專利名稱：檢測(cè)電介質(zhì)折射率變化的設(shè)備和方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及表面等離子體振子共振現(xiàn)象，檢測(cè)電介質(zhì)折射率的變化。
背景技術(shù)：
用表面等離子體振子共振檢測(cè)法(SPR)來檢測(cè)鄰近金屬表面的電解液折射率是通常所用的方法。
表面等離子體振子波是橫向磁化的電磁波，它從金屬和電介質(zhì)的連接界面?zhèn)鞑?，在連接處的金屬性質(zhì)與自由電子相似。等離子體振體波以傳播矢量(波矢)的形式表現(xiàn)，在滿足一定條件下才會(huì)被激發(fā)。如果金屬介質(zhì)和電介質(zhì)是半無限的，那么等離子體振子傳播矢量ksp由如下方程給出kSP=2πλnmndnm2+nd2=2πλϵmϵdϵd+ϵd]]>這里λ表示波長，nm和nd分別表示金屬和電介質(zhì)的折射率(εm和εd表示電介質(zhì)常數(shù)，n=ϵ]]>)。
等離子體振子共振現(xiàn)象的產(chǎn)生，需要滿足以下條件金屬的電介質(zhì)常數(shù)的實(shí)部為負(fù)，Re[εm]＜0，Re[εd]＜-Re[εm]，并且產(chǎn)生的波必須是橫向磁化(TM)的。滿足這些條件的金屬中，金和銀是最常用的。在金屬和電介質(zhì)的連接界面，表面等離子體振子的電磁場(chǎng)具有最大的磁場(chǎng)強(qiáng)度，并向介質(zhì)中指數(shù)衰減，圖1中清楚的顯示了這一現(xiàn)象(圖中顯示了在金屬100和電介質(zhì)200連接界面處波的指數(shù)衰減)。
由此可知，表面等離子體振子波的激發(fā)很大程度上取決于電介質(zhì)的電介質(zhì)常數(shù)(或折射率)。
激發(fā)這種表面波有很多方法，例如，可用電子激發(fā)的方法或光照激發(fā)的方法。然而表面等離子體振子波不能由在金屬表面反射的燈光直接激發(fā)。因?yàn)楣獾牟ㄊ缸袷叵铝蟹匠蘫LIGHT=2πλϵdsinθ]]>
這里θ是光的入射角，λ為波長。為了使激發(fā)產(chǎn)生，兩者波矢必須相等。在光入射角為任意值時(shí)，比較等離子體振子波矢和光波矢如下|kLUZ|＜|kSP|還有幾種技術(shù)可以應(yīng)用于用光激發(fā)表面等離子體振子波，在這其中，我們強(qiáng)調(diào)以下幾點(diǎn)a)棱鏡耦合技術(shù)(如圖2中所示)這里用到棱鏡10，折射率為np，電介質(zhì)常數(shù)為εp的電介質(zhì)200，這里由于光路的改變使εp＞εd，在這兩者之間還放置了一個(gè)具有特定厚度(由光波的波長和所用金屬?zèng)Q定)的金屬薄板。在圖2中，kx0是光波矢量在空氣中的分量，與折射表面平行(ε0是空氣電介質(zhì)常數(shù))，kxp是光波矢量在棱鏡中的分量，與反射表面平行(εp是棱鏡電介質(zhì)常數(shù))，kSP是等離子體振子的傳播矢量。
激發(fā)現(xiàn)象由光在棱鏡和金屬之間的全反射產(chǎn)生，等離子體振子就在金屬和電介質(zhì)的連接界面上產(chǎn)生，測(cè)量也這里進(jìn)行。在配置中，金屬層的厚度是用來決定等離子體振子共振的最根本的參數(shù)。最佳的厚度可由很多種方法得出，如可通過M.Shuber的Polarization-dependent optical parameters of arbitrarily anisotropichomogeneous layered media，Physical Review B，vol.53，p.4265(1996)一文中的公式得出。
(b)設(shè)計(jì)周期性的結(jié)構(gòu)，如金屬層上的柵格。用這種方法，將產(chǎn)生光的衍射現(xiàn)象，它將指向周期結(jié)構(gòu)，并導(dǎo)致光波矢量的增強(qiáng)。
kLIGHT=2πλϵdsinθ+N2πΛ]]>這里，Λ是周期結(jié)構(gòu)的周期，N為光的衍射次數(shù)。用這種方法，金屬層的厚度不再是重要的參數(shù)，但是周期和周期結(jié)構(gòu)的深度將十分重要。
(c)用波導(dǎo)設(shè)備或光導(dǎo)纖維引導(dǎo)光。激發(fā)現(xiàn)象通過光在波導(dǎo)設(shè)備或光導(dǎo)纖維的核心處被限制而產(chǎn)生的逐漸消失的場(chǎng)來產(chǎn)生。
