属薄膜6耦合的情况，另一个强度曲线相应于无分析物分子4被耦合的情况。图2显而易见的是，对于分析物分子4与金属薄膜6耦合的情况，最小强度值发生平移。图2中描绘的最小强度值的改变可以视为示例性的。通常表面等离子体在金属薄膜6中的激励条件由分析物分子4的特性影响。原理上作为入射角的函数的强度的曲线与传感器装置的结构有关，特别是与选择的金属和分析物的耦合有关。所述等离子体传感器装置9适用于分析不同的分析物及其特性，并且因此可以使用在多种多样的领域中、例如在作为便携的Point-Of-Care-Test(即时检验)(POCT)的医学诊断的领域中。其他的应用领域是药品研究、例如用于研究添加剂的结合特性或者是生物传感技术。本发明原则上适用于使用在液体和气体介质中并且因此可以使用在所有应直接在现场检测物质的微小的浓度的领域中。特别是通过使传感器装置极强地小型化能够在实验室外实际应用。例如这种等离子的传感器装置能够集成在移动电话、平板电脑等中。

图3示出根据本发明的第二实施方式的具有光栅结构10的等离子体传感器装置9的示意性的横截面图。

类似于图1中的第一实施方式，所述等离子体传感器装置包括光源1、具有旋转轴15的微镜2、金属薄膜6、检测器8以及在金属薄膜6上固定的连接器5，分析物分子4与所述连接器耦合。然而与图1的实施方式不同地，连接器5和与其耦合的分析物分子4位于金属薄膜6的朝向检测器8和光源1的侧上。此外与图1中的构型不同地，在此不设置反射棱镜7。更确切地说，金属薄膜6在被照射的侧上设置有光栅结构10。类似于图1中的反射棱镜7，光栅结构10也用于使相干光3与表面等离子体耦合，然而需要比典型的反射棱镜7小的空间。等离子体传感器装置9的构件在图3中示出的布置可以视为示例性的，原理上可以提供基本构件的不同的布置及其不同的构型。特别是设置具有多个微镜2的构型。在此，微镜2能够连续地或者以不连续的步长转动或者翻转。此外，也设置下述实施方式，其中，连接器5以及分析物分子4类似于图1中的实施方式位于金属薄膜6的不被照射的侧上。

此外，第二实施方式的工作方式与图1中的第一实施方式的工作方式相同。在此，光源1也发射由相干光3构成的光线3，所述光线在可转动的微镜2上被反射并且在通过微镜2预定的入射角13下被引导到反射棱镜7上。在那里，光线3经由入射面17射入，在基本面16上被反射并且在出射面18上再次从反射棱镜7射出。然后光线3射到检测器8上，所述检测器确定作为入射角13的函数的、光线3的强度。

也就是说，分析物的分析包括下述步骤。首先从光源1产生相干光3。所述光在微镜2上被反射并且被偏转到金属薄膜6的构造为光栅的下侧上。通过转动或者翻转微镜2改变光线3在金属薄膜6上的入射角13，其中，根据入射角13在金属薄膜6和分析物分子4之间的界面上激励金属薄膜6中的表面等离子体。被偏转到金属薄膜6上并且从那里再次被反射的光线3的强度由检测器8测量，并且在此基础上确定作为入射角13的函数的、光线3的强度的曲线。

图4示出根据本发明的第三实施方式的等离子体传感器装置9的测试条11的示意性的俯视图。

等离子体传感器装置9例如可以类似于图3的等离子体传感器装置，所述等离子体传感器装置设置一个光栅结构10用于使光3和表面等离子体耦合。在图4中可以看到一个金属薄膜6，将四个并排布置的、条形的由分析物分子4构成的分析区域12施加到所述金属薄膜上。例如所有四个分析区域12由不同的分析物构成。相应地在所述情况中，也设置四种不同类型的连接器5，相应的分析物分子4可以与所述连接器耦合。

在第三实施方式中设置，等离子体传感器装置9可以二维地扫描金属薄膜6。这通过转动设置的多个微镜2实现或者通过在不同的方向上转动单个的微镜2实现。所述构型有利于传感器装置作为诊断装置、例如Point-Of-Care-Test(即时检验)的构造。在所述方式中，诊断装置可以类似于血糖测量装置或读卡器来使用。在所述变体中，光源1、微镜2和检测器8固定地集成在诊断装置中。测试条11在施加一种或者多种物质之后插入到所述装置中并且在分析之后再次取出。因此，测试条11的二维可扫描性实现了测试不同的物质，所述物质例如通过连接器5与测试条11耦合。在等离子体传感器装置9和测试条11的另外的实施方式中设置参考结构，所述参考结构例如用于使测试条11相对于其他的构件自动地定位修正或者适用于使测试条和光学部件自动地取向。此外，在测试条11上提供预留的区域，所述区域能够用于参考测量。

