CZ291728B6 - Způsob vícekanálové detekce pro optické senzory s povrchovými plazmony a senzorový element k provádění tohoto způsobu - Google Patents

Abstract

Zp sob v cekan lov detekce v senzorech s povrchov²mi plazmony a spektr ln m vyhodnocov n m spo v v tom, e se povrchov plazmony (6) postupn excituj elektromagnetick²m z °en m (1) v r zn²ch prostorov²ch oblastech alespo jednoho senzorov ho elementu (12), p°i em v t chto oblastech se povrchov plazmony (6) excituj odliÜn²mi oblastmi vlnov²ch d lek spektra elektromagnetick ho z °en (1). Zp sob v cekan lov detekce v senzorech s povrchov²mi plazmony a spektr ln m vyhodnocov n m lze prov d t i paraleln v alespo dvou oblastech senzorov ho elementu (12) ve sm ru kolm m ke sm ru Ü °en elektromagnetick ho z °en (1) s vyu it m rozd ln²ch svazk i st svazk elektromagnetick ho z °en (1). Zdrojem elektromagnetick ho z °en (1) mohou b²t alespo dva zdroje emituj c monochromatick elektromagnetick z °en nebo zdroj b l ho sv tla. Vych zej c elektromagnetick z °en (1) se detekuje spektrografem i alespo dv ma detektory s rozd ln²mi spektr ln mi · innostmi. Senzorov² element (12) v cekan lov ho senzoru s povrchov²mi plazmony k prov d n zp sobu podle vyn lezu m tvar desti ky (13) s nerovnob n²mi protilehl²mi st nami s alespo jednou st nou pokrytou kovovou vrstvou (3) pro postupnou excitaci povrchov²ch plazmon (6) nebo tvar desti ky (14) s rovnob n²mi nebo nerovnob n²mi protilehl²mi st nami s alespo jednou st nou pokrytou kovovou vrstvou (3), p°i em kovov vrstva (3) je v alespo jedn oblasti pokryta alespo jednou p°ekryvovou vrstvou (11). Senzorov² element (12) m e b²t p° padn zkonstruov n jako integrovan -optick² vlnovod (15), jeho povrch je pokryt alespo v ednom ·seku kovovou vrstvou (3), p°i em kovov vrstva (3) je alespo v jedn oblas

Description

Způsob vícekanálové detekce pro optické senzory s povrchovými plazmony a senzorový element k provádění tohoto způsobu

Oblast techniky

Vynález se týká způsobu vícekanálové detekce v optických senzorech s povrchovými plazmony a senzorového elementu k provádění tohoto způsobu.

Dosavadní stav techniky

Senzory patří mezi moderní prostředky pro měření fyzikálních, chemických a biologických veličin. Moderní senzory využívají rozličných metod - elektrických, optických, mechanických apod. Jednou z optických metod užívaných v senzorech je metoda optické excitace povrchových plazmonů. Povrchové plazmony jsou elektromagnetické vlny, které lze za určitých okolností vybudit například na rozhraní mezi kovem a dielektrikem (H. Raether: Surface plazmons on smooth and rough surfaces and on gratings, Springer - Verlag, Berlin, 1988). Protože elektromagnetické pole povrchového plazmonů je soustředěno při rozhraní v dielektrickém prostředí, jsou povrchové plazmony velmi citlivé ke změnám optických parametrů dielektrického prostředí. V optických senzorech jsou povrchové plazmony buzeny elektromagnetickým zářením ve viditelné a infračervené oblasti spektra. Podmínka rezonanční vazby mezi elektromagnetickým zářením a povrchovými plazmony přitom závisí na indexu lomu dielektrika. Proto lze změny indexu lomu dielektrika určit pomocí monitorování parametrů interakce mezi optickou vlnou a povrchovými plazmony. Senzory s povrchovými plazmony mohou sloužit jako citlivé refraktometry. Senzory s povrchovými plazmony lze rovněž využít pro detekci chemických a biologických látek. Pro tento účel se senzory s povrchovými plazmony kombinují s vhodnými materiály, které interagují specificky s vybranou látkou (například protilátky, enzymy, DNA, atd.). Interakce mezi specifickou látkou upevněnou na povrchu senzoru a detekovanou látkou ve vzorku vede k lokálnímu zvýšení indexu lomu v blízkosti povrchu senzoru, které je detekováno pomocí opticky excitovaných povrchových plazmonů.