傳統(tǒng)上，這些由光的入射激發(fā)表面等離子體振子的方法往往被用于測(cè)量/檢測(cè)電介質(zhì)折射率變化的的系統(tǒng)中(可能，特別用于棱鏡耦合系統(tǒng)中)。
這些測(cè)量和檢測(cè)系統(tǒng)基于一個(gè)事實(shí)，就是等離子體振子共振的激發(fā)條件取決于電介質(zhì)的折射率nd。這就意味著，如果折射率改變，等離子體振子的激發(fā)條件也會(huì)相應(yīng)的改變。在共振的時(shí)候，這種變化可以由不同的方法檢測(cè)到，如在波長一定的條件下，在配置好的棱鏡耦合設(shè)備中，由光的入射角來分析光從金屬的反射。
圖3A給出了一種測(cè)電介質(zhì)折射率變化的已知設(shè)備，其中包含一個(gè)帶有橫向磁化偏振的單色光源20(也就是“TM偏振”或者是“p偏振”，如在光的入射表面的電場(chǎng))，一個(gè)光強(qiáng)檢測(cè)器30，它連接到一個(gè)電子數(shù)據(jù)處理設(shè)備40，這個(gè)設(shè)備用來接收分析光強(qiáng)檢測(cè)器的輸出。另外，此設(shè)備還包含一個(gè)耦合棱鏡10，一個(gè)薄金屬層100(通常是金)，它放在棱鏡10表面上，在金屬層另一表面還有一個(gè)電介質(zhì)200(如液體)，也就是與金屬層表面接觸，但不與棱鏡表面接觸。光21經(jīng)金屬層反射，并且反射光指向光強(qiáng)探測(cè)器30，用它來探測(cè)光的強(qiáng)度并由電子數(shù)據(jù)處理設(shè)備40記錄其數(shù)據(jù)。
圖3B給出了棱鏡10和金屬層100如何根據(jù)光源20旋轉(zhuǎn)，從而使得光的入射角θ21取不同值(這可以通過同時(shí)或分別移動(dòng)光源和由棱鏡10和金屬層100組成的單位體實(shí)現(xiàn))。
正如上面所解釋的，等離子體振子的激發(fā)條件依賴于幾個(gè)因素，如光的波長，入射角θ和折射率nd。如果所示配置的初始入射角很小，并且逐漸增加，當(dāng)它達(dá)到一個(gè)值時(shí)，全反射就會(huì)在棱鏡10和金屬平面或金屬層100的相交界面發(fā)生。如果這個(gè)入射角θ繼續(xù)增加，反射的光強(qiáng)將發(fā)生很大衰減，直到一個(gè)最小值，這時(shí)等離子體振子波的激發(fā)現(xiàn)象將金屬的另一表面同時(shí)進(jìn)行。等離子體共振的激發(fā)條件依賴于入射角θ和電介質(zhì)折射率(nd)，當(dāng)其它參數(shù)(如電介質(zhì)常數(shù)εm和其它金屬層特性)保持不變，電介質(zhì)折射率(nd)和入射角θ的改變將導(dǎo)致最小強(qiáng)度反射光的產(chǎn)生。
圖4表示在兩個(gè)不同折射率(nd1＜nd2)下的，以入射角θ為自變量，反映與TM偏振相關(guān)的反射光強(qiáng)度(由檢測(cè)器30測(cè)出)的函數(shù)的曲線。正如圖中觀察可知，折射率從nd1到nd2的增長引起了Rpp(θ)曲線向右邊的移動(dòng)，這是由于入射角的增長，從而產(chǎn)生等離子體振子的激發(fā)。用這種方法，通過掃描θ值，產(chǎn)生激勵(lì)現(xiàn)象的角度變化就能夠被計(jì)算出來，并且這個(gè)變化涉及了電介質(zhì)200的折射率的變化。
也就是說，量化在共振發(fā)生時(shí)角度的變化提供了一種測(cè)量折射率變化的方法。另一方面，根據(jù)共振時(shí)曲線的狹窄的程度，共振時(shí)角度變化的靈敏度也可以被檢測(cè)出來。在這種方法實(shí)行依賴于所用金屬，層的厚度和光的波長。通常配置為50nm的金層和632nm的波長。
另一種檢測(cè)折射率變化的方法是保持入射角θ一定，去測(cè)量反射率(在圖4中，如果使θ＝72，折射率從nd1到nd2的增加將能由反射率的增加表示出來，等等)。在上面的情況下，傳感器的靈敏度取決于共振頂點(diǎn)的狹窄程度。
如果不是改變?nèi)肷浣铅?，而是改變光的波長，則也可以達(dá)到同樣的效果，當(dāng)與金質(zhì)層相臨近的電介質(zhì)的折射率發(fā)生改變的時(shí)候，諧振波峰就會(huì)發(fā)生移動(dòng)。這同樣適合與周期性結(jié)構(gòu)激發(fā)和波導(dǎo)管激發(fā)。
