WO2011091793A1 - Wellenlängensensitives plasmonisch aktives modul zur spektral aufgelösten detektion von licht - Google Patents

Wellenlängensensitives plasmonisch aktives modul zur spektral aufgelösten detektion von licht Download PDF

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    • G01N21/783—Systems in which material is subjected to a chemical reaction, the progress or the result of the reaction being investigated by observing the effect on a chemical indicator producing a change of colour for analysing gases

Definitions

  • the invention relates to a wavelength-sensitive plasmonically active module for the spectrally resolved detection of light from the ultraviolet to the near-infrared wavelength range of 100 nm to 3000 nm.
  • a substrate 2 as a carrier material
  • a field 6 of substrate-protruding rod-shaped nanostructures 3 made of metal applied to the substrate 2 and having a predetermined surface plasmon resonance consists.
  • the nanostructures 3 are associated with surface plasmon resonances which are associated with a formation of at least one gradient d, ⁇ -a steady gradient d and / or a step-like gradient ⁇ -between the nanostructures, the formation of the gradient being dependent on the dielectric function of the Nanostructural materials, of the geometry a, b, d of the predetermined plasmonic active nanostructure 3, of the properties of the surrounding medium of the nanostructures 3 and / or of a predetermined position x, y of the nanostructure field 6 relative to a detection volume 8 (in FIG where a is the length or height, b is the diameter of the nanostructures 3 and d is the distance between two nanostructures 3.
  • FIG. 2 shows a schematic representation of an application of the element 1, the element 1 being filled with molecules 7 in the region of the plasmonically active nanostructure field 6 and a spectral gradient 9 (simple arrow direction) of the resonance due to a geometry gradient ⁇ (FIG. not shown here) possesses.
  • the nanostructure field 6 is locally irradiated and the molecules 7 in the detection volume 8 are analyzed.
  • the Raman signal or the fluorescence signal of the molecules 7 is amplified by the surface plasmons of the element 1 in a certain spectral range. By movement (double arrow 31) of the element 1 along the x-axis of this spectral range can be shifted and thus the Raman signal / fluorescence signal of the molecules 7 are maximized.
  • the element 1 with the nanostructures 3 and with gradient-dependent surface plasmon resonance represents a nanoresonator structure for surface-enhanced spectroscopy, in particular for optical near-field-enhanced spectroscopy.
  • One problem is that the element 1 in this embodiment can only be used for surface-enhanced spectroscopy when it is filled with molecules.
  • the associated registering detector works only with the use of optical images (lenses, objectives) and spectrally selective transmission, absorption or reflection layers (color filters) or of gratings (reflection and transmission), ie with a high expenditure of additional components.
  • the spectrally resolved detection of light is of great importance for recording or imaging optical signals.
  • the spectral splitting is based on various detectors, sensors, imaging and microscopic devices.
  • the spectral splitting has hitherto been solved either by the use of spectrally selective transmission, absorption or reflection coatings (color filters) or by gratings (reflection and transmission).
  • the color filters used are determined spectrally, a change of the reflected / absorbed / transmitted wavelength range can only be done by changing the filter.
  • a change of the reflected / absorbed / transmitted wavelength range can only be done by changing the filter.
  • relatively large optical paths at least a few millimeters
  • the plasmonic activity of the nanostructure field is used only indirectly to enhance the Raman scattering signal of the biomolecules.
  • a method for producing and an arrangement for amplifying Raman scattering signals with the aid of a substrate are described in US Pat. No. 6,242,264 B1, wherein the substrate consists of a field of colloidal, spherical metallic nanoparticles and has a gradient in the density of the particles or in the size of the particles (two different spatial directions).
  • the particles are immobilized on a glass substrate through a biomolecular layer.
  • the particles are used to amplify the Raman scattering signal originating from biomolecules located in the vicinity of the particles.
  • the Raman scattered light is then directed via an optical arrangement to a detector.
  • a filter which transmits the Raman scattered light but blocks the excitation light is used between the plasmonically active substrate and the detector.
  • the interaction cross sections with light are extremely small, which is why the particles themselves are not optically detectable.
  • the gradients in the particle field serve for the spectral variation of the field enhancement, i. the amplification of the Raman signal, but not the spectral variation of the scattering and absorption behavior of the particles themselves.
  • a substrate for amplifying Raman scattering signals is described in the document F. Toderas et al .: Controlling gold nanoparticle assemblies for efficient surface-enhanced Raman scattering and localized surface plasmon resonance sensors, Nanotechnology 18, 2007, 255702, 6pp, wherein the substrate consists of a Glass carrier and immobilized metallic nanoparticles on the surface. The different efficiency of substrates with different nanoparticle density is shown.
  • a system and method for producing a metal surface are described in US Pat. No. 6,838,121 B2, the metal surface being plasmonically active and suitable for amplifying Raman scattering signals.
  • Ramanstreuverstärkung typically an optically (plasmonically) as homogeneous as possible substrate is used.
  • the object of the invention is to provide a wavelength-sensitive plasmonically active module for the spectrally resolved detection of light, which is designed such that light can be detected spectrally resolved by a pixellated detector.
  • the dimensions of a system spectral detector should be kept as small as possible and still achieve the greatest possible spectral splitting and a large spectral range are covered.
  • the object of the invention is solved by the features of patent claim 1.
  • the wavelength-sensitive plasmonically active module for the spectrally resolved detection of light consists at least of
  • a field of substrate-protruding nanostructures with a predetermined surface plasmon resonance applied to the substrate wherein surface plasmon resonances associated with a formation of at least one gradient d, ⁇ -a steady gradient d and / or a step-like gradient ⁇ - are associated with the nanostructures the formation of the gradient depends on the dielectric function of the nanostructured materials, on the geometry of the predetermined nanostructure, on the properties of the surrounding medium of the nanostructures and / or on predetermined positions x, y of the nanostructures relative to a detection volume,
  • the substrate is provided with photosensitive pixels, wherein a field of the plasmonic active nanostructures is applied to the pixellated substrate in fixed association with the pixellated substrate, wherein the nanostructure field has at least one gradient d, ⁇ of the surface plasmon resonance of the nanostructures, wherein the gradient d, ⁇ extending over at least one pixel and a predetermined number of nanostructures are each associated with a pixel, wherein the nanostructures react responsively depending on the wavelength of the incident light to the incident light and by an excessive optical evanescent electromagnetic field or by amplified or reduced electromagnetic radiation or by increased or decreased absorption generate an electrical signal in the corresponding photosensitive pixels of the pixeil mandat substrate.
  • the pixellated substrate may be a CCD chip provided with photosensitive CCD pixels and free spaces on the side of the pixels and with spaces between the pixels, wherein one pixel has at least one plasmonic active nanostructure and optionally the free spaces and the gaps are also associated with at least one plasmonically active nanostructure and wherein the intensity measured by the pixel correlates with the intensity of the corresponding wavelength of the incident light, whereby a recordable spectral splitting of the incident light is brought about.
  • the plasmonically active nanostructures or the geometry of the plasmonically active nanostructures are based on the predetermined stepped plasmon resonance gradient ⁇ and / or continuous plasmon resonance gradient d.
  • the plasmonic active nanostructure preferably directs the light of the resonant electromagnetic wave to the respective photosensitive CCD pixel.
  • the gradient-afflicted nanostructure field which is applied to the substrate in fixed association with the pixiliated substrate, permits a translation of the spectrally encoded information in the optical excitation signal toward a spatially coded intensity distribution which can be detected by the photosensitive pixel field.
  • the spectral splitting effect is similar to that of a grating in a conventional spectrometer, but advantageously the large beam paths between grating and detector can be avoided.
  • the movement of the photosensitive pixel field can be effected either by propagating electromagnetic waves or evanescent electromagnetic waves. In static operation, a detection of a spectral intensity distribution can take place.
  • the optical excitation signal to be detected spectral intensity distribution ie in the excitation light of the optical excitation signal are electromagnetic waves with different frequencies and intensities.
  • the plasmonically active nanostructure field is illuminated uniformly laterally by a device for illumination with the excitation light of the optical excitation signal.
  • surface plasmons are preferably excited by those spectral components of the excitation light of the optical excitation signal, which coincide in their frequency with the plasmon resonance frequency of the respective nanostructure. Since different plasmon resonance frequencies are distributed within the nanostructure field in the form of a gradient, each resonance frequency can be assigned a location with the coordinates x or x, y within the pixel field.
  • the intensity of the incident optical excitation signal at a location with the coordinates x or x, y, ie for a frequency, is detected by the light-sensitive pixels firmly connected to the nanostructure field. While the light-receiving side of the nanostructure field is not bound to the pixel field, the nanostructure-transmitting side of the intensity with the resonant wavelength is fixedly connected to the respective photosensitive pixel of the pixel field.
  • the frequency is particularly strongly absorbed or emitted by the resonant plasmonically active nanostructure, depending on the choice of nanostructure size, nanostructure shape, nanostructure distance and nanostructure material as well as the nanostructure environment medium (in the free spaces and / or spaces).
  • the respective photosensitive pixel is thus exposed to a high or low light intensity. From the lateral intensity distribution detected by the pixellated substrate can thus the spectral intensity distribution of the optical excitation signal can be determined.
  • an illumination with a predetermined wavelength or a wavelength distribution can take place, which serves as a reference for the measurement.
  • changes in the gradient e.g. be detected by a thermal expansion.
  • the wavelength-sensitive sensitivity of the module relates to a specific temperature or to a predetermined temperature range, wherein the reference measurements with the predetermined ambient medium and also the associated measurements with the ambient medium to be determined also to the specific temperature or to a predetermined temperature range are aligned. Deviations in the temperature result in addition to surface plasma resonance shifts to be considered.
  • the wavelength-sensitive plasmonically active module can also be installed in a temperature sensor or realized as such.
  • a dynamic operation can also take place in the detection of spectral signal changes.
  • the optical excitation signal can have intensity maxima or intensity minima at one frequency or at several frequencies, the spectral distribution is detected as described above.
  • the locations x or x, y of the resonant excitation of surface plasmons move laterally on the nanostructure field, wherein the spatial displacement can be detected by the pixel field.
  • the nanostructures on the pixellated substrate thus consist of wavelength-sensitive plasmonically active material.
  • the substrate-protruding nanostructures can be formed on the pixellated substrate preferably as rods or spheres or as other geometry bodies also with different orientation.
  • the wavelength-sensitive plasmonically active module can essentially be provided for detectors, in particular spectral apparatuses.
  • the respective photosensitive pixels of the pixellated substrate can be provided with electrodes or an electrode system which is / are connected to a control unit in terms of energy supply technology and signal technology, which is optionally assigned to the module in the substrate.
  • wavelength-sensitive piasmonically active module is that it can dispense with macroscopic devices for transmitting optical signals between nanostructures and detector.
  • the direct application of the plasmonically active nanostructural agent to the pixellated substrate dramatically reduces the size of the wavelength-sensitive plasmonically active module.
  • a very large spectral range from ultraviolet to near infrared electromagnetic radiation can be investigated with the module according to the invention of a relevant device / spectral apparatus. Under conventional conditions, however, several conventional elements and devices are necessary.
  • FIG. 2 is a schematic representation of an application of the surface enhanced spectroscopic element wherein the element is filled with molecules and has a spectral gradient of resonance due to a selected geometry gradient (not shown), according to the prior art.
  • FIG. 2 is a schematic representation of an application of the surface enhanced spectroscopic element wherein the element is filled with molecules and has a spectral gradient of resonance due to a selected geometry gradient (not shown), according to the prior art.
  • Fig. 3 is a side view of a wavelength-sensitive plasmonically active
  • 4a is a side view of a wavelength-sensitive plasmonically active
  • FIG. 4b is a schematic perspective view of a wavelength-sensitive plasmonically active module with rod-shaped nanostructures according to Fig. 4a,
  • FIG. 5 a shows a schematic perspective view of a wavelength-sensitive plasmonic module with spherical nanostructures with a continuous gradient 3 R with respect to the diameter R of the spherical one Nanostructures according to Fig. 5a.