V současnosti existuje řada konfigurací, ve kterých je optická excitace povrchových plazmonů realizována. Tyto metody využívají hranolových (Sensors and Actuators, 4 (1983) 299 - 304; Electronics Letters, 23 (1988) 1469 - 1470) a mřížkových (Sensors and Actuators B, 8 (1992) 155 - 160) vazebních elementů či vláknových (Sensors and Actuators B, 12 (1993) 213 - 220; Analytical Chemistry, 66 (1994) 963 - 970) a integrovaně-optických vlnovodných struktur (Sensors and Actuators B, 22 (1994) 75 - 8 1). Největšího rozšíření dosáhly optické senzory s povrchovými plazmony využívající Kretschmannovu geometrii metody tlumeného totálního odrazu (H. Raether: Surface plazmons on smooth and rough surfaces and on gratings, Springer - Verlag, Berlin, 1988). V této konfiguraci prochází elektromagnetické záření optickým vazebním hranolem s tenkou kovovou vrstvou. Při úplném odrazu záření na rozhraní hranol kovová vrstva dochází k excitaci povrchového plazmonů na vnější hranici kovové vrstvy, která je provázena absorpcí energie elektromagnetického záření. Rezonanční podmínka, při které dochází k maximální absorpci dopadajícího záření, závisí na vlastnostech použitého hranolu a kovové vrstvy, vlnové délce, úhlu dopadu a především na indexu lomu prostředí přilehlého k vnější hranici kovové vrstvy. Změny indexu lomu přilehlého prostředí (vzorku) lze určit měřením rezonanční vlnové délky při pevném úhlu dopadu (Electronics Letters, 23 (1988) 1469 - 1470), rezonančního úhlu dopadu při pevné vlnové délce (Applied Optics. 27 (1988) 1160 - 1163), intenzity (Sensors and Actuators B, 11 (1993) 455 - 459) a fáze (Sensors and Actuators B, 35-36 (1996) 187 - 191) při pevném úhlu dopadu a vlnové délce.

Vícekanálové senzorové systémy jsou žádoucí pro současnou detekci více veličin a pro potlačení vlivu rušivých efektů (např. změny indexu lomu vzorku v důsledku teplotních změn) pro

- 1 CZ 291728 B6 přesnější a spolehlivější měření. V současnosti existuje několik způsobů vícekanálové detekce pomocí opticky excitovaných povrchových plazmonů (Sensors and Actuators B, 5 (1991) 79 84; Sensors and Actuators B, 51 (1998) 38 - 45; United States patent # 5, 822, 073 ; Sensors and Actuators B, 37 (1996) 145 - 150; Electronics Letters, 35 (1999) 1105- 1106; Analytical 5 Chemistry, 70 (1998) 703 - 706).

Vícekanálové senzory s povrchovými plazmony mohou být například realizovány jako struktury s paralelními senzorovými oblastmi (kanály), ve kterých jsou použity oddělené svazky či různé oblasti svazků elektromagnetického záření (Sensors and Actuators B, 5 (1991) 79 - 84; Sensors ío and Actuators B, 51 (1998) 38 - 45) a excitace povrchových plazmonů je vyvolána pomocí jediného vazebního elementu. Elektromagnetické záření excituje povrchové plazmony současně ve všech senzorových oblastech a odezvy jednotlivých senzorových oblastí jsou sledovány pomocí individuálních detektorů či oblastí detektorového pole (Sensors and Actuators B, 5 (1991) 79 - 84) či přepínáním signálů od jednotlivých senzorových oblastí na jediný detektor či 15 oblast detektorového pole (Sensors and Actuators B, 51 (1998) 38 - 45). Tato uspořádání se vyznačují vysokou komplexností optického systému a vysokou cenou. Zjednodušení optického systému senzoru lze dosáhnout tak, že elektromagnetické záření excituje povrchové plazmony současně v několika senzorových oblastech se vzájemně odlišnými konstantami šíření povrchových plazmonů. V takovém případě obsahuje spektrum odraženého svazku elektromagnetického 20 záření sérii absorpčních pásů odpovídajících excitaci povrchových plazmonů v různých oblastech povrchu senzoru (Electronics Letters, 35 (1999) 1105-1106). Měřením spektra vystupujícího elektromagnetického záření lze potom určit vývoj poloh jednotlivých absorpčních pásů a tím i odezvy všech senzorových oblastí současně. Nevýhodou tohoto uspořádání jsou vysoké nároky na kvalitu hranic jednotlivých oblastí povrchu senzoru a kontrast absorpčních pásů klesající 25 s počtem z oblastí s odlišnými konstantami šíření povrchových plazmonů. Další metoda vícekanálové detekce využívá speciálního senzorového elementu s mnohonásobným odrazem elektromagnetického záření uvnitř elementu (United States patent # 5,822,073). Do tohoto senzorového elementu je zavedeno širokopásmové elektromagnetické záření, které dopadá na stěny elementu v široké oblasti úhlů. Záření dopadající na stěny elementu pod různými úhly 30 dopadu je po průchodu senzorovým elementem rozděleno podle úhlu dopadu do několika svazků.