現(xiàn)在，有很多的系統(tǒng)可以檢測(cè)出基于表面等離子體振子共振的折射率變化；已公開的此類系統(tǒng)有US-A-5912456US-A-5485277US-A-2003103208顯然，這種傳感器的直接應(yīng)用就是折射計(jì)(用于測(cè)量折射率的變化量)。然而，目前，這種傳感器另一個(gè)重要的應(yīng)用就是生物傳感器和化學(xué)傳感器。電介質(zhì)內(nèi)的表面等離子體振子波的漸消失場(chǎng)的穿透距離是100nm。因此，發(fā)生在金屬層表面的生物分子的相互作用將局部地改變表面折射率。這種變化將會(huì)輪流地在等離子體振子的傳播矢量上引起變化，并且，結(jié)果是，使其處于共振狀態(tài)。通過前面提到的方法可以找到這個(gè)變化。
如圖5所示，生物傳感器的使用是基于預(yù)先將受體生物210固定于金屬層表面100。這些受體生物可以被選擇性地限制為分析物分子220，且其可以被找到其可以存在于與金屬層相接觸的液體中。當(dāng)分析物分子220被限定為受體生物210時(shí)，金屬層表面的折射率將會(huì)再次局部發(fā)生改變，而這將會(huì)輪流改變等離子體振子共振條件。
目前，有許多的商業(yè)設(shè)備，還有很多的文章描述不同類型的測(cè)量設(shè)備和這種傳感器的應(yīng)用。
表面等離子體共振傳感器在檢測(cè)折射率變化方面一般具有很高的靈敏度，就像低生物濃聚物一樣的好。然而，有時(shí)候，他們卻不夠靈敏，例如目前我們都知道，傳感器在檢測(cè)折射率變化量低于10-5，當(dāng)用作生物傳感器時(shí)分子的重量很輕(低于1000單位原子量)時(shí)存在問題。用這種方法去檢測(cè)特定的物質(zhì)比如化學(xué)有毒物質(zhì)或者環(huán)境污染藥劑等是復(fù)雜的并且是不能被恰當(dāng)直接地去執(zhí)行(用上面提到的技術(shù))。

發(fā)明內(nèi)容
為解決這些問題，本發(fā)明的一個(gè)目的就是增加表面等離子共振傳感器的靈敏度極限。
為此，本發(fā)明利用下面這個(gè)事實(shí)不是只有貴金屬(如黃金，白銀等)才能制造表面等離子體振子波。還有其它的金屬，如鐵磁金屬(例如鐵，鈷，鎳)，由于他們的某些光學(xué)特性也可以用來制造等離子體振子波。然而，如圖6所示，這些等離振子顯示很強(qiáng)的吸收性，這是在等離子體振子的寬廣曲線下的變換，圖中比較了TM偏振光(Rpp)根據(jù)入射角θ的50nm金(Au)層和20nm的鈷(Co)且其波長為632nm(nd1和nd2為鄰近電介質(zhì)的不同的折射率且nd1＜nd2)，這些寬曲線首先暗示著檢測(cè)折射率變化的低靈敏性。
然而，鐵磁材料是磁光活性材料，例如，當(dāng)他們受磁場(chǎng)影響，改變他們的磁化狀態(tài)，改變與他們相互作用光的光學(xué)性質(zhì)。這些材料的典型作用是磁性材料反射和發(fā)射的光的極化平面的旋度，克爾和法拉第旋度，分別改變發(fā)射率，傳遞率，二向色性和雙折射作用。
盡管，如上所述，使用鐵磁采用的表面等離子體振子波有很強(qiáng)的吸收性，但是，當(dāng)?shù)入x子體振子在這些層上激發(fā)時(shí)，磁光性將會(huì)大大增強(qiáng)，具體請(qǐng)參看以下文章P.E.Ferguson，O.M.Stapsudd，and R.F.Wallis，Enhancement of the transverse Kerrmagneto-optic effect by surface magnetoplasma waves(表面磁等離子體波的橫向克爾磁光效應(yīng)增強(qiáng))，Physica vol.89B，pp.91-94(1977)C.Hermann，V.A.Kosobukin，G.Lampel，et al，Surface-enhanced magneto-opticsin metallic multilayer films(金屬多層薄膜磁光表面增強(qiáng))，Phys.Rev.B，vol.64，235422(2001)磁光效應(yīng)依賴于磁化的方向；圖7A-7C，簡(jiǎn)要地說明鐵磁材料的層300的磁化強(qiáng)度，在那上面TM偏振光線21下降(光入射平面22內(nèi)部電場(chǎng))，也就是說圖7A極性結(jié)構(gòu)，即磁化強(qiáng)度M垂直于層面。
圖7B縱向結(jié)構(gòu)，即磁化強(qiáng)度M平行于光入射面，平行于層面。
圖7C橫向結(jié)構(gòu)，即磁化強(qiáng)度M垂直于光入射面，平行于層面。
