WO2009030071A1

WO2009030071A1 - Puce de capteur spr de couplage entre guide d'ondes et réseau de puces de capteur correspondant

Info

Publication number: WO2009030071A1
Application number: PCT/CN2007/002664
Authority: WO
Inventors: Jinsong Zhu; Xinlong Xu; Jiangfeng Fan; Kun Wang; Chen Wang; Anthony D. Piscopio
Original assignee: National Center For Nanoscience And Technology, China
Priority date: 2007-09-06
Filing date: 2007-09-06
Publication date: 2009-03-12
Also published as: US20110037981A1

Description

波导耦合表面等离子共振传感器芯片及其传感器芯片阵列

技术领域本发明涉及传感器及传感技术领域，本发明具体涉及具有高分辨率和快速响应的表面等离子共振检测方法，以及实现该方法的检测器件、检测阵列及其使用方法。

S C

背景技术

表面等离子（Surface Plasmon, 简称为 SP) 是沿着金属和电介盾间界面传播的由金属表面电荷的集体振荡形成的振动模式；表面等离子波存在于两种介电常数符号相反 (一般为金属与介质）的材料交界面上。这种模式的场强在界面处达到最大，并且在界面两侧都沿着垂直于界面的方向呈指数式衰减，从而模场被限制在界面附近。表面等离子波色散关系可表达为：

、1/2 、1/2

2π

k, ( 1 )

λ +

为金属表面等离子波的传播系数， A e分别为波长，角频率和光速。 ε_χ和分别为金属层和介质层的介电系数。表面等离子共振 ( Surface Plasmon Resonance, 简称 SPR )是一种物理光学现象，是由光波激发出等离子波。利用衰减全反射（Attenuated Total Reflect ion, 简称 ATR ) 方法，即光在棱镜界面处发生全内反射时的倏逝波与金属表面等离子共振模式的耦合，可以将能量从光波耦合进等离子波，引发金属表面的自由电子产生表面等离子振荡。当电场分量平行入射平面的线偏振平面光波以特定角度入射在界面上时，其反射光能量相比全反射时变小，此时，表面等离子的波矢与倏逝波的波矢匹配，入射光能量耦合入表面等离子，从而导致反射光能量显箸减少，这一特定角度称为表面等离子共振角。通过角度扫描，可以在反射光谱上出现共振峰（即反射强度极小值）。该相位匹配关系可表达为：

k = ksinB = ^_Sp ( 2 ) 其中， Α是儉逝波的波矢，是倏逝波波矢平行于全反射面的水平分量，是光波波矢相对于法线（垂直于全反射面的方向）之间的夹角 , 由方程（ 1 ) 和（2 ) 可以看出，当与金属薄膜表面接触的介质折射率不同时，反射共振峰出现的位置将不同。由于 SPR对金属表面电介质的折射率非常敏感，对于不同种电介质，表面等离子共振角不同；对于同种电介质，当厚度很薄时其厚度不同也会导致等离子共振角不同，两种情况共同反映的是介质的等效折射率对共振峰的影响，即共振峰的位置与强度发生变化，这种现象是形成各种传感器的机制。通过测量表面等离子共振角发生的位置及变化，就可以得到金属表面介质的物理特性参数及其变化量，由于 SPR对表面变化的敏感性，使得 SPR技术非常适于微量、高精度传感检测等方面的应用。

以上面所述的 SPR技术为基础，为了进一步提高等离子共振传感器的灵敏度、信噪比以及分辨率，对于不同介质、金属结构及其检测灵敏度等已进行了多方面的研究，主要集中在 SPR检测结构的改进和 SPR信号扫描方法的改进两个方面：

长程表面等离子共振 ( Long- Range Surface Plasmon Resonance,简称 ^LRSPR ) { Applied Optics, 1983, vol27, p4587- 4590 )是由一层金属薄膜上下两表面同时产生的表面等离子波耦合形成的模式。产生长程表面等离子效应的器件结构由介质层，金属层和被测介质层组成。长程表面等离子的共振峰相比普通共振峰尖锐，从而提高了检测灵敏度、分辨率和信噪比。但是它只能在金属上下介质的折射率相近的情况下才能被激发出来，所以长程表面等离子共振难以实际应用于复杂的检测环境中。

耦合等离子波导共振 ( Coupled Plasmon Waveguide Resonance ) {Biophysical Journal, 1997, vol 73, p2791-2797) , 主要发生在由金属层、波导层和被测介质层组成的结构中。耦合等离子波导共振利用波导模式监控环境的变化，获得分析物的参数。与传统的表面等离子共振相比较，该方法具有很高的信噪比以及更多的工作模式的优点，但是灵敏度较低。

波导耦合表面等离子共振 WCSPR

and Bioelectronics, 2004, vol 20, p633-642 )的基本结构主要由金属层 1 , 介质波导层 2, 金属层 3和被检测层 4组成（见附图 1 )。波导耦合表面等离子共振是一种更强的共振模式，它结合了传统的表面等离子共振和耦合等离子波导共振模式的优点 ,具有高的灵敏度，高的信噪比和高的动态测量范围。

根据式（1 )和（2 ), SPR的产生条件是由入射光波长和入射角度表征的函数，因此，目前应用的 SPR信号均是基于改变入射光条件的扫描方法获得的。这些扫描方法目前主要有三类：