Provedením spektrální analýzy každého žních lze dosáhnout vícekanálové detekce (United States patent # 5,822,073). Další metoda vícekanálové detekce v senzorech s povrchovými plazmony (Analytical Chemistry, 70 (1998) 703 - 706) využívá hranolového vazebního elementu a uspořádání senzorových oblastí do matice, přičemž povrchové plazmony jsou excitovány 35 kolimovaným svazkem monochromatického záření, který je po průchodu vazebním členem detekován polem fotodetektorů. Z prostorového rozložení intenzity elektromagnetického záření se určují změny intenzity způsobené excitací povrchových plazmonů v jednotlivých senzorových oblastech. Nevýhodou tohoto způsobu je intenzitní povaha detekce, která se ve srovnání se senzorovými systémy založenými na určování rezonační vlnové délky a rezonančního úhlu 40 dopadu elektromagnetického záření vyznačuje nižším poměrem mezi signálem a šumem, což nepříznivě ovlivňuje rozlišení senzoru.

Podstata vynálezu

Předmětem vynálezu je způsob vícekanálové detekce v senzorech s povrchovými plazmony a spektrálním vyhodnocováním, jehož podstata spočívá v tom, že se povrchové plazmony postupně excitují elektromagnetickým zářením v různých prostorových oblastech alespoň jednoho senzorového elementu (sériové uspořádání senzorových oblastí), přičemž v těchto oblastech se 50 povrchové plazmony excitují odlišnými oblastmi vlnových délek spektra elektromagnetického záření.

Tato metoda vícekanálové detekce je tak principiálně odlišná od existujících metod vícekanálové detekce v senzorech s povrchovými plazmony, které využívají rozdílné svazky či části svazku

-2CZ 291728 B6 elektromagnetického záření pro excitaci povrchových plazmonů v různých senzorových oblastech (paralelní uspořádání senzorových oblastí).

Elektromagnetické záření se při provádění způsobu podle vy nálezu vyzařuje z alespoň dvou zdrojů emitujících monochromatické elektromagnetické záření nebo ze zdroje bílého světla.

Na výstupu se záření detekuje spektrografem či alespoň dvěma detektory s rozdílnými spektrálními účinnostmi.

Postupné excitace povrchových plazmonů různými oblastmi vlnových délek spektra elektromagnetického záření v různých oblastech senzorového elementu lze dosáhnout speciální konstrukcí senzorového elementu. Excitace povrchových plazmonů je provázena absorpcí elektromagnetického záření na vlnových délkách charakteristických pro jednotlivé senzorové oblasti. Spektrum elektromagnetického záření vystupujícího ze senzorového elementu proto obsahuje různé absorpční pásy odpovídající excitacím povrchových plazmonů v jednotlivých senzorových oblastech. Měřením spektra vystupujícího elektromagnetického záření lze potom určit vývoj poloh jednotlivých absorpčních pásů a tím i odezvy všech senzorový ch oblastí současně. Zajištění rozdílných rezonančních podmínek v různých senzorových oblastech lze dosáhnout: a) změnou rezonanční podmínky pro excitaci povrchové vlny s pomocí vrstev na povrchu kovové vrstvy, b) změnou velikosti momentu elektromagnetického záření excitujícího povrchový plazmon ve směru šíření povrchového plazmonů, nebo kombinací těchto dvou metod.

Metodu vícekanálové detekce v senzorech s povrchovými plazmony, používající pro dosažení rozdílných podmínek excitace povrchových plazmonů 6 v jednotlivých oblastech senzorového elementu 12 změn v úhlu dopadu elektromagnetického záření 1, lze realizovat dále popsaným způsobem. Elektromagnetické záření 1 obvykle ve viditelné či infračervené oblasti spektra se šíří optickým prostředím 2, jehož index lomu je vyšší než index lomu vzorku 7 a dopadá na aktivní plochu s tenkou kovovou vrstvou 3 v prvé senzorové oblasti 4 pod úhlem 5 dopadu a. Elektromagnetické záření 1 se odráží od rozhraní mezi optickým prostředím 2 a kovovou vrstvou 3 a excituje povrchový plazmon 6 na rozhraní kovové vrstvy 3 a vzorku 7. Excitace povrchového plazmonů 6 je provázena absorpcí energie elektromagnetického záření 1 v úzké oblasti spektra, jež je pro prvou senzorovou oblast 4 charakteristická. Po odrazu a případných dalších odrazech od jedné či více pomocných odrazných ploch 8 dopadá záření na aktivní plochu s kovovou vrstvou 3 v druhé senzorové oblasti 9 pod jiným úhlem 10 dopadu β, než v prvé senzorové oblasti 4. Protože rezonanční vlnová délka závisí na úhlu dopadu elektromagnetického záření 1, dochází v druhé senzorové oblasti 9 k excitaci povrchového plazmonů 6 jinou oblastí vlnových délek elektromagnetického záření 1, než v prvé senzorové oblasti 4. Vystupující elektromagnetické záření 1 vykazuje proto dva absorpční pásy. Jejich spektrální vzdálenost lze ovlivňovat změnou velikosti rozdílu mezi úhly (5 a 9) dopadu a a β.