  • FIG. 3 shows a schematic representation of a wavelength-sensitive plasmonically active module 40 for the spectrally resolved detection of incident light of an optical excitation signal 22 for a detector of a spectral apparatus in a side view, wherein the module 40 at least consists of
  • a substrate 2 as a carrier material
  • the nanorods 3, 4, 5, 18, 19, 20, 21 are associated with surface plasmon resonances associated with a formation of at least one step-shaped gradient La, the formation being dependent on the dielectric function material of the nanorods, of the Geometry a, b, d of the predetermined nanorods 3, 4, 5, 18, 19, 20, 21, from the properties of an ambient medium 42 of the nanorods 3, 4, 5, 18, 19, 20, 21 and / or of predetermined positions x of the nanorods 3, 4, 5, 18, 19, 20, 21 relative to a detection volume (not shown), where a is the length or height in the z-direction, b is the diameter of the nanorods 3, 4, 5,
  • 18, 19, 20, 21 and d represent the distance between two nanorods 3, 4, 5, 18, 19, 20, 21, where the coordinates x, z are an associated xyz-
  • the substrate 2 is provided with photosensitive pixels 10, 11, 12, 13, 14, 15, 16, 17, wherein the field 6 of the plasmonically active nanorods 3, 4, 5, in solid bond with the pixellated substrate 2 on the substrate 18, 19, 20, 21, wherein the nanorod field 6 has a step-shaped gradient Aa of the surface plasmon resonance of the nanorods 3, 4, 5, 18,
  • the incident light may have a wavelength distribution in the wavelength range from about 100 nm (ultraviolet) to 3000 nm (near infrared).
  • the wavelength-sensitive plasmonically active module 40 presents a CCD chip provided with a pixellated substrate 2 in a side view, which is provided with photosensitive CCD pixels 10, 11, 12, 13, 14, 15, 16, 17 and with free spaces 29 is provided laterally of the pixels and with spaces 30 between the pixels 10, 11, 12, 13, 14, 15, 16, 17, wherein a pixel 10, 11, 12, 13, 14, 15, 6, 17 at least one plasmonic active nanorods 3, 4, 5, 18, 19, 20, 21 and optionally the free spaces 29 and the spaces 30 are also associated with at least one Nanostäbchen 23, 24, 25, 26, 27, 28, wherein the nanorods 3, 4, 5 , 18, 19, 20, 21; 23, 24, 25, 26, 27, 28 are preferably arranged perpendicular to the chip pixel surface 33 and wherein the intensity measured by the pixel 10, 11, 12, 13, 14, 15, 16, 17 with the intensity of the corresponding Wavelength of the incident light 22 is correlated and a spectral splitting of the incident light 22 in the module 40 is brought about.
  • the light 22 incident on the module 40 is generally radiated by a device 41 for illumination.
  • the direction of the incident light 22 can not only be oriented perpendicular to the substrate 2, but depending on the intended surface plasmon resonance in the nanorods, the light 22 emitted by the device 41 for illumination can be incident on the nanostructure field at a predetermined angle of incidence and predetermined angle 6 come up.
  • the gradients can be formed not only as step-shaped gradients ⁇ but also as continuous gradients d according to document DE 10 2007 037 201.0.
  • the respective pixels 10, 11, 12, 13, 14, 15, 16, 17 may preferably be provided with electrodes or with an electrode system (not shown), which / is connected to a control unit 32 energy supply and signaling technology.
  • the plasmonically active nanostructures can also be designed as rods or spheres or other geometric bodies with different orientation to the pixel surface 33 / to the pixel field 43.
  • the mode of operation of the wavelength-sensitive module 40 for the spectrally resolved detection of light as a spectrometer is explained below with reference to FIG. 3, the nanostructures being formed as nanorods.
  • the mode of operation can essentially be transferred to the functioning of other geometric bodies.
  • the gradient-affixed nanorod field 6 which is applied directly to the pixellated substrate 2, permits a translation of the spectrally coded information in the optical excitation signal 22 toward a spatially coded intensity distribution which can be detected by the module 40.
  • the translation is similar to that of a grating in a conventional spectrometer, but the large light paths between the grating and the detector can be avoided here.
  • the excitation of the gradient-affected nanorod field 6 can be effected either by propagating light waves or evanescent light waves of the incident light distribution of the optical excitation signal 22. In static operation, a detection of a spectral intensity distribution can take place.
  • the optical excitation signal 22 to be detected spectral intensity distribution ie in the excitation light of the optical excitation signal 22 are electromagnetic waves with different frequencies and intensities.
  • the nanorod field 6 is illuminated uniformly laterally by the device 41 for illumination with the excitation light of the optical excitation signal 22.
  • surface plasmons are preferably excited by those spectral components of the excitation light of the optical excitation signal 22, which in their frequency with the plasmon resonance frequency of the respective nanorods 3, 4, 5, 18, 19, 20, 21 match. Since different plasmon resonance frequencies are distributed within the nanorod field 6 in the form of the stepped gradient Aa, each resonance frequency can be assigned a location with the coordinates x and / or x, y in FIG.
  • the intensity of the incident optical excitation signal 22 at a location with coordinates x, y, ie for a frequency, is obtained from the photosensitive pixels 10, 11, 12, 13, 14, 15, 16, 17 under the plasmonic active nanorod field 6 recorded.
  • the frequency is determined by the resonant nanorods 3, 4, 5, 18, 19, 20, 21, depending on the choice of nanorod size, nanorod shape, nanorod distance and nanorod material, and the nanorod environment medium 42 (in the free spaces 29 and / or spaces 30 ) - particularly strongly absorbed or emitted.
  • the intensity with which a specific wavelength is present in the excitation light of the optical excitation signal 22 the respective pixel 10, 11, 12, 13, 14, 15, 16, 17 is thus exposed to a high or low light intensity.
  • the spectral intensity distribution of the optical excitation signal 22 can thus be determined from the lateral intensity distribution detected by the pixellated substrate 2.
  • a lighting with a predetermined wavelength can be used, which serves as a reference.
  • changes in the gradient Aa caused, for example, by thermal expansion, can be detected.
  • it can also be a dynamic operation in the detection of spectral signal changes.
  • the optical excitation signal 22 may have intensity maxima or intensity minima at one or more frequencies, and the spectral intensity distribution is detected as described above.
  • the locations x, y of the resonant excitation of surface plasmons move laterally on the nanorod field 6, wherein the spatial displacement can be detected by the pixel field 43.
  • the module 40 may be designed as a sensor for the spectrally resolved detection of light, the mode of operation of which will be explained below.
  • a, 4 b is illuminated with a monochromatic light source 41 or a light source having a polychromatic, spectrally not uniformly distributed light source with an emitted optical excitation signal 22.
  • the spectral properties of the excitation light of the optical excitation signal 22 do not change during operation.
  • the spectral intensity distribution is detected by the pixel field 43.
  • the intensity distribution in the optical excitation signal 22 and li (x) are the intensity distribution on the pixel surface 33 in the initial state.
  • the plasmon resonance gradient shifts laterally within the nanorod field 6 by the distance ⁇ and / or Ay as lateral
  • Pixel field 43 an intensity distribution L 2 (x) or l 2 (y) and l 2 (x, y) laterally shifted by Ax and / or Ay.
  • the lateral change Ax and / or Ay of the intensity distribution from (x) to l 2 (x) or from l ⁇ x, y) to l 2 (x, y) on the pixel field 43 is characteristic of the change in the refractive index n of Ambient medium 42 and allows a
  • ⁇ ( ⁇ ) and (x) are the intensity distributions of the light before the change of the refractive index n or taking into account reference measuring possibilities equal to the intensity distributions l ref (A) and f M. during ⁇ 2 ( ⁇ ) and l 2 (x ) the
  • Intensity distributions of the light after the change of the refractive index n are.
  • a reference measuring region 53 as shown in Fig. 4b, be provided, in which the refractive index n re f is not changed and the lateral intensity distribution (x) is thus retained on the pixel field 43.
  • the reference measuring area 53 and the active measuring area 54 can be separated from each other at least by a separating device 55, preferably a dividing wall.
  • a corresponding signal-technical separation between the two areas 53, 54 is provided both on and in the substrate 2 and in the control unit 32 connected to the pixel field 43.
  • n n re f + ⁇ .
  • the plasmon resonance gradient d, ⁇ is formed in at least one direction of the coordinate x, possibly also in a second direction of the coordinate y perpendicular to the direction of the coordinate x,
  • the plasmon resonance gradient d, ⁇ is determined by a shape gradient d, ⁇ , a size gradient d, ⁇ in the z-direction of the xyz coordinate system 45, a distance gradient d, A or a material gradient d, ⁇ of the nanostructures 3, 4, 5, 18, 19, 20, 21 or a gradient d, ⁇ of the environment is preferably linearly set in x (and y), but may also run nonlinearly in x (and / or y); in particular, the gradient d, ⁇ can be formed such that the resonant frequency is not linear in x (and / or y) but the radiated / absorbed intensity is present linearly in x (and / or y), - as a nanostructure form in particular spheres and rods, but also other geometric shapes can be used. Sticks may lie flat on the pixellated substrate 2 or protrude perpendicularly therefrom. The forms can also merge into one another to form the gradient (eg round to oval
  • the plasmon resonance gradient d, ⁇ is designed such that only one resonance frequency is present on each photosensitive pixel 10, 11, 12, 13, 14, 15, 16, 17 (for example, either with a sufficiently flat gradient or with a large nanostructure distance d),
  • the nanostructure field 6 has a highest possible nanostructure density in order to minimize the differences in the detectable intensities and to increase the resolution of the incident optical excitation signal 22.
  • the slope of the gradient of the plasmon resonance frequency may be flat compared to the spectral change of the excitation optical signal 22, i. a spectral change of an intensity maximum in the excitation light of the optical excitation signal 22 leads to a lateral shift of the resonance case within the nanostructure field 6 over at least part of the width of a pixel.
  • the plasmon resonance gradient d, ⁇ is parallel to a side edge 44 of the rectangular pixel field 6, the intensity information of all pixels 10, 11, 12, 13, 14, 15, 16, 17 being perpendicular to the side edge 44 are integrable line by line to improve the signal-to-noise ratio.
  • the module 401 also shows a side view of a CCD chip provided with a pixellated substrate 2, which is provided with light-sensitive CCD pixels 10, 11, 12, 13, 14, 15 and with free spaces 29 on the sides of the pixels 10 and 15 and with gaps 30 between the pixels 10, 11, 12, 13, 14, 15, wherein one pixel 10, 11, 12, 13, 14, 15 has at least one nanorod 46, 47 and optionally the free spaces 29 (in FIG.
  • FIG. 4b shows the module 401 with the pixellated substrate 2 according to FIG. 4a in a perspective view.
  • the nanorods or nanorod geometry are oriented at the respective plasmon resonance gradient Aa or there.
  • the nanorods 3, 4, 5, 18, 19, 20, 21; 46, 47, 48 the light containing the resonance information to the respective associated CCD pixel 10, 11, 12, 13, 14, 15, 16, 17; 10, 11, 12, 13, 14, 15.
  • the invention relates to a transfer of intensity information from the nanorods 3, 4, 5, 18, 20, 21; 46, 47, 48 towards the pixels 10, 11, 12, 13, 14, 15, 16, 17; 10, 11, 12, 13, 14, 15 of the pixel array 43.
  • 5a and 5b are schematic representations of a wavelength-sensitive plasmonically active module 402 in a side view and in a perspective view for the spectrally resolved detection of incident light with the optical excitation signal 22 for a detector, wherein the module 402 at least consists of
  • a substrate 2 as a carrier material
  • the nanospheres 50, 51, 52 are associated with surface plasmon resonances associated with a formation of at least one continuous gradient AR, the formation of the gradient AR being dependent on the material of the nanospheres, on the diameter R of the given nanospheres 50, 51, 52, of the properties of an ambient medium 42 of the nanospheres 50, 51, 52 and / or of a predetermined position x, y of the nanosphere field 6 relative to a detection volume, where R is the diameter of the nanospheres 50, 51, 52 and d is the distance between two adjacent nanospheres.
  • the positions x, y of the pixel field 43 are preferably assigned to an xyz coordinate system 45 associated with the pixel surface 33.
  • the substrate 2 in FIGS. 4 a and 4 b is provided at least with the photosensitive pixels 10, 11, 12, 13, 14, 15, the nanocuple field 6 of the plasmonically active nanospheres 50, 51, 52 being applied directly on the pixellated substrate 2, wherein the nanospheric field 6 has the continuous gradient dR of the surface plasmon resonance of the nanospheres 3, 4, 5, 18, 19, 20, 21 with respect to the diameter R, the continuous gradient dR being over at least one pixel 10, 11, 12, 13, 14 , 15 and a predetermined number of nanospheres 50, 51, 52 each associated with a pixel 10, 11, 12, 13, 14, 15 which, depending on the wavelength of the incident light 22, respond resonantly to the incident light 22 and by an excessive optical evanescent electromagnetic field or by amplified or reduced electromagnetic radiation or electromagnetic absorption generate an electrical signal in the respective photosensitive pixels 10, 11, 12, 13, 14, 15 of the pixelized substrate 2.
  • FIG. 5 b shows in perspective the module 402 which forms with the pixellated substrate 2 a CCD chip which is provided with photosensitive CCD pixels 10, 11, 12, 13, 14, 15 and with a free space 29 at the side of the pixels 50. 51 and with gaps 30 between the pixels 10, 11, 12, 13, 14, 15, wherein a pixel 10, 1 1, 12, 13, 14, 15 at least one plasmonically active nanospheres 50, 51 and optionally nanospheres 52 are associated with the free space 29 nanospheres (not shown) and the interstices 30, wherein the nanospheres 50, 51, 52 are arranged in a fixed connection with the chip pixel surface 33 and the pixels 10, 11, 12, 13, 14, 15 intensity is correlated with the intensity of the corresponding wavelength of the incident light 22, whereby the spectral splitting of the incident light 22 is brought about.
  • the respective plasmonically active nanostructures 50, 51, 52 or the nanostructure geometry align with the continuous plasmon resonance gradient dR.
  • the plasmonic active nanostructures 50, 51 guide the light containing the resonance information to the true photosensitive CCD pixel 10, 11, 12, 13, 14, 15. LIST OF REFERENCE NUMBERS

