CN1344366A - 表面等离子体振子谐振传感器 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种表面等离子体振子谐振(SPR)传感器,该传感器包括由平面传感器芯片单元的横向集成阵列构成的传感器芯片和由平面光学换能器单元的横向集成阵列构成的光学换能器。通过间隙将可更换的传感器芯片与光学换能器间隔开,并且在传感器芯片和光学换能器之间采用垂直的光学互连。将聚焦和准直的光学元件和感测面积集成在相同的传感器芯片上,而在传感器芯片和光学换能器之间的光学互连是基于垂直与界面地入射的准直的光束。聚焦的光学元件包括在顶部表面上的反射衍射光学元件和在传感器芯片单元的后部表面上的可选的平面镜的组合。

Description

表面等离子体振子谐振传感器

发明领域

本发明涉及表面等离子体振子谐振(surface plasmonresonance(SPM))传感器。更具体地说，本发明涉及水质监测领域，在这种领域中需要能够测量可能污染我们的水源的大量不同的化合物的传感器。其它可能的应用是食品质量监测、过程控制、包括人体免疫缺损病毒(HIV)核蛋白质的生物成分检测以及基因表达监测。

本发明的背景技术

表面等离子体振子(SP)为存在于电介质和金属/半导体之间的界面上的电荷密度的简振模式。在30年前人们就发现在SP和光的电磁场之间的耦合度对接近金属表面的电介质的光学特性的变化敏感。SPR传感器主要是在医疗和环境应用方面引起了人们的注意。

通过不同的分子识别元素(MRE)的阵列可以确定不同的分析物的监测，每种元素具有对特定的分析物的特定的响应。MRE可以是生物的、生化的或化学识别元素或这些元素的组合。

MRE例如可以直接固定在支持与光一同谐振的SP波的金属膜(例如SPR金属膜)的表面上，例如通过与金表面键联的硫醇。

可替换地，MRE例如可以通过在适合的聚合物膜(例如水凝胶)中的共价键固定，该聚合物为几百纳米厚并涂敷在SPR金属膜上。根据不同的应用，已经有了不同的MRE感测方案，包括抗体-抗原反应、用于DNA杂化分析的源自cNDA库的探针或低聚核苷酸阵列、分子印记技术、与离子载体和颜色离子载体的离子反应以及其中SPR金属膜作为两个电极中的一个电极(阳极或阴极)的电化学相互作用。虽然这些MRE本质上各不相同，但是它们具有固有的特性，即它们都利用表面或界面敏感的生化/化学相互作用，这些相互作用可以应用SPR感测方案定量地监测。

由于SP以横磁模式(TM模式)传播，只是在平行于入射平面地极化电场(TM极化)并且光的波矢量和SP相匹配的情况下才可能进行光学激励。在金属/电介质界面(即，在金属和要测量的试样之间的界面)上波长为λ的SP的波矢量k_SP大致表示为： $k_{\mathrm{sp}}~\frac{2\mathrm{\π}}{\mathrm{\λ}}\sqrt{\frac{{\mathrm{\ϵ}}_m{\mathrm{\ϵ}}_s}{{\mathrm{\ϵ}}_m+{\mathrm{\ϵ}}_s}}---\left(1\right)$ 这里ε_s和ε_m分别为试样和金属的电介质常数的实部。入射光不可能直接耦合到光滑的表面上，由于在金属的情况ε_m为负值，光和SP的波矢量永远不可能相匹配。电子地光学地应用光栅或光学地应用耦合到金属表面的渐消失光波来激励SP。在应用Kretschmann结构中经常使用后一种方法，这种Kretschmann结构包括涂敷在高折射率棱镜(n_p～1.4-1.7)的一个表面上的薄金属膜组成。

穿过棱镜的光增加了动量，并从金属表面以角度θ完全反射，该角度θ大于在棱镜和试样之间的临界角度。光波矢量的分量k_ev平行于金属/电介质界面并以波长λ在金属表面入射，该分量k_ev表示为： $k_{\mathrm{sp}}~\frac{2\mathrm{\π}}{\mathrm{\λ}}\sqrt{{\mathrm{\ϵ}}_g}\sin \mathrm{\θ}---\left(2\right)$ 这里εg为棱镜的电介质常数。参数ε_m和ε_g通常固定，而ε_s是所感测的面积的电介质常数，它的值根据分析物的检测变化。在波矢量匹配的情况下，k_SP＝k_ev，光强烈地与SP反应，造成了光在金属/电介质界面的反射率较大地降低。这种情况的特征在于SPR，并可以应用不同的方法测量它，这些不同的方法包括以覆盖SPR角度的光的角度范围聚焦光束、扫描入射光的波长或这些方法的结合。

BIAcore公司的商用SPR系统基于Kretschmann结构，但其中将SPR金属膜设置在可更换的玻璃板上，借助于设置在玻璃棱镜和玻璃板之间的折射率匹配的凝胶该玻璃板与该玻璃棱镜在物理上分开。这种仪器较大并且昂贵，在本领域的技术人员已经作出了大量的努力以提供一种小而紧凑的SPR传感器。

US 5,629,774描述了测量在液体中的分析物的便携式SPR传感器。该传感器包括单色光源、用于反射光的对谐振敏感的表面等离子体振子器件和基于一种或更多种光电检测器并带有“开口”比如针孔的检测器。该“开口”确定了在SPR谐振最小的临界侧面上的特定的角度。在该试样中较小的变化在由光电检测器所监测的反射强度中产生较大的变化。与应用扫描机构或应用以覆盖SPR角度的光角度范围聚焦光束的系统相比，在US 5,629,774中所描述的系统的缺点与应用单检测器有关，这种单检测器要求该系统的更精确的对准。

在EP 0 797 090中，所有的透镜、感测层、光电检测器阵列和可选的光源都集成在相同的壳体中。这种结构的缺点是当更换感测层时必须更换所有的部件。

在EP 0 797 090中还描述了可选择的结构，其中透明的基座壳体和可分离的棱镜状光学壳体在折射率上匹配以避免光线的不希望的折射。这是通过在基座壳体和光学壳体之间采用折射率匹配的凝胶实现或在两壳体之间的交叉部分上在基座壳体中制造凹形部分和在光学壳体中制造互补的凸形部分实现。这两种选择对于实际应用的SPR传感器来说似乎都是很复杂的方案。

上述系统的缺点在于这些系统应用折射率匹配的凝胶。应用凝胶不方便，并且如果它与光学或生物化学/化学元件接触的话通常可能引起问题。

EP 0 805 347描述一种表面等离子体振子传感器，在这种表面等离子体振子传感器中支撑着表面等离子体振子的金属层设置在玻璃基片上。应用第一透射光栅将入射光束集中在该金属层上。通过第一透射光栅对该入射光束进行聚焦。所聚集的光束从该金属层反射并朝第二透射光栅传播。该第二透射光栅使所透射的光束朝检测器聚集。

在EP 0 805 347中所描述的传感器的缺点是入射光束在不同于垂直入射的角度下入射。

通常在已有技术中，SPR感测层、光源、反射和检测器设置在三维结构中，在该结构中与其它部件相比至少一个部件以接近于SPR角度(～50°-80°)的某一角度对准。这就意味着不能容易地实现传感器与所感测的面积的较大阵列的集成。可取的是实施横向集成，这要求平面的层状结构或彼此平行对准的平面结构。

因此，在已有技术中需要一种紧密的SPR传感器，这种SPR传感器包括带有感测面积的较大阵列的可分配的传感器芯片，并且在该传感器芯片和光学换能器之间不需要不严格的对准，以及不要求使用折射率匹配的凝胶。