Metodu vícekanálové detekce v senzorech s povrchovými plazmony používající pro dosažení rozdílných podmínek excitace povrchových plazmonů 6 v jednotlivých oblastech senzorového elementu 12 překryvových vrstev 11 na povrchu kovové vrstvy 3 lze realizovat následujícím způsobem. Elektromagnetické záření obvykle ve viditelné či infračervené oblasti spektra se šíří optickým prostředím 2, jehož index lomu je vyšší než index lomu vzorku 7 a dopadá na aktivní plochu s kovovou vrstvou 3 v prvé senzorové oblasti 4. Elektromagnetické záření 1 se odráží od rozhraní mezi optickým prostředím 2 a kovovou vrstvou 3 a excituje povrchový plazmon 6 na rozhraní kovové vrstvy 3 a vzorku 7. Excitace povrchového plazmonů 6 je provázena absorpcí energie elektromagnetického záření Iv úzké oblasti spektra, jež je pro prvou senzorovou oblast 4 charakteristická. Po odrazu a případných dalších odrazech od jedné či více pomocných odrazných ploch 8 dopadá záření na plochu v druhé senzorové oblasti 9, která kromě kovové vrstvy 3 obsahuje také překryvovou vrstvu 11. Přítomnost překryvové vrstvy 11 na povrchu kovové vrstvy 3 způsobuje, že excitace povrchového plazmonů 6 v druhé senzorové oblasti 9

-3CZ 291728 B6 nastává na jiné vlnové délce elektromagnetického záření 1 než odpovídá excitaci povrchového plazmonu 6 v prvé senzorové oblasti 4. Spektrum vystupujícího elektromagnetického záření 1 proto vykazuje dva absorpční pásy. Spektrální vzdálenost pozorovaných absorpčních pásů odpovídajících jednotlivým senzorovým oblastem (4 a 9) lze účinně ovlivňovat změnou tloušťky a indexu lomu překryvové vrstvy 1_L

Výše popsaný způsob vícekanálové detekce využívající postupné excitace plazmonů 6 v různých oblastech senzorového elementu 12 lze pro dosažení vyššího počtu senzorových kanálů kombinovat s paralelním uspořádáním senzorových oblastí, způsob podle vynálezu se pak provádí paralelně v alespoň dvou oblastech senzorového elementu ve směru kolmém ke směru šíření elektromagnetického záření 1 s využitím rozdílných svazků či částí svazků elektromagnetického záření 1.

Navržený způsob vícekanálové detekce lze realizovat s použitím speciálního senzorového elementu 12, v němž lze dosáhnout rozdílných rezonančních podmínek v různých senzorových oblastech: a) změnou rezonanční podmínky pro excitaci povrchového plazmonu 6 s pomocí překryvových vrstev 11 na povrchu kovové vrstvy 3, případně změnou jejích parametrů, b) změnou velikosti momentu elektromagnetického záření 1 excitujícího povrchový plazmon 6 ve směru šíření povrchového plazmonu 6, případně kombinací těchto dvou metod.

Speciální senzorový element 12 lze konstruovat jako objemově-optický, integrovaně-optický, nebo vláknově-optický.

Objemově optický senzorový element má tvar destičky 13 s nerovnoběžnými protilehlými stěnami s alespoň jednou stěnou pokrytou kovovou vrstvou 3 pro postupnou excitaci povrchových plazmonů 6, nebo tvar destičky 14 s rovnoběžnými nebo nerovnoběžnými protilehlými stěnami s alespoň jednou stěnou pokrytou kovovou vrstvou 3, přičemž kovová vrstva 3 je v alespoň jedné oblasti pokryta alespoň jednou překryvovou vrstvou Γ1.

Integrované optický senzorový element sestává z integrovaně-optického vlnovodu 15, jehož povrch je alespoň v jednom úseku pokryt kovovou vrstvou 3, přičemž kovová vrstva 3 je alespoň v jedné oblasti pokryta alespoň jednou překryvovou vrstvou 11.

Vláknově optický senzorový element sestává z optického vlákna 16, jehož povrch je alespoň v jednom úseku pokryt kovovou vrstvou 3, přičemž kovová vrstva 3 je alespoň v jedné oblasti pokryta alespoň jednou překryvovou vrstvou 11.

Senzorový element je zpravidla opatřen v alespoň jedné oblasti detekční vrstvou 17 pro detekci chemických či biologických látek.

Objemově-optické senzorové elementy umožňující způsob vícekanálové detekce podle vynálezu lze vyrobit tradičními metodami (řezání, broušení, leštění, atd.) ze skel, případně lisováním či litím polymerů. Integrovaně-optické senzorové elementy umožňující způsob vícekanálové detekce podle vynálezu lze vyrobit například vakuovým napařením dielektrických vrstev s vysokým indexem lomu na optické podložky či iontovou výměnou ve sklech speciálního složení. Tenké kovové vrstvy na kterých jsou povrchové plazmony excitovány (např. zlato, stříbro) a případné překryvové vrstvy (např. oxid titaničitý, oxid tantaličný, oxid ytritý), lze zhotovit metodami jako jsou vakuové naparování, naprašování, plasmová polymerace.