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein wellenlängensensitives plasmonisch aktives Modul (1, 40, 401, 402) zur spektral aufgelösten Detektion von Licht (22), bestehend zumindest aus einem Substrat (2) als Trägermaterial und einem auf dem Substrat (2) aufgebrachten Feld (6) von substrathervorstehenden Nanostrukturen (3, 4, 5, 18, 19, 20, 21; 46, 47, 48; 50, 51, 52) mit einer vorgegebenen Oberflächenplasmonresonanz, wobei den plasmonisch aktiven Nanostrukturen (3, 4, 5, 18, 19, 20, 21; 46, 47, 48; 50, 51, 52) Oberflächenplasmonresonanzen zugeordnet sind, die mit einer Ausbildung von mindestens einem Gradienten (∂, Δ) - einem stetigen Gradienten (∂) und/oder einem stufenförmigen Gradienten (Δ) - verbunden sind, wobei die Ausbildung des Gradienten abhängig ist vom dielektrische Funktionen aufweisenden Material der Nanostruktur (3, 4, 5, 18, 19, 20, 21; 46, 47, 48; 50, 51, 52), von der Geometrie der vorgegebenen Nanostruktur (3, 4, 5, 18, 19, 20, 21; 46, 47, 48; 50, 51, 52), von den Eigenschaften des Umgebungsmediums (42) der Nanostrukturen (3, 4, 5, 18, 19, 20, 21; 46, 47, 48; 50, 51, 52) und/oder von vorgegebenen Positionen (x, y) der Nanostrukturen (3, 4, 5, 18, 19, 20, 21; 46, 47, 48; 50, 51, 52) relativ zu einem Detektionsvolumen. Das Substrat (2) ist mit lichtempfindlichen Pixeln (10, 11, 12, 13, 14, 15, 16, 17) versehen, wobei im festen Verbund mit dem pixellierten Substrat (2) ein Feld (6) plasmonisch aktiver Nanostrukturen (3, 4, 5, 18,19, 20, 21; 46, 47, 48; 50, 51, 52) auf dem Substrat (2) aufgebracht ist, wobei das Nanostrukturfeld (6) mindestens einen Gradienten (∂, Δ) der Oberflächenplasmonresonanz der Nanostrukturen (3, 4, 5, 18, 19, 20, 21; 46, 47, 48; 50, 51, 52) aufweist, wobei sich der Gradient (∂, Δ) über mindestens ein Pixel (10, 11, 12, 13, 14, 15, 16, 17) erstreckt und eine vorgegebene Anzahl von Nanostrukturen (3, 4, 5, 18, 19, 20, 21; 46, 47, 48; 50, 51, 52) jeweils einem Pixel (10, 11, 12, 13, 14, 15, 16, 17) zugeordnet sind, die je nach Wellenlänge des einfallenden Lichts (22) resonant auf das einfallende Licht (22) reagieren und durch ein überhöhtes optisches evaneszentes elektromagnetisches Feld oder durch verstärkte oder verminderte elektromagnetische Abstrahlung oder verstärkte oder verminderte elektromagnetische Absorption ein elektrisches Signal in den entsprechenden lichtempfindlichen Pixeln (10, 11, 12, 13, 14, 15, 16, 17) des pixellierten Substrats (2) erzeugen.