1. 角度扫描方法（Angular Interrogat ion ): 这是传统表面等离子共振传感器最常用的扫描方式。该法使用固定波长的光源，通过机械装置旋转 SPR检测结构或入射光源 , 从而改变入射光在 SPR检测结构界面上的入射角度，即的大小，来寻找 SPR共振角。角度扫描虽然直观、筒单，但具有一系列缺点和局限性：这种扫描方法的精度和灵敏度受限于机械旋转台（部件）的精密度，如其旋转角度的分辨率。受到角度位置偏差和反射光强度中噪声的限制，通过这种旋转棱镜的方法所能达到的角度分辨率通常是 10—² - 10- ³ 度。通过加大棱镜和光电检测器之间的距离，可以一定程度的提高角度分辨率，但这不仅会使装置庞大，还使器件更容易受机械噪声和热漂移的影响；而且精密机械旋转台的运行速度有限，因此系统扫描速度很慢，难以实现高时间分辨率的快速实时测量。该扫描方式也无法进行多通道的并行检测。另外，角度扫描所需要的精密机械控制转台，其对维护保养的要求很高, 体积较大，需要经常校正，难以应用到小型化、便携式的仪器中去。

2、波长扫描方法（Wavelength Interrogat ion ): 该方法是在入射角度固定的情况下，改变入射光的波长，或以宽谱光源入射，测量在不同波长的光入射下的响应，来寻找能产生 SPR共振的对应光波长。这种方法的灵敏度受限于波长可调谐激光器或光谱仪的波长分辨率，因此其系统灵敏度要低于采用高精度旋转台的角度扫描法。而且该方法要实现高分辨率的成本非常昂贵，有关设备的体积也难以减小，扫描速度有限。

3、强度扫描方法（Intens i ty Interrogat ion) : 采用聚焦光束，而不是通常所用的近平面光束，作为入射光。聚焦光束由不同 A矢量的平面波构成的，因此不需要改变中心入射角，就可以覆盖一定的入射角度范围。当光束中的某个向满足 SPR条件时，其反射率就会低于其它方向上的光。通过测量空间角度不同方向的反射光强度分布，可以找出满足 SPR共振条件的空间角度。该方法可以通过使用空间光检测器阵列器件（如 CCD等）实现，因此检测速度较快。但受到阵列的检测器数量等限制，可实现的检测灵敏度在三种方法中最低。同时也不利于实现高密度的多通道并行检测。上面介绍了几种具体的 SPR检测结构和 SPR信号扫描方法，可以看出现在利用 SPR作为传感器还存在精度和灵敏度低、系统扫描速度慢、设备体积大、不能进行高密度的多通道并行检测的缺陷。

发明内容

本发明的目的是为克服传统表面等离子传感技术的缺陷，从而提供一种基于波导耦合表面等离子共振效应的传感器芯片。

本发明的另一目的是提供一种上述传感器芯片的制作方法。

本发明的又一目的是提供一种使用上述传感器芯片的测量系统。

本发明的又一目的是提供一种上述测量系统的测量方法。

本发明的又一目的是提供一种基于波导耦合表面等离子共振效应的传感器芯片阵列。本发明的又一目的是提供一种使用上述传感器芯片阵列的测量系统。一方面 ,本发明公开了一种基于波导耦合表面等离子共振效应的传感器芯片，该传感器芯片为多层结构，包括基底、位于所述基底上的介质波导层, 以及设置在所述介质波导层之上的第一金属层，其中，所述介质波导层的物性参数是可调节的。

上述传感器芯片中，所述介庸波导层的物性参数优选折射率或厚度。上述传感芯片中，还包括被检测层，所述被检测层的材料为被检测物质、修饰物质、标签物质及其组合物。

上述传感芯片中，所述介质波导层的材料为电光材料、磁光材料、热光材料或声光材料等折射率可调的材料，或者为压电晶体等厚度可以调节的材料。

进一步地，所述电光材料为折射率对电场变化有响应，即具有电光效应的材料，包括无机电光材料，如 LiNb0₃、 KDP、 ADP、 KD'P、 LiTa0₃等；有机电光材料及其复合物，如 DAST ( 4一甲基氨基 - N -甲基-芪甲苯磺酸盐）等。

所述磁光材料为折射率对磁场变化有响应 , 即具有磁光效应的材料，包括金属磁光材料，如锰-铋 (Mn- Bi)系合金等；铁氧体磁光材料，如石榴石型铋-钆 -铁-镓-氧（Bi-Gd-Fe - Ga-0)系铁氧体等；非晶磁光材料，如钆-钴 (Gd- Co)系非晶合金等。

所述热光材料为折射率对温度变化有响应，即具有热光效应的材料，如光学玻璃等。

所述声光材料为折射率对声波性质变化有响应，即具有声光效应的材料，如钼酸铅（PbMo0₄)、二氧化碲（Te0₂)、硫代砷酸碗（Tl₃AsS₄)等。

上述传感芯片中，所述介质波导层的厚度需要严格选择和控制，以获得测量所需的波导模式，一般应当大于等于入射光波长，小于 ΙΟΟ μ πι, 而最佳厚度范围为 1 μ κι - 10 μ ιη。所述基底的材料为光学玻璃或聚合物等材料，基底材料的厚度和光损耗等参数不能损害传感器的检测性能。

当所述介质波导层为电光材料时，还可以包括第二金属层，所述第二金属层设置在所述基底与所述介电波导层之间。

所述第一金属层和第二金属层的材料为纯金属、合金或金属化合物，所述纯金属优选金、银、铬、铜和铝；所述合金优选 Cr- Au、 Ti - Au、 Au - Ag、 Cu - Ni , Al - Ni; 所述金属化合物优选 ITO等透明导电材料。

所述第一金属层、第二金属层和介质波导层的厚度起伏要限制在不能明显损害传感器的检测灵敏度和准确性的范围内。

上述传感芯片中，所述第一金属层可以为单层或多层结构。

上述传感芯片中，所述第二金属层可以为单层或多层结构。

所述第一金属层的厚度优选 1 Onm- 200腿，最佳厚度范围为 2 Onm-5 Onm。所述第二金属层的厚度优选 10麵 -20 Onm，最佳厚度范围为 1 Onm-5 Onm. 上述传感芯片中，所述介质波导层为多层结构。