Způsob vícekanálové detekce v senzorech s povrchovými plazmony a spektrálním vyhodnocováním podle vynálezu umožňuje realizovat vícekanálovou detekci a potlačit tak rušivé vlivy pozadí (např. fluktuace teploty, tlaku) na přesnost a spolehlivost senzorových měření. V kombinaci s vhodnými materiály reagujícími specificky na přítomnost vybraných chemických a biologických látek, umožňuje způsob vícekanálové detekce podle vynálezu současnou detekci vybraných

-4CZ 291728 B6 látek v komplexních vzorcích v reálném čase a bez značkování detekovaných látek. Způsob vícekanálové detekce podle vynálezu umožňuje vícekanálovou detekci bez použití maticových detektorů (Sensors and Actuators B, 5 (1991) 79 - 84) či přepínání signálů z jednotlivých senzorových oblastí najeden detektor (Sensors and Actuators B, 51 (1998) 38 - 45). Narozdíl od 5 metody využívající paralelní detekce na senzorových površích s oblastmi s odlišnými konstantami šíření povrchových plazmonů (Electronics Letters, 35 (1999) 1105- 1106) je způsob vícekanálové detekce podle vynálezu výhodnější především proto, že neklade nároky na kvalitu hranic překryvových vrstev a poskytuje lepší kontrast absorpčních pásů analyzovaného elektromagnetického záření a tudíž lepší rozlišení. V porovnání s vícekanálovými senzory s povrchovými 10 plazmony s intenzitní detekcí (Analytical Chemistry, 70 (1998) 703 - 706), využívá způsob vícekanálové detekce podle vynálezu měření rezonanční vlnové délky záření, což umožňuje dosahovat lepšího poměru signál-šum a tím i vyššího rozlišení senzoru. Způsob vícekanálové detekce podle vynálezu má tedy, ve srovnání s dosud známými metodami řešení vícekanálového senzoru s povrchovými plazmony, výhodu ve vyšším rozlišení a nižší komplexnosti a tím i ceně 15 optického systému senzoru.

Přehled obrázků na výkresech

Vynález bude blíže osvětlen pomocí výkresů. Obr. 1. znázorňuje metodu vícekanálové detekce v senzorech s povrchovými plazmony používající pro dosažení rozdílných podmínek excitace povrchových plazmonů 6 v jednotlivých oblastech senzorového elementu 12 změn v úhlu dopadu elektromagnetického záření L Obr. 2 znázorňuje metodu vícekanálové detekce v senzorech s povrchovými plazmony používající pro dosažení rozdílných podmínek excitace povrchových 25 plazmonů 6 v jednotlivých oblastech senzorového elementu 12 překryvových vrstev 11 na povrchu kovové vrstvy 3. Obr. 3 znázorňuje provedení speciálního senzorového elementu 12 pro provedení metody dle vynálezu, založené na transparentní destičce 13 s nerovnoběžnými stěnami umožňující postupnou excitaci povrchových plazmonů 6 v jednotlivých oblastech senzorového elementu 12, elektromagnetickým zářením 1 na různých vlnových délkách. Obr. 4 znázorňuje 30 provedení speciálního senzorového elementu 12 pro provedení metody dle vynálezu, založené na transparentní destičce 14 s kovovou vrstvou 3 částečně pokrytou další překryvovou vrstvou 11, umožňující postupnou excitaci povrchových plazmonů 6 v jednotlivých oblastech senzorového elementu 12 elektromagnetickým zářením 1 na různých vlnových délkách. Obr. 5 znázorňuje provedení speciálního senzorového elementu 12 pro provedení metody dle vynálezu, založené na integrovaně-optickém vlnovodu 15 s kovovou vrstvou 3 částečně pokrytou další překryvovou vrstvou 11, umožňující postupnou excitaci povrchových plazmonů 6 v jednotlivých oblastech senzorového elementu 12 elektromagnetickým zářením 1 na různých vlnových délkách. Obr. 6 znázorňuje provedení speciálního senzorového elementu 12 pro provedení metody dle vynálezu, založené na optickém vlákně 16 s částečně odstraněným pláštěm a kovovou vrstvou 3 částečně 40 pokrytou další překryvovou vrstvou 11 umožňující postupnou excitaci povrchových plazmonů v jednotlivých oblastech senzorového elementu 12 elektromagnetickým zářením 1 na různých vlnových délkách.