Description

Wellenlängensensitives plasmonisch aktives Modul
zur spektral aufgelösten Detektion von Licht
Beschreibung Die Erfindung betrifft ein wellenlängensensitives plasmonisch aktives Modul zur spektral aufgelösten Detektion von Licht vom ultravioletten bis zum nahinfraroten Wellenlängenbereich von 100nm bis 3000nm.
Es ist ein Element 1 zur oberflächenverstärkten Spektroskopie in der Druckschrift DE 10 2007 037 201.0 beschrieben, das gemäß Fig. 1 zumindest aus
- einem Substrat 2 als Trägermaterial und
- einem auf dem Substrat 2 aufgebrachten Feld 6 von substrathervorstehenden stäbchenförmigen Nanostrukturen 3 aus Metall mit einer vorgegebenen Oberflächenplasmonresonanz besteht.
Es soll mit diesem Element 1 eine breitbandige Verstärkung des Lichts vom ultravioletten bis zum nahinfraroten Wellenlängenbereich und damit eine Vereinfachung der Abstimmung der Oberflächenplasmonen auf die Eigenschaften von zwischen den Nanostrukturen befindlichen Molekülen erreicht werden.
Dabei sind den Nanostrukturen 3 Oberflächenplasmonresonanzen zugeordnet, die mit einer Ausbildung von mindestens einem Gradienten d, Δ - einem stetigen Gradienten d und/oder einem stufenförmigen Gradienten Δ - zwischen den Nanostrukturen verbunden sind, wobei die Ausbildung des Gradienten abhängig ist von der dielektrischen Funktion der Nanostrukturmaterialien, von der Geometrie a, b, d der vorgegebenen plasmonisch aktiven Nanostruktur 3, von den Eigenschaften des Umgebungsmediums der Nanostrukturen 3 und/oder von einer vorgegebenen Position x, y des Nanostrukturfeldes 6 relativ zu einem Detektionsvo- lumen 8 (in Fig. 2 gezeigt), wobei a die Länge oder Höhe, b den Durchmesser der Nanostrukturen 3 und d den Abstand zwischen zwei Nanostrukturen 3 darstellen.
In Fig. 2 ist eine schematische Darstellung einer Anwendung des Elements 1 gezeigt, wobei das Element 1 im Bereich des plasmonisch aktiven Nanostrukturfel- des 6 mit Molekülen 7 gefüllt ist und einen spektralen Gradienten 9 (einfache Pfeilrichtung) der Resonanz auf Grund eines Geometriegradienten Δ (hier nicht dargestellt) besitzt. Das Nanostrukturfeld 6 wird lokal bestrahlt und die Moleküle 7 im Detektionsvolumen 8 werden analysiert. Das Raman-Signal oder das Fluoreszenz-Signal der Moleküle 7 wird durch die Oberflächenplasmonen des Elements 1 in einem bestimmten Spektralbereich verstärkt. Durch Bewegung (Doppelpfeil 31) des Elements 1 entlang der x-Achse kann dieser Spektralbereich verschoben werden und somit das Raman-Signal/Fluoreszenz-Signal der Moleküle 7 maxi- miert werden.
Das Element 1 mit den Nanostrukturen 3 und mit gradientenabhängiger Oberflä- chenplasmonresonanz stellt eine Nanoresonatorstruktur für die oberflächenverstärkten Spektroskopie, insbesondere für optische nahfeldverstärkte Spektroskopie dar. Ein Problem besteht darin, dass das Element 1 in dieser Ausbildung nur für die oberflächenverstärkte Spektroskopie einsetzbar ist, wenn es mit Molekülen gefüllt ist. Der zugeordnete registrierende Detektor arbeitet nur unter Verwendung von optischen Abbildungen (Linsen, Objektiven) und spektral selektiven Transmissi- ons-, Absorptions- oder Reflexionsschichten (Farbfiltern) oder von Gittern (Reflexion und Transmission), also mit einem hohen Aufwand von zusätzlichen Bauelementen.
Im Allgemeinen ist für das Aufnehmen oder das Abbilden optischer Signale die spektral aufgelöste Detektion von Licht von großer Bedeutung. Auf der spektralen Aufspaltung basieren verschiedene Detektoren, Sensoren, bildgebende und mikroskopische Einrichtungen.
Die spektrale Aufspaltung wurde bisher entweder durch die Verwendung von spektral selektiven Transmissions-, Absorptions- oder Reflexiönsschichten (Farb- filtern) oder von Gittern (Reflexion und Transmission) gelöst.
Die eingesetzten Farbfilter sind spektral festgelegt, eine Änderung des reflektier- ten/absorbierten/transmittierten Wellenlängenbereiches kann nur durch Wechseln des Filters erfolgen. Für die Verwendung von Gittern sind relativ große optische Wege (mindestens einige Millimeter) notwendig, um eine ausreichende spektrale Aufspaltung zu erreichen. Je größer der optische Weg zwischen Gitter und Detektor, desto besser die spektrale Auflösung des Systems. Für derartige Systeme ist es folglich schwierig, für eine geforderte spektrale Aufspaltung ein gewisses Baumaß zu unterschreiten.
Eine Anordnung zur optischen Detektion von Ramanstreusignalen biochemischer Moleküle ist in der Druckschrift US 7 267 948 B1 beschrieben, wobei sich die Moleküle auf einem Feld metallischer Nanostrukturen befinden können. Das Feld metallischer Nanostrukturen wird als homogen beschrieben, was vorteilhaft für die dort beschrieben Anwendung ist.
Die plasmonische Aktivität des Nanostrukturfeldes wird nur indirekt zur Verstärkung des Ramanstreusignals der Biomoleküle genutzt. Ein Verfahren zur Herstellung und eine Anordnung zur Verstärkung von Ra- manstreusignalen mit Hilfe eines Substrates sind in der Druckschrift US 6 242 264 B1 beschrieben, wobei das Substrat aus einem Feld von kolloidalen, kugelförmigen metallischen Nanopartikeln besteht und einen Gradienten in der Dichte der Partikel oder in der Größe der Partikel (zwei verschiedene räumliche Richtungen) aufweist. Die Partikel sind durch eine biomolekulare Schicht auf einem Glassubstrat immobililisiert. Die Partikel werden dazu genutzt, um das Ra- manstreusignal zu verstärken, das von in der Nähe der Partikel befindlichen Biomolekülen stammt. Das Ramanstreulicht wird dann über eine optische Anord- nung zu einem Detektor geleitet. Insbesondere wird zwischen plasmonisch aktivem Substrat und Detektor ein Filter benutzt, der das Ramanstreulicht durchlässt, das Anregungslicht jedoch blockt.
Bei den betreffenden Partikeln sind die Wechselwirkungsquerschnitte mit Licht extrem klein, weshalb die Partikel selbst optisch nicht detektierbar sind. Die Gra- dienten im Partikelfeld dienen der spektralen Variation der Feldverstärkung, d.h. der Verstärkung des Ramansignals, nicht aber der spektralen Variation des Streu- und Absorptionsverhaltens der Partikel selbst.
Ein Substrat zur Verstärkung von Ramanstreusignalen ist in der Druckschrift F. Toderas et al.: Controlling gold nanoparticle assemblies for efficient surface- enhanced Raman scattering and localized surface plasmon resonance sensors, Nanotechnology 18, 2007, 255702, 6pp beschrieben, wobei das Substrat aus einem Glasträger und immobilisierten metallischen Nanopartikeln an dessen Oberfläche besteht. Die unterschiedliche Effizienz von Substraten mit unter- schiedlicher Nanopartikeldichte wird dargestellt.
Weder die Verwendung eines Substrates mit lichtempfindlichen Pixeln noch die Einbringung eines Dichtegradienten in ein einzelnes Substrat spielen eine Rolle.
Ein System und ein Verfahren zur Herstellung einer Metalloberfläche sind in der Druckschrift US 6 838 121 B2 beschrieben, wobei die Metalloberfläche plasmonisch aktiv und zur Verstärkung von Ramanstreusignalen geeignet ist. Für die Ramanstreuverstärkung wird typischerweise ein optisch (plasmonisch) möglichst homogenes Substrat verwendet. Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein wellenlängensensitives plasmonisch aktives Modul zur spektral aufgelösten Detektion von Licht anzugeben, das derart ausgebildet ist, dass Licht von einem pixellierten Detektor spektral aufge- löst detektiert werden kann. Dabei sollen die Abmessungen eines Systems Spektralapparat-Detektor möglichst klein gehalten und trotzdem eine möglichst große spektrale Aufspaltung erreicht sowie ein großer Spektralbereich abgedeckt werden. Die Aufgabe der Erfindung wird durch die Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst.
Das wellenlängensensitive plasmonisch aktive Modul zur spektral aufgelösten Detektion von Licht besteht zumindest aus
- einem Substrat als Trägermaterial und
- einem auf dem Substrat aufgebrachten Feld von substrathervorstehenden Nanostrukturen mit einer vorgegebenen Oberflächenplasmonresonanz, wobei den Nanostrukturen Oberflächenplasmonresonanzen zugeordnet sind, die mit einer Ausbildung von mindestens einem Gradienten d, Δ - einem stetigen Gradienten d und/oder einem stufenförmigen Gradienten Δ - verbunden sind, wo- bei die Ausbildung des Gradienten abhängig ist von der dielektrischen Funktion der Nanostrukturmaterialien, von der Geometrie der vorgegebenen Nanostruktur, von den Eigenschaften des Umgebungsmediums der Nanostrukturen und/oder von vorgegebenen Positionen x, y der Nanostrukturen relativ zu einem Detekti- onsvolumen,
wobei gemäß dem Kennzeichenteil des Patentanspruchs 1
das Substrat mit lichtempfindlichen Pixeln versehen ist, wobei in festem Verbund mit dem pixellierten Substrat ein Feld der plasmonisch aktiven Nanostrukturen auf dem pixellierten Substrat aufgebracht ist, wobei das Nanostrukturfeld mindestens einen Gradienten d, Δ der Oberflächenplasmonresonanz der Nanostrukturen aufweist, wobei sich der Gradient d, Δ über mindestens ein Pixel erstreckt und eine vorgegebene Anzahl von Nanostrukturen jeweils einem Pixel zugeordnet sind, wobei die Nanostrukturen je nach Wellenlänge des einfallenden Lichts re- sonant auf das einfallende Licht reagieren und durch ein überhöhtes optisches evaneszentes elektromagnetisches Feld oder durch verstärkte oder verminderte elektromagnetische Abstrahlung oder durch verstärkte oder verminderte Absorption ein elektrisches Signal in den entsprechenden lichtempfindlichen Pixeln des pixeilierten Substrats erzeugen.
Bei dem wellenlängensensitiven plasmonisch aktiven Modul kann das pixellierte Substrat ein CCD-Chip sein, der mit lichtempfindlichen CCD-Pixeln und mit Freiräumen seitlich der Pixel und mit Zwischenräumen zwischen den Pixeln versehen ist, wobei einem Pixel mindestens eine plasmonisch aktive Nanostruktur und wahlweise den Freiräumen und den Zwischenräumen ebenfalls mindestens eine plasmonisch aktive Nanostruktur zugeordnet sind und wobei die vom Pixel gemessene Intensität mit der Intensität der entsprechenden Wellenlänge des einfallenden Lichts korreliert, wodurch eine registrierbare spektrale Aufspaltung des einfallenden Lichts herbeigeführt wird.