本发明的一个目的是提供一种SPR传感器，该SPR传感器包括由平面传感器芯片单元(SCU)的横向集成阵列构成的传感器芯片。

本发明的进一步目的是提供一种SPR传感器，该SPR传感器包括由平面光学换能器单元的横向集成阵列构成的光学换能器。

本发明的进一步目的是提供一种SPR传感器，该SPR传感器包括两个可分离的单元：传感器单元和换能器单元。

本发明的进一步目的是提供一种在传感器单元和换能器单元之间要求不严格的对准的SPR传感器。

本发明的进一步目的是提供一种SPR传感器，在该SPR传感器中不需要应用折射率匹配的凝胶。

发明概述

在第一方面通过提供一种表面等离子体振子谐振传感器实现上述目的，该表面等离子体振子传感器包括第一单元和第二单元，所说的第一和第二单元是可分离的，并且其中所说的第一单元包括：

-第一壳体，

-适合于支撑表面等离子体振子的导电材料膜，所说的膜由第一壳体的第一外部表面部分支撑着，

-设置在该第一壳体的第二外部表面部分上以从第二单元接收光束的光学输入装置，

-设置在该第一壳体的第三外部表面部分上以将光束发送到第二单元的光学输出装置，

-第一组光学元件，该第一组光学元件适合于将从第一单元所接收的光束集中到该导电膜，

-第二组光学元件，该第二组光学元件适合于将来自导电膜的光束集中到该光学输出装置以将来自导电膜的光学光束传输到第二单元，

其中所说的第二单元包括：

-第二壳体，

-发射光束的装置，

-适合于调制所发射的光束的第一组光学元件，

-设置在第二壳体的第一外部表面上以将所调制的光束发射到第一单元的光学输出装置，

-设置在该第二壳体的第二外部表面部分上以从第一单元接收光束的光学输入装置，

-适合于检测从第一单元所接收的光束的检测装置，

-适合于将从第一单元所接收的光束集中到检测装置的第二组光学元件，

其中在光学输入和光学输出装置的位置上的光束的传播方向基本垂直于第一和第二壳体的外部表面部分以避免在所说的光束进入第一和第二单元时该光束的折射。

在本发明的本方面和下面的方面中基本垂直意味着入射角度可以在范围-10°-10°内，可取的是在范围-5°-5°内，更可取的是在范围-2°-2°内，最为可取的是在范围-0.5°-0.5°内。

该发射装置可以包括激光源，比如半导体激光二极管。光发射装置可以以基本单一的波长发射光。可替换的是，例如应用光发射二极管光发射装置可以以许多波长发射光。

第二单元的第一组光学元件可以包括对所发射的光束进行准直的装置。该准直装置包括透镜装置。

准直—如在此所述以及在下文所述的方面中—意味着所发射光束的角度束扩展可以小于10°，可取的小于5°，更可取的是小于2°，最为可取的是小于0.5°。

第二单元的第一组光学元件进一步包括对所发射光束进行偏振的装置。这种偏振装置可以是任何类型的偏振片、棱镜或电压控制型可变的阻滞器。

第一和第二单元的输入和输出装置可以包括抗反射涂层。

该检测装置可以包括光敏元件阵列，比如多光学检测器阵列、电荷耦合器件或互补金属氧化物半导体图像传感器。该传感器可以进一步包括光屏蔽部件。

第一单元的第一组光学元件可以包括衍射部件，比如衍射光栅或全息光栅。类似地，第一单元的第二组光学元件可以包括衍射部件，比如衍射光栅或全息光栅。该衍射部件可以由反射部件形成。该第二组光学元件还可以包括反射部件比如反射镜。

该导电膜可以包括金属膜，比如金膜、银膜、铝膜或钛膜。该导电膜可以由许多导电膜形成，所说的许多膜以横向延伸的模式设置。

为支持较长范围的表面等离子体振子谐振，在导电膜和第一壳体的第一外部表面部分之间可以设置电介质材料层。在这种情况下表面等离子体振子谐振传感器包括许多导电层，该传感器可以进一步包括设置在许多导电膜中的每个导电膜和第一壳体的第一外部表面部分之间的电介质材料层。

该表面等离子体振子谐振传感器可以进一步包括移动装置，该移动装置适合于彼此相对地移动第一和第二单元以相对于导电膜移动光束的焦点。可替换地或附加地，该表面等离子体振子谐振传感器可以包括适合于彼此相对地移动第一和第二单元以改变朝导电膜集中的光束的入射角度的移动装置。

该表面等离子体振子谐振传感器可以进一步包括两个或更多的表面等离子体振子谐振传感器，可取地是这些表面等离子体振子谐振传感器以横向延伸的模式设置。

在第二方面中，本发明涉及一种应用表面等离子体振子谐振传感器确定试样的生物化学/化学组合物的方法，所说的表面等离子体振子谐振传感器包括第一单元和第二单元，所说的第一和第二单元是可分离的，并且其中所说的第一单元包括：

-第一壳体，

-适合于支持表面等离子体振子的导电材料膜，所说的膜由第一壳体的第一外部表面部分支撑，

-设置在该第一壳体的第二外部表面部分上以从第二单元接收光束的光学输入装置，

-设置在该第一壳体的第三外部表面部分上以将光束发送到第二单元的光学输出装置，

-第一组光学元件，该第一组光学元件适合于将从第一单元所接收的光束集中到该导电膜，

-第二组光学元件，该第二组光学元件适合于将来自导电膜的光束集中到该光学输出装置以将来自导电膜的光学光束传输到第二单元，

其中所说的第二单元包括：

-第二壳体，

-发射光束的装置，

-适合于调制所发射的光束的第一组光学元件，

-设置在第二壳体的第一外部表面上以将所制备的光束发射到第一单元的光学输出装置，

-设置在该第二壳体的第二外部表面部分上以从第一单元接收光束的光学输入装置，

-适合于检测从第一单元所接收的光束的检测装置，

-适合于将从第一单元所接收的光束集中到检测装置的第二组光学元件，

其中在光学输入和光学输出装置的位置上的光束的传播方向基本垂直于第一和第二壳体的外部表面部分以避免在所说的光束进入第一和第二单元时该光束的折射。

在第三方面中，本发明涉及表面等离子体振子谐振传感器，该表面等离子体振子谐振传感器包括第一单元，所说的第一单元包括：

-第一壳体，

-适合于支撑表面等离子体振子的导电材料层，所说的层由第一壳体的第一外部表面部分支撑，

-设置在该第一壳体的第二外部表面部分上的光学输入装置，所说的光学输入装置适合于接收光束，

-设置在该第一壳体的第三外部表面部分上的光学输出装置，所说的光学输出装置适合于发射光束，

-第一光学衍射元件，该第一光学衍射元件适合于将所接收的光束朝该导电层集中，

-第二光学衍射元件，该第二光学衍射元件适合于将来自导电层的反射光束朝该光学输出装置集中，

其中在光学输入和光学输出装置的位置上的光束的传播方向基本垂直于第一壳体的外部表面部分以在光学输入和光学输出装置的位置上避免光束反射。

根据第三方面的表面等离子体振子谐振传感器可以进一步包括第二单元，所说的第二单元包括：

-第二壳体，

-发射光束的装置，

-适合于调制所发射的光束的第一组光学元件，

-设置在第二壳体的第一外部表面上的光学输出装置，所说的光学输出装置适合于将所调制的光束发射到第一单元，

-设置在该第二壳体的第二外部表面部分上的光学输入装置，所说的光学输入装置适合于从第一单元接收光束，

-适合于检测从第一单元所接收的光束的检测装置，

其中在光学输入和光学输出装置的位置上的光束的传播方向基本垂直于第二壳体的外部表面部分以在光学输入和光学输出装置的位置上避免光束反射。

该第二单元进一步包括适合于将从第一单元所接收的光束朝检测装置集中的光学元件。

该光发射装置可以包括如上文在本发明的第一方面中所描述的光源。第二单元的光学元件组可以包括如上文根据本发明的第一方面所描述的准直和/或偏振装置。

第一和第二单元的输入和输出装置可以涂有抗反射涂层。

如本发明第一方面一样，该检测装置可以包括光敏元件阵列，比如多光学检测器阵列、电荷耦合器件或互补金属氧化物半导体图像传感器。第一单元的第一和第二衍射光学元件可以包括光栅比如反射型全息光栅。

