TWI396838B - 光學陀螺儀式表面電漿子共振儀 - Google Patents

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光學陀螺儀式表面電漿子共振儀
本發明係有關於一種光學陀螺儀式表面電漿子共振儀，尤其是指一種可保有高解析度，並能增加光路靈活的變化性和替換方便性之光學陀螺儀式表面電漿子共振儀。
按，表面電漿子共振[surface plasmon resonance,SPR]現象發生於金屬層與介電質層間，屬於一種能量傳遞的現象。表面電漿子共振現象大部分應用於化學或生化科學領域，近年來不管是在環境監測、溫度、化學特性量測、生物反應分析等各方面都有相關的研究，特別是在生物分子作用分析[biomolecular interaction analysis,BIA]這部份，更是受到生醫科技相關學術界或產業界所重視。較之其他生醫檢測系統，表面電漿共振生物感測器的優點就是不用對生物分子做螢光標定的動作。另外，表面電漿共振生物感測器還具有非接觸式[non-contact]、即時偵測[real-time monitoring ]、高靈敏度[high sensitivity]、動態分析[kinetic study]、定性和定量生物分子交互作用[biomolecular interaction]以及大量平行篩檢[high throughput screening]等優點，所以，在生醫感測應用上具有極大的開發潛力。
上述之表面電漿共振生物感測器，目前有關表面電漿子共振應用的專利技術在激發方法中，有超過50%採用稜鏡耦合一次反射進行激發[包括Kretchman結構與Otto結構兩種不同的結構，在Kretchman結構中的金屬層係在全內反射表面上直接激發表面電漿波，能產生更有效率的表面電漿，至於Otto結構中全內反射的表面與金屬薄膜間則存有一距離，而此距離較難控制且將會降低SPR的效率]，15%多加上干涉儀光路設計，以便於能得知相位變化，進而能夠精確的找出表面電漿共振之共振角，在設計方面，則超過60%在結構設計、10%在機構設計，藉由不同的機構設計來改變光源入射角度，至於在表面電漿子共振儀的放置方式上，超過90%採用平放式，僅有10%是採取直立式，顯見目前有關表面電漿子共振應用的專利技術還存在有相當大之進步空間。
是故，本發明鑑於上述之缺點，以提供一種光學陀螺儀式表面電漿子共振儀，其係一直立式之薩涅克[Sagnac]干涉儀，可保有表面電漿子共振儀的高解析度，並能增加光路靈活的變化性和替換稜鏡、待測物的方便性。
本發明之光學陀螺儀式表面電漿子共振儀較佳實施例的特徵在於，其主要係具有一干涉儀，例如一直立式之薩涅克[Sagnac]干涉儀，而干涉儀包括有一由1600分割/步級之微步進馬達所驅動之旋轉平台，旋轉平台之軸心點設有一稜鏡，稜鏡之底部鍍有一層適當厚度的金屬薄膜，且旋轉平台之旁側則設置有相互垂直之第一滑軌與第二滑軌，第一滑軌與第二滑軌上分別設有滑塊，可與旋轉平台軸心點之稜鏡形成一菱形，並於旋轉平台、第一滑軌與第二滑軌之滑塊上對應固設有數多之反射鏡，使得各反射鏡係可順時針或逆時針的依序反射光線，且於各反射鏡之反射路徑上固設有一分光鏡，分光鏡之另一面則對應設置有一雷射光源與一偵測器，其中之雷射光源係可為一雷射二極體並設有一偏振片，偵測器則包括用以偵測反射光強度之光偵測器[PD]或用以觀察干涉條紋之電荷耦合件[CCD]等，並將旋轉平台之微步進馬達、雷射光源與偵測器均耦接於干涉儀內部所裝設之控制器，例如由Visual Basic所設計而成的控制系統。