Die plasmonisch aktiven Nanostrukturen oder die Geometrie der plasmonisch aktiven Nanostrukturen richten sich aus an dem vorgegebenen stufenförmigen Plasmonresonanzgradienten Δ und/oder stetigen Plasmonresonanzgradient d. Im Resonanzfall mit einer Wellenlänge des einfallenden Lichts leitet die plasmonisch aktive Nanostruktur bevorzugt das Licht der resonanten elektromagnetischen Welle zum jeweiligen lichtempfindlichen CCD-Pixel.
Die Funktionsweise und das Verhältnis zwischen Nanostrukturfeld und/oder Na- nostrukturgeometrie einerseits und dem Plasmonresonanzgradient d, Δ - in Form eines gradientenbehafteten Nanostrukturfeldes - andererseits werden nachfolgend näher erläutert:
Das gradientenbehaftete Nanostrukturfeld, welches in festem Verbund mit dem pixeilierten Substrat auf dem Substrat aufgebracht sind, erlaubt eine Übersetzung der im optischen Anregungssignal spektral kodierten Information hin zu einer räumlich kodierten Intensitätsverteilung, welche vom lichtempfindlichen Pixelfeld erfasst werden kann. Die spektral aufspaltende Wirkung ist ähnlich der eines Gitters in einem herkömmlichen Spektrometer, allerdings lassen sich vorteilhafter Weise die großen Strahlenwege zwischen Gitter und Detektor umgehen. Die An- regung des lichtempfindlichen Pixelfeldes kann entweder durch propagierende elektromagnetische Wellen oder evaneszente elektromagnetische Wellen erfolgen. Im statischen Betrieb kann eine Detektion einer spektralen Intensitätsverteilung erfolgen. Dabei weist das optische Anregungssignal eine zu erfassende spektrale Intensitätsverteilung auf, d.h. in dem Anregungslicht des optischen Anregungssignals liegen elektromagnetische Wellen mit verschiedenen Frequenzen und Intensitäten vor. Das plasmonisch aktive Nanostrukturfeld wird dabei durch eine Vorrichtung zur Beleuchtung lateral gleichmäßig mit dem Anregungslicht des optischen Anregungssignals beleuchtet. In jeder Nanostruktur werden Oberflä- chenplasmonen bevorzugt durch diejenigen spektralen Komponenten des Anregungslichts des optischen Anregungssignals angeregt, welche in ihrer Frequenz mit der Plasmonresonanzfrequenz der jeweiligen Nanostruktur übereinstimmen. Da verschiedene Plasmonresonanzfrequenzen innerhalb des Nanostrukturfeldes in Form eines Gradienten verteilt sind, kann jeder Resonanzfrequenz ein Ort mit den Koordinaten x oder x, y innerhalb des Pixelfeldes zugeordnet werden. Die Intensität des einfallenden optischen Anregungssignals an einem Ort mit den Koordinaten x oder x, y, d.h. für eine Frequenz, wird von den mit dem Nanostruktur- feld fest verbundenen lichtempfindlichen Pixeln erfasst. Während die das Licht aufnehmende Seite des Nanostrukturfeldes ohne Bindung zum Pixelfeld ist, ist die die Intensität mit der resonanten Wellenlänge übergebende Seite der Nanostruktur mit dem jeweiligen lichtempfindlichen Pixel des Pixelfeldes fest verbunden.
Die Frequenz wird von der resonanten plasmonisch aktiven Nanostruktur - je nach Wahl von Nanostrukturgröße, Nanostrukturform, Nanostrukturabstand und Nanostrukturmaterial sowie des Nanostrukturumgebungsmediums (in den Freiräumen und/oder Zwischenräumen) - besonders stark absorbiert oder abgestrahlt. Entsprechend der Intensität, mit der eine bestimmte Wellenlänge im An- regungslicht des optischen Anregungssignals vorliegt, ist das jeweilige lichtempfindliche Pixel somit einer hohen oder geringen Lichtintensität ausgesetzt. Aus der vom pixellierten Substrat erfassten lateralen Intensitätsverteilung kann somit die spektrale Intensitätsverteilung des optischen Anregungssignals ermittelt werden.
Im Betrieb kann vor, zwischen oder nach der Messung der Intensitätsverteilung eine Beleuchtung mit einer vorgegebenen Wellenlänge oder einer Wellenlängen- Verteilung erfolgen, welche als Referenz für die Messung dient. Mit der Referenzmessung können Veränderungen am Gradienten, z.B. durch eine thermische Ausdehnung erfasst werden.
Das bedeutet des Weiteren, dass sich die wellenlängensensitive Empfindlichkeit des Moduls auf eine konkrete Temperatur oder auf einen vorgegebenen Temperaturbereich bezieht, wobei die Referenzmessungen mit dem vorgegebenen Umgebungsmedium und auch die zugehörigen Messungen mit dem zu bestimmenden Umgebungsmedium ebenfalls auf die konkrete Temperatur oder auf einen vorgegebenen Temperaturbereich ausgerichtet sind. Abweichungen der Tempe- ratur haben zusätzlich zu berücksichtigende Oberflächenplasmonesonanzver- schiebungen zur Folge.
Somit kann das wellenlängensensitive plasmonisch aktive Modul auch in einem Temperatursensor eingebaut oder auch als solcher realisiert sein. Es kann neben dem statischen Betrieb auch ein dynamischer Betrieb bei der De- tektion von spektralen Signaländerungen erfolgen.
Hierbei kann das optische Anregungssignal Intensitätsmaxima oder Intensitäts- minima bei einer Frequenz oder bei mehreren Frequenzen aufweisen, die spektrale Verteilung wird wie oben beschrieben erfasst. Bei einer spektralen Änderung des optischen Anregungssignals verschieben sich die Orte x oder x, y der reso- nanten Anregung von Oberflächenplasmonen lateral auf dem Nanostrukturfeld, wobei die räumliche Verschiebung durch das Pixelfeld erfasst werden kann.
Die Nanostrukturen auf dem pixellierten Substrat bestehen somit aus wellenlän- gensensitivem plasmonisch aktivem Material. Die substratüberstehenden Nanostrukturen können auf dem pixellierten Substrat vorzugsweise als Stäbchen oder Kugeln oder als andere Geometriekörper auch mit unterschiedlicher Orientierung ausgebildet sein. Das wellenlängensensitive plasmonisch aktive Modul kann im Wesentlichen für Detektoren, insbesondere Spektralapparate vorgesehen sein.
Die jeweiligen lichtempfindlichen Pixel des pixellierten Substrats können mit Elektroden oder einem Elektrodensystem versehen sein, die/das mit einer Steu- ereinheit energieversorgungstechnisch und signaltechnisch verbunden sind/ist, die dem Modul wahlweise substratintern zugeordnet ist.
Ein Vorteil des wellenlängensensitven piasmonisch aktiven Moduls besteht darin, dass auf makroskopische Einrichtungen zur Übertragung optischer Signale zwi- sehen Nanostrukturen und Detektor verzichtet werden kann.
Durch das direkte Aufbringen des plasmonisch aktiven Nanostrukturfeides auf das pixellierte Substrat wird die Baugröße des wellenlängensensitiven plasmonisch aktiven Moduls enorm herabgesetzt. Darüber hinaus kann durch eine an- gepasste Wahl des plasmonisch aktiven Materials bzw. der Nanostrukturgeo- metrie ein sehr großer Spektralbereich von ultravioletten bis hin zu nahen infraroten elektromagnetischen Strahlen mit dem erfindungsgemäßen Modul eines betreffenden Gerätes/Spektralapparates untersucht werden. Unter herkömmlichen Bedingungen sind dagegen mehrere konventionelle Elemente und Geräte notwendig.
Weiterbildungen und weitere Ausgestaltungen der Erfindungen werden in weiteren Unteransprüchen angegeben.
Die Erfindung wird mittels mehrerer Ausführungsbeispiele anhand mehrerer Zeichnungen näher erläutert.
Es zeigen: Fig. 1 eine schematische Darstellung eines Elements mit einem Nanostruktur- feld aus beabstandeten vollzylindrischen Nanostäbchen mit einem stufenförmigen Abstandsgradienten Ad, der mit Ad = dj - du in einer Dimension definiert ist, nach dem Stand der Technik,
Fig. 2 eine schematische Darstellung einer Anwendung des Elements für die oberflächenverstärkte Spektroskopie, wobei das Element mit Molekülen gefüllt ist und einen spektralen Gradienten der Resonanz auf Grund eines ausgewählten Geometriegradienten (nicht dargestellt) besitzt, nach dem Stand der Technik,
Fig. 3 eine Seitenansicht eines wellenlängensensitiven plasmonisch aktiven
Moduls mit stäbchenförmigen Nanostrukturen mit einem stufenförmigen Gradienten Aa bezüglich der Länge a der stäbchenförmigen Na- nostrukturen,
Fig. 4a eine Seitenansicht eines wellenlängensensitiven plasmonisch aktiven
Moduls mit stäbchenförmigen Nanostrukturen mit einem stetigen Gradienten da bezüglich der Länge a der stäbchenförmigen Nanostruktu- ren,
Fig. 4b eine schematische perspektivische Darstellung eines wellenlängensensitiven plasmonisch aktiven Moduls mit stäbchenförmigen Nanostrukturen nach Fig. 4a,
Fig. 5a eine Seitenansicht eines wellenlängensensitiven plasmonischen Moduls mit kugelförmigen Nanostrukturen mit einem stetigen Gradienten dR bezüglich des Durchmessers R der kugelförmigen Nanostrukturen, Fig. 5b eine schematische perspektivische Darstellung eines wellenlängensensitiven plasmonischen Moduls mit kugelförmigen Nanostrukturen mit einem stetigen Gradienten 3R bezüglich des Durchmessers R der kugelförmigen Nanostrukturen nach Fig. 5a. In Fig. 3 ist eine schematische Darstellung eines wellenlängensensitiven plasmonisch aktiven Moduls 40 zur spektral aufgelösten Detektion von einfallendem Licht eines optischen Anregungssignals 22 für einen Detektor eines Spektralap- parates in Seitenansicht gezeigt, wobei das Modul 40 zumindest besteht aus
- einem Substrat 2 als Trägermaterial und
- einem auf dem Substrat 2 aufgebrachten Feld 6 von substrathervorstehenden Nanostrukturen 3, 4, 5, 18, 19, 20, 21 in Form von Nanostäbchen mit einer vorgegebenen Oberflächenplasmonresonanz,
wobei den Nanostäbchen 3, 4, 5, 18, 19, 20, 21 Oberflächenplasmonresonanzen zugeordnet sind, die mit einer Ausbildung von mindestens einem stufenförmigen Gradienten La verbunden ist, wobei die Ausbildung abhängig ist von dem eine dielektrische Funktion aufweisenden Material der Nanostäbchen, von der Geometrie a,b,d der vorgegebenen Nanostäbchen 3, 4, 5, 18, 19, 20, 21, von den Ei- genschaften eines Umgebungsmediums 42 der Nanostäbchen 3, 4, 5, 18, 19, 20, 21 und/oder von vorgegebenen Positionen x der Nanostäbchen 3, 4, 5, 18, 19, 20, 21 relativ zu einem Detektionsvolumen (nicht eingezeichnet), wobei a die Länge oder Höhe in z-Richtung, b den Durchmesser der Nanostäbchen 3, 4, 5,
18, 19, 20, 21 und d den Abstand zwischen zwei Nanostäbchen 3, 4, 5, 18, 19, 20, 21 darstellen, wobei die Koordinaten x, z einem zugehörigen xyz-
Koordinatensystem 45 zugeordnet sind.
Erfindungsgemäß ist das Substrat 2 mit lichtempfindlichen Pixeln 10, 11, 12, 13, 14, 15, 16, 17 versehen, wobei im festen Verbund mit dem pixellierten Substrat 2 auf dem Substrat das Feld 6 der plasmonisch aktiven Nanostäbchen 3, 4, 5, 18, 19, 20, 21 aufgebracht ist, wobei das Nanostäbchenfeld 6 einen stufenförmigen Gradienten Aa der Oberflächenplasmonresonanz der Nanostäbchen 3, 4, 5, 18,