在第四方面中，本发明涉及表面等离子体振子谐振传感器，该表面等离子体振子谐振传感器包括：

-透明部件，

-适合于支撑表面等离子体振子的导电材料层，所说的层由该部件的外部表面部分支撑，

-第一光栅，该光栅由该部件的第一外部表面部分支撑并适合于将所接收的光束朝导电层集中，其中在第一光栅的位置上所接收光束的传播方向基本垂直于该部件的第一外部表面部分，以及其中所接收的光束是准直的，以及

-第二光栅，该光栅由该部件的第二外部表面部分支撑，并适合于从该导电层集接收光束并适合于将从该导电层所接收的光束进行再发射，其中在第二光栅的位置上所再发射的光束的传播方向基本垂直于该部件的第二外部表面部分，以及其中再发射的光束是准直的。

根据本发明第四方面的表面等离子体振子谐振传感器，进一步包括：

-发射光束的装置，

-适合于调制所发射的光束的一组光学元件，以及

-检测所再发射的光束的装置。

此外，根据本发明的第四方面的表面等离子体振子谐振传感器可以包括适合于将所再发射的光束朝该检测装置集中的光学元件。

该光发射装置可以包括如在本发明的第一方面中所描述的光源。第二单元的光学元件组可以包括准直和/或偏振装置。

该检测装置可以包括光敏元件阵列，比如多光电检测器阵列、电荷耦合器件或互补金属氧化物半导体图像传感器。

附图概述

附图1所示为基于Kretschman结构的常规的表面等离子体振子谐振传感器的示意图以及作为角度入射函数从表面等离子体振子感测面积反射的光的反射率的相应曲线。绘制了没有分析物响应的情况(实线)和分析物响应的情况(虚线)的曲线。

附图2所示为在本发明中的5种不同的结构(a-e)的传感器芯片单元(SCU)的横截面示意图。

附图3所示为在本发明的优选实施例中通过间隙间隔开的传感器芯片单元和相应的光学换能器单元的横截面示意图，该优选实施例基于基本单色光源并以包括SPR角度的角度范围耦合光。在a)中，所示为～60°的SPR角度的传感器芯片单元，在b)中，所示为～75°的SPR角度的传感器芯片单元。来自光源的光线为实线。

附图4所示为本发明的两个其他的实施例，每个实施例具有通过间隙间隔开的传感器芯片单元和相应的光学换能器单元。在附图4a)中的结构基于多色光源、固定的耦合角度并在能够测量光的光谱带的光学换能器单元中具有光栅。来自光源的光线以实线表示。在附图4b)中的结构基于单色光源并以包括SPR角度的角度范围耦合光。来自第一光源的光线为实线，来自第二光源的光线为虚线。

附图5所示为附图4(a)的本发明的实施例的示意顶视图，其包括a)传感器芯片单元和b)光学换能器单元。在c)和d)中分别示出了两个传感器芯片单元和两个光学换能器单元；而在(e)和(f)中分别示出了四个传感器芯片单元和四个光学换能器单元。

附图6所示为在本发明的第四实施例中通过间隙间隔开的传感器芯片单元和相应的光学换能器单元的横截面示意图，该优选实施例基于单色光源并以包括SPR角度的角度范围耦合光。在这种结构中，感测面积设置在传感器芯片单元的后部表面上。

附图7所示为如附图6中所示的本发明的实施例的示意顶视图，该实施例具有a)传感器芯片单元和b)相应的光学换能器单元。在c)和d)中分别示出了两个传感器芯片单元和两个光学换能器单元；而在(e)和(f)中分别示出了四个传感器芯片单元和四个光学换能器单元。

附图8所示为在本发明的一个实施例中通过间隙间隔开的传感器芯片单元和相应的光学换能器单元的横截面示意图，该实施例基于单色光源并以包括SPR角度的角度范围耦合光。在从SPR感测面积反射之后，光线在传感器芯片单元的后部表面和顶部表面上的两个平面镜之间多次反射。

附图9(a)所示为如在本发明中所使用的第p’个光栅元件的孔径为D、光栅距离为a_P和光栅角度为α_P的反射衍射光学元件(RDOE)的实例。附图9(b)所示为经准直的光线被反射到光线中并聚集到在在(a)中的RDOE的一侧上的聚焦。附图9(c)所示为RDOE的另一实例，其中经准直的光线反射到在RDOE的一侧上准直的光线中。

附图10(a)所示为如在本发明中所实施的第p’个光栅元件的孔径为D、光栅距离为a_p，、光栅角度为α_P和第二光栅角度β_p的RDOE结构的一种变型实例。附图10(b)所示为经准直的光线被反射到光线中并聚集到在在(a)中的RDOE的一侧上的聚焦。附图10(c)所示为RDOE的另一实例，其中经准直的光线反射到在RDOE的一侧上准直的光线中。

本发明的详细描述

附图1所示为SPR传感器的常规Kretschman结构，该SPR传感器由高折射率棱镜(2)、涂敷在该棱镜的一侧上的薄金属膜(1)和覆盖该金属膜的生物化学/化学感测薄膜面积(3)组成。通过应用透镜(4)，将准直的单色光经过棱镜(2)聚焦在该金属膜上。光束具有一定的宽度D，以从θ_min变化到θ_max的角度范围θ的范围入射在该金属膜上。另一透镜(5)使从金属膜反射的光束成像在检测器阵列(6)上。θ的范围与覆盖SPR的角度θ_SP相匹配，在光反射率最小时检测器阵列(6)确定该SPR的角度θ_SP。当周围的条件(7)变化时，层的厚度和/或生物化学/化学感测面积(3)的折射率也产生变化。如在附图1中示意地示出，这造成了SPR响应在θ_SP的位置位移而产生的变化，其中SPR实线移动到SPR虚线的位置。

本发明结合基于在单检测器阵列上对一角度区间范围或一波长范围进行成像的测量原理。在本发明中所有的部件在市场上都可购买到或应用本领域的制造技术可以制造。SPR传感器包括如下的组合：

1)由平面传感器芯片单元(SCU)的横向集成阵列所构造的可更换的传感器芯片，以及

2)由平面光学换能器单元(OTU)的横向集成阵列所构造的光学换能器。

在附图2(a-e)中示出了本发明的传感器芯片单元(SCU)的5种不同的结构。通过第一组光学元件(18a)，垂直于SCU的后部表面地进入SCU的经准直的光束朝设置在SCU的顶部表面并在一个或多个感测面(12)的下面SPR膜20集中。经过第二组光学元件(22a)，对从SPR金属膜反射的光束进行准直并垂直于SCU的后部表面地从SCU出来。

在附图2(a)中，第一组光学元件、SPR金属膜和第二组光学元件设置在SCU的顶部，而反射镜设置在SCU的后部表面上。在附图2(b)-(d)中，第一组光学元件和第二组光学元件都设置在SCU的顶部上，而SPR金属膜设置在SCU的后部。在附图2(e)中，第一组光学元件和第二组光学元件都设置在SCU的后部表面上，而SPR金属膜设置在SCU的顶部上。本发明包括了如下的结构：在这些结构中在SCU中传播的光束聚焦在如附图2(a)、(b)和(e)中的SPR金属膜上，或者在SCU中传播的光束聚焦在如在附图2(d)中所示的第一组光学元件和第二组光学元件之间，或者如附图2(c)所示对在SCU中传播的光束进行准直。对于在附图2(a-d)中所示的结构，第一和第二组光学元件都是镜类(抛物柱面镜)或反射衍射光学元件(RDOE)。对于在附图2(e)中所示的结构，第一和第二组光学元件都是透镜、微透镜阵列或透射衍射光学元件。

附图3所示为本发明的第一优选实施例，其中通过在两个单元之间形成间隙(13)的支撑框架(12)将在附图2(a)中所描述的SCU和光学换能器单元(OTU)(11)间隔开。