上述传感芯片中，还包括用于去除空气隙干扰，实现光路有效耦合的折射率匹配层，所述折射率匹配层的材料为折射率匹配液体或折射率匹配薄膜，该折射率匹配层的作用在于使入射光有效耦合进传感器的相应功能层 , 去除界面上可能存在的空气隙的干扰，所述折射率匹配层的材料性质和厚度等参数不能损害传感器的 WCSPR检测功能和介质波导层的调节功能。

上述传感芯片中，还包括用于防止层间物质渗透的阻隔层，所迷阻隔层的材料为氧化铝、氧化硅等，所述阻隔层的材料性质和厚度等参数不能损害传感器的 WCSPR检测功能和介质波导层的调节功能。

上述传感芯片中，还包括用于增强各层之间附着力的过渡层。所述过渡层的材料为铬、钛或镍，或者含以上金属的合金等，所述过渡层的材料性质和厚度等参数不能损害传感器的 WCSPR检测功能和介质波导层的调节功能。另一方面，本发明提供了一种上述传感器中传感芯片的制作方法，其中，在基底上按照由下至上的次序逐层制备各层结构，包括介质波导层和第一金属层和 /或被检测层，以及根据设计的需要所增加的位于各层之间的第二金属层、折射率匹配层、阻隔层、过渡层等结构。

上述制作方法中，各层的制备方法可采用常规的薄膜制备方法，但不能损害传感器的 WCSPR检测功能。

进一步地，所述第一和第二金属层的制备方法可采用但不限于真空蒸镀、真空溅射、化学气相沉积或电化学沉积等金属薄膜的制备方法。

进一步地，所述介质波导层的制备方法可采用但不限于真空蒸镀、旋转涂敷、化学气相沉积等薄膜制备方法。

进一步地，所述被检测层的制备方法可采用但不限于分子自组装、图章印刷等薄膜制备方法。又一方面，本发明提供了一种基于上述传感器芯片结构的测量系统，包括偏振光发生装置、光耦合器、光检测器、进出样系统、控制系统和对介质波导层施加电场、磁场、声场或温度控制的场控装置，所述偏振光发生装置出射的偏振光经过所述光耦合器入射到所述传感器芯片的基底上，经所述传感器芯片反射后进入所述光检测器。

上述测量系统中，所述偏振光发生装置包括但不限于在光路中顺序设置的光源、起偏片和半波片，上述偏振光发生装置的作用在于为传感器提供单模（ TM模式）的入射偏振光。

上述测量系统中，光耦合器是可以将上述偏振光入射装置发出的入射偏振光耦合入传感芯片的装置，上述光耦合器可以是棱镜、光栅或其他可以将偏振光鶫合入传感芯片的光学器件。

上述测量系统中，光检测器是测量从传感芯片出射光的性盾的装置，上述光检测器测量的出射光性质可以是出射光强度、相位等参数，所述光检测器可以是半导体光强检测器、 CCD检测器或其他可记录光相关参数的仪器装置。

上述测量系统中，进出样系统是对被检测样品进行进样、预处理、传输、泵浦、储存、出样等操作的系统装置，上述进出样系统根据实际需要可以是微流通道、样品池等多种结构。

进一步地，所述进出样系统还包括辅助的设备，包括但不限于进样器、控制泵、预处理器等。

上述测量系统中，控制系统是对传感器进行系统控制、数据采集、数据分析和数据传输的软件和硬件系统。又一方面，本发明提供了一种基于上述传感器测量系统的测量方法，包括以下步骤：

( 1 ) 将偏振光发生装置发射的偏振光入射到所述传感器芯片上，并调节入射偏振光的入射角度使得检测器上出射光的参数处于共振峰的特征位置；

( 2 ) 将被检测样品加入进出样系统；

( 3 ) 调节所述场控装置，对所述传感器芯片施加外场，使得检测器上出射光的参数回到共振峰的特征位置；

( 4 ) 将上述步骤 ( 3 )中所施加外场的大小与已知的外场大小和被检测样品生化或理化性质的对应关系相比对，得到被测样品的生化或理化性质。

上述测量方法中，所述共振峰优选 WCSPR峰，所述出射光参数优选光强度和相位，所述特征位置优选出射光强度的最小值位置或拐点。又一方面，可以使用本发明提供了的上述传感器芯片制成传感器芯片阵列，所述传感器芯片阵列以所述传感器芯片为单元组成阵列结构。上述传感器芯片阵列中，所述传感器芯片按照一定的拓朴结构组成传感器芯片阵列。所述拓朴结构满足所述传感器芯片阵列中检测位点寻址和定点进出样的要求。又一方面，本发明公开了一种使用上述传感器芯片制成的传感器芯片阵列，包括顺序设于基底之上的第二金属层、介质波导层和第一金属层，其中，所述第一和第二金属层分别由多条彼此平行且彼此绝缘的条状金属薄膜組成，所述条状金属薄膜的宽度大于产生表面等离子波的传播长度，所述第一金属层的条状金属薄膜与所述第二金属层的条状金属薄膜相交叠，在交叠部分两层条状金属薄膜之间设有介质波导层。在所述传感器芯片阵列中第一金属层特定条状金属薄膜与第二金属层特定条状金属薄膜连通外加电场，这样在所述两层金属层交叉区域之间的介质波导层就实现了电场寻址和调谐。所述传感器芯片阵列可以是单点寻址，也可以是多点寻址。又一方面，本发明提供了一种上述传感器芯片阵列的制作方法，其中，在基底上按照由下至上的次序逐层制备各层结构。

