TW539852B - Device and method for detecting surface plasma resonance by extrapolation interference - Google Patents

Description

經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 539852 A7 【發明領域】 本發明關於一種表面電漿波感測裝置和方法，特別是 關於運用外差干涉架構感測表面電漿波之裝置和方法。 【習知技藝說明】 傳統上經由一些免疫分析法（ELISA or RIA)檢測病原 體細菌或病毒至少需要三天，它必須經過清洗-反應·清洗 等步騾方可完成，如果利用光纖生物感測器，雖然可以大 幅度縮短檢驗時間，然而還需要標誌螢光物質方可執行， 而且在螢光偵測靈敏度方面有其限制，目前最新的方法是 利用表面電漿波共振方法（Surface plasma ; SPR)，可同時擁有快速檢驗而且不需使用螢光物標諸的 優點。表面電漿波（Surface Plasma Wave; SPW)是「在金 屬表面同步震盪的電磁波」，而表面電漿共振現象的發生 原理如第一圖所示，是藉由稜鏡或其他不同的光學耦合 (optical coupling)架構使入射的p偏極化光（tm……幻在平 行於金屬薄膜界面的方向之傳播常數、與表面電漿波的 傳播常數ksp相同，而滿足共振的條件·· kx=：kgSine = ksp, 其中 kg=[〇/c](s0)1/2，ksp=[©/c](w(Si+⑽ 射光頻率，而&分別為稜鏡、金屬膜和被測試介 質的介電常數。 此時，產生於金屬膜和附著在金屬膜上之介電質的界 面會產生表面電漿波並同時將入射光能量帶走，因此造成 反射光的強度下降。偵測如第二圖所示因為介電常數的改 變或折射率的改變所產生共振角度的平移、或固定雷射光 本紙,~

539852 A7 B7 入射角而量測反射光強度的變化，可求得如折射率改變等 物理量。以上兩種方法已廣泛地被採用於生物醫學或化學 物質的快速檢驗中，然而該種方法不論利用反射光強度的 變化或共振角發生位置之變化來偵測物理量’在靈敏度上 都有一定的限制。 【發明概要】 本發明則提供一種新的外差干涉表面電漿波感測裝置 及方法，採用雙頻率相互垂直（orth〇g〇nal)線偏極化雷射’ 例如日曼（Zeeman)雷射在金屬膜等界面上產生兩個表面電 漿波，利用量測產生表面電漿波之P偏極化反射波(ρι波 +P2波）的外差干涉信號的振幅大小及相位變化，取代傳統 上以量測共振角的位置或單一反射P波的強度變化等方 法（如第三圖），本發明裝置及方法偵測靈敏度可大幅提高 並可即時量測被測試分子間的交互作周，例如，結合 (association)、解離（dissociation)速率和濃度（concentration) 等功能，同時亦可發展成為化學及生物感知器（sensor)或 其他應用。 為對本發明目的、功效及構造特徵有更詳盡明確的 瞭解，茲舉本發明之較佳實施例並配合圖示說明如后： 【圖式簡單說明】 第一圖稜鏡表面電漿波產生說明圖 第二圖強度反射率R和入射角度0關係說明 第三圖稜鏡雙表面電漿波波）產生說明 第四圖表面電漿波稜鏡光學組件圖 (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 訂 ·· 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 本紙依人厌迥用T闫罔豕稞竿（; A4祝發〖、度^ 539852 A7 B7 __ 第五圖新型外差干涉式表面電漿波感測裝置及方法圖（I) 第六圖新型外差干涉式表面電漿波感測裝置及方法圖 (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) (II) 第七圖新型外差干涉式表面電漿波感測裝置及方法圖 (III) 第八圖多通道外差干涉表面電漿波感測系統 【較佳實施例詳細說明】 ♦ 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 請參見第四圖，表面電漿波稜鏡光學組件中之玻璃基 板（glass based j}late)(53)表面蒸鍵金（Au)或銀（Ag)等金屬 薄膜，厚度約50 nm，其中光折射率匹配溶液（index matching oil)(52)的目的在結合棱鏡（51)與玻璃基板（53)使 其折射率相同，金屬膜及其表面上鍍一層化學薄膜（54)並 和具有相同特性之分子結合產生交互作用。在反應器（58) 中而形成分子結合體（57)。表面電漿波因受到金屬薄膜表 面所附著分子結合體例如抗原抗體之結合體（57)而造成光 折射率的變化，而使得反射的Pi波和P2波所產生的外差 干涉信號的振幅及相位改變，再利用鎖相放大器或相關之 振幅解調裝置可即時量測振幅大小以達到即時偵測相關的 物理量及其隨時間的變化。 本發明提出一種創新的外差干涉表面電漿波感測裝置 及方法，所提出的光學架構如第五圖，採用的光源為一雙 頻率相互垂直線偏極化穩頻雷射，例如Zeeman雷射（10)， 此種雷射輸出光束為互相垂直的線偏極光（P波和S波）， 本紙浪人反逋用丫罔围冬标平V LPO / 价V w/W/X / 539852 A7 「 B7 其振幅和頻率分別為（Αρ，ωρ)和（As，gs)。其後放置一 入/2玻片（20)，可將雷射輸出的p波和S波偏極化光旋 轉角度，使得P波平行X軸可表示成Ape^ptf|，同時s 波平行Y軸表示成Ase〜“ y。當p波及s波同時入射至 λ /4玻片（30)後’ P波和S波轉換成一個右旋（r波）及 一個左旋（L波）的圓偏極化光，表示成： R=(i/V?) a/v —' 和 l = (i/V^) b J i 將R波和L波直接照射至全反射裝置（60)，其中R波和 L波的P波分量產生雙頻率的Ρι波和&波，並可分別 Ο 同時R波和L波 的S波分量產生雙頻率的Si波和&波，並可分別 寫成 i(l/V2)Ap 和 i(l/V^)As st。旋轉稜鏡光學組 ^ ^------、訂—^^. (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 去··' _I本 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 件使得雷射光入射角度改變，當入射角等於表面電漿共振 角度時’不同頻率且相互關連（C〇rrelate)的匕波和P2波 同時分別在金屬薄膜界面上產生表面電漿波，因而同時有 兩個表面電漿波在金屬薄膜上傳播，再經極化光分光片（5〇) 將光束分成兩束，而P!波和P2波的反射光被偵測器（7〇) 接收後產生外差干涉信號，其差頻為-=%—叫。信號光 外差干涉信號可表示成： • I !- _· H !i ! II .