因此，當(dāng)?shù)入x振子被激化時(shí)磁光效應(yīng)可分解如下a)當(dāng)磁化強(qiáng)度為極化結(jié)構(gòu)時(shí)，旋度和反射光的極化平面的橢圓率增加。圖8顯示了旋度“r”和橢圓度“e”與光21的入射角為θ的函數(shù)關(guān)系，且他們是棱鏡耦合結(jié)構(gòu)，在鐵磁材料的層上，如果這樣的話，在20nm鈷層上，為極化磁化強(qiáng)度。
b)當(dāng)磁化強(qiáng)度為縱向結(jié)構(gòu)時(shí)，旋度和反射光的極化平面的橢圓率增加。這種結(jié)構(gòu)磁光效應(yīng)一般小于極化結(jié)構(gòu)。
c)當(dāng)磁化強(qiáng)度為橫向結(jié)構(gòu)時(shí)，TM偏振光反射率Rpp的相對(duì)變化量δpp增大。而且δpp也可以定義為2個(gè)已給磁化強(qiáng)度(M1和M2)(橫向狀態(tài))反射率(Rpp)的差分除以基準(zhǔn)磁化強(qiáng)度狀態(tài)(Mref)的反射率δpp=ΔRppPppREF=Rpp(M1)-Rpp(M2)Rpp(Mref)]]>這兩個(gè)給定的磁化強(qiáng)度狀態(tài)也可以是相反方向的飽和磁化強(qiáng)度M，即ΔRpp＝Rpp(M)-Rpp(-M)而且，它也可以去測(cè)量非相反磁化狀態(tài)的反射率，如ΔRpp＝Rpp(M)-Rpp(0)一般認(rèn)為基準(zhǔn)反射率為Rpp(Mref)＝Rpp(0)也有些地方使用其它的基準(zhǔn)反射率如Rpp(Mref)=Rpp(M)+Rpp(-M)2]]>圖9顯示了反射率的相對(duì)變化δpp=Rpp(M)-Rpp(0)Rpp(0)]]>其為棱鏡耦合結(jié)構(gòu)，20nm的鈷層，橫向磁化結(jié)構(gòu)的關(guān)于入射角θ的函數(shù)。因此，在這種測(cè)量結(jié)構(gòu)中，必須有在M1和M2狀態(tài)之間橫向磁化強(qiáng)度的連續(xù)變化，而且他們也是可以獲得的，例如，通過在層上包含旋轉(zhuǎn)的磁化強(qiáng)度。
在出現(xiàn)表面等離子振子，波磁光效應(yīng)的增長已經(jīng)應(yīng)用于磁光轉(zhuǎn)換器來再制造已記錄于磁介質(zhì)的信息。已公開的資料如US-A-3636535和US-A-3545840。
本發(fā)明的創(chuàng)新在于出現(xiàn)表面等離子振子波利用磁光效應(yīng)以改善基于等離子振子共振的折射光傳感器的靈敏度。也就是說，本發(fā)明是基于鐵磁材料的磁光效應(yīng)和金屬，電解質(zhì)交接處的表面等離子振子共振。這兩種現(xiàn)象的聯(lián)合增長了磁光效應(yīng)。就像在常規(guī)等離子振子共振的情況下，這種磁光效應(yīng)得增長依賴于和表面等離子振子相接觸的電解質(zhì)的折射率。磁光效應(yīng)得增長在等離子振子共振上是非常受到局限的。因此，它將對(duì)折射率的變化非常的敏感，也允許增加傳感器靈敏度限制。因此，折射率的小的變化將會(huì)引起磁光效應(yīng)的巨大變化。
這樣，本發(fā)明第一方面就是檢測(cè)電解質(zhì)折射率變化的設(shè)備。該設(shè)備至少由以下幾個(gè)部件組成-至少有一個(gè)設(shè)定為與電解質(zhì)相接觸的金屬層(舉例來說，直接與電解質(zhì)相接觸或者被幾個(gè)有保護(hù)作用的附加層相分開)。
-至少有一個(gè)設(shè)定為朝向該金屬層的直接橫向磁性偏振光(如“TM極化”或“P極化”，也就是入射光平面有電場(chǎng))的光源，這樣光就在這樣的金屬層上反射。
連接工具把光線和金屬層耦合在一起，這樣當(dāng)光線照射到金屬層時(shí)，光線就可以激發(fā)金屬層表面等離子體振子共振。這種連接工具可以由一個(gè)比完成測(cè)量的電介質(zhì)折射率更大的棱鏡構(gòu)成(金屬層可以沉著在棱鏡表面，所以光線要通過棱鏡到達(dá)金屬層表面)。另一方面，連接工具也可以由一種周期性的結(jié)構(gòu)構(gòu)成，例如在光線照射的金屬層表面上的柵格，或者是用波導(dǎo)管或光導(dǎo)纖維接收光線這樣能夠讓光線沿導(dǎo)管傳播，而且它的漸消失域可以激發(fā)金屬層表面等離子體振子。通常在這種設(shè)備中這種連接工具有大量的應(yīng)用，作為常規(guī)方法，也可以在發(fā)明中直接應(yīng)用。
至少用一個(gè)檢測(cè)器接收金屬層反射的光線并加以檢測(cè)，至少能檢測(cè)出光線的一個(gè)特征(譬如它的旋度、橢圓度、強(qiáng)度)；檢測(cè)器能產(chǎn)生一個(gè)檢測(cè)特征的值的相關(guān)的(譬如比例)輸出信號(hào)。