通过透镜或透镜系统(15)对来自安装在基面(31)上的单色光源(14)的光束进行准直并通过偏振器(16)进行偏振。该光束通过透明的分离平面(17)并垂直于SCU的后部表面地进入SCU(10)。光屏蔽(8)给检测器阵列屏蔽了来自光源(14)的杂散光并防止了在从光源(14)所反射的光和从检测器(23)的表面所反射的光之间的干涉。在SCU内部，光束从反射衍射光学元件(RDOE)(18a)反射，该反射衍射光学元件将光束转换为柱面聚焦光束。通过设置在SCU的后部表面的上的平面反射镜(19)，随后该光束被反射并聚焦在顶部的一个或多个感测面(21)之下的在SPR金属膜(20)上的线上。所聚焦的光束包括覆盖SPR角度的角度范围。在从SPR金属膜(20)反射之后，该光束从平面镜(19)反射。经过第二RDOE(22a)之后它再次转换为准直的光束，并垂直与SCU的后部表面地从SCU中出来，并垂直于透明的分离平面(17)再次进入OTU。安装在基面上的平面镜(24)与安装在透明分离平面上的平面镜(25)相结合，并对在检测器阵列(23)上的准直的光束进行成像。可替换的是，平面镜(24)和(25)都可以省略或由其它的光学装置比如透镜系统替换它们。

通常，在SCU(10)和OTU(11)之间的间隙填以大气，由于SCU基片材料的折射率为～1.6，因此总的反射的内部临界角度θ～39°。这个角度低于θ_SP，因此在后部表面上的平面镜可以是简单地自然反射来自空气/基片界面的光束。在将传感器浸在水中的应用中，水填充了该间隙，θ_c接近θ_SP，在SCU的后部表面上需要金属镜。

在传感器芯片和光学换能器之间的光学互连基于垂直于在光学换能器、间隙和传感器芯片之间的平面界面传播的准直的光束。因此在通过平面界面时该光束的方向并不改变。结果，SCU和OTU的垂直对准并不严格，传感器的操作对该间隙的折射率的幅值不敏感，因此不需要折射率匹配的凝胶。

此外，通过应用集成在传感器芯片上的聚焦和准直的光学件和包括足够大的角度范围的大光束直径的组合确保了在水平方向的不严格的对准。在空气/塑料或空气/玻璃的情况界面的部分反射为～4％，通过在平面界面上并入抗反射涂层将这种部分反射降低了0.5％。可能的抗反射涂层材料有MgF₂和AlgF₃*MgF₂。

如附图3的两种SCU结构所示，其中在a)中SPR角度为～60°，而在b)中SPR角度为～75°，对于系统的光学换能器可以应用具有不同的SPR角度的传感器芯片。平面传感器芯片单元和平面光学换能器单元的横向集成形成了在相同的传感器芯片上集成了许多感测面(21)的装置。每个感测面(21)通常包括具有专门响应特定的分析物的固定分子识别元件(MRE)的聚合物膜片。聚合物膜片阵列的制造方法包括喷墨打印技术和微机械加工的微分配器。

在附图3中所示的结构中，平面镜(24)和(25)为平面，辐射在检测器上的光束的宽度将保持不变。由于在这种情况下的入射角度大于0°，通常在20°和45°之间，光束所照亮的在检测器阵列上的面积大于光束的横截面面积。增加了SPR测量的分辨率，但与没有平面镜(24)和(25)并且在检测器阵列上光束以0°角度入射辐射的结构相比，检测器阵列的响应将降低了。由于来自光源的强度可以足够大，因此在应用部分们的结构中检测器阵列的响应的降低并不认为是一个重要的问题。

通过如下的方式可以进一步改善检测器阵列的分辨率：通过一系统更换一个或两个平面镜(24)和(25)，该系统包括至少一个凸镜、凸透镜或衍射光学元件，这些光学元件具有使经过分隔面(17)的光束散射并增加由光束照亮的检测器阵列上的面积的功能。

光源可以是激光二极管，包括表面发射激光二极管、光发射二极管(LED)或任何其它的单色光源。实例由Hitachi的发射700nm光的HI-L520RNC光发射二极管、Toshiba的发射670nm光的TOLD922MInGaAIP多倍量子井激光二极管、Mitsubishi的发射780nm光的ML40123N AIGaAs多倍量子井激光二极管或Honeywell的发射850nm光的GaAs垂直腔表面发射激光二极管SV2637-001。该透镜(15)为非球面透镜或透镜系统，这种透镜系统能够对从光源(14)发射的光束进行准直。该透镜由光束的透明材料比如玻璃或塑料制成。偏振器可以是具有固定的偏振方向的无源光学部件或电压控制的可变延迟器包括例如液晶或LiNbO₃晶体。激光二极管所发射的光通常具有较好的确定的偏振，但LED发射的光通常不是很好，在SPR响应中应用偏振器来使清晰度最佳。

通过传感器的尺寸和所需的分辨率确定检测器阵列(23)。它可以包括许多光电二极管阵列(例如，具有128像素阵列的HamamatsuS3921-128Q，F)、电荷耦合器件阵列(例如具有795×596像素阵列的SONY ICX059CL)或互补金属氧化物半导体图像传感器(例如Vision VV5404型集成356×292像素的单色CMOS图像传感器)。

附图4所示为本发明的其它的两个实施例，在每个实施例中通过间隙将SCU和相应的OTU间隔开。在附图4(a)的本发明的第二实施例中包括在附图2(c)中所描述的SCU，但还包括设置在SCU的后部表面上的附加反射镜和OTU，其中光源(14)是白光源(例如，NichiaChemical Industries，Ltd生产的白色LED灯)。通过衍射光栅或全息光栅已经替换了根据本发明的第一实施例的平面镜(25)。SPR角度保持恒定，检测器阵列(23)测量与光和SP匹配的波矢量对应的光的波长。光栅(25)使该光衍射并使该光成像在与该光的波长相应的检测器阵列的不同的像素上。现在将RDOE(18a)和(22a)设计成具有取决于偏转角的最小波长，因此它们将准直的光束反射到在传感器芯片单元内的准直的光束中。

附图4(b)所示为本发明的第三实施例。本发明的第三实施例包括与本发明的第一实施例(参见附图3)相同的部件，但省去了平面镜(24)和(25)，第三实施例进一步包括安装在基面(31)上的辐射第二光束的第二单色光源(26)。该第二光束通过第二透镜或第二透镜系统(27)准直，并通过第二偏振器(28)进行偏振，并通过透明间隔平面(17)，垂直于SCU的后部表面地进入SCU(10)。可替换地，第一和第二光束来自相同的单色光源，并且透镜系统设计成能够产生包括第一光束和第二光束两种光束的准直光束。

在SCU内部，光束从将第二光束转换为柱面聚焦的第二光束的第三RDOE(18b)反射。通过平面镜(19)，第二光束反射并聚焦在一个或多个感测面(30)之下的SPR金属膜(20)上的线上。所聚焦的第二光束包括覆盖SPR角度的角度范围。

在从SPR金属膜(20)反射之后，第二光束从平面镜(19)反射并经过第四RDOE(22b)，将它转换为准直的第二光束，该光束垂直于该SCU的后部表面地射出。该第二光束进一步垂直于透明的分隔面(17)地再次进入OTU(17)，该光束在检测器阵列(23)上成像。

附图5所示为如附图4(b)中所示的SCU和OTU的SPR传感器的结构。在附图(a)中所示为一个SCU的顶部示意图，该SCU带有四个感测元件(21a)、(21b)、(30a)和(30b)、金属膜(20)和RDOE(18a)、(18b)、22(a)和22(b)。

附图5(b)所示为相应的OTU的顶视图，该OTU包括透明的分隔面(17)、检测器阵列(23)、包括光源的部件(33)、透镜系统和偏振器。附图5(c)和5(d)所示为传感器结构，该传感器包括两个SCU和相应的OTU的阵列，附图5(e)和5(f)所示为包括四个SCU和相应的OTU的传感器结构。