Claims (1)

1. 539852 A8 -B8 C8 D8 六 申請鼻利篮圚 1.-種外差干涉表φ電漿波❹彳方法，时量咖著於一 全反射元件之一待測物的介電常數或折射率變化，該全 反射元件具有-第-折射率’且在供全反射之—基底側 形成有具厚度之—金屬薄膜，該金屬薄膜具有低於 該第:折射率之-帛二折射率，該待測物係被附著於該 金屬薄膜遠離該全反射元件基底之側面，該方法包括下 列步驟： lil m m a 經濟部智慧財.4局員工消費合作社印製 ⑷將-同雛光束人射至該全反射元件之該基底， 使得該金屬薄膜與該待測物界面上產生表面電漿 波，其中該光束可分光為一信號光束（p波）及 參考光束（S波）；信號光束具有兩種不同頻率 之和匕分量、且該二分量之偏極化方向彼此 平行；參考光束具有兩種不同頻率之心和\分 量，其頻率分別相同於Ρι和p2分量，且該兩分 量之偏極化方向彼此平行； (b) 利用極化光分光片將經全反射後之參考光束和信 號光束分開； (c) 感測該參考光束和信號光束，並分別轉換為參考 信號及外差干涉信號輸出； (d) 比對該外差干涉信號相對於該參考信號之振幅及 相位變化。 2·根據申請專利範圍第1項所述之方法，更包括在步驟（a) 前-調整並校正入射同調性光束的角度使得在該金屬薄膜 和該待測物界面上產生表面電漿波之步驟（b)*(c)。 (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 訂 539852 a8 B8 C8

   六、申請專利範圍 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 2.根據申請專利範圍第9項所述之裝置，其中該穩頻雷 射光源裝置包括一角度調整裝置，用以調整並校正入 射雷射光的角度’使得表面電漿波在該金屬薄膜和該 化學或生物薄膜界面上產生表面電漿波。 13·根據申請專利範圍第9項所述之裝置，其中該處理裝 置包括二帶通濾波器，分別過濾該參考信號及該外差 干涉信號。 14·根據申請專利範圍第9項所述之裝置，其中該處理裝 置包括一鎖相放大器，以測量外差干涉信號之振幅及 相位變化。· 15·根據申請專利範圍第9項所述之裝置，其中該全反射 裝置係選擇自稜鏡、光纖以及積體光學元件所組成的 族群中。 16·根據申請專利範圍第9項所述之裝置，任何利用雙頻 率Pi’P2波產生二個表面電聚波’並在反射光產生外 差干涉信號之方法及裝置皆應涵蓋在本專利範圍内。 經濟部智慧財.4·局員工消費合作社印製 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X297公慶）