上述制作方法中，所述第一和第二金属层的制备方法为真空蒸镀、真空溅射、化学气相沉积或电化学沉积。

上述制作方法中，所迷介质波导层的制备方法为真空蒸镀、化学气相沉积或旋转涂覆。又一方面，本发明公开了一种基于上述传感器芯片阵列的测量系统，包括偏振光发生装置、光耦合器、，光检测器、进出样系统、控制系统和对介质波导层施加电场、磁场、声场或温度控制的场控装置，所述偏振光发生装置出射的偏振光经过所述光耦合器入射到所述传感器芯片的基底上，经所述传感器芯片反射后进入所述光检测器。上述测量系统中，所述偏振光发生装置的输出优选宽束偏振光或偏振光阵列。

上述测量系统中，所述光耦合器优选光栅、棱镜或棱镜阵列。

上述测量系统中，所述光检测器优选半导体光强检测器或半导体光强检测器阵列、 CCD检测器。本发明具有以下优点：

1. 本发明的基于 WCSPR的传感器芯片使用光学性质可以调节的材料作为介质波导层，通过电场、磁场或温度等条件的改变来调节介质波导层的折射率，可有效地调谐 WCSPR结构的 WCSPR信号的响应等特性；采用具有光学效应的材料作为 WCSPR检测结构中的光学介质层，可以迅速、精确地调谐介质层的光学特性（如：折射率等）。

2. 在利用电光材料作为介质波导层材料时，不管是采用无机材料还是有机聚合物材料都可以很好地精确控制电压和由此产生的折射率变化,扫描精度更高，同时电子扫描系统的响应速度要大大高于机械扫描方式，所以该扫描方法将使检测更迅速、更筒单，同时按本发明的方法实现的传感系统的光源、检测结构、光检测器等都可以固定不动，体积也可以更小，便于实现小型化和便携化。

3. 本发明的使用传感器芯片阵列的系统，可以实现快速高效地同时检测大量工作点位的生化动力学过程，从而实现多通道的实时生化检测，适用于生物研究、医疗诊断、药物筛选、食品检测和环境保护等领域。

4. 本发明涉及的可调谐 WCSPR检测结构中的光学介质层可采用具有电光 (即：电场强度相关的折射率）效应的材料或者热光效应（即：温度相关的折射率）以及其它折射率可变的材料实现，电光效应材料包括但不限于：无机电光材料（如 LiNb0₃ )、有机 /聚合物电光材料、液晶等，热光效应材料包括但不限于：无机热光材料（如： Si0₂ )、有机热光聚合物等。相对于无机晶体材料，有机 /聚合物电光材料具有生产成本低，易于加工，具有更高的响应速度和更高的非线性系数等优点 Advances in Polymer Science, 2002 , vol l 58, Spr inger— Ver lag Ber l in He ide lberg )。

附图说明以下，结合附图来详细说明本发明的实施例，其中：

图 1 是波导耦合表面等离子共振 WCSPR的基本结构。

图 2 是典型波导耦合表面等离子共振反射率随入射角度变化的示意图。图 3是计算得出的 WCSPR峰共振角度和强度随被检测层折射率的变化而变化的曲线。

图 4是计算得出的 WCSPR峰共振角度和强度随被检测层厚度的变化而变化的曲线。

图 5 是由棱镜、金属层 /介质波导层 /金属层的三层结构等组成的电光调制型波导耦合表面等离子共振传感系统装置示意图。

图 6 是通过改变介波导层折射率条件下，监测 WCSPR效应对应的被反射的光信号的强度等特征随被检测层折射率变化的曲线。

图 7 是通过改变介庸波导层折射率条件下，监测 WCSPR效应对应的被反射的光信号的强度等特征随被检测层厚度变化的曲线。

图 8 是本发明实施例中使用传感器芯片阵列的检测系统。

图 9 是通过电压调制，对应的被检测层的不同折射率的变化规律的示意图。图 10 是通过电压调制，对应的被检测层的不同厚度的变化规律的示意图。具体实施方式

本发明采用 WCSPR结构作为传感测量的基本结构，利用改变介质波导层的光学特性参数来获取被检测样品的信息，即可以得到较高的分辨率、信噪比和灵敏度，也可以提高响应时间，实现大规模的多通道扫描。

图 1所显示的 WCSPR结构中包含多层膜结构。在金属层 3与被检测层 4界面上产生的表面等离子共振受介质波早层 2的波导模式特性的影响。因为表面等离子共振只能由入射光的 TM模式所激发，在介质波导层 2和金属层 3界面的 TM模式的反射可表示为：

其中表示在第 i , k层界面上光波的反射率， - 0,1,2···,^ - ^^^— / ^表示第 i层中波矢的 ζ方向分量，表示第 k层中波矢的 z方向分量，表示第 k 层材料的介电常数，表示第 i层材料的介电常数，理论上的反射率方程可表示为：

其中

1," (5)

1 + Λ一 ^ exp H ,) 对光波导共振模式，反射光的相位可表示为：

2^ = 2m^-(0_M> +Φ_;ν+1 ), 7?¾ = 0,1,2··· (6) 其中，是波导屋的厚度； _为虚部符号； η表示波导层数 , 0, 1…等为对应波导层标号； R表示从波导层 0入射、经过层层波导反射、回到波导层 0 中的反射率；； __2>ί ,„表示入射光从波导层 η- 2入射、经过波导层 η- 1和 η反射，回到波导层 η-2的反射系数；表示在波导层 η- 1中光波沿 ζ方向的传播系数；中的对应波导层的标号，是波导内的模式号， Φ,,+,表示相邻两层之间界面上光波反射？ I起的相移。