应用SCU和OTU构造传感器的原理可以扩展到N个单元，该N为所需大小的整数。该SCU和OTU可以以与RDOE平行的方向(在附图5中从上朝下的方向)设置成阵列，或者在这个方向上延伸每个部件的空间尺寸。可替换地，该传感器可以是在垂直于RDOE的方向上(在附图5中自左往右的方向)延伸组合SCU和OTU。当操作传感器时，传感器芯片应该安装在光学换能器的顶部。包括通常溶解在水中的待分析物的试样淀积在感测面的顶部。这可以通过应用分配器或将感测面设置在流注单元中来实现。

在附图6中示出了本发明的第四实施例，在该实施例中RDOE(18)和(22)设置在SCU(10)的顶部侧表面上，而SPR感测层(21)设置在SCU(10)的后部表面上。SCU表示在附图2(b)中，在附图6中的OTU与在附图4中的OTU除了在两个结构中的部件之间的距离和部件的空间尺寸不同以外其余都相同。

在附图6中所示的本发明的优选实施例中，通过透镜或透镜系统(15)对来自安装在基面(31)上的单色光源(14)的光束进行准直，并通过偏振器(16)进行偏振，然后该光束通过透明分隔面(17)并垂直于SUC的后部表面地进入该SCU(10)。此外，光屏蔽(18)屏蔽检测器阵列不受来自光源(14)的杂散光照射并防止在从光源(14)发射的光和从检测器阵列(23)的表面所反射光束之间的干涉。在SCU内部，光束从将第二光束转换为柱面聚焦的第二光束的第三RDOE(18b)反射，该光束聚焦在包括一个或多个感测面(21)的SPR金属膜(20)上的线上。该SPR金属膜设置在SCU后部表面上。所聚焦的光束包括覆盖SPR角度的角度范围。在从SPR金属膜(20)反射之后，通过第二RDOE(22)将该光束转换为准直的光束。该光束垂直于该SCU的后部表面地射出，并垂直于透明的分隔面(17)地再次进入OTU。安装在基面上的平面镜(24)与安装在分隔面的中心的平面镜(25)相结合，以将准直的光束成像在检测器阵列(23)上。平面镜(24)和(25)中的一个可以由具有将通过分隔面(17)的光束分散并增加在由该光束所照亮的检测器阵列上的面积的功能的RDOE或凸镜替换。

附图7所示为由如附图6中所示的SCU和OTU所构造的SPR传感器的结构。附图7(a)所示为一个SCU的顶视图，该SCU具有两个感测面(21a)和(21b)、金属膜(20)和RDOE(18)和(22)。附图7(b)所示为包括透明的分隔面(17)、平面镜(24)和(25)、检测器阵列(23)、包括光源的部件(33)、透镜系统和偏振器的相应的OTU的顶视图。附图7(c)和7(d)所示为包括两个SCU和相应的OTU的阵列的传感器结构，附图7(e)和7(f)所示为包括四个SCU和相应的OTU的传感器结构。应用SCU和OTU构造传感器的原理可以扩展到N个单元，其中N为所需大小的整数。该SCU和OTU可以设置在与RDOE平行的方向(附图7中从上朝下的方向)对齐的阵列中，或者通过在这个方向上扩展每个部件的空间尺寸地设置。可替换地，该传感器可以是在垂直于RDOE的方向上(在附图5中自左往右的方向)延伸组合SCU和OTU。当操作传感器时，传感器芯片应该安装在光学换能器的顶部。包括通常溶解在水中的待分析物的特定量的试样淀积在感测面的顶部。这可以通过应用分配器或安装在SCU阵列和OTU阵列之间的间隙中的流槽来实现。

在附图8中示出了本发明的第五实施例，该实施例包括在附图4中描述的OTU和SCU中的相同部件，但第一光源和第二光源现在以相对感测层对称地设置。此外，SCU包括设置在顶部侧表面上的平面镜(40)，而OTU包括平面镜(24)、(25)和(29)，平面镜(24)、(25)和(29)使第一光束和第二光束朝检测器阵列(23)集中。通过透镜或透镜系统(15)对来自安装在基面(31)上的单色光源(14)的光束进行准直，并通过偏振器(16)进行偏振，然后该光束通过透明分隔面(17)并垂直于SUC的后部表面地进入该SCU(10)。此外，光屏蔽(18)屏蔽检测器阵列不受来自光源(14)的杂散光照射并防止在从光源(14)发射的光和从检测器阵列(23)的表面所反射光束之间的干涉。在SCU内部，光束从将该光束转换成柱面聚焦的光束的RDOE(18a)反射。通过设置在SCU的后部表面上的平面镜(18a)，该光束被反射并聚焦在一个或多个感测面(21)之下的SPR金属膜(20)上的线上。所聚焦的光束包括覆盖SPR角度的角度范围。在从SPR金属膜(20)反射之后，该光束进一步从设置在SCU的顶部上的平面镜(19)或平面镜(40)交替地反射三次或更多次。通过第二RDOE(22a)再次将该光束转换为准直的光束，该光束垂直于该SCU的后部表面地射出，并垂直于透明的分隔面(17)地再次进入OTU。安装在基面上的平面镜(24)与安装在分隔面的中心的平面镜(25)相结合，以将准直的光束成像在检测器阵列(23)上。

附图8所示的本发明的第五实施例进一步包括安装在基面(31)上的第二单色光源(26)，该第二单色光源(26)辐射第二光束，通过第二透镜或透镜系统(27)对该第二光束进行准直，并通过第二偏振器(28)进行偏振，然后该第二光束通过透明分隔面(17)并垂直于SUC的后部表面地进入该SCU(10)。第二光屏蔽(9)屏蔽检测器阵列不受来自光源(26)的杂散光照射并防止在从光源(26)发射的光和从检测器阵列(23)的表面所反射的光之间的干涉。

在SCU内部，该第二光束从将第二光束转换为柱面聚焦的第二光束的第三RDOE(22b)反射。通过平面镜(19)，该光束反射并聚焦在一个或多个感测面(21)之下的SPR金属膜(20)上的线上。所聚焦的光束包括覆盖SPR角度的角度范围。

在从SPR金属膜(20)反射之后，该第二光束进一步从设置在SCU的顶部上的平面镜(19)或平面镜(40)交替地反射三次或更多次。通过第四RDOE(18b)，再次将它转换为准直的光束，该光束垂直于该SCU的后部表面地射出，并垂直于透明的分隔面(17)地再次进入OTU(11)。安装在基面上的第二平面镜(29)与平面镜(25)相结合以将准直的光束成像在检测器阵列(23)上。在本发明的变型实施例中，平面镜(24)和(29)中的一个或两个或平面镜(25)都可以由包括至少一个凸镜、凸透镜或衍射光学元件的系统替换。结果，通过分离面(17)的光束分散，使由光束照亮的在检测器阵列上的面积增加。关于如附图8所示的本发明的第五实施例，以在附图4(b)和5中所示的本发明的实施例类似的方式由SCU和OTU构造传感器芯片和光学换能器。

在从SCU射出之前，在附图8所示的结构中的光束比在附图4(b)所示的结构中的光束在更多的表面上反射并经过更长的路径。由于在附图8中进入传感器芯片的光束在辐射到SPR膜上之前反射两次以及在被SPR膜反射之后反射四次，因此该光束的宽度增大2倍。对于检测器阵列的相同的像素尺寸，更大的光束直径辐射意味着在检测器阵列上可以获得更好的分辨率，但是需要更大的SCU和OTU。延伸了在感测面(21)和(30)之间的区域的长度，由此在平面镜(19)和(40)之间形成了更多次的反射，根据W＝(k+1)W₀/2，在SCU出口处的光束的宽度W将增加。在该表达式中W₀为进入SCU的光束的宽度，k光束从平面镜(19)和(40)反射的次数。该反射次数是从在SPR金属膜的反射之后并在从RDOE反射之前的第一次反射开始计数，对于第一光束该RDOE为(22b)，而对于第二光束该RDOE是(18b)。对于在附图4(b)中的结构，k＝1和W＝W₀，而在附图8所示的结构，k＝3和W＝2W₀。