根據本發明之光學陀螺儀式表面電漿子共振儀其一較佳實施例，該稜鏡係以金屬薄膜朝下之方式定位於該干涉儀之旋轉平台中心處。
根據本發明之光學陀螺儀式表面電漿子共振儀另一較佳實施例，該該稜鏡係以金屬薄膜朝上之方式定位於該干涉儀之旋轉平台中心處。
為令本發明所運用之技術內容、發明目的及其達成之功效有更完整且清楚的揭露，茲於下詳細說明之，並請一併參閱所揭之圖式及圖號：首先，請參照第一圖所示，係本發明光學陀螺儀式表面電漿子共振儀其一較佳實施例之示意圖，其係包括一稜鏡(1)及一干涉儀(2)，其中：該稜鏡(1)係可為一直徑50mm、厚度25mm之半圓柱形BK7材質稜鏡，並於稜鏡(1)之底部以界面附著性極佳的電子束蒸鍍法[electron gun evaporation]鍍有一層適當厚度的金屬薄膜(11)[例如一厚度為50nm之金膜，以獲得最佳之SPR曲線]而成Kretchman組態，由於在空氣中傳播的光線直接射向具有金屬及介電質之界面時係無法提供足夠的動量來激發表面電漿波[surface plasma wave,SPW]，因此，入射光必須透過稜鏡(1)耦合加上衰減全反射[attenuated total reflection,ATR]之方式來加強入射光子的動量而與表面電漿波的動量匹配，當入射光在金屬薄膜(11)之表面被反射時，若是入射光在大於全反射角後的某一特定入射角下，且波動向量符合共振條件之際，即形成衰減全反射，表面電漿波會被激發出，而且表面電漿波產生於金屬薄膜(11)與空氣接觸的界面上，當金屬薄膜(11)周圍之環境有物理性質改變[例如有液體吸附於其上]，產生表面電漿共振的條件也隨之改變，可達成液體濃度檢測、生物分子親和力檢測與物質定性檢測等需求，此即為表面電漿共振檢測法；該干涉儀(2)係一直立式之薩涅克[Sagnac]干涉儀，而干涉儀(2)包括有一由1600分割/步級之微步進馬達所驅動之旋轉平台(21)，請一併參照第二圖以及第三圖所示，旋轉平台(21)之旁側則設置有相互垂直之第一滑軌(22)與第二滑軌(23)，第一滑軌(22)與第二滑軌(23)上分別設有滑塊(221)、(231)，可與旋轉平台(21)之軸心點[該稜鏡(1)之設置處]形成一菱形，並於旋轉平台(21)之微步進馬達與第一滑軌(22)、第二滑軌(23)之滑塊(221)、(231)間分別接設有一連桿(211)，以透過各連桿(211)帶動各滑塊(221)、(231)而保持光路為菱形對稱，且於旋轉平台(21)、第一滑軌(22)與第二滑軌(23)之滑塊(221)、(231)上對應固設有數多之反射鏡(24)，使得各反射鏡(24)之間係可順時針或逆時針的依序反射光線，再於各反射鏡(24)之反射路徑上固設有一分光鏡(25)，分光鏡(25)之二輸出端恰對應於二側之反射鏡(24)，而分光鏡(25)之另一面則對應設置有一雷射光源(26)與一偵測器(27)，其中之雷射光源(26)係可為一雷射二極體並設有一偏振片[例如一Glan-Thompson偏振稜鏡，屬於Nicol稜鏡的改良型，是由兩塊光軸與入射面平行的方解石直角稜鏡所組合而成，其間隙以折射率介於方解石雙折射率的樹膠膠合]，使得雷射光源(26)透過偏振片所發出之橫電模態[transverse electric mode,TM〕偏振光在通過分光鏡(25)時發生一部分能量反射、另一部分穿透而分成兩道光束，偵測器(27)則包括用以偵測反射光強度之光偵測器〔PD〕或用以觀察干涉條紋之電荷耦合件〔CCD〕等，並將旋轉平台(21)之微步進馬達、雷射光源(26)與偵測器(27)均耦接於干涉儀(2)內部所裝設之控制器(28)，例如由Visual Basic所設計而成的控制系統，以控制旋轉平台(21)之微步進馬達旋轉參數及偵測器(27)之光強度訊號擷取介面等，且將控制器(28)耦接於一電源(29)，以提供干涉儀(2)整體所需之電力。