图 2是根据方程（4)得出的反射率与入射角度之间关系的示意图。图中箭头 7标志的是金属层 1表面等离子共振造成的反射率的下降峰，箭头 8、 9、 11、 12标志的是透过金属层 1的倏逝波在介质波导层 2激发耦合波导模式造成的反射率的下降峰，箭头 10所指的是金属层 3表面产生的 WCSPR造成的反射率的下降峰。由图可见，光波导所产生的各种模式中，前两种模式对应的峰都比较宽，而 WCSPR的反射峰则更加尖锐。由于 WCSPR的反射峰相对于光波导或传统 SPR的峰都要尖锐，因此基于 WCSPR原理的检测方法具有更高的信噪比。

图 3、图 4分别给出了被检测层的折射率变化 i-l. 454一 1. 474)和被检测层的厚度变化 =10nm-20nm )对 WCSPR信号的影响。图 3中，入射激光波长为 98G nm, 棱镜为 ZF- 7棱镜，两层金属层的材料均为 Au，其介电常数可表示为 -40. 3+2. 8i，厚度均为 20 nm, 中间介质波导层的折射率为 1. 638, 厚度为 1. 7 μ πι。当折射率从 1. 454变化到 1. 474时，峰的位置变化了 0. 68。。从图 3 和图 4中可以看出， WCSPR共振角度的偏移非常明显，这意味着 WCSPR模式对被检测层性质变化的响应非常灵敏。研究已经表明 WCSPR对被分析物层物性参数变化的敏感度要优于其它 SPR效应。

现以具有电光效应介质波导层的 WCSPR结构为例。电光效应（Electro - Opt ical Effect, 又称之为 Pockel s效应）是一种非线性光学效应，具有电光效应的光学材料可以通过施加电场来改变其光学折射率，即：电场相关的折射率效应。电光材料内的折射率分布可以通过折射率椭球模型进行描述。当系统在 z轴上施加电压时，新的折射率椭球方程为：

、"0 .

其中分别为电光材料的寻常光折射率（Ordinary Refractive Index)和非寻常光折射率（Extraordinary Refract ive Index) , 是所加的电场， γ ₁₃和 Υ ₃₃为材料电光系数张量的相关分量。方程（7 ) 中电场引起的折射率的变化为：

1 1

An_x = An_y = --n r_l3E , 和 An_z = --n r₃₃E (8) 由上式可见，折射率变化 Δη与电场强度 Ε的变化成正比。

方程（8)表明电光材料的折射率变化与外加电场和材料电光系数的大小存在线性的对应关系。这样传感器表面由于分子吸附等效应引起的物性变化可反映为折射率的改变，通过光波导的电光效应实现检测。

本发明可以在固定入射波长、角度条件下，采用通过调谐 WCSPR传感结构中的介质波导层 2的材料光学特性由此改变光波导耦合表面等离子共振条件的方法，实现对 SPR信号的扫描和信息获取。扫描过程中，在每次改变介质波导层特性的条件下，例如改变调制电压条件下，检测对应 WCSPR效应的反射光信号的强度等特征。图 6、图 7给出了该扫描方法获得的 WCSPR反射光强信号的结果，对于 WCSPR信号可以通过变化介质层的折射率在一定的波导层折射率情况下获得 WCSPR信号峰。同时，当被检测层 4的物性发生改变时，在不改变其它条件时，改变折射率的扫描方式获得的曲线也相应发生变化。由此可以根据获得的 WCSPR信号的特征，如峰的位置所对应的折射率变化量，信号强度等，得到被检测层的物性如介电系数、厚度等的变化量，在作为传感器芯片的应用中，这种被检测层物性的变化往往与测量样品的某一生化或理化特性相对应，这样，通过选择与待测样品中某一生化或理化特性相对应的被检测层材料，样品中与其特定生化或理化特性相关的物质与被检测层 4 的选择性相互作用，从而改变被检测层 4的物性，就可以根据 WCSPR信号特征的变化选择性地得到待测样品的某一生化或理化特性。

图 5给出了一种使用电光调制型波导耦合表面等离子共振传感器的测量系统，该系统中，所述电光调制型波导耦合表面等离子共振传感器芯片包括 ZF7的玻璃基底 33、位于所述玻璃基底上的第二金属层 25、第一金属层 27和设置在所述第一、第二金属层之间的介质波导层 26; 其中，所迷第一、第二金属膜都为厚 20nm的金膜，介质波导层 26的材料为具有高非线性系数的生色团分子 E0-FTC ( ²-（3 -氰基 - ⁴ ( (E) -²- (5- (4- (二乙氨基）苯乙晞基) - ³, ⁴ -二己氧基噻吩 -2-)乙埽) -5, 5-二曱基呋喃 -2 (5H) -亚基）丙二腈），介质波导层 26厚度 1. 7 μ ιη, 为了加强金属在玻璃基底上的附着力，在笫二金属层 25与玻璃基底 33之间还镀有 2nm的铬作为过渡层（图 5中未示出）。所述过渡层材料也可以选择铬、钛、镍或者它们的各种合金，厚度以不能损害传感器的 WCSPR 检测功能和介质波导层的调节功能为限，一般厚度控制在 0. 2nm― 10nm。

第一、第二金属层的材料还可以选择其他纯金属、合金或金属化合物，所述纯金属如银、铬、铜和铝等；所述合金如 Cr- Au、 Ti - Au、 Au - Ag、 Cu - Ni和 Al - Ni等；所述金属化合物如 ITO等透明导电材料。第一、第二金属层厚度起伏要限制在不能明显损害传感器的检测灵敏度和准确性的范围内。第一、第二金属层厚度优选 10nm- 200nm，最佳厚度范围为20皿-50舰，且皆可以为单层或多层结构。

同时，为了防止层间物质渗透，还可以在各层之间增加阻隔层，所述阻隔层的材料为氧化铝、氧化硅等，所述阻隔层的材料性质和厚度等参数不能损害传感器的 WCSPR检测功能和介质波导层的调节功能，一般应当控制在 10-500nm, 优选 100- 200nm。