附图9(a)和(b)所示为在本发明中所使用的具有两种操作模式的RDOE的实例。在模式1(参见在附图3(a)中的(18a))中，RDOE以包括SPR角度(θ_SP)的角度范围反射准直的并垂直地入射的光束。在模式2(参见在附图3(a)中的(22a))中，RDOE反射从SPR金属膜散射的光束并将它转换为准直的光束，该准直的光束垂直于SCU的后部表面地从SCU中辐射出。

在附图9(a)示出了RDOE的尺寸，其中D为孔径，a_p为光栅距离，α_p为第p个光栅元件的光栅角度。附图9(b)所示为在模式1的情况下入射光线到聚集到聚焦的光线的相应的变换。在模式2的情况下的RDOE的设计是在附图9(a)中所示的设计在平行于入射面并设置在焦点上的平面中的镜像。附图9(c)所示为在附图4(a)中描述的本发明的实施例中所使用的RDOE的另一种设计，其中准直的光线反射到在RDOE的一侧上准直的光线中。

附图10(a)，(b)和(c)所示为RDOE的一种变型设计实例，其中D为孔径，a_p为光栅距离，α_p＝θ/2为第p’个光栅元件的光栅角度，以及β_p＝90°-θ是第二光栅角度。这个光栅的功能与在附图9中的光栅的功能相同，但该结构使用第二光栅角度而不是垂直的光栅壁。

在对光波长透明的材料制成RDOE中可以应用不同的处理技术，对光透明的材料比如聚合物(例如：聚碳酸酯、聚苯乙烯、聚醚酰亚胺、聚氨酯树脂)、玻璃(例如：SF2、SF5、SF11或兰宝石)或硅以及将它们与金属蒸发或溅射相结合。通常具有双折射，但通过偏振器可以将光束的偏振调谐到与表面等离子体振子的TM模式相匹配。可能的处理技术包括一级灰度调光刻法、金刚石加工法、光刻二元光学、e-束写、激光微机械蚀刻以及在光致抗蚀剂中模拟或数字全息写入。这些处理技术都可以直接用于处理该传感器芯片或在制造该传感器芯片的模具的过程中。

在RDOE的顶部上金属膜可以是金、银、铝、钛等。通常形成大约200纳米厚的(或更厚的)金属层以提供足够的反射率，超过100纳米厚的金属膜通常不支持SP波。

SPR金属膜厚度通常为～50纳米。金或银可以用于波长为400-1000纳米的波长范围。在红外线中，还可以使用比如铝、铜和钛等材料。SPR金属膜和RDOE金属膜的厚度和成分不同。在金属蒸发或溅射的过程中应用掩模技术(例如，金属掩模或光刻掩模)可以制造这些膜。

在附图9(b)和10(b)中，分别示出了耦合到SP的光的角度范围从θ_min变化到θ_max。第p’个光栅元件的相应的光栅角度是α_p＝θ/2，这里p＝0是第一元件，而p＝N是在该光栅中的最后一个元件。假设光栅的周期远大于光的波长，则基于衍射条件从下式中估计光栅的周期以使从每p个光栅元件中衍射的光线干涉： ${\mathrm{\α}}_p=\frac{\mathrm{m\λ}}{n_g{L}_p}2h\[1+{\left(\frac{L_p}{2h}\right)}^2{\]}^{1/2}---\left(3\right)$ 这里λ是光的波长，m是衍射级。Lp和2h分别是在光栅的焦点和第p’个光栅元件的位置之间的水平和垂直的距离(参见附图9(b)和10(b))。

作为实例，假设光束的宽度w＝2毫米，L_p＝0＝8毫米，以及L_p＝N＝6毫米，h＝2毫米，λ/n＝0.5微米，m＝10，则a₀＝5.6微米，a_N＝6.0微米。例如附图9所示的情况，光栅的深度d_p～3微米，而对于在附图10中的情况d_p～1.4微米。在本实例中，光栅周期a_p～6微米远大于光的波长/n_g～0.5微米。还可以应用光栅周期相当或远小于光的波长的光栅。

在附图9(b)中对入射光束进行准直，RDOE的每个衍射元件将该光成像在相同的焦点上。如果D比w足够宽，传感器芯片相对于光学换能器的横向移位造成耦合到SP波的角度θ的变化。这实际上可以用于对如在附图2和6中所描述的本发明的实施例的θ粗调。通过手动或机动的测微计驱动可以实现横向移位(参见附图2和6)。这意味着可以应用SCU来覆盖较宽的SPR角度和较大的折射率的动态范围。作为以包括SPR角度的角度范围将光束聚焦在SPR金属膜上的变型，横向移位还可以应用于扫描在SPR金属膜上的光束的入射角度。在这种结构中，光束的w应该小于D的1/20。在一种变型结构中，RDOE可以设计成元件阵列，其中如附图9(b)所示的每个元件将以包括SPR角度的角度范围入射的准直的光束聚焦在SPR金属膜的焦点上。结果，传感器芯片相对于光学换能器的横向移位使入射在SPR金属膜上的焦点产生了相应的横向移动。应用这种方法，可以将感测面设置在二维阵列中。传感器芯片可以安装在转动盘上，而通过在光盘播放器中所使用的类型的马达可以实现这种横向移位(参见附图3和6)。

根据包括金属膜厚度的参数，由SPR所包括的角度范围通常具有在反射率对θ～1°-3°的角度频谱函数的半高宽。为了获得较窄的SPR信号，对于特定的传感器凭经验确定SPR金属膜的最佳厚度，它通常是在30-50纳米的范围中。通过金属的复电介质函数ε_m＝ε_mr+iε_mi确定它，这里根据Drude公式： ${\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{mr}}=1-\frac{{\mathrm{\λ}}^2{\mathrm{\λ}}_c^2}{{\mathrm{\λ}}_p^2({\mathrm{\λ}}_c^2-{\mathrm{\λ}}^2)};{\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{mi}}=\frac{{\mathrm{\λ}}^2{\mathrm{\λ}}_c^2}{{\mathrm{\λ}}_p^2({\mathrm{\λ}}_c^2-{\mathrm{\λ}}^2)};--\left(4\right)$ 这里ε_mr和iε_mi分别为电介质函数的实部和虚部，λ_p为等离子体振子的波长，λ_c为振动波长。

作为实例，应用金作为SPR金属膜，从式(4)中获得：ε_mr＝-20.7和ε_mi＝1.89。由于|ε_mi|＜＜|ε_mr|，可以应用下式计算θ_SP： $n_g\mathrm{sim}{\mathrm{\θ}}_{\mathrm{sp}}\≅{\[\frac{{\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{mr}}{n}_s^2}{{\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{mr}}+n_s^2}\]}^{1/2}---\left(5\right)$ 这里n_s是要测量的试样(即感测面)的折射率和n_g是传感器芯片的折射率。

作为实例假设感测面基于固定在n_s～1.46的聚合物膜的上MRE，该传感器芯片由高折射率塑料(n_g～1.66)制成，根据式(5)SPR角度成为θ_SP～68°。从式(5)中可以看出，θ_SP主要取决于传感器芯片材料和膜片的折射率。通常，θ_SP处于50°-80°的角度范围。θ_SP的值可以降低到在基片和应用几百个纳米厚的电介质中间层的感测面之间的总的反射的临界角度，该电介质中间层的折射率低于n_g并设置在该基片和金属层之间。与用于标准的(短范围)SP的10微米相比，该电介质层以更窄的Δθ但大致300微米的更宽的横向空间延伸产生了较大范围SP的激励。可能的中间层材料有MgF₂、CaF₂、BaF₂和Na₅Al₃F₁₄。