根據(jù)本發(fā)明，金屬層(如果有多個(gè)金屬層，那么至少其中之一)有一種鐵磁性材料(例如鐵、鈷、鎳)。舉幾個(gè)例子，金屬層可以由鐵磁性材料制成(只有一種鐵磁性材料或多種鐵磁性材料的化合物皆可)；由至少一種鐵磁性材料和至少一種非鐵磁性材料的合金構(gòu)成；由磁性粒子(例如毫微粒，微粒等)嵌入金屬介質(zhì)(例如鈷粒子嵌入金)加工而成；或者由一組帶磁性的金屬粒子嵌入電介質(zhì)加工而成。
盡管鐵磁性材料是顯而易見的，乍一看，這種應(yīng)用形式不如常規(guī)應(yīng)用的金屬(主要是金和銀，它們的等離子體振子共振波要比鐵磁性材料要窄)適合，如果我們依靠等離子體振子共振利來使磁光效應(yīng)增強(qiáng)，那么它們的使用允許靈敏度就被增強(qiáng)了。這樣，本發(fā)明的傳感器或檢測(cè)器與有鐵磁性材料的曾可以方便的磁化，這樣就能極大的提升靈敏度。
這種設(shè)備可以包括磁化工具配置來磁化金屬層。這種磁化工具可以由設(shè)備的總控制系統(tǒng)來控制，可以由磁鐵、電磁鐵、卷帶馬口鐵等加工而成。
這種磁化方式可以磁化金屬層，使它具有極性，縱向或橫向結(jié)構(gòu)，或是以上各種的綜合，舉個(gè)例子，參見控制系統(tǒng)的使用說明。磁化方向的選擇取決于希望檢測(cè)到的光線的特征和以之為基礎(chǔ)而決定的電解質(zhì)折射率的變化。舉個(gè)例子，如果磁化成極性或是縱向結(jié)構(gòu)，則希望測(cè)量的光線特征是旋度(r)和橢圓度(e)。另一方面，如果磁化成橫向結(jié)構(gòu)，則希望測(cè)量的光線特征是反射光線Rpp的強(qiáng)度，以及在此強(qiáng)度下基于相對(duì)誤差δpp的分析，取決于兩種已知的狀態(tài)之間的磁化狀態(tài)是如何變化的。
在磁化成極性或是縱向結(jié)構(gòu)的情況下，如果入射光由TM偏振光構(gòu)成，那么反射光就會(huì)由于光的旋度有TE(橫向電)和TM兩種成份。旋度和橢圓度是由角度和在TM成份和反射的TE和TM成份的矢量和產(chǎn)生的矢量之間移動(dòng)的相位來定義的。理論上，偏振光(Rpp和Rps)的強(qiáng)度可以通過光成份分離來分開這兩偏振光和兩光檢測(cè)器來測(cè)量光都可以分成這兩種偏振光，可以同時(shí)由兩個(gè)不同的檢測(cè)器測(cè)試。舉個(gè)例子，測(cè)量可以通過查找光的不同于信號(hào)0的成份的角度，也可以通過檢測(cè)適當(dāng)?shù)腡E和TM成份的組合等。
磁化工具可以通過設(shè)定，能改變金屬層磁化的狀態(tài)(也就是方向和模數(shù)/數(shù)量)，在橫向磁化可以達(dá)到的情況下，這是必須的。舉個(gè)例子通過旋轉(zhuǎn)金屬層磁化平面，依靠電磁鐵、卷帶馬口鐵或磁鐵沿同方向轉(zhuǎn)動(dòng)即可簡(jiǎn)單得到。這樣，光線的反射率δpp的相對(duì)變化就可以在金屬層之內(nèi)旋轉(zhuǎn)磁化的時(shí)候被檢測(cè)出來(使用檢測(cè)器同步進(jìn)行磁化旋轉(zhuǎn))，以此作為確定折射率的基礎(chǔ)。
磁化狀態(tài)的改變不僅在橫向磁化的情況下有用，而且在極性和縱向磁化的情況下也有用，因?yàn)槟苤芷谛缘倪B續(xù)改變磁化狀態(tài)，允許同步的或同相檢測(cè)，也可以執(zhí)行傅立葉分析。因此，如果磁化狀態(tài)M周期性改變，反射率也同樣發(fā)生周期性變化(Rpp(Mcoswt))。
反射率可以分解成一下傅立葉級(jí)數(shù)Rpp(Mcoswt)＝Rpp(0)+Rpp(1w)+Rpp(2w)+…不同的諧波對(duì)應(yīng)不同函數(shù)，所以傅立葉分析中第一諧波的項(xiàng)是Rpp(1w)所以
δpp=ΔRppRppREF=Rpp(M)-Rpp(0)Rpp(0)≈Rpp(1w)Rpp(0)]]>因此其它的項(xiàng)小或?yàn)榱恪?br> 同步檢測(cè)可以直接得到項(xiàng)Rpp(1w)。如果傅立葉分析直接得到檢測(cè)信號(hào)(例如，用采集卡軟件)，Rpp(0)，Rpp(1w)，Rpp(2w)…就能分別得到，然后，這些參數(shù)可以分開的獲得δpp。一個(gè)簡(jiǎn)單的在橫向情況下制造周期性磁化的方法是通過用旋轉(zhuǎn)的磁鐵(可以用不回轉(zhuǎn)的卷帶馬口鐵震蕩制成)在樣本平面上旋轉(zhuǎn)。從而，磁鐵的旋轉(zhuǎn)頻率(等于磁化的旋轉(zhuǎn)頻率)的引入作為同步檢測(cè)器的參考，同步檢測(cè)器直接給出項(xiàng)Rpp(1w)作為輸出。