19, 20, 21 bezüglich der Länge a aufweist, wobei sich der Gradient Aa über mindestens einen Pixel 10, 11, 12, 13, 14, 15, 16, 17 erstreckt und eine vorgegebene Anzahl von Nanostäbchen 3, 4, 5, 18, 19, 20, 21 jeweils einem Pixel 10, 11, 12, 13, 14, 15, 16, 17 zugeordnet sind, die je nach Wellenlänge des einfallenden Lichtes 22 resonant auf das einfallende Licht 22 reagieren und durch ein überhöhtes optisches evaneszentes elektromagnetisches Feld oder durch verstärkte oder verminderte elektromagnetische Abstrahlung oder durch verstärkte oder verminderte elektromagnetische Absorption ein elektrisches Signal in den entsprechenden lichtempfindlichen Pixeln 10, 11, 12, 13, 14, 15, 16, 17 des pixellier- ten Substrats 2 erzeugen. Das einfallende Licht kann eine Wellenlängenverteilung im Wellenlängenbereich von etwa 100nm (Ultraviolett) bis 3000 nm (nahes Infrarot) haben.
In Fig. 3 stellt das wellenlängensensitive plasmonisch aktive Modul 40 einen mit einem pixellierten Substrat 2 versehenen CCD-Chip in einer Seitenansicht dar, der mit lichtempfindlichen CCD-Pixeln 10, 11 , 12, 13, 14, 15, 16, 17 sowie mit Freiräumen 29 seitlich der Pixel und mit Zwischenräumen 30 zwischen den Pixeln 10, 11 , 12, 13, 14, 15, 16, 17 versehen ist, wobei einem Pixel 10, 11 , 12, 13, 14, 15, 6, 17 mindestens ein plasmonisch aktives Nanostäbchen 3, 4, 5, 18, 19, 20, 21 und wahlweise den Freiräumen 29 und den Zwischenräumen 30 ebenfalls mindestens ein Nanostäbchen 23, 24, 25, 26, 27, 28 zugeordnet sind, wobei die Nanostäbchen 3, 4, 5, 18, 19, 20, 21; 23, 24, 25, 26, 27, 28 vorzugsweise senkrecht zur Chip-Pixel-Oberfläche 33 gerichtet angeordnet sind und wobei die vom Pixel 10, 11, 12, 13, 14, 15, 16, 17 gemessene Intensität mit der Intensität der entsprechenden Wellenlänge des einfallenden Lichts 22 korreliert und eine spekt- rale Aufspaltung des einfallenden Lichtes 22 im Modul 40 herbeigeführt wird.
Das auf das Modul 40 einfallende Licht 22 wird im Allgemeinen von einer Vorrichtung 41 zur Beleuchtung abgestrahlt.
Dabei kann die Richtung des einfallenden Lichtes 22 nicht nur senkrecht zum Substrat 2 ausgerichtet sein, sondern je nach beabsichtigter Oberflächenplas- monresanz in den Nanostäbchen kann das von der Vorrichtung 41 zur Beleuchtung abgestrahlte Licht 22 unter einem mit dem Gradienten abgestimmten und vorgegebenen Einfallswinkel auf das Nanostrukturfeld 6 einfallen. Dabei können die Gradienten nicht nur als stufenförmige Gradienten Δ, sondern auch als stetige Gradienten d gemäß der Druckschrift DE 10 2007 037 201.0 ausgebildet sein. Die jeweiligen Pixel 10, 11, 12, 13, 14, 15, 16, 17 können vorzugsweise mit Elektroden oder mit einem Elektrodensystem (nicht eingezeichnet) versehen sein, die/das mit einer Steuereinheit 32 energieversorgungs- und signaltechnisch verbunden sind/ist.
Die plasmonisch aktiven Nanostrukturen können als Stäbchen oder Kugeln oder andere geometrische Körper auch mit unterschiedlicher Orientierung zur Pixeloberfläche 33/zum Pixelfeld 43 ausgebildet sein. Im Folgenden wird die Funktionsweise des wellenlängensensitiven Moduls 40 zur spektral aufgelösten Detektion von Licht als Spektrometer anhand der Fig. 3 erläutert, wobei die Nanostrukturen als Nanostäbchen ausgebildet sind. Die Funktionsweise kann im Wesentlichen auf die Funktionsweise anderer geometrischer Körper übertragen werden.
Das gradientenbehaftete Nanostäbchenfeld 6, welches direkt auf dem pixellierten Substrat 2 aufgebracht sind, erlaubt eine Übersetzung der spektral kodierten Information im optischen Anregungssignal 22 hin zu einer räumlich kodierten Intensitätsverteilung, welche vom Modul 40 erfasst werden kann. Die Übersetzung ist ähnlich der eines Gitters in einem herkömmlichen Spektrometer, allerdings las- sen sich hier die großen Lichtstrahlwege zwischen Gitter und Detektor umgehen. Die Anregung des gradientenbehafteten Nanostäbchenfeldes 6 kann entweder durch propagierende Lichtwellen oder evaneszente Lichtwellen der einfallenden Lichtverteilung des optischen Anregungssignals 22 erfolgen. Im statischen Betrieb kann eine Detektion einer spektralen Intensitätsverteilung erfolgen. Dabei weist das optische Anregungssignal 22 eine zu erfassende spektrale Intensitätsverteilung auf, d.h. in dem Anregungslicht des optischen Anregungssignals 22 liegen elektromagnetische Wellen mit verschiedenen Frequenzen und Intensitäten vor. Das Nanostäbchenfeld 6 wird durch die Vorrichtung 41 zur Beleuchtung lateral gleichmäßig mit dem Anregungslicht des optischen Anregungssignals 22 beleuchtet. In jedem Nanostäbchen 3, 4, 5, 18, 19, 20, 21 werden Oberflächenplasmonen bevorzugt durch diejenigen spektralen Komponenten des Anregungslichtes des optischen Anregungssignals 22 angeregt, welche in ihrer Frequenz mit der Plasmonresonanzfrequenz der jeweiligen Nanostäbchen 3, 4, 5, 18, 19, 20, 21 übereinstimmen. Da verschiedene Plasmonresonanzfre- quenzen innerhalb des Nanostäbchenfeldes 6 in Form des stufenförmigen Gradienten Aa verteilt sind, kann jeder Resonanzfrequenz ein Ort mit den Koordina- ten x und/oder x, y in Fig. 4b/5b innerhalb des Nanostäbchenfeldes 6 zugeordnet werden. Die Intensität des einfallenden optischen Anregungssignals 22 an einem Ort mit den Koordinaten x,y, d.h. für eine Frequenz, wird von den lichtempfindlichen Pixeln 10, 1 1, 12, 13, 14, 15, 16, 17 unter dem plasmonisch aktiven Na- nostäbchenfeld 6 erfasst. Die Frequenz wird von dem resonanten Nanostäbchen 3, 4, 5, 18, 19, 20, 21 - je nach Wahl von Nanostäbchengröße, Nanostäbchen- form, Nanostäbchenabstand und Nanostäbchenmaterial sowie des Nanostäb- chenumgebungsmediums 42 (in den Freiräumen 29 und/oder Zwischenräumen 30) - besonders stark absorbiert oder abgestrahlt. Entsprechend der Intensität, mit der eine bestimmte Wellenlänge im Anregungslicht des optischen Anre- gungssignals 22 vorliegt, ist das jeweilige Pixel 10, 11, 12, 13, 14, 15, 16, 17 somit einer hohen oder geringen Lichtintensität ausgesetzt. Aus der vom pixellierten Substrat 2 erfassten lateralen Intensitätsverteilung kann somit die spektrale Intensitätsverteilung des optischen Anregungssignals 22 ermittelt werden. Im Betrieb kann vor, zwischen oder nach der Messung der Intensitätsverteilung eine Beleuchtung mit einer vorgegebenen Wellenlänge erfolgen, welche als Referenz dient. Mit der Referenzmessung können Veränderungen am Gradienten Aa, hervorgerufen z.B. durch thermische Ausdehnung, erfasst werden. Es kann andererseits auch ein dynamischer Betrieb bei der Detektion von spektralen Signaländerungen erfolgen.
Hierbei kann das optische Anregungssignal 22 Intensitätsmaxima oder Intensi- tätsminima bei einer Frequenz oder mehreren Frequenzen aufweisen, die spektrale Intensitätsverteilung wird wie oben beschrieben erfasst. Bei einer spektralen Änderung des optischen Anregungssignals 22 verschieben sich die Orte x, y der resonanten Anregung von Oberflächenplasmonen lateral auf dem Nanostäbchen- feld 6, wobei die räumliche Verschiebung durch das Pixelfeld 43 erfasst werden kann. Des Weiteren kann das Modul 40 zur spektral aufgelösten Detektion von Licht als Sensor ausgebildet sein, dessen Funktionsweise im Folgenden erläutert wird. Das gradientenbehaftete Nanostäbchenfeld 6 in Fig. 4a, 4b wird mit einer mono- chromatischen Lichtquelle 41 oder einer polychromatisch, spektral nicht gleich verteilten Lichtquelle mit einem emittierten optischen Anregungssignal 22 beleuchtet. Die spektralen Eigenschaften des Anregungslichtes des optischen Anregungssignals 22 ändern sich im Betrieb nicht. Durch einen Betrieb wie im statischen Betrieb der Detektion von Intensitätsmaxima oder Intensitätsminima wird die spektrale Intensitätsverteilung durch das Pixelfeld 43 erfasst.
Dabei sind die Intensitätsverteilung im optischen Anregungssignal 22 und li(x) die Intensitätsverteilung auf der Pixeloberfläche 33 im Ausgangszustand.
Ändert sich der Brechungsindex n im Umgebungsmedium 42 des Nanostäbchen- feldes 6, etwa durch Aufbringen eines Analysematerials (z.B. einer Flüssigkeit) oder durch das chemische Anbinden von Molekülen (z.B. von Biomolekülen und/oder Gasmolekülen), so verschiebt sich der Plasmonresonanzgradient lateral innerhalb des Nanostäbchenfeldes 6 um die Strecke Δχ und/oder Ay als laterale
Veränderungen auf dem Pixelfeld 43.
Da die Resonanzbedingung nun an einem anderen Ort erfüllt wird, erfasst das
Pixelfeld 43 eine um Ax und/oder Ay lateral verschobene Intensitätsverteilung l2(x) oder l2(y) und l2(x, y).
Die laterale Veränderung Ax und/oder Ay der Intensitätsverteilung von (x) nach l2(x) bzw. von l^x, y) nach l2(x, y) auf dem Pixelfeld 43 ist charakteristisch für die Änderung des Brechungsindex n des Umgebungsmediums 42 und erlaubt eine
Messung der Änderung An des Brechungsindex n des Umgebungsmediums 42 und somit die Bestimmung des Umgebungsmediums 42.
Dabei sind Ιι(λ) und (x) die Intensitätsverteilungen des Lichts vor der Änderung des Brechungsindex n oder bei Berücksichtigung von Referenzmessmöglichkei- ten gleich den Intensitätsverteilungen lref(A) und fM. während Ι2(λ) und l2(x) die
Intensitätsverteilungen des Lichts nach der Änderung des Brechungsindex n sind. Wahlweise kann auf dem Nanostäbchenfeld 6 z.B. auch ein Referenzmessgebiet 53, wie in Fig. 4b gezeigt ist, vorgesehen sein, in welchem der Brechungsindex nref nicht verändert wird und die laterale Intensitätsverteilung (x) auf dem Pixelfeld 43 somit erhalten bleibt. Der Vergleich zwischen Referenzmessgebiet 53 des Nanostäbchenfeldes 6 mit dem vorgegebenen Brechungsindex nref mit der Intensitätsverteilung Ire x) = h(x) und aktivem Messgebiet 54 des Nanostäbchenfeldes 6 mit dem unbekannten, zu bestimmenden Brechungsindex n mit der Intensitätsverteilung l2(x) ermöglicht ein genaueres Auslesen, da z.B. Änderungen der Beleuchtung mit dem optischen Anregungssignal 22 ausgeschlossen werden kön- nen. Dabei können das Referenzmessgebiet 53 und das aktive Messgebiet 54 zumindest durch eine Trenneinrichtung 55, vorzugsweise eine Trennwand voneinander getrennt sein. Dabei ist auch eine entsprechende signaltechnische Trennung zwischen den beiden Gebieten 53, 54 sowohl auf und im Substrat 2 als auch in der ans Pixelfeld 43 angeschlossenen Steuereinheit 32 vorgesehen.
Schließlich kann der Brechungsindex n des Umgebungsmediums 42 über folgenden Zusammenhang aus der Brechungsindexänderung Δη bestimmt werden Δη = ί [ χ2(λ) - χ2(λ) ] mit Δχ = χ2(λ) - χι(λ).