由于RDOE将光束聚焦在SPR金属层上的线上，可以照亮两个或更多的感测面。例如，如果光束宽度为1毫米，每个感测面的直径为200微米，间隔为50微米，通过一个光束照亮具有4个元件的感测面。感测面中的一个用作参考面，这个参考面响应由温度、压力、老化、分析物折射率、膜的膨胀以及在环境中的其它干扰所产生的不特定的变化。在SPR金属膜上的顶部上的其它的感测面可以基于固定在厚度为～0.3微米-1微米的膜上并淀积在SPR金属层的顶部上的MRE上。可能的膜化合物包括水凝胶例如多糖例如琼胶糖、葡聚糖、角叉藻聚糖、褐藻酸、淀粉、纤维素或衍生物比如羧甲基衍生物或有机聚合物比如聚(乙烯醇)、聚(氯乙烯)、聚丙烯酸、聚丙烯酰胺和聚乙二醇。

MRE例如为通过在亲脂性的聚合物膜中的憎氢力固定的或在聚合物膜中的共聚合的颜色离子载体(chromoionophore)和离子载体。离子载体用作特定的离子或自然的离化化合物(即分析物)的选择性识别元素。为了保持在聚合物膜状态中的电中性，通过离子载体的分析物的键接与引起颜色离子载体的吸收系数(Δα)产生变化的第二离子种类(通常为质子)的离子交换和共同萃取相联系。由Kramers-Kroning变换所给出的膜的折射率(Δn)的相应的变化通过在式(5)中的n_s使SPR信号产生变化。当操作波长比最大的位置Δα长大约100纳米时，在较小的Δα上可以实现较大的且对波长不敏感的Δn。接近于在Δα中的最大的操作产生了更灵敏的SPR响应，从该响应中可以确定Δα和Δn的两种信息。对于典型的颜色离子载体比如ETH5294，在波长范围为500至700纳米中产生Δα的最大值。然而适合的光的波长是670-850纳米，在这个范围中许多商用半导体激光器和光发射二极管都提供光发射。

其它可能的MRE是抗体/抗原，本SPR传感器可以用作基于抗体/抗原反应的无标识的免疫传感器以确定特定的分析物。通过共价键很容易将抗体固定在水凝胶中。BIAcore的生物传感器组使用固定在SPR传感器的金属膜上的羧甲基-葡聚糖水凝胶膜中的抗体以检测各种生物化合物。抗体/抗原反应的一种替代方案是应用分子印记技术，这里合成聚合物具有选择性的分析识别特性。这是由于功能组的预组织或自聚集定位引起的，该功能组在与分析物的功能组和形状互补的聚合物膜内产生识别点。第二种变型是应用可以与特定的分析物产生特定的且较高的亲和键的低聚核苷酸配合基。

本发明的另一应用是在DNA杂化分析中。应用例如光导向合成或高速机器人打印技术可以制造在传感器芯片上的较大的阵列的低聚核苷酸或源自cDNA库的探针。根据不同的应用，这些阵列可以由几十个探针到～10⁶个探针/cm²组成。

通常，通过应用荧光示踪并应用扫描共焦显微镜检测目标DNA的杂化模式执行该检测方案。根据本发明，通过监测每个感测面的SPR曲线的移动可以检测大量的感测面(在这种情况下为探针面积)的杂化反应。

Claims (49)

1.一种表面等离子体振子谐振传感器，包括第一单元和第二单元，所说的第一和第二单元是可分离的，并且其中所说的第一单元包括：

-第一壳体，

-适合于支撑表面等离子体振子的导电材料膜，所说的膜由第一壳体的第一外部表面部分保持着，

-设置在该第一壳体的第二外部表面部分上以从第二单元接收光束的光学输入装置，

-设置在该第一壳体的第三外部表面部分上以将光束发送到第二单元的光学输出装置，

-第一组光学元件，该第一组光学元件适合于将从第一单元所接收的光束集中到该导电膜，

-第二组光学元件，该第二组光学元件适合于将来自导电膜的光束集中到该光学输出装置以将来自导电膜的光学光束传输到第二单元，

其中所说的第二单元包括：

-第二壳体，

-发射光束的装置，

-适合于制备所发射的光束的第一组光学元件，

-设置在第二壳体的第一外部表面上以将所制备的光束发射到第一单元的光学输出装置，

-设置在该第二壳体的第二外部表面部分上以从第一单元接收光束的光学输入装置，

-适合于检测从第一单元所接收的光束的检测装置，

-适合于将从第一单元所接收的光束集中到检测装置的第二组光学元件，

其中在光学输入和光学输出装置的位置上的光束的传播方向基本垂直于第一和第二壳体的外部表面部分以避免在所说的光束进入第一和第二单元时该光束的折射。

2.根据权利要求1所述的表面等离子体振子谐振传感器，其中发射装置包括激光源，比如半导体激光二极管。

3.根据权利要求1所述的表面等离子体振子谐振传感器，其中发射装置包括发射基本单一波长的光的光源。

4.根据权利要求1所述的表面等离子体振子谐振传感器，其中发射装置包括发射许多波长的光的光源，比如光发射二极管。

5.根据前述任一权利要求所述的表面等离子体振子谐振传感器，其中第二单元的第一组光学元件包括对所发射的光束进行准直的装置。

6.根据权利要求5所述的表面等离子体振子谐振传感器，其中第二单元的第一组光学元件进一步包括对所发射的光束进行偏振的装置。

7.根据前述任一权利要求所述的表面等离子体振子谐振传感器，其中第一和第二单元的输入和输出装置包括抗反射涂层。

8.根据前述任一权利要求所述的表面等离子体振子谐振传感器，其中检测装置包括光敏元件阵列，比如多光电检测器阵列、电荷耦合器件或互补金属氧化物半导体图像传感器。

9.根据前述任一权利要求所述的表面等离子体振子谐振传感器，进一步包括光屏蔽部件。

10.根据前述任一权利要求所述的表面等离子体振子谐振传感器，其中第一单元的第一组光学元件包括衍射部件比如衍射光栅或全息光栅，所说的衍射部件适合于将经准直的光束转换为聚焦的光束。

11.根据前述任一权利要求所述的表面等离子体振子谐振传感器，其中第一单元的第二组光学元件包括衍射部件比如衍射光栅或全息光栅，所说的衍射部件适合于将发散的光束转换为准直的光束。

12.根据权利要求1-9中任一权利要求所述的表面等离子体振子谐振传感器，其中第一单元的第一组光学元件包括反射部件比如衍射光栅或全息光栅，所说的反射部件适合于将经准直的光束转换为聚焦的光束。

13.根据权利要求1-9中任一权利要求所述的表面等离子体振子谐振传感器，其中第一单元的第二组光学元件包括反射部件比如衍射光栅或全息光栅，所说的反射部件适合于将发散的光束转换为准直的光束。

14.根据权利要求1-9中任一权利要求所述的表面等离子体振子谐振传感器，其中第二组光学元件包括反射部件比如反射镜。

15.根据前述任一权利要求所述的表面等离子体振子谐振传感器，其中导电膜为金属膜，比如金膜、银膜、铝膜或钛膜。

16.根据权利要求15所述的表面等离子体振子谐振传感器，其中导电膜包括许多导电膜，所说的许多导电膜以横向延伸的模式设置。

17.根据权利要求1-15中任一权利要求所述的表面等离子体振子谐振传感器，进一步包括设置在导电膜和第一壳体的第一外部表面部分之间的电介质材料层。

18.根据权利要求16所述的表面等离子体振子谐振传感器，进一步包括设置在许多导电膜中的每个导电膜和第一壳体的第一外部表面部分之间的电介质材料层。

19.根据前述任一权利要求所述的表面等离子体振子谐振传感器，进一步包括移动装置，所说的移动装置适合于彼此相对地移动第一和第二单元以相对导电膜移动光束的焦点。

20.根据权利要求1-20中任一权利要求所述的表面等离子体振子谐振传感器，进一步包括移动装置，所说的移动装置适合于彼此相对地移动第一和第二单元以改变朝导电膜集中的光束的入射角度。

21.一种表面等离子体振子谐振传感器，包括两个或多个根据权利要求1-20中所述的表面等离子体振子谐振传感器的组合，所说的两个或多个表面等离子体振子谐振传感器的组合以横向延伸的模式设置。