Příklady provedení vynálezu

Příklad 1

Obr. 1 znázorňuje provedení metody vícekanálové detekce v senzorech s povrchovými plazmony používající pro dosažení rozdílných podmínek excitace povrchových plazmonů 6 v jednotlivých oblastech senzorového elementu změn v úhlu dopadu elektromagnetického záření L Elektromagnetické záření 1 se zavede do optického prostředí 2, jehož index lomu je vyšší než index

-5 CZ 291728 B6 lomu vzorku 7, a dopadá na kovovou vrstvu 3 v pnní senzorové oblasti 4 pod úhlem 5 dopadu a. Při odrazu elektromagnetického záření 1 na kovové vrstvě 3 se excituje povrchový plazmon 6 na rozhraní kovové vrstvy 3 a vzorku 7. Excitace povrchového plazmonu 6 je provázena absorpcí energie elektromagnetického záření 1 v úzké oblasti spektra, jež je pro senzorovou oblast 4 5 charakteristická. Po odrazu a případných dalších odrazech od jedné či více pomocných odrazných ploch 8 elektromagnetické záření 1 dopadá na kovovou vrstvu 3 v druhé senzorové oblasti 9 pod jiným úhlem 10 dopadu β, než úhel 5 dopadu a v prvé senzorové oblasti 4. Protože rezonanční vlnová délka závisí na úhlu dopadu elektromagnetického záření 1_, v první senzorové oblasti 4 se povrchový plazmon 6 excituje na rozhraní kovové vrstvy 3 a vzorku 2 jinou oblastí 10 vlnových délek elektromagnetického záření 1, než v druhé senzorové oblasti 9. Spektrum vystupujícího elektromagnetického záření 1 vykazuje proto dva absorpční pásy. Jejich spektrální vzdálenost lze ovlivňovat velikostí rozdílu úhlu 5 dopadu a a úhlu 10 dopadu β v senzorových oblastech 4 a 9.

Příklad 2

Obr. 2 znázorňuje provedení metody vícekanálové detekce v senzorech s povrchovými plazmony používající pro dosažení rozdílných podmínek excitace povrchových plazmonů 6 v jednotlivých 20 oblastech senzorového elementu překryvových vrstev 11 na povrchu kovové vrstvy 3. Elektromagnetické záření 1 se zavede do optického prostředí 2. jehož index lomu ie vyšší než index lomu vzorku 7, a dopadá na plochu s kovovou vrstvu 3 v první senzorové oblasti 4. Při odrazu elektromagnetického záření 1 na kovové vrstvě 3 se excituje povrchový plazmon 6 na rozhraní kovové vrstvy 3 a vzorku 7. Excitace povrchového plazmonu 6 je provázena absorpcí energie 25 elektromagnetického záření i v úzké oblasti spektra, jež je pro první senzorovou oblast 4 charakteristická. Po odrazu a případných dalších odrazech od jedné či více pomocných odrazných ploch 8 elektromagnetické záření 1 dopadá na kovovou vrstvu 3 v druhé senzorové oblasti 9, která kromě kovové vrstvy 3 obsahuje také překryvovou vrstvu 11. Přítomnost překryvové vrstvy 11 na povrchu kovové vrstvy 3 způsobuje, že v druhé senzorové oblasti 9 se 30 povrchový plazmon 6 excituje na jiné vlnové délce elektromagnetického záření 1 než odpovídá excitaci povrchového plazmonu 6 v prvé senzorové oblasti 4. Spektrum vystupujícího elektromagnetického záření 1 proto vykazuje dva absorpční pásy. Spektrální vzdálenost pozorovaných absorpčních pásů odpovídajících jednotlivým senzorovým oblastem 4 a 9 lze účinně ovlivňovat prostřednictvím tloušťky a indexu lomu překryvové vrstvy 1_1.

Příklad 3

Navržený způsob vícekanálové detekce lze realizovat s použitím speciálního senzorového 40 elementu 12. Speciální senzorový element 12 lze konstruovat jako transparentní destičku 13 s nerovnoběžnými stěnami z materiálu s vy šším indexem lomu než vzorku 7. Obr. 3. Elektromagnetické záření 1 vstupuje do senzorového elementu 12, dopadá na kovovou vrstvu 3 v prvé senzorové oblasti 4 pod úhlem 5 dopadu a a excituje povrchový plazmon 6 na vnější hranici kovové vrstvy 3. Excitace povrchového plazmonu 6 je provázena absorpcí energie elektro45 magnetického záření 1 v úzké oblasti spektra, jež je pro prvou senzorovou oblast 4 charakteristická. Elektromagnetické záření 1 se odráží od odrazné stěny 8 senzorového elementu, která není rovnoběžná s kovovou vrstvou 3, a dopadá na kovovou vrstvu 3 v druhé senzorové oblasti 9 pod úhlem 10 dopadu β, který je různý od úhlu 5 dopadu a v senzorové oblasti 4 (β Ψ a). Proto dochází v druhé senzorové oblasti 9 k excitaci povrchového plazmonu 6 jinou 50 oblastí vlnových délek elektromagnetického záření £ než v senzorové oblasti 4. Každý senzorový element 12 může obsahovat jednu či více odrazných stěn 8, přičemž kovová vrstva 3 může sloužit zároveň jako odrazná stěna 8. Senzorový element 12 může obsahovat dvě nebo více senzorových oblastí. Elektromagnetické záření 1 vystupující ze senzorového elementu 12

-6CZ 291728 B6 vykazuje absorpční pás pro každou senzorovou oblast. Jedna nebo více senzorových oblastí je opatřena detekční vrstvou 17 pro detekci chemických či biologických látek. Měřením spektra vystupujícího elektromagnetického záření 1 lze určit polohy jednotlivých absorpčních pásů a tím i odezvy všech senzorových oblastí současně.