在第二金属层之上还设有被检测层，所述被检测层可以是通过金属表面物理吸附，或者金属表面与化学物质形成共价键化学反应后吸附在下层金属层的表面的标签层，用于通过标签分子与被检测物具有的对应性，通过分子相互作用（如范德华作用力、氢键、配位键等)形成特定吸附，以改变标签层的厚度或折射率等参数，从而在 SPR信号中表现出来，达到检测的目的。若被检测物本身的折射率等会发生变化的情况下，该被检测层也可以就是被检测物，如被测液体等。这时需要附属的进样系统控制该层物质的进样、出样等的相关参数。本实施例中使用 16-巯基十六烷基羧酸作为被检测层的材料，其折射率为 1. 464，根据待检测样品的要求，也可以选择其他被检测物质、修饰物质或标签物质及其组合。

上述传感芯片中的第一金属层和第二金属层的作用主要有：（i)产生表面等离子共振的效应，（i i)在电光调制模式下，可作为电极在介质波导层两端面上提供电压，用于调谐介质波导层的折射率等特性，（i i i)给介质波导层提供保护，防止外界物质的渗入和腐蚀等，（iv )为被检测层提供检测界面。

上述传感器的制作方法包括以下步骤：

( 1 )首先在 ZF7的玻璃基底上镀 2nm的铬，然后采用蒸镀方法制作一层 2 Onm厚金膜作为第一金属层；

( 2 )然后，按照 10- 15wt/。比例将 E0-FTC掺入 PC (聚碳酸酯）的四氯乙烷溶液，并旋涂在所述第一金属层上，形成厚 1. 7 μ πι的薄膜；

( 3 )接着，采用蒸镀方法制作一层厚 20nm金膜作为第二金属层；

( 4 )最后，采用单分子膜吸附的方法（形成 S- Au键）在第二金属层上制作单分子层的的 16-巯基十六烷基羧酸作为被检测层。

上述制作过程中 ,所述笫一和第二金属层的制备方法可采用但不限于真空蒸镀、真空溅射、化学气相沉积或电化学沉积等金属薄膜的制备方法。所述介质波导层的制备方法可采用但不限于真空蒸镀、旋转涂敷、化学气相沉积等薄膜制备方法。所述被检测层的制备方法可采用但不限于分子自组装、图章印刷等薄膜制备方法。

图 5的测量系统中，除了所述传感器外，还包括波长 980腿的红外激光源、设置于所述激光源输出光路上的偏振片和半波片， 45° 直角棱镜、用于检测反射光强度的检测器、电压调制器、样品池、进样系统和数据处理系统，使用折射率匹配液将棱镜的斜面与所述传感器的玻璃基底粘连，所述检测器可以使用单片检测器或线阵列检测器，或者 CCD面阵检测器等。

上述各个器件中，光源要选择能够发出稳定窄带单色光的光源，优选激光源，其波长以不易被介质波导层材料吸收为宜；棱镜的折射率要与传感器的基底匹配，可以选择半圆柱形或 45° /60° 直角棱镜，本实施例中的 45。棱镜材料也为 ZF- 7玻璃， 980nm波长下的折射率为 1.7761。

本实施例中的数据处理系统具有以下功能：

a)控制光源 1的输出波长；

b)控制电压调制器 8对介质波导层施加特定的电压；

c)控制生化进样系统的相关参数;

d)收集并处理由检测器获得的光信号数据；

e )根据电压调控器电压和检测器捕获的光信号信息给出被检测层的折射率或厚度信息。

使用上述系统测量的方法如下：

(1)将偏振光发生装置发射的偏振光入射到所述传感器芯片上，并调节入射偏振光的入射角度使得检测器上出射光的参数处于共振峰的特征位置，固定入射角度；

(2)将被检测样品加入进出样系统;

(3)调节所述电压调制器 8, 对所述传感器芯片施加电场，使得检测器上出射光的参数回到共振峰的特征位置；

( 4 )将上述步骤（ 3 )中所施加电压的大小与已知的电压大小和被检测样品生化或理化性质的对应关系相比对，得到被测样品的生化或理化性质。本例中入射角度固定在 50.87。，介质波导层 E0 - FTC的电光系数为 30 pm/V, 选择出射光强度的 WSCPR峰作为特征信号，发现被测层折射率和厚度分别对应电压的调制曲线线性度 4艮高，斜率分别为 0.00028RIU/V (图 9)和 0.029 nm/ V (图 10), 这样，折射率测量灵敏度为 3571V/RIU, 厚度测量灵敏度为 34V/nm; WCSPR特征信号对应电压分辨率达到 lmV时，折射率测量分辨率可达 2.8x10— ⁷RIU，厚度测量精度分辨率可达 2.9xl(T⁵nra，也就是说，待测样品只要引起被检测层折射率和 /或厚度的微小变化，本实施例的测量系统就能检测到。本实施例的测量系统还可以使用电压扫描的方式，将入射光的角度应选择在产生 WCSPR峰的对应角度附近且在扫描过程中固定不变。通过改变介质波导层光学特性得到 WCSPR信号变化规律后，还可以采用曲线拟合等算法获得 WCSPR峰的对应位置、峰的宽度、峰的最低点的幅度等参数，然后根据 Fresnel方程组成的匹配公式或已有的标定系数获得被检测层的折射率或厚度等信息，这对本领域的技术人员都是熟知的。

图 8给出了一种可通过电压实现并行扫描的多通道传感器芯片阵列结构。其中，介质波导层两侧的金属层由多条相互平行的奈状金属层结构构成，各条之间相互不导通，条状金属层结构宽度大于共振产生的表面等离子体波的传播长度。这样每层构成了相互独立的各条金属电极。第一金属层与第二金属层的条状结构的排列方向相互垂直。在第一金属层与第二金属层之间的介质波导层采用电光材料构成，每个第一金属层的条状电极与第二金属层的条状电极相交叠的区域 4就构成了一个小的 WCSPR结构区域，即形成了一个工作点或工作像素。通过设置上 /下层的电极之间的电压差，即可独立控制施加在该区域的调制电压。通过光检测器阵列，如 CCD阵列等，分别接收和检测各个工作点上的反射光信号。