於實施組裝時，請參閱第一圖，其係將稜鏡(1)以金屬薄膜(11)朝下之方式定位於干涉儀(2)之旋轉平台(21)中心處，即可將空氣、純水、不同濃度的酒精、麥芽糖、葡萄糖或果糖等待測物於稜鏡(1)之金屬薄膜(11)上形成有一介電質層(3)而進行表面電漿共振檢測，當雷射光源(26)透過偏振片所發出之TM偏振光通過分光鏡(25)後將發生一部分能量反射、另一部分穿透而分成兩道光束射向分光鏡(25)二側之反射鏡(24)，其一光束將順時針的依序經過第一滑軌(22)與第二滑軌(23)上之反射鏡(24)、稜鏡(1)〔此時將產生表面電漿共振〕、旋轉平台(21)上之其餘反射鏡(24)，另一光束則逆時針的依序經過旋轉平台(21)上之反射鏡(24)、稜鏡(1)〔此時將產生表面電漿共振〕、第二滑軌(23)與第一滑軌(22)上之反射鏡(24)，最終兩道光束將回到分光鏡(25)相互干涉呈現干涉條紋並穿透後進入偵測器(27)〔欲偵測反射光強度而求得共振角的位置時使用光偵測器，欲觀察干涉條紋而推知待測物濃度時則用電荷耦合件〕而獲得所需之資料，欲改變光線射入稜鏡(1)之入射角時，請一併參照第三圖以及第四圖所示，可透過干涉儀(2)之控制器(28)轉動旋轉平台(21)、各連桿(211)而同時帶動各滑塊(221)、(231)，使得各反射鏡(24)保持為相互對應，且各滑塊(221)、(231)上之反射鏡(24)與稜鏡(1)保持為菱形對稱，即可藉由偵測器(27)量測入射角改變後之共振角飄移而得知待測物變化的情形，在更換待測物時，由於干涉儀(2)係呈直立式，可便於稜鏡(1)上各種待測物之更換程序。
請再參照第五圖以及第六圖所示，係本發明光學陀螺儀式表面電漿子共振儀其二較佳實施例之示意圖，其與其一較佳實施例的差異處係在於該稜鏡(1)係以金屬薄膜(11)朝上之方式定位於該干涉儀(2)之旋轉平台(21)中心處，且光路長度係與金屬薄膜(11)朝下時相同而恆為固定，以便於觀察干涉條紋，然而前述之實施例或圖式並非限定本發明之產品態樣、轉動結構或稜鏡設置方式，任何所屬技術領域中具有通常知識者之適當變化或修飾，皆應視為不脫離本發明之專利範疇。
由上述之元件組成與實施說明可知，本發明與現有結構相較之下，本發明具有以下之優點：
1.本發明之干涉儀係一直立式之薩涅克[Sagnac]干涉儀，可保有表面電漿子共振儀的高解析度，並能增加光路靈活的變化性和替換稜鏡、待測物的方便性。
2.本發明係將稜鏡定位於干涉儀之旋轉平台中心處，而旋轉平台之旁側則對應設置有相互垂直之第一滑軌與第二滑軌，使得第一滑軌與第二滑軌上之滑塊可與稜鏡保持為菱形對稱，且光路長度係恆為固定，以便於檢測觀察。
3.本發明之稜鏡底部所鍍的金屬薄膜係以界面附著性極佳的電子束蒸鍍法所形成、厚度為50nm之金膜，以獲得最佳之SPR曲線。
綜上所述，本發明實施例確能達到所預期之使用功效，又其所揭露之具體構造，不僅未曾見諸於同類產品中，亦未曾公開於申請前，誠已完全符合專利法之規定與要求，爰依法提出發明專利之申請，懇請惠予審查，並賜准專利，則實感德便。
(1)．．．稜鏡
(11)．．．金屬薄膜
(2)．．．干涉儀
(21)．．．旋轉平台
(211)．．．連桿
(22)．．．第一滑軌
(221)．．．滑塊
(23)．．．第二滑軌
(231)．．．滑塊
(24)．．．反射鏡
(25)．．．分光鏡
(26)．．．雷射光源
(27)．．．偵測器
(28)．．．控制器
(29)．．．電源
(3)．．．介電質層
第一圖：本發明其一實施例之其一使用狀態圖