Příklad 4

Navržený způsob vícekanálové detekce lze realizovat s použitím speciálního senzorového elementu 12. Speciální senzorový element 12 ze konstruovat jako transparentní destičku 14 s kovovou vrstvou 3 částečně pokrytou překryvovou vrstvou 11, obr. 4. Transparentní destička 14 má vyšší index lomu než vzorek 7. Elektromagnetické záření 1 vstupuje do senzorového elementu 12, dopadá na plochu s kovovou vrstvu 3 v první senzorové oblasti 4 a excituje povrchový plazmon 6 na vnější hranici kovové vrstvy 3. Excitace povrchového plazmonu 6 je provázena absorpcí energie elektromagnetického záření 1 v úzké oblasti spektra, jež je pro senzorovou oblast 4 charakteristická. Elektromagnetické záření 1 se odráží od odrazné stěny 8 senzorového elementu 12 a, dopadá na plochu senzorového elementu 12 v druhé senzorové oblasti 9, která kromě kovové vrstvy 3 obsahuje i překiyvovou vrstvu 11. Přítomnost překryvové vrstvy U na povrchu kovové vrstvy 3 způsobuje, že excitace povrchového plazmonu 6 v senzorové oblasti 9 nastává na jiné vlnové délce elektromagnetického záření 1 než odpovídá excitaci povrchového plazmonu 6 v senzorové oblasti 4. Každý senzorový element 12 může obsahovat jednu či více odrazných ploch 8, přičemž senzorová oblast s kovovou vrstvou 3 může sloužit zároveň jako odrazná plocha 8. Senzorový element 12 může obsahovat dvě nebo více senzorových oblastí. Elektromagnetické záření 1 vystupující ze senzorového elementu 12 vy kazuje absorpční pás pro každou senzorovou oblast. Jedna nebo více senzorových oblastí je opatřena detekční vrstvou 17 pro detekci chemických či biologických látek. Měřením spektra vy stupujícího elektromagnetického záření 1 lze určit polohy jednotlivých absorpčních pásů a tím i odezvy všech senzorových oblastí současně.

Příklad 5

Navržený způsob vícekanálové detekce lze realizovat s použitím speciálního senzorového elementu 12. Speciální senzorový element 12 lze konstruovat jako integrovaně-optický vlnovod 15, který je pokryt alespoň v jednom úseku kovovou vrstvou 3 a tato vrstva je částečně pokryta překryvovou vrstvou 11. Obr. 5. Elektromagnetické záření 1 je zavedeno do senzorového elementu 12 a v první senzorové oblasti 4 obsahující kovovou vrstvu 3 excituje na rozhraní kovové vrstvy 3 a vzorku 7 povrchový plazmon 6. Excitace povrchového plazmonu 6 je provázena absorpcí energie elektromagnetického záření 1 v úzké oblasti spektra, jež je pro prvou senzorovou oblast 4 charakteristická. Elektromagnetické záření 1 se poté dále šíří senzorovým elementem 12 do druhé senzorové oblasti 9, která kromě kovové vrstvy 3 obsahuje i překryvovou překryvovou vrstvu 11. Přítomnost překryvové vrstvy 11 na povrchu kovové vrstvy 3 způsobuje, že excitace povrchového plazmonu 6 v senzorové oblasti 9 nastává na jiné vlnové délce elektromagnetického záření 1 než odpovídá excitaci povrchového plazmonu 6 v senzorové oblasti 4. Každý senzorový element 12 může obsahovat dvě nebo více senzorových oblastí. Elektromagnetické záření 1 vystupující ze senzorového elementu 12 vykazuje absorpční pás charakteristický pro každou senzorovou oblast. Jedna nebo více senzorových oblastí je opatřena detekční vrstvou 17 pro detekci chemických či biologických látek. Měřením spektra vystupujícího elektromagnetického záření 1 lze určit polohy jednotlivých absorpčních pásů a tím i odezvy všech senzorových oblastí současně.