上述传感器芯片阵列的制作方法如下：

1 )首先，在基底上制备多条彼此平行并且彼此电绝缘的金属条，形成第二金属层；

2 ) 然后，按照由下至上的次序逐层制备介质波导层和作为第一金属层的多条彼此平行并且彼此电绝缘的金属条，且所述第一金属层中的金属条垂直于所述第二金属层中的金属条。

使用传感器芯片阵列的系统与图 5的单个传感器系统类似，只不过偏振光发生装置发出的光束为宽光束或光束阵列，检测器需要使用检测器阵列如 CCD阵列，系统的电压扫描原理相同，当在电极上施加电压时， SPR信号会发生强度改变或角度偏移，并在检测器阵列上对应的检测象素上显现出来。通过检测器阵列可以同时得到各个工作点的 SPR信号及其变化。这种检测系统的设计可实现快速高效地同时检测大量工作点位的生化动力学过程，从而实现多通道的实时生化检测。

上述传感器和传感器芯片阵列的介质波导层可采用电光材料制备。可选用的电光材料包括：无机晶体材料，有机 /聚合物电光材料等，如 LiNb0₃、 KDP、 ADP、 KD*P、 LiTa0₃或 DAST,材料应具有较大的电光系数，均匀的光学特性和良好的成膜特性。金属层作为电极应留出引脚用于连接电压扫描控制信号。

上面的实施例都是以电光材料为例来进行说明，本领域技术人员根据本发明的提示，应当理解，除电光材料以外，还可以使用磁光材料、热光材料或声光材料，只需要采用不同的场控装置即可。

所述磁光材料为折射率对磁场变化有响应，即具有磁光效应的材料，包括金属磁光材料，如锰-铋、 (Mn- Bi)系合金等；铁氧体磁光材料，如石榴石型铋-钆 -铁-镓-氧 (Bi - Gd- Fe - Ga-0)系铁氧体等；非晶磁光材料，如钆-钴（Gd - Co)系非晶合金等。

所述声光材料为折射率对声波性质变化有响应，即具有声光效应的材料，如钼酸铅（PbMo0₄)、二氧化碲（Te0₂)、硫代砷酸^ (Tl₃AsS₄)等。

上述传感芯片中，所述介质波导层的厚度需要严格选择和控制，以获得测量所需的波导模式，应当大于等于入射波长，小于 Ι ΟΟ μ ιιι, 而最佳厚度范围为 1 μ ιη - 10 μ ιη。

所述基底的材料为光学玻璃或聚合物等材料，基底材料的厚度和光损耗等参数不能损害传感器的检测性能。

上面给出的实施例都是通过各种手段改变介质波导层的折射率，本领域技术人员应当理解，还可以通过改变介质波导层的其他物性参数，如厚度、介电常数等，从而使传感器芯片的反射光共振峰发生移动。上述内容和实施例完整阐述了本发明的思想和权利要求的范围，本专业领域技术人员可依据上述公开内容理解本发明的内容和权利要求范围 , 并理解上述实施例并不是对本发明权利要求。

Claims

1. 一种基于波导耦合表面等离子共振效应的传感器芯片，包括基底、位于所述基底上的介质波导层，以及设置在所述介质波导层之上的第一金属层，其中，所述介质波导层的物性参数是可调节的。

2. 根据权利要求 1所述的传感器芯片，其特征在于，还包括设置在所述基底与所述介质波导层之间的第二金属层。

3. 根据权利要求 1所述的传感器芯片，其特征在于，所述物性参数为折射率或厚度。

4. 根据权利要求 1所述的传感器芯片，其特征在于，还包括设置在所述第二金属层另一面的被检测层。

5. 根据权利要求 4所述的传感器芯片，其特征在于，所述被检测层的材料包括待检测物质、修饰物质或标签物质。

6. 根据权利要求 1所述的传感器芯片，其特征在于，所述介质波导层的材料为电光材料、磁光材料、热光材料或声光材料

7. 根据权利要求 6所述的传感器芯片，其特征在于，所述电光材料包括无机电光材料、有机电光材料、聚合物电光材料和复合电光材料。

8. 根据权利要求 7所述的传感器芯片，其特征在于，所述无机电光材料为 LiNb0₃、 KDP、 ADP、 KD*P或 LiTa0₃, 有机电光材料为 DAST。

9. 根据权利要求 6所述的传感器芯片，其特征在于，所述磁光材料包括金属磁光材料、铁氧体磁光材料和非晶磁光材料。

10. 根据权利要求 9所述的传感器芯片，其特征在于，所述磁光材料为锰-铋 (Mn- Bi)系合金；所述铁氧体磁光材料为石榴石型铋 -钆-铁-镓 -氧 (Bi-Gd-Fe-Ga - 0)系铁氧体；所述非晶磁光材料为钆-钴（Gd - Co) 系非晶合金。