图5示出根据本发明的第四实施方式的等离子体传感器装置9的示意性的横截面，所述等离子体传感器装置具有反射棱镜7和多镜结构中的三个微镜2。

原理上传感器装置9的结构和工作方式类似于图1中的传感器装置9示出。传感器装置9包括光源1、具有旋转轴15，15a，15b的微镜2，2a，2b、金属薄膜6、反射棱镜7、检测器8以及在金属薄膜6上固定的连接器5，分析物分子4与所述连接器耦合。光源1发射由相干光3构成的光线3，所述光线在可转动的微镜2，2a，2b上被反射并且在通过微镜2，2a，2b预定的入射角13下被引导到反射棱镜7上。在那里，光线3经由入射面17射入，在基面16上被反射并且在出射面18再次射出。然后光线3射到检测器8上，所述检测器确定检测器作为入射角13的函数的、光线3的强度。首先光线3射到第一微镜2上。所述第一微镜根据角度将光线3偏转到另外两个微镜2a，2b中的一个上，该微镜接着将所述光线继续分别引导到反射棱镜7上。在此使用的多镜结构与图1中具有仅一个微镜2的实施方式相比提供关于控制入射角13和入射位置14的附加的自由度。在第四实施方式中，三个微镜2，2a，2b的旋转轴15，15a，15b彼此平行。然而本发明此外也设置下述构型，其中，旋转轴15，15a，15b和微镜2，2a，2b在不同的方向上取向。通过微镜2，2a，2b的相应配置此外实现了，金属薄膜6不仅仅在成像平面中一维地被扫描，而是尤其也垂直于图像平面、即二维地被扫描。由此例如在图4中所示地可以二维地扫描测试条11，并且因此可以用于多种目的。设置等离子体传感器装置9的下述实施方式，所述等离子体传感器装置9包括由N+1个微镜2，2a，2b构成的结构。由于微镜2，2a，2b的小型化的构型，所述构型也能够简单地和节省空间地构造。

Claims (13)

1.一种等离子体传感器装置，其具有：

光源(1)，所述光源构造用于产生相干光(3)；

金属薄膜(6)，所述金属薄膜在一侧上至少部分地由分析物分子(4)覆盖；

能绕着至少一个旋转轴(15)转动的至少一个微镜(2)，所述至少一个微镜如下定位和构造，以使得所述相干光(3)能够从所述光源(1)以一入射角(13)偏转到所述金属薄膜(6)的一侧上，其中，通过所述至少一个微镜(2)绕着所述至少一个旋转轴(15)转动能够改变所述入射角(13)；和

检测器(8)，所述检测器构造用于根据所述入射角(13)确定被偏转到所述金属薄膜(6)上并且从那里又被反射的光(3)的强度；

其中，由所述光源(1)产生的所述相干光(3)具有的特性能够使得根据入射角(13)激励金属薄膜(6)中的表面等离子体。

2.根据权利要求1所述的等离子体传感器装置，其中，在所述等离子体传感器装置(9)运行时，所述光源(1)、所述金属薄膜(6)、所述检测器(8)和所述至少一个微镜(2)的所述至少一个旋转轴(15)彼此固定在它们的相对位置中。

3.根据权利要求1或2所述的等离子体传感器装置，其中，所述光源(1)产生激光束(3)。

4.根据权利要求1至3所述的等离子体传感器装置，此外，其具有：反射棱镜(7)，所述反射棱镜如下定位，以使得所述反射棱镜的基面(16)邻接于所述金属薄膜(6)的背向所述分析物分子(4)的侧，并且在所述相干光射到检测器(8)上之前，所述相干光(3)在入射面(17)上射入所述反射棱镜(7)中，在由基面(16)构成的在所述反射棱镜(7)和所述金属薄膜(6)之间的界面上被反射并且又在出射面(18)上从所述反射棱镜(7)中射出。

5.根据权利要求1到3所述的等离子体传感器装置，其中，所述金属薄膜(6)在一侧上构造为光栅结构(10)，所述光栅结构如下定位，以使得在所述相干光射入检测器中之前，所述相干光(3)能够在所述光栅结构上被反射。

6.根据前述权利要求中任一项所述的等离子体传感器装置，其中，所述金属薄膜(6)设置有连接器(5)，所述分析物分子(4)通过所述连接器能够与所述金属薄膜(6)耦合。

7.根据前述权利要求中任一项所述的等离子体传感器装置，其中，所述检测器(8)是CCD传感器或CMOS传感器。

8.根据前述权利要求中任一项所述的等离子体传感器装置，其中，所述金属薄膜(6)包含金和/或银。

9.根据前述权利要求中任一项所述的等离子体传感器装置，其中，通过转动所述至少一个微镜(2)能够利用所述相干光(3)二维地扫描所述金属薄膜(6)。

10.根据权利要求10所述的等离子体传感器装置，其中，所述金属薄膜(6)构造为测试条(11)，将并排布置的具有分析物分子(4)的分析区域(12)施加在所述测试条上。

11.根据前述权利要求中任一项所述的等离子体传感器装置，此外，其具有能绕着至少一个另外的旋转轴(15a；15b)转动的至少一个另外的微镜(2a；2b)，所述至少一个另外的微镜如下构造和布置，以使得所述相干光(3)借助于在所述微镜(2；2a；2b)上的多次反射能够以一入射角(13)偏转到所述金属薄膜(6)的一侧上的一入射位置(14)上，其中，通过所述微镜(2；2a；2b)绕着旋转轴(15；15a；15b)个别转动能够改变所述入射角(13)和所述入射位置(14)。

12.一种用于表面等离子体共振光谱学的方法，所述方法利用根据权利要求1到11中任一项所述的等离子体传感器装置进行并且具有下述步骤：

通过转动至少一个微镜(2；2a；2b)改变相干光(3)到金属薄膜(6)上的入射角(13)，其中，根据所述入射角(13)激励所述金属薄膜(6)中的表面等离子体；和

借助于检测器(8)根据入射角(13)测量被偏转到金属薄膜(6)上的并且从那里又被反射的相干光(3)的强度。

13.根据权利要求12所述的用于表面等离子体共振光谱学的方法，此外，其具有下述步骤：通过借助于转动所述至少一个微镜(2；2a；2b)改变所述相干光(3)的入射位置(14)来扫描金属薄膜(6)。