-7CZ 291728 B6

Příklad 6

Navržený způsob vícekanálové detekce lze realizovat s použitím speciálního senzorového elementu 12. Speciální senzorový element 12 lze konstruovat jako vláknový vlnovod 16 s částečně odstraněným pláštěm, který je pokryt alespoň v jednom úseku kovovou vrstvou 3, jež je částečně pokryta překryvovou vrstvou 11. Obr. 6. Elektromagnetické záření 1 je zavedeno do senzorového elementu 12 a v prvé senzorové oblasti 4 obsahující kovovou vrstvu 3 excituje na rozhraní kovové vrstvy 3 a vzorku 7 povrchový plazmon 6. Excitace povrchového plazmonu 6 je provázena absorpcí energie elektromagnetického záření 1 v úzké oblasti spektra, jež je pro prvou senzorovou oblast 4 charakteristická. Elektromagnetické záření 1 se poté dále šíří senzorovým elementem 12 do druhé senzorové oblasti 9, která kromě kovové vrstvy 3 obsahuje i překryvovou vrstvu Η.. Přítomnost překryvové vrstvy 11 na povrchu kovové vrstvy 3 způsobuje, že excitace povrchového plazmonu 6 v druhé senzorové oblasti 9 nastává na jiné vlnové délce elektromagnetického záření 1 než odpovídá excitaci povrchového plazmonu 6 v prvé senzorové oblasti 4. Každý senzorový element 12 může obsahovat dvě nebo více senzorových oblastí. Elektromagnetické záření 1 vystupující ze senzorového elementu 12 vykazuje absorpční pás pro každou senzorovou oblast. Jedna nebo více senzorových oblastí je opatřena detekční vrstvou 17 pro detekci chemických či biologických látek. Měřením spektra vystupujícího elektromagnetického záření 1 lze potom určit polohy jednotlivých absorpčních pásů a tím i odezvy všech senzorových oblastí současně.

Průmyslová využitelnost

Navrhované řešení může být využito v mnoha oborech, jako je lékařství (stanovení přítomnosti a koncentrací důležitých látek), farmaceutický průmysl (vývoj a kontrola léčiv), potravinářství (kontrola jakosti potravin, detekce škodlivin), ochrana životního prostředí (monitorování znečištění vody a ovzduší), vojenství (detekce otravných látek).

Claims (9)

1. Způsob vícekanálové detekce v senzorech s povrchovými plazmony a spektrálním vyhodnocováním, vyznačující se tím, že se povrchové plazmony postupně excitují elektromagnetickým zářením v různých prostorových oblastech alespoň jednoho senzorového elementu, přičemž v těchto oblastech se povrchové plazmony excitují odlišnými oblastmi vlnových délek spektra elektromagnetického záření.

2. Způsob podle nároku 1, vyznačující se tím, že tento způsob se provádí paralelně v alespoň dvou oblastech senzorového elementu ve směru kolmém ke směru šíření elektromagnetického záření s využitím rozdílných svazků či částí svazků elektromagnetického záření.

3. Způsob podle nároku 1, vyznačující se tím, že se elektromagnetické záření vyzařuje z alespoň dvou zdrojů emitujících monochromatické elektromagnetické záření nebo ze zdroje bílého světla.

4. Způsob podle nároku 1, vyznačující se tím, že vystupující záření se detekuje spektrografem či alespoň dvěma detektory s rozdílnými spektrálními účinnostmi.

-8CZ 291728 B6

5. Senzorový element (12) vícekanálového senzoru s povrchovými plazmony k provádění způsobu podle nároku 1, vyznačující se tím, že má tvar destičky (13) s nerovnoběžnými protilehlými stěnami s alespoň jednou stěnou pokrytou kovovou vrstvou (3) pro postupnou excitaci povrchových plazmonů (6).

6. Senzorový element (12) vícekanálového senzoru s povrchovými plazmony k provádění způsobu podle nároku 1, vyznačující se tím, že má tvar destičky (14) s rovnoběžnými nebo nerovnoběžnými protilehlými stěnami s alespoň jednou stěnou pokrytou kovovou vrstvou (3), přičemž kovová vrstva (3) je v alespoň jedné oblasti pokryta alespoň jednou překryvovou vrstvou (11).

7. Senzorový element (12) vícekanálového senzoru s povrchovými plazmony k provádění způsobu podle nároku 1, vyznačující se tím, že sestává zintegrované-optického vlnovodu (15), jehož povrch je pokryt alespoň v jednom úseku kovovou vrstvou (3), přičemž kovová vrstva (3) je alespoň v jedné oblasti pokryta alespoň jednou překryvovou vrstvou (11).

8. Senzorový element (12) vícekanálového senzoru s povrchovými plazmony k provádění způsobu podle nároku 1, vyznačující se tím, že sestává z optického vlákna (16) jehož povrch je pokryt alespoň v jednom úseku kovovou vrstvou (3), přičemž kovová vrstva (3) je alespoň v jedné oblasti pokryta alespoň jednou překryvovou vrstvou (11).

9. Senzorový element (12) vícekanálového senzoru podle nároků 5 až 8, vyznačující s a tím, že je opatřen v alespoň jedné oblasti senzorového elementu (12) detekční vrstvou (17) pro detekci chemických či biologických látek.