11. 根据权利要求 6所述的传感器芯片，其特征在于，所述热光材料为光学玻璃。

12. 根据权利要求 6所述的传感器芯片，其特征在于，所述声光材料包括钼酸铅 (PbMoO„)、二氧化碲（Te0₂)和石充代砷酸砣 (Tl₃AsS₄)。

13. 根据权利要求 1所述的传感器芯片，其特征在于，所述基底的材料为光学玻璃或聚合物。

14. 根据权利要求 1所述的传感器芯片，其特征在于，所述介质波导层的厚度小于 100 μ ιη。

15. 才艮据权利要求 1所述的传感器芯片，其特征在于，所述介质波导层的厚度为 1 μ ηι - 10 μ ιη。

16. 根据权利要求 1所述的传感器芯片，其特征在于，所述第一金属层的厚度为 1 Onm-2 OOnm, 最佳厚度范围为 2 Onm-5 Onm。

17. 根据权利要求 2所述的传感器芯片，其特征在于，所述第二金属层的厚度为 1 Onm-20 Onm, 最佳厚度范围为 2 Onm-5 Onm。

18. 根据权利要求 1所述的传感器芯片，其特征在于，所述笫一、第二金属层的材料为纯金属、合金或金属化合物。

19，根据权利要求 18所述的传感器芯片，其特征在于，所述纯金属为金、银、铬、铜或铝，所述合金为 Cr - Au、 Ti - Au、 Au - Ag、 Cu - Ni 或 Al - Ni , 所述金属化合物为 IT0。

20. 根据权利要求 1所述的传感器芯片，其特征在于，所述第一金属层为单层或多层结构。

21. 根据权利要求 2所述的传感器芯片，其特征在于，所述第二金属层为单层或多层结构。

22. 根据权利要求 1所述的传感器芯片，其特征在于，所述介质波导层为单层或多层结构。

23. 根据权利要求 1所述的传感器芯片，其特征在于，还包括用于增强各层之间附着力的过渡层。

24. 根据权利要求 23所述的传感器芯片，其特征在于，所述过渡层的材料为铬、镍、钛。

25. 根据权利要求 23- 24所述的传感器芯片，其特征在于，所述过渡层的厚度为 0. 1 - 10nm。

26. 根据权利要求 1所述的传感器芯片，其特征在于，还包括用于防止层间物盾渗透的阻隔层。

27. 才艮据权利要求 26所述的传感器芯片，其特征在于，所述阻隔层的材料为氧化铝或氧化硅。

28. 根据权利要求 26所述的传感器芯片，其特征在于，所述阻隔层的厚度为 10-50 Onm。

29. ^^据权利要求 26所述的传感器芯片，其特征在于，所述阻隔层的厚度为 100-200nm。

30. 一种权利要求 1-29任一项所述传感器芯片的制作方法，包括在基底上按照由下至上的次序逐层制备各层结构。

31. 根据权利要求 30所述的制作方法，其特征在于，所述第一和第二金属层的制备方法为真空蒸镀、电化学沉积、化学气相沉积或真空溅射。

32. 根据权利要求 30所述的制作方法，其特征在于，所述介质波导层的制备方法为蒸镀、化学气相沉积或旋转涂覆。

33. 一种使用权利要求 1-29所述传感器芯片的测量系统，包括偏振光发生装置、光耦合器、光检测器、进出样系统、控制系统和对介质波导层施加电场、磁场、声场或温度控制的场控装置，所述偏振光发生装置出射的偏振光经过所述光耦合器入射到所述传感器芯片的基底上，经所述传感器芯片反射后进入所述光检测器。

34. 根据权利要求 33所述的测量系统，其特征在于，所述偏振光发生装置包括在光路中顺序设置的光源、起偏片和半波片。

35. 根据权利要求 33所述的测量系统，其特征在于，所述光耦合器为棱镜或光栅。

36. 根据权利要求 33所述的测量系统，其特征在于，所述光检测器为半导体光强检测器或 CCD检测器。

37. —种用于权利要求 33- 36所述测量系统的测量方法，包括以下步骤：

( 1 )将偏振光发生装置发射的偏振光入射到所述传感器芯片上，并调节入射偏振光的入射角度使得检测器上出射光的参数处于共振峰的特征位置；

( 2 )将被检测样品加入进出样系统；

( 3 )调节所述场控装置，对所述传感器芯片施加外场，使得检测器上出射光的参数回到共振峰的特征位置；

( 4 )将上述步骤（ 3 )中所施加外场的大小与巳知的外场大小和皮检测样品生化或理化性质的对应关系相比对，得到被测样品的生化或理化性质。

38. 根据权利要求 37所述的测量方法，其特征在于，所述共振峰为 WCSPR峰。

39. 根据权利要求 37所述的测量方法，其特征在于，所述出射光参数为光强度或相位，所述特征位置为出射光强度的最小值位置或拐点。

40. 一种具有权利要求 1-29所述传感器芯片结构的传感器芯片阵列 , 包括顺序设于基底之上的第二金属层、介质波导层和第一金属层，其中，所述第一和笫二金属层分别由多条彼此平行且彼此绝缘的条状金属薄膜组成，所述条状金属薄膜的宽度大于产生表面等离子波的传播长度，所述第一金属层的条状金属薄膜与所述第二金属层的条状金属薄膜相交叠，在交叠部分上下两层条状金属薄膜之间设有介质波导层。

41. 根据权利要求 40所述的传感器芯片阵列，其特征在于，所述第一金属层中的条状金属薄膜垂直于所述第二金属层中的条状金属薄膜。

42. 一种使用权利要求 40和 41所述传感器芯片阵列的测量系统，包括偏振光发生装置、光耦合器、光检测器、进出样系统、控制系统和对介质波导层施加电场、磁场、声场或温度控制的场控装置，所述偏振光发生装置出射的偏振光经过所述光耦合器入射到所述传感器芯片的基底上，经所述传感器芯片反射后进入所述光检测器。

43. 根据权利要求 42所述的测量系统，其特征在于，所述偏振光发生装置的输出优选宽束偏振光或偏振光阵列。

44. 根据权利要求 42所述的测量系统，其特征在于，所述光耦合器优选光栅、棱镜或棱镜阵列。

45. 根据权利要求 42所述的测量系统，其特征在于，所述检测器阵列为半导体光强检测器阵列或 CCD检测器。