第二圖：本發明之第一滑軌與第二滑軌立體分解圖
第三圖：本發明之干涉儀電路方塊圖
第四圖：本發明其一實施例之其二使用狀態圖
第五圖：本發明其二實施例之其一使用狀態圖
第六圖：本發明其二實施例之其二使用狀態圖
(1)．．．稜鏡
(11)．．．金屬薄膜
(2)．．．干涉儀
(21)．．．旋轉平台
(211)．．．連桿
(22)．．．第一滑軌
(221)．．．滑塊
(23)．．．第二滑軌
(231)．．．滑塊
(24)．．．反射鏡
(25)．．．分光鏡
(26)．．．雷射光源
(27)．．．偵測器
(3)．．．介電質層

Claims (13)

  1. 一種光學陀螺儀式表面電漿子共振儀，係具有干涉儀，干涉儀包括有旋轉平台，旋轉平台之軸心點設有稜鏡，稜鏡鍍有金屬薄膜，而干涉儀設置有相互垂直之第一滑軌與第二滑軌，第一滑軌與第二滑軌上所設置之滑塊恰與稜鏡形成一菱形，並於旋轉平台與各滑塊上對應固設有數反射鏡，且於各反射鏡之反射路徑上固設有分光鏡，分光鏡之二輸出端恰對應於二側之反射鏡，再於分光鏡之另一面對應設置有雷射光源與偵測器，而旋轉平台、雷射光源與偵測器均耦接於干涉儀內部所裝設之控制器，控制器耦接有電源。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之光學陀螺儀式表面電漿子共振儀，其中，該旋轉平台係設有微步進馬達，微步進馬達耦接於該控制器。
  3. 如申請專利範圍第2項所述之光學陀螺儀式表面電漿子共振儀，其中，該微步進馬達係1600分割/步級。
  4. 如申請專利範圍第2項所述之光學陀螺儀式表面電漿子共振儀，其中，該微步進馬達與各滑塊間係分別接設有連桿。
  5. 如申請專利範圍第1或2或3或4項所述之光學陀螺儀式表面電漿子共振儀，其中，該干涉儀係直立式之薩涅克[Sagnac]干涉儀。
  6. 如申請專利範圍第1或2或3或4項所述之光學陀螺儀式表面電漿子共振儀，其中，該稜鏡係直徑50mm、厚度25mm之半圓柱形BK7材質稜鏡。
  7. 如申請專利範圍第1或2或3或4項所述之光學陀螺儀式表面電漿子共振儀，其中，該金屬薄膜係以電子束蒸鍍法[electron gun evaporation]所鍍成。
  8. 如申請專利範圍第7項所述之光學陀螺儀式表面電漿子共振儀，其中，該金屬薄膜係厚度為50nm之金膜。
  9. 如申請專利範圍第1或2或3或4項所述之光學陀螺儀式表面電漿子共振儀，其中，該金屬薄膜係厚度為50nm之金膜。
  10. 如申請專利範圍第1或2或3或4項所述之光學陀螺儀式表面電漿子共振儀，其中，該雷射光源設有偏振片。
  11. 如申請專利範圍第10項所述之光學陀螺儀式表面電漿子共振儀，其中，該雷射光源係雷射二極體。
  12. 如申請專利範圍第1或2或3或4項所述之光學陀螺儀式表面電漿子共振儀，其中，該雷射光源係雷射二極體。
  13. 如申請專利範圍第1或2或3或4項所述之光學陀螺儀式表面電漿子共振儀，其中，該偵測器係光偵測器[PD]與電荷耦合件[CCD]之任一種。
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US20010010599A1 (en) * 1999-02-15 2001-08-02 Photonetics Optical reflector and laser with external cavity incorporating such a reflector
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