在測(cè)量極性或縱向結(jié)構(gòu)的情況下，為了完成同步檢測(cè)或傅立葉分析，用周期性變化的磁化狀態(tài)測(cè)量也極有優(yōu)勢(shì)。同步檢測(cè)(鎖定)在檢測(cè)信號(hào)是常常用到，因?yàn)樗肼暠容^小而靈敏度較高。
此設(shè)備可由電子數(shù)據(jù)處理工具構(gòu)成，來處理檢測(cè)器輸出的對(duì)應(yīng)于反射光特征的信號(hào)。信號(hào)處理和分析的最佳情況是用合適的軟件來達(dá)到。理論上，電子處理工具可以連接到控制系統(tǒng)上，協(xié)調(diào)磁化工具和入射方向(入射角θ)和金屬層上光線波長的變化。
舉個(gè)例子，電子數(shù)據(jù)處理工具可以和磁化工具同步，所以至少改變?nèi)肷涔饩€的一個(gè)特征就可以通過分析同步改變金屬層的磁化狀態(tài)(如果希望檢測(cè)橫向磁化構(gòu)造的光線反射率相對(duì)誤差δpp，某些量就較重要)。
檢測(cè)器能檢測(cè)出反射光線的強(qiáng)度(Rpp)，電子數(shù)據(jù)處理工具能確定放射光線在兩個(gè)特殊的鐵磁層磁化狀態(tài)之間的誤差(ΔRpp)。在這種情況下，電子數(shù)據(jù)處理設(shè)備能計(jì)算出反射光線強(qiáng)度誤差(ΔRpp)和反射光基準(zhǔn)強(qiáng)度(RppREF＝Rpp(Mref))之間的比例δpp。
通過至少一個(gè)被檢測(cè)光線的特征，作為一個(gè)照射在金屬層表面光線的入射角(θ)的函數(shù)，此設(shè)備可以用來檢測(cè)電介質(zhì)折射率(nd)的變化。這種結(jié)構(gòu)和上述的常規(guī)系統(tǒng)類似，所不同的不僅是反射光線強(qiáng)度是已測(cè)量好的，而且由于磁光效應(yīng)。例如，光線的旋度或橢圓度，在橫向磁化的情況下，強(qiáng)度相對(duì)誤差在已知的兩個(gè)橫向磁化狀態(tài)之間。
通過至少一個(gè)被檢測(cè)光線的特征，作為一個(gè)照射在金屬層表面光線的波長的函數(shù)，此設(shè)備可以用來檢測(cè)電介質(zhì)折射率(nd)的變化。
此設(shè)備包含許多金屬層，其中至少有一層包含鐵磁性材料。
在實(shí)踐中，有多個(gè)層是可取的，例如，一個(gè)層中有鐵磁性材料，一個(gè)層是耐腐蝕材料(例如金)，哪一層與電介質(zhì)接觸呢(在實(shí)際中，電介質(zhì)往往是腐蝕性材料)。
磁光效應(yīng)取決于金屬層的厚度和光線的波長。最佳厚度和磁光效應(yīng)可以精確的從上述構(gòu)造中估計(jì)出來。為了在鐵磁性金屬層上激發(fā)表面等離子體振子波，在上面描述的常規(guī)的傳感器中使用的技術(shù)也可以用到這上面(棱鏡連接，周期性結(jié)構(gòu)或波導(dǎo)管)。
本發(fā)明的另一個(gè)方面涉及到檢測(cè)電介質(zhì)折射率變化的一種方法，它包括以下幾個(gè)步驟依靠選擇器聯(lián)結(jié)工具，在金屬層(300)內(nèi)檢測(cè)橫向的磁偏振光(也叫著“TM偏振”或者“p偏振”，也就是光入射面內(nèi)的電場(chǎng))，所以當(dāng)光線照射到金屬層時(shí)就可以在金屬層激發(fā)表面等離子體振子共振，并且至少有一部分光被金屬層反射從而射向探測(cè)器(31)；通過探測(cè)器，至少檢測(cè)該反射光的一個(gè)特征，并且至少產(chǎn)生一個(gè)和該特征對(duì)應(yīng)的探測(cè)信號(hào)；分析這些探測(cè)信號(hào)，并且從這些信號(hào)中測(cè)定至少一個(gè)和電介質(zhì)折射率相關(guān)的方面；特征在于用到了含鐵磁性材料的金屬層(300)。例如該金屬層是由鐵磁性材料(僅一種或者由多種鐵磁性材料結(jié)合在一起)制成的它是由至少一種鐵磁性材料和至少一種非鐵磁性材料制成的合金；它是由含有金屬介質(zhì)(如混有鈷的金)的磁性微粒子形成的；或者它是由很多嵌入在電介質(zhì)中的磁性材料金屬微粒形成的。
加以必要的變更，上面講到的有關(guān)本發(fā)明的設(shè)備對(duì)于這種方法也是適用的。