Daraus folgt der zu bestimmende Brechungsindex n in Bezug auf den Referenz- brechungsindex nref mit
n = nref + Δη.
Gleiche Zusammenhänge gelten auch für die laterale Verschiebung der Koordinate y bzw. für die beiden Koordinaten x,y. In dem wellenlängensensitiven plasmonisch aktiven Modul 40 werden folgen Anforderungen an das plasmonisch aktive Nanostrukturfeld 6 gestellt:
- der Plasmonresonanzgradient d, Δ ist in mindestens einer Richtung der Koordinate x, gegebenenfalls auch in einer zweiten Richtung der Koordinate y senkrecht zur Richtung der Koordinate x ausgebildet,
- der Plasmonresonanzgradient d, Δ wird durch einen Formgradienten d, Δ, einen Größengradienten d, Δ in z-Richtung des xyz-Koordinatensystems 45, einen Abstandsgradienten d, A oder einen Materialgradienten d, Δ der Na- nostrukturen 3, 4, 5, 18, 19, 20, 21 oder einen Gradienten d, Δ des Umge- bungsmediums 42 bevorzugt linear in x (und y) eingestellt, kann aber auch nichtlinear in x (und/oder y) verlaufen, insbesondere kann der Gradient d, Δ so ausgebildet werden, dass nicht die Resonanzfrequenz linear in x (und/oder y), sondern die abgestrahlte/absorbierte Intensität linear in x (und/oder y) vorliegt, - als Nanostrukturform können insbesondere Kugeln und Stäbchen, aber auch andere geometrische Formen eingesetzt sein. Stäbchen können flach auf dem pixellierten Substrat 2 liegen oder senkrecht davon abstehen. Auch können die Formen zur Ausbildung des Gradienten ineinander übergehen (z.B. rund nach oval),
- der Plasmonresonanzgradient d, Δ wird derart gestaltet, dass auf jeden lichtempfindlichen Pixel 10, 11, 12, 13, 14, 15, 16, 17 nur eine Resonanzfrequenz vorliegt (z.B. entweder bei ausreichend flachem Gradienten oder bei großem Nanostrukturabstand d),
- das Nanostrukturfeld 6 weist eine möglichste hohe Nanostrukturdichte auf, um die Unterschiede in den detektierbaren Intensitäten möglichst gering zu halten und die Auflösung des einfallenden optischen Anregungssignals 22 zu vergrößern.
Des Weiteren kann folgende weitere Anorderung an das Nanostrukturfeld 6 vor- gegeben sein, dass
- für eine sensitive Detektion kann die Steigung des Gradienten der Plasmon- resonanzfrequenz flach im Vergleich zur spektralen Änderung des optischen Anregungssignals 22 sein, d.h. eine spektrale Änderung eines Intensitätsmaximums im Anregungslicht des optischen Anregungssignals 22 führt zu einer lateralen Verschiebung des Resonanzfalles innerhalb des Nanostrukturfeldes 6 über mindestens einen Teil der Breite eines Pixels.
Auch werden Anforderungen an das Pixelfeld 43 gestellt:
- zumindest eine eindimensionale Pixelzeile oder ein zweidimensionales Pixel- feld 43,
- möglichst geringer Abstand zwischen dem lichtempfindlichem Pixelfeld 43 und dem auf dem Substrat 2 aufgebrachtem Nanostrukturfeld 6, - im Fall eines eindimensionalen Plasmonresonanzgradienten d, Δ befindet sich der Plasmonresonanzgradient d, Δ parallel zu einer Seitenkante 44 des rechtwinkligen Pixelfeldes 6, wobei die Intensitätsinformation aller Pixel 10, 11, 12, 13, 14, 15, 16, 17 senkrecht zu der Seitenkante 44 zeilenweise integ- rierbar sind, um das Signal-Rausch-Verhältnis zu verbessern.
In Fig. 4a stellt das Modul 401 einen mit einem pixellierten Substrat 2 versehenen CCD-Chip auch in Seitenansicht dar, der mit lichtempfindlichen CCD-Pixeln 10, 11 , 12, 13, 14, 15 sowie mit Freiräumen 29 seitlich der Pixel 10 und 15 und mit Zwischenräumen 30 zwischen den Pixeln 10, 11, 12, 13, 14, 15 versehen ist, wobei einem Pixel 10, 11 , 12, 13, 14, 15 mindestens ein Nanostäbchen 46, 47 und wahlweise den Freiräumen 29 (in Fig. 4a, 4b kein Nanostäbchen eingezeichnet) und den Zwischenräumen 30 ebenfalls mindestens ein Nanostäbchen 48 zugeordnet sind, wobei die Nanostäbchen 46, 47; 48 vorzugsweise senkrecht zur Chip-Pixel-Oberfläche 33 gerichtet angeordnet sind, wobei das Nanostäbchenfeld 6 einen stetigen Gradienten da der Oberflächenplasmonresonanz der Nanostäbchen 46, 47; 48 bezüglich der Länge a aufweist, wobei der Gradient da sich gleichmäßig über alle Pixel 10, 11 , 12, 13, 14, 15 erstreckt und eine vorgegebene Anzahl von Nanostäbchen jeweils einem Pixel 10, 11, 12, 13, 14, 15 zugeordnet sind, und wobei die vom Pixel 10, 11, 12, 13, 14, 15 gemessene Intensität mit der Intensität der entsprechenden Wellenlänge des einfallenden Lichts 22 korreliert, wodurch eine spektrale Aufspaltung des einfallenden Lichtes 22 im Modul 401 herbeigeführt wird. In Fig. 4b ist das Modul 401 mit dem pixellierten Substrat 2 nach Fig. 4a in einer perspektivischen Darstellung angegeben.
Insgesamt gesehen, richten sich in den Fig. 3 und 4a, 4b die Nanostäbchen bzw. Nanostäbchengeometrie an dem jeweiligen Plasmonresonanzgradient Aa oder da aus. Im Resonanzfall mit einer Wellenlänge des einfallenden Lichtes des optischen Anregungssignals 22 leiten die Nanostäbchen 3, 4, 5, 18, 19, 20, 21; 46, 47, 48 das die Resonanzinformation enthaltende Licht zum jeweiligen zugehörigen CCD-Pixel 10, 11, 12, 13, 14, 15, 16, 17; 10, 11 , 12, 13, 14, 15. Die Weiter- leitung betrifft im Allgemeinen also eine Übergabe von Intensitätsinformationen von den Nanostäbchen 3, 4, 5, 18, 20, 21; 46, 47, 48 aus in Richtung zu den Pixeln 10, 11 , 12, 13, 14, 15, 16, 17; 10, 11 , 12, 13, 14, 15 des Pixelfeldes 43. In Fig. 5a und 5b sind schematische Darstellungen eines wellenlängensensitiven plasmonisch aktiven Moduls 402 in einer Seitenansicht und in einer perspektivischen Ansicht zur spektral aufgelösten Detektion von einfallendem Licht mit dem optischen Anregungssignal 22 für einen Detektor gezeigt, wobei das Modul 402 zumindest besteht aus
- einem Substrat 2 als Trägermaterial und
- einem auf dem Substrat 2 aufgebrachten Feld 6 von substrathervorstehenden Nanostrukturen 50, 51, 52 in Form von Nanokugeln mit einer vorgegebenen Oberflächenplasmonresonanz,
wobei den Nanokugeln 50, 51, 52 Oberflächenplasmonresonanzen zugeordnet sind, die mit einer Ausbildung von mindestens einem stetigen Gradienten AR verbunden sind, wobei die Ausbildung des Gradienten AR abhängig ist von dem Material der Nanokugeln, von dem Durchmesser R der vorgegebenen Nanokugeln 50, 51, 52, von den Eigenschaften eines Umgebungsmediums 42 der Nanokugeln 50, 51 , 52 und/oder von einer vorgegebenen Position x, y des Nanokugel- feldes 6 relativ zu einem Detektionsvolumen, wobei R den Durchmesser der Nanokugeln 50, 51 , 52 und d den Abstand zwischen zwei benachbarten Nanokugeln darstellen.
Die Positionen x,y des Pixelfeldes 43 sind vorzugsweise einem der Pixeloberflä- che 33 zugehörigen xyz-Koordinatensystem 45 zugeordnet.
Das Substrat 2 in Fig. 4a und 4b ist zumindest mit den lichtempfindlichen Pixeln 10, 11, 12, 13, 14, 15 versehen, wobei direkt auf dem pixellierten Substrat 2 das Nanokugelfeld 6 der plasmonisch aktiven Nanokugeln 50, 51 , 52 aufgebracht ist, wobei das Nanokugelfeld 6 den stetigen Gradienten dR der Oberflächenplasmonresonanz der Nanokugeln 3, 4, 5, 18, 19, 20, 21 bezüglich des Durchmessers R aufweist, wobei der stetige Gradient dR sich über mindestens einen Pixel 10, 11, 12, 13, 14, 15 erstreckt und eine vorgegebene Anzahl von Nanokugeln 50, 51 , 52 jeweils einem Pixel 10, 11 , 12, 13, 14, 15 zugeordnet sind, die je nach Wellenlänge des einfallenden Lichtes 22 resonant auf das einfallende Licht 22 reagieren und durch ein überhöhtes optisches evaneszentes elektromagnetisches Feld oder durch verstärkte oder verminderte elektromagnetische Abstrahlung oder elektromagnetische Absorption ein elektrisches Signal in den entsprechenden lichtempfindlichen Pixeln 10, 11 , 12, 13, 14, 15 des pixellierten Substrats 2 erzeugen.
In Fig. 5b ist das Modul 402 perspektivisch dargestellt, das mit dem pixellierten Substrat 2 einen CCD-Chip ausbildet, der mit lichtempfindlichen CCD-Pixeln 10, 11 , 12, 13, 14, 15 und mit einem Freiraum 29 seitlich der Pixel 50, 51 und mit Zwischenräumen 30 zwischen den Pixeln 10, 11 , 12, 13, 14, 15 versehen ist, wobei einem Pixel 10, 1 1 , 12, 13, 14, 15 mindestens eine plasmonisch aktive Nano- kugel 50, 51 und wobei wahlweise dem Freiraum 29 Nanokugeln (nicht eingezeichnet) und den Zwischenräumen 30 ebenfalls Nanokugeln 52 zugeordnet sind, wobei die Nanokugeln 50, 51 , 52 im festen Verbund mit der Chip-Pixeloberfläche 33 angeordnet sind und wobei die vom Pixel 10, 11, 12, 13, 14, 15 gemessene Intensität mit der Intensität der entsprechenden Wellenlänge des einfallenden Lichts 22 korreliert, wodurch die spektrale Aufspaltung des einfallenden Lichtes 22 herbeigeführt wird.
Insgesamt gesehen, richten sich in den Fig. 5a, 5b die jeweiligen plasmonisch aktiven Nanostrukturen 50, 51 , 52 bzw. die Nanostrukturgeometrie an dem stetigen Plasmonresonanzgradienten dR aus. Im Resonanzfall mit einer Wellenlänge des einfallenden Lichtes - mit dem optischen Anregungssignal 22 - leiten die plasmonisch aktiven Nanostrukturen 50, 51 das die Resonanzinformation enthaltende Licht zum zutreffenden lichtempfindlichen CCD-Pixel 10, 11, 12, 13, 14, 15. Bezugszeichenliste
1 Element zur oberflächenverstärkten Spektroskopie
2 Substrat
3 Nanostruktur/Nanostäbchen
4 Nanostruktur/Nanostäbchen
5 Nanostruktur/Nanostäbchen
6 Nanostrukturfeld/Stäbchenfeld
7 Moleküle
8 Detektionsvolumen
9 Spektraler Gradient
10 Pixel
11 Pixel
12 Pixel
3 Pixel
14 Pixel
15 Pixel
16 Pixel
17 Pixel
18 Nanostruktur/Nanostäbchen
19 Nanostruktur/Nanostäbchen
20 Nanostruktur/Nanostäbchen
21 Nanostruktur/Nanostäbchen
22 Einfallendes Licht
23 Nanostruktur/Nanostäbchen
24 Nanostruktur/Nanostäbchen
25 Nanostruktur/Nanostäbchen
26 Nanostruktur/Nanostäbchen
27 Nanostruktur/Nanostäbchen
28 Nanostruktur/Nanostäbchen
29 Freiraum
30 Zwischenraum
31 Bewegungsrichtung
32 Steuereinheit 33 Chip-Pixeloberfläche
40 erfindungsgemäßes erstes Modul
401 Modul mit stetigem Gradienten da
402 Modul mit stetigem Gradienten dR
41 Vorrichtung zur Beleuchtung
42 Umgebungsmedium
43 Pixelfeld
44 Seitenkante
45 xyz-Koordinatensystem
46 Nanostäbchen
47 Nanostäbchen
48 Nanostäbchen
50 Nanokugel
51 Nanokugel
52 Nanokugel
53 Referenzmessgebiet
54 aktives Messgebiet
55 Trenneinrichtung a Länge
b Durchmesser
d Abstand
R Durchmesser
Δ stufenförmiger Gradient
d stetiger Gradient
x Koordinate
y Koordinate
z Koordinate
Aa stufenförmiger Gradient da stetiger Gradient
dR stetiger Gradient