22.一种应用表面等离子体振子谐振传感器确定试样的生物化学/化学组合物的方法，所说的表面等离子体振子谐振传感器包括第一单元和第二单元，所说的第一和第二单元是可分离的，其中所说的第一单元包括：

-第一壳体，

-适合于支撑表面等离子体振子的导电材料膜，所说的膜由第一壳体的第一外部表面部分支持，

-设置在该第一壳体的第二外部表面部分上以从第二单元接收光束的光学输入装置，

-设置在该第一壳体的第三外部表面部分上以将光束发送到第二单元的光学输出装置，

-第一组光学元件，该第一组光学元件适合于将从第一单元所接收的光束集中到该导电膜，

-第二组光学元件，该第二组光学元件适合于将来自导电膜的光束集中到该光学输出装置以将来自导电膜的光学光束传输到第二单元，

其中所说的第二单元包括：

-第二壳体，

-发射光束的装置，

-适合于调制所发射的光束的第一组光学元件，

-设置在第二壳体的第一外部表面上以将所调制的光束发射到第一单元的光学输出装置，

-设置在该第二壳体的第二外部表面部分上以从第一单元接收光束的光学输入装置，

-适合于检测从第一单元所接收的光束的检测装置，

-适合于将从第一单元所接收的光束集中到检测装置的第二组光学元件，

其中在光学输入和光学输出装置的位置上的光束的传播方向基本垂直于第一和第二壳体的外部表面部分以避免在所说的光束进入第一和第二单元时该光束的折射。

23.一种表面等离子体振子谐振传感器，包括第一单元，所说的第一单元包括：

-第一壳体，

-适合于支撑表面等离子体振子的导电材料层，所说的层由第一壳体的第一外部表面部分支持，

-设置在该第一壳体的第二外部表面部分上的光学输入装置，所说的光学输入装置适合于接收光束，

-设置在该第一壳体的第三外部表面部分上的光学输出装置，所说的光学输出装置适合于发射光束，

-第一光学衍射元件，该第一光学衍射元件适合于将所接收的光束朝该导电层集中，

-第二光学衍射元件，该第二光学衍射元件适合于将来自导电层的反射光束朝该光学输出装置集中，

其中在光学输入和光学输出装置的位置上的光束的传播方向基本垂直于第一壳体的外部表面部分以在光学输入和光学输出装置的位置上避免光束反射。

24.根据权利要求23所述的表面等离子体振子谐振传感器，进一步包括第二单元，所说的第二单元包括：

-第二壳体，

-发射光束的装置，

-适合于调制所发射的光束的第一组光学元件，

-设置在第二壳体的第一外部表面上的光学输出装置，所说的光学输出装置适合于将所调制的光束发射到第一单元，

-设置在该第二壳体的第二外部表面部分上的光学输入装置，所说的光学输入装置适合于从第一单元接收光束，

-适合于检测从第一单元所接收的光束的检测装置，

其中在光学输入和光学输出装置的位置上的光束的传播方向基本垂直于第二壳体的外部表面部分以在光学输入和光学输出装置的位置上避免光束反射。

25.根据权利要求24所述的表面等离子体振子谐振传感器，其中第二单元进一步包括适合于将从第一单元接收的光束朝检测装置集中的光学元件。

26.根据权利要求24-25中任一权利要求所述的表面等离子体振子谐振传感器，其中光发射装置包括激光源，比如半导体激光二极管。

27.根据权利要求24-26中任一权利要求所述的表面等离子体振子谐振传感器，其中光发射装置包括发射基本单一波长的光的光源。

28.根据权利要求24-25中任一权利要求所述的表面等离子体振子谐振传感器，其中光发射装置包括发射许多波长的光的光源，比如光发射二极管。

29.根据权利要求24-28中任一权利要求所述的表面等离子体振子谐振传感器，其中第二单元的光学元件组包括对所发射的光束进行准直的装置。

30.根据权利要求29所述的表面等离子体振子谐振传感器，其中第二单元的光学元件组进一步包括对所发射的光束进行偏振的装置。

31.根据权利要求23-30中任一权利要求所述的表面等离子体振子谐振传感器，其中第一和第二单元的输入和输出装置包括抗反射涂层。

32.根据权利要求24-31中任一权利要求所述的表面等离子体振子谐振传感器，其中检测装置包括光敏元件阵列，比如多光电检测器阵列、电荷耦合器件或互补金属氧化物半导体图像传感器。

33.根据权利要求23-32中任一权利要求所述的表面等离子体振子谐振传感器，其中第一单元的第一和第二衍射光学元件包括光栅比如反射全息光栅。

34.根据权利要求23-33中任一权利要求所述的表面等离子体振子谐振传感器，其中导电膜为金属膜，比如金膜、银膜、铝膜或钛膜。

35.根据权利要求34所述的表面等离子体振子谐振传感器，其中导电膜包括许多导电膜，所说的许多导电膜以横向延伸的模式设置。

36.根据权利要求23-35中任一权利要求所述的表面等离子体振子谐振传感器，进一步包括设置在导电膜和第一壳体的第一外部表面部分之间的电介质材料层。

37.根据权利要求35所述的表面等离子体振子谐振传感器，进一步包括设置在许多导电膜中的每个导电膜和第一壳体的第一外部表面部分之间的电介质材料层。

38.根据权利要求23-37中任一权利要求所述的表面等离子体振子谐振传感器，进一步包括移动装置，所说的移动装置适合于彼此相对地移动第一和第二单元以相对一种或多种导电膜移动光束的焦点。

39.根据权利要求23-37中任一权利要求所述的表面等离子体振子谐振传感器，进一步包括移动装置，所说的移动装置适合于彼此相对地移动第一和第二单元以改变朝一种或多种导电膜集中的光束的入射角度。

40.一种表面等离子体振子谐振传感器，包括：

-透明部件，

-适合于支撑表面等离子体振子的导电材料层，所说的层由该部件的外部表面部分支持，

-第一光栅，该光栅由该部件的第一外部表面部分支撑，并适合于将所接收的光束朝导电层集中，其中在第一光栅的位置上所接收光束的传播方向基本垂直于该部件的第一外部表面部分，以及其中所接收的光束是基本准直的，以及

-第二光栅，该光栅由该部件的第二外部表面部分支撑，并适合于从该导电层集接收光束并适合于将从该导电层所接收的光束进行再发射，其中在第二光栅的位置上所再发射的光束的传播方向基本垂直于该部件的第二外部表面部分，以及其中再发射的光束是基本准直的。

41.根据权利要求40所述的表面等离子体振子谐振传感器，进一步包括

-发射光束的装置，

-适合于调制所发射的光束的一组光学元件，以及

-检测所再发射的光束的装置。

42.根据权利要求41所述的表面等离子体振子谐振传感器，进一步包括适合于将再发射光束朝检测装置集中的光学元件。

43.根据权利要求41-42中任一权利要求所述的表面等离子体振子谐振传感器，其中光发射装置包括激光源，比如半导体激光二极管。

44.根据权利要求41-43中任一权利要求所述的表面等离子体振子谐振传感器，其中光发射装置包括发射基本单一波长的光的光源。

45.根据权利要求41-42中任一权利要求所述的表面等离子体振子谐振传感器，其中光发射装置包括发射许多波长的光的光源，比如光发射二极管。

46.根据权利要求41-45中任一权利要求所述的表面等离子体振子谐振传感器，其中光学元件组包括对所发射的光束进行准直的装置。

47.根据权利要求46所述的表面等离子体振子谐振传感器，其中第二单元的光学元件组进一步包括对所发射的光束进行偏振的装置。

48.根据权利要求41-47中任一权利要求所述的表面等离子体振子谐振传感器，其中检测装置包括光敏元件阵列，比如多光电检测器阵列、电荷耦合器件或互补金属氧化物半导体图像传感器。

49.根据权利要求40-48中任一权利要求所述的表面等离子体振子谐振传感器，其中导电膜为金属膜，比如金膜、银膜、铝膜或钛膜。

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