該方法包含磁化金屬層的步驟，舉例來說在極性構(gòu)造上(例如在這種情形下，能夠分析出反射光旋度和/或者橢圓度的改變)、在縱向構(gòu)型上(例如在這種情形下，能夠分析出反射光旋度和/或者橢圓度的改變)、或者在橫向構(gòu)型上(例如在這種情形下，當(dāng)改變兩種給定的橫向磁化狀態(tài)的磁化狀態(tài)的時(shí)候，就能夠分析出反射光強(qiáng)度相應(yīng)的變化δpp)。金屬層的磁化狀態(tài)(也就是方向和/或者模數(shù))能夠被有序地被改變，就像下面所描述的。
涉及到確定的電介質(zhì)折射率的方面可以是
折射率的絕對(duì)值；和/或者折射率是否發(fā)生改變的一個(gè)指標(biāo)；和/或者折射率改變量級(jí)的一個(gè)指標(biāo)。
在金屬層磁化狀態(tài)連續(xù)改變的情況下，可以隨著磁化狀態(tài)的改變同時(shí)地完成探測(cè)信號(hào)的分析步驟，從而該信號(hào)的變化可以隨著金屬層磁化狀態(tài)的變化而得到實(shí)時(shí)的分析。在這種情況下，探測(cè)信號(hào)就可以作為反射光強(qiáng)度(Rpp)的一個(gè)指示信號(hào)(例如和反射光強(qiáng)度成比例)，于是分析探測(cè)信號(hào)的步驟就可以包括以下幾個(gè)步驟確定兩個(gè)給定磁化狀態(tài)之間的折射光強(qiáng)度的變化(ΔRpp)，并用該變化量除以基準(zhǔn)強(qiáng)度RppREF；給出運(yùn)算結(jié)果和電介質(zhì)折射率之間的關(guān)系。
若用到的不是單一的金屬層而是很多的金屬層，那么它們中至少有一種含有磁性材料。


為了能使對(duì)本發(fā)明有一個(gè)更好的理解，下面將對(duì)這一系列圖紙做一個(gè)簡(jiǎn)要說明。它們中的一部分和本發(fā)明的一個(gè)具體設(shè)備特別相關(guān)，在其中將作為說明性的和非限制性的例子。
圖1簡(jiǎn)要地說明了表面等離子體振子的電場(chǎng)分布情況。
圖2是在組合棱鏡的基礎(chǔ)上簡(jiǎn)要說明了用光線激發(fā)表面等離子體振子的傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)。
圖3A和3B是依照現(xiàn)有技術(shù)，簡(jiǎn)要說明了電介質(zhì)折射率探測(cè)發(fā)生改變的系統(tǒng)。
圖4是通過圖表顯示了兩條曲線，它們反映了對(duì)于電介質(zhì)在兩種不同的折射率(nd1，nd2)下，光線入射角θ的不同角度和TM折射光的強(qiáng)度Rpp之間的關(guān)系。
圖5簡(jiǎn)要說明了表明等離子體振子共振傳感器在生物傳感器應(yīng)用中的具體細(xì)節(jié)。
圖6是通過圖表中的曲線舉例說明了在不同的材料下，反射率Rpp作為入射角θ的一個(gè)函數(shù)之間的關(guān)系。
圖7A-7C簡(jiǎn)要說明了同一鐵磁性材料層的不同磁化結(jié)構(gòu)。
圖8是通過圖表說明了對(duì)于同一鐵磁性材料層在極性磁化結(jié)構(gòu)下，旋度和橢圓度作為光線入射角θ的函數(shù)之間的關(guān)系。
圖9是通過圖表說明了在橫向磁化結(jié)構(gòu)下，反射率的相對(duì)變化δpp作為光線入射角的函數(shù)之間的關(guān)系。
圖10說明了一種與本發(fā)明首選設(shè)備相一致的結(jié)構(gòu)。
圖11A是在對(duì)實(shí)際情形仿真的情況下，通過圖表說明了反射光線強(qiáng)度的變化，這當(dāng)中所用到的測(cè)量方法和現(xiàn)有技術(shù)現(xiàn)狀是一致的。圖11B-11D用與本發(fā)明首選設(shè)備相一致的系統(tǒng)仿真來說明了光線特性的測(cè)量結(jié)果。
圖12列出了一系列和本發(fā)明實(shí)際設(shè)備相適合的金屬層。
具體實(shí)施例方式
圖10說明了一種與本發(fā)明首選設(shè)備相一致的設(shè)備結(jié)構(gòu)，它包括被放置在棱鏡10表面(例如直接接觸或者通過一種和棱鏡有相同折射率的介質(zhì)間接接觸)的磁化材料(例如鐵，鈷或者鎳)金屬層300，同時(shí)棱鏡的自由表面和電解質(zhì)200接觸(棱鏡用于必要的連接以產(chǎn)生等離子體振子共振)；指引TM偏振光21射向金屬層300的光源20，這樣光線就能被金屬層反射；以及被用來接收金屬層反射光的探測(cè)器31。該探測(cè)器至少要能夠檢測(cè)出反射光的一個(gè)特性(例如旋度、橢圓度和/或者強(qiáng)度)。并且該探測(cè)器要能夠產(chǎn)生出輸出信號(hào)32，該輸出信號(hào)通過一個(gè)電子的數(shù)據(jù)處理器41分析，從而來說明探測(cè)到的光線特性。此處提到的電子數(shù)據(jù)處理器41可以是計(jì)算機(jī)的一部分或者類似的設(shè)備。