Claims

Patentansprüche
1. Wellenlängensensitives plasmonisch aktives Modul (1 , 40, 401 , 402) zur spektral aufgelösten Detektion von Licht (22),
bestehend zumindest aus
- einem Substrat (2) als Trägermaterial und
- einem auf dem Substrat (2) aufgebrachten Feld (6) von substrathervorstehenden Nanostrukturen (3, 4, 5, 18, 19, 20, 21 ; 46, 47, 48; 50, 51 , 52) mit einer vorgegebenen Oberflächenplasmonresonanz,
wobei den plasmonisch aktiven Nanostrukturen (3, 4, 5, 18, 19, 20, 21; 46, 47, 48; 50, 51 , 52) Oberflächenplasmonresonanzen zugeordnet sind, die mit einer Ausbildung von mindestens einem Gradienten (ß, Δ) - einem stetigen Gradienten (d) und/oder einem stufenförmigen Gradienten (Δ) - verbunden sind, wobei die Ausbildung abhängig ist von dielektrische Funktionen aufwei- sendem Material der Nanostruktur (3, 4, 5, 18, 19, 20, 21; 46, 47, 48; 50, 51 , 52), von der Geometrie der vorgegebenen Nanostruktur (3, 4, 5, 18, 19, 20, 21; 46, 47, 48; 50, 51 , 52), von den Eigenschaften des Umgebungsmediums (42) der Nanostrukturen (3, 4, 5, 18, 19, 20, 21; 46, 47, 48; 50, 51, 52) und/oder von vorgegebenen Positionen (x, y) der Nanostrukturen (3, 4, 5, 18, 19, 20, 21 ; 46, 47, 48; 50, 51 , 52) relativ zu einem Detektionsvolumen, dadurch gekennzeichnet,
dass das Substrat (2) mit lichtempfindlichen Pixeln (10, 11, 12, 13, 14, 15, 16, 17) versehen ist, wobei im festen Verbund mit dem pixellierten Substrat (2) ein Feld (6) plasmonisch aktiver Nanostrukturen (3, 4, 5, 18, 19, 20, 21; 46, 47, 48; 50, 51, 52) auf dem Substrat (2) aufgebracht ist, wobei das Nanostruk- turfeld (6) mindestens einen Gradienten (d, Δ) der Oberflächenplasmonresonanz der Nanostrukturen (3, 4, 5, 18, 19, 20, 21 ; 46, 47, 48; 50, 51 , 52) aufweist, wobei sich der Gradient (d, Δ) über mindestens ein Pixel (10, 11, 12, 13, 14, 15, 16, 17) erstreckt und eine vorgegebene Anzahl von Nanostruktu- ren (3, 4, 5, 18, 19, 20, 21 ; 46, 47, 48; 50, 51 , 52) jeweils einem Pixel (10, 11 , 12, 13, 14, 15, 16, 17) zugeordnet sind, die je nach Wellenlänge des einfallenden Lichts (22) resonant auf das einfallende Licht (22) reagieren und durch ein überhöhtes optisches evaneszentes elektromagnetisches Feld oder durch verstärkte oder verminderte elektromagnetische Abstrahlung oder verstärkte oder verminderte elektromagnetische Absorption ein elektrisches Signal in den entsprechenden lichtempfindlichen Pixeln (10, 11, 12, 13, 14, 15, 16, 17) des pixellierten Substrats (2) erzeugen.
2. Modul nach Anspruch 1 ,
dadurch gekennzeichnet,
dass als pixelliertes Substrat (2) ein CCD-Chip vorgesehen ist, der mit lichtempfindlichen CCD-Pixeln (10, 11 , 12, 13, 14, 15, 16, 17) und mit Freiräumen (29) sowie mit Zwischenräumen (30) zwischen den Pixeln (10, 11, 12, 13, 14, 15, 16, 17) versehen ist, wobei einem lichtempfindlichen Pixel (10, 11 , 12, 13, 14, 15, 16, 17) mindestens eine plasmonisch aktive Nanostruktur (3, 4, 5, 18, 19, 20, 21 ; 46, 47, 48; 50, 51, 52) und wahlweise den Freiräumen (29) und den Zwischenräumen (30) mindestens eine plasmonisch aktive Nanostruktur (23, 24, 25, 26, 27, 28; 48; 52) zugeordnet sind, wobei die Nanostrukturen (3, 4, 5, 18, 19, 20, 21; 23, 24, 25, 26, 27, 28; 46, 47, 48; 50, 51, 52) auf der Chip-Pixel-oberfläche (33) angeordnet sind und wobei die vom Pixel (10, 11, 12, 13, 14, 15, 16, 17) gemessene Intensität mit der Intensität der entsprechenden Wellenlänge des einfallenden Lichts (22) korreliert, wodurch eine spektrale Aufspaltung des einfallenden Lichts (22) herbeigeführt wird.
3. Modul nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet,
dass die plasmonisch aktiven Nanostrukturen (3, 4, 5, 18, 19, 20, 21 , 23, 24, 25, 26, 27, 28; 46, 47, 48; 50, 51, 52) und die Nanostrukturgeometrie sich an dem zugehörigen Plasmonresonanzgradient (d, Δ) ausrichten, wobei im Resonanzfall mit einer Wellenlänge des einfallenden Lichts (22) die Nanostruktur (3, 4, 5, 18, 19, 20, 21 ; 46, 47; 50, 51) die einfallende elektromagnetische Welle zum jeweiligen lichtempfindlichen CCD-Pixel (10, 11, 12, 13, 14, 15, 16, 17) leitet.
4. Modul nach den Ansprüchen 1 bis 3,
dadurch gekennzeichnet, dass die plasmonisch aktiven Nanostrukturen (3, 4, 5, 18, 19, 20, 21 , 23, 24, 25, 26, 27, 28; 46, 47, 48; 50, 51 , 52) aus wellenlängensensitivem plasmonisch aktivem Material bestehen. 5. Modul nach einem der Ansprüche 1 bis 4,
dadurch gekennzeichnet,
dass die plasmonisch aktiven Nanostrukturen (3, 4,
5, 18, 19, 20, 21 , 23, 24, 25, 26, 27, 28; 46, 47, 48) auf dem pixellierten Substrat (2) als Stäbchen ausgebildet sind, wobei die Stäbchen flach auf dem pixellierten Substrat (2) lie- gen oder senkrecht vom Substrat (2) abstehen oder in einem vorgegebenen Winkel zum Substrat (2) orientiert sind.
6. Modul nach einem der Ansprüche 1 bis 4,
dadurch gekennzeichnet,
dass die plasmonisch aktiven Nanostrukturen (50, 51, 52) auf dem pixellierten Substrat (2) als Kugeln oder als andere Geometriekörper mit jeweils vorgegebener Ausrichtung ausgebildet sind.
7. Modul nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
dass der Plasmonresonanzgradient (3, Δ) in mindestens einer x-Richtung oder gegebenenfalls auch in einer zweiten y-Richtung senkrecht zur x-Richtung ausgebildet ist.
8. Modul nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
dass der Plasmonresonanzgradient (d, Δ) zumindest durch einen Formgradienten (d, Δ), einen Größengradienten (d, Δ) in z-Richtung des xyz- Koordinatensystems (45), einen Abstandsgradienten (d, A) und/oder einen Materialgradienten (d, Δ) der Nanostrukturen (3, 4, 5, 18, 19, 20, 21) und/oder einen Gradienten (d, A) des Umgebungsmediums (42) linear in x- und y- Richtung eingestellt ist.
9. Modul nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
dass der Plasmonresonanzgradient (d, Δ) nichtlinear in x- und/oder y-Richtung verläuft, wobei der Gradient (d, Δ) so ausgebildet ist, dass nicht die Reso- nanzfrequenz linear in x- und/oder y-Richtung, sondern die abgestrahlte/absorbierte Intensität linear in x- und/oder y-Richtung vorliegt.
10. Modul nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Formen der Nanostrukturen zur Ausbildung des Gradienten (d, Δ) ineinander übergehen.
11. Modul nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
dass der Plasmonresonanzgradient (d, Δ) derart gestaltet ist, dass auf jeden lichtempfindlichen Pixel (10, 11 , 12, 13, 14, 15, 16, 17) nur eine Resonanzfrequenz entweder bei ausreichend flachem Gradienten (d, Δ) oder bei großem Nanostrukturabstand (d) vorliegt. 12. Modul nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
dass das Nanostrukturfeld (6) derart vorgegeben ist, dass eine spektrale Änderung eines Intensitätsmaximums im Anregungslicht des optischen Anregungssignals (22) zu einer lateralen Verschiebung des Resonanzfalles inner- halb des Nanostrukturfeldes (6) über mindestens einen Teil der Breite eines Pixels (10, 11,
12, 13, 14, 15, 16, 17) führt.
13. Modul nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche,
dass in dem Nanostrukturfeld (6) Nanostrukturen vorhanden sind, von denen zumindest ein Nanostrukturteil der Nanostrukturen mit plasmonisch aktivem Material versehen ist, wobei der Nanostrukturteil als plasmonisch aktiver Teil ausgebildet ist.
14. Modul nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
dass das Pixelfeld (43) derart ausgebildet ist, dass
o zumindest eine eindimensionale Pixelzeile oder ein zweidimensionales Pixelfeld (43) und/oder
o ein Abstand zwischen dem lichtempfindlichen Pixelfeld (43) und den auf dem Substrat (2) aufgebrachten Nanostrukturen, wobei der Abstand eine Distanz zwischen dem Pixel (10, 11, 12, 13, 14, 15, 16, 17) auf der Pixeloberfläche (33) und dem plasmonisch aktiven Teil der Na- nostruktur (3, 4, 5, 18, 19, 20, 21 ; 23, 24, 25, 26, 27, 28; 46, 47, 48; 50,
51, 52) innerhalb der jeweiligen Nanostruktur ist,
vorgesehen sind.
15. Modul nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
dass im Fall eines eindimensionalen Plasmonresonanzgradienten (d, Δ) sich der Plasmonresonanzgradient (d, Δ) parallel zu einer Seitenkante (44) des rechtwinkligen Pixelfeldes (6) befindet, wobei die Intensitätsinformation aller Pixel (10, 11 , 12, 13, 14, 15, 16, 17) senkrecht zu der Seitenkante (44) zei- lenweise integrierbar sind.
16. Modul nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
dass die jeweiligen lichtempfindlichen Pixel (10, 1 1, 12, 13, 14, 15, 16, 17) des pixellierten Substrats (2) mit Elektroden oder einem Elektrodensystem versehen sind, die/das mit einer Steuereinheit (32) energieversorgungs- und signaltechnisch verbunden sind/ist, die dem Modul (1) wahlweise substratintern zugeordnet ist, wobei der Steuereinheit (32) zumindest eine Auswerteeinheit zugeordnet ist.
17. Modul nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass bei Änderung des Brechungsindex (n) im Umgebungsmedium (42) des Nanostrukturfeldes (6) sich der Plasmonresonanzgradient (3, Δ) innerhalb des Nanostrukturfeldes (6) verschiebt und, da die Resonanzbedingung an einem anderen Ort (x, y) erfüllt wird, das Pixelfeld (43) eine lateral verschobene In- tensitätsverteilung ΔΙ(χ) oder Δΐ(λ) erfasst, wobei l(x) die Intensitätsverteilung auf der Pixeloberfläche (33) und Ι(λ) die Intensitätsverteilung im optischen An- regungssignal (22) sind.
18. Modul nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeich net,
dass auf dem Nanostrukturfeld (6) ein Referenzmessgebiet (53) vorgesehen ist, in welchem der Brechungsindex (nref) nicht verändert wird und die laterale Intensitätsverteilung (lref(A)) somit erhalten bleibt, wobei der Vergleich zwischen dem Referenzmessgebiet (53) des Nanostrukturfeldes (6) mit dem vor- gegebenen Brechungsindex (nref) mit der Intensitätsverteilung lref(A) = (K) und dem aktiven Messgebiet (54) des Nanostrukturfeldes (6) mit dem unbekannten, zu bestimmenden Brechungsindex (n) mit der Intensitätsverteilung (Ι2(λ)) eine Bestimmung des Brechungsindex (n) des im Messgebiet (54) befindlichen Umgebungsmediums (42) ermöglicht.
19. Modul nach Anspruch 18,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Verschiebung (Δΐ(λ)) der spektral resonanten Intensitätsverteilung Δΐ(λ) = Ι^λ) - Ι2(λ) bei gleicher Wellenlänge (λ) im optischen Anregungslicht (22) vor und nach der Verschiebung mit der Intensitätsänderung Δΐ(χ) = h(x) - l2(x) am gleichen Ort (x) auf der Pixeloberfläche (33) verbunden ist mit der Änderung des Brechungsindex (n) des Umgebungsmediums (42) und eine Messung der Änderung (Δη) des Brechungsindex (n) durchgeführt wird, wobei Ιι(λ) und li(x) die Intensitätsverteilungen vor der Änderung des Brechungsin- dex (n) und iref(A) und lref(x) die Intensitätsverteilungen bezogen auf eine Referenzmessung mit einem Referenzbrechungsindex (nref) sind, während fe(A) und l2(x) die Intensitätsverteilungen nach der Änderung des Brechungsindex (n) sind, so dass der Brechungsindex (n) des Umgebungsmediums (42) mit folgenden Beziehungen bezogen auf die Brechungsindexänderung (Δη) bestimmbar ist:
Δη = ί [ χ2(λ) - χ2(λ) ]
mit Δχ = χ2(λ) - χ (λ) und Brechungsindex n = nref + Δη,
wobei gleiche Zusammenhänge auch für die laterale Verschiebung in Richtung der y-Koordinate oder der beiden x,y-Koordinaten auf dem Pixelfeld (43) gelten.
20. Verwendung des Moduls (40, 401, 402) nach den Ansprüchen 1 bis 19 zur spektral aufgelösten Detektion von einfallendem Licht eines optischen Anregungssignals (22) für einen Detektor eines Spektralapparates.
21. Verwendung des Moduls (40, 401, 402) nach den Ansprüchen 1 bis 19 zur Bestimmung von Flüssigkeiten oder Biomolekülen und/oder Gasmolekülen, die als Umgebungsmedium (42) in den Modul (40, 401 , 402) eingebunden sind.
22. Verwendung des Moduls (40, 401 , 402) nach den Ansprüchen 1 bis 19 zur Ausbildung von Farbfiltern oder zur Ausbildung von Temperatursensoren.
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Cited By (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN103185973A (zh) * 2013-03-11 2013-07-03 北京大学 一种表面等离激元波长选择器件
JP2017116560A (ja) * 2017-03-29 2017-06-29 セイコーエプソン株式会社 検出装置
WO2017184109A1 (en) 2016-04-18 2017-10-26 Hewlett-Packard Development Company, L.P. Simultaneous detection of multiple spectra of scattered radiation
CN108025909A (zh) * 2015-08-14 2018-05-11 马克斯-普朗克科学促进学会 在单一衬底上包括多个纳米结构梯度的纳米结构化衬底的制造
US11067507B2 (en) * 2017-06-01 2021-07-20 Versitech Limited Sensors with gradient nanostructures and associated method of use

Families Citing this family (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE102012214932B4 (de) 2012-08-22 2023-08-24 Carl Zeiss Microscopy Gmbh Testprobenvorrichtung und Testverfahren für ein optisches, im Sub-Wellenlängenbereich auflösendes Mikroskop
CN106062537A (zh) 2013-12-24 2016-10-26 阿卜杜拉国王科技大学 包括纳米结构的分析设备

Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US6242264B1 (en) 1996-09-04 2001-06-05 The Penn State Research Foundation Self-assembled metal colloid monolayers having size and density gradients
US6838121B2 (en) 2001-05-10 2005-01-04 Zyvex Corporation System and method for controlling deposition parameters in producing a surface to tune the surface's plasmon resonance wavelength
US7267948B2 (en) 1997-11-26 2007-09-11 Ut-Battelle, Llc SERS diagnostic platforms, methods and systems microarrays, biosensors and biochips
WO2008082569A1 (en) * 2006-12-29 2008-07-10 Nanolambda, Inc. Wavelength selective metallic embossing nanostructure
WO2009009077A2 (en) * 2007-07-10 2009-01-15 Nanolambda, Inc. Digital filter spectrum sensor
DE102007037201A1 (de) * 2007-07-31 2009-02-05 Technische Universität Dresden Element zur oberflächenverstärkten Spektroskopie und Verfahren zur Herstellung eines Elements
US20090103095A1 (en) * 2007-10-18 2009-04-23 Beausoleil Raymond G Sensor using plasmon resonance

Patent Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US6242264B1 (en) 1996-09-04 2001-06-05 The Penn State Research Foundation Self-assembled metal colloid monolayers having size and density gradients
US7267948B2 (en) 1997-11-26 2007-09-11 Ut-Battelle, Llc SERS diagnostic platforms, methods and systems microarrays, biosensors and biochips
US6838121B2 (en) 2001-05-10 2005-01-04 Zyvex Corporation System and method for controlling deposition parameters in producing a surface to tune the surface's plasmon resonance wavelength
WO2008082569A1 (en) * 2006-12-29 2008-07-10 Nanolambda, Inc. Wavelength selective metallic embossing nanostructure
WO2009009077A2 (en) * 2007-07-10 2009-01-15 Nanolambda, Inc. Digital filter spectrum sensor
DE102007037201A1 (de) * 2007-07-31 2009-02-05 Technische Universität Dresden Element zur oberflächenverstärkten Spektroskopie und Verfahren zur Herstellung eines Elements
US20090103095A1 (en) * 2007-10-18 2009-04-23 Beausoleil Raymond G Sensor using plasmon resonance

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
TODERAS ET AL.: "Controlling gold nanoparticle assemblies for efficient surfaceenhanced Raman scattering and localized surface plasmon resonance sensors", NANOTECHNOLOGY, vol. 18, 2007, pages 255702

Cited By (11)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN103185973A (zh) * 2013-03-11 2013-07-03 北京大学 一种表面等离激元波长选择器件
CN103185973B (zh) * 2013-03-11 2016-04-06 北京大学 一种表面等离激元波长选择器件
CN108025909A (zh) * 2015-08-14 2018-05-11 马克斯-普朗克科学促进学会 在单一衬底上包括多个纳米结构梯度的纳米结构化衬底的制造
CN108025909B (zh) * 2015-08-14 2023-04-04 马克斯-普朗克科学促进学会 在单一衬底上包括多个纳米结构梯度的纳米结构化衬底的制造
WO2017184109A1 (en) 2016-04-18 2017-10-26 Hewlett-Packard Development Company, L.P. Simultaneous detection of multiple spectra of scattered radiation
CN108603839A (zh) * 2016-04-18 2018-09-28 惠普发展公司，有限责任合伙企业 散射辐射的多重光谱的同时检测
EP3446103A4 (de) * 2016-04-18 2019-12-11 Hewlett-Packard Development Company, L.P. Simultane erfassung mehrerer spektren von streustrahlung
US10527552B2 (en) 2016-04-18 2020-01-07 Hewlett-Packard Development Company, L.P. Simultaneous detection of multiple spectra of scattered radiation
US11067513B2 (en) 2016-04-18 2021-07-20 Hewlett-Packard Development Company, L.P. Simultaneous detection of multiple spectra of scattered radiation
JP2017116560A (ja) * 2017-03-29 2017-06-29 セイコーエプソン株式会社 検出装置
US11067507B2 (en) * 2017-06-01 2021-07-20 Versitech Limited Sensors with gradient nanostructures and associated method of use

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