磁化元件50能夠以不同方式來磁化金屬層300，被看作控制信號(hào)的函數(shù)施加于該磁化元件。例如，作為該信號(hào)的一個(gè)函數(shù)，此磁化元件能夠以極向結(jié)構(gòu)(和圖7A所示相似)、縱向結(jié)構(gòu)(和圖7B所示相似)、和/或者橫向結(jié)構(gòu)(和圖7C所示相似)來磁化金屬層。磁化方式的選擇將取決于一個(gè)人想要檢測(cè)的光線的特性，并以此作為后來要確定的電介質(zhì)折射率的一個(gè)基礎(chǔ)。
舉例來說，假如一個(gè)人想要測(cè)量光線的旋度(r)和/或者橢圓度(e)，那么以極向或者縱向結(jié)構(gòu)來磁化將是很合適的。圖11B和11D分別說明了旋度(r)和橢圓度(e)的測(cè)量方法，在極向磁化的情況下仿真的結(jié)果，它們被看作光線入射角θ的一個(gè)函數(shù)，同樣傳感器估測(cè)靈敏度η也被看光線入射角θ的一個(gè)函數(shù)。(靈敏度由以下公式計(jì)算得出η=(1/Smax)×(∂S/∂nd),]]>此處Smax是測(cè)定信號(hào)的最大值，S是測(cè)量信號(hào)的值，而nd是電介質(zhì)的折射率)更確切地說，傳感器靈敏度η關(guān)于折射率的變化被定義為作為電介質(zhì)折射率變化的一個(gè)函數(shù)的測(cè)量信號(hào)的變化，符合信號(hào)最大值的標(biāo)準(zhǔn)。通過將圖11B和11D中的靈敏度η和圖11A中的靈敏度做比較可以觀察出，在一種磁化結(jié)構(gòu)下反射光線的強(qiáng)度Rpp和現(xiàn)有技術(shù)現(xiàn)狀(50nm厚的金屬層)是一致的，至少在理論上，本發(fā)明可以得到更高的靈敏度(隨著一個(gè)比10大的因子而增加)。
另一方面，根據(jù)其磁化狀態(tài)在某一光線強(qiáng)度，將分析建立在相對(duì)變化δpp的基礎(chǔ)上，磁化元件50被配置成能夠產(chǎn)生連續(xù)的磁場(chǎng)，例如在橫向磁化結(jié)構(gòu)內(nèi)改變磁化方向或者在金屬層平面內(nèi)旋轉(zhuǎn)磁化，也就是產(chǎn)生一個(gè)連續(xù)的金屬層磁化狀態(tài)的改變，在上述情況下假如有待測(cè)量反射光線的強(qiáng)度，那么橫向的磁化結(jié)構(gòu)將會(huì)更好。然后，光線強(qiáng)度Rpp的測(cè)量就能夠在橫向磁化的兩個(gè)具體時(shí)刻完成，并且在那些磁化狀態(tài)之間的相對(duì)光線強(qiáng)度δpp的變化就能夠作為折射率測(cè)定的一個(gè)基礎(chǔ)。這都可以通過一個(gè)同步檢波使磁化元件控制器50和探測(cè)器41輸出信號(hào)的分析達(dá)成同步來完成。
圖11C說明了在橫向磁化交替方向的情況下，將δpp檢波作為光線入射角θ的一個(gè)函數(shù)，同時(shí)將相應(yīng)的靈敏度η的估測(cè)作為光線入射角θ的一個(gè)函數(shù)進(jìn)行仿真的結(jié)果。同樣在這種情況下，仿真結(jié)果也說明了關(guān)于傳統(tǒng)的圖11A所示的情況，隨著一個(gè)比10大的因子靈敏度會(huì)增加。
圖12簡(jiǎn)要說明了一系列金屬層，包含如下幾個(gè)部分第一個(gè)14nm厚的鈷層300，它位于棱鏡10上面(例如直接接觸或者通過一種和棱鏡有相同折射率的介質(zhì)間接接觸)；第二個(gè)1nm厚的鉻層301，它被用來將第三層附著在第一層上；第三個(gè)29nm厚的金層302，它和電介質(zhì)相連。
給出的那個(gè)金層有很好的抗腐蝕性，這樣第一層300就能夠避免其他電介質(zhì)可能會(huì)產(chǎn)生的腐蝕效應(yīng)。
就所描述的磁化結(jié)構(gòu)，有很多種方法來檢測(cè)影響其折射率的電介質(zhì)的變化。主要地，光線有兩個(gè)參數(shù)，即入射角θ和波長λ。因此i.波長保持不變而入射角可以變化(獲得如圖11B-11D所示的曲線類型)。
ii.入射角保持不變而波長可以變化。
iii.波長和入射角都可以變化。
iv.波長和入射角都保持不變，而檢測(cè)到的信號(hào)的特性改變可以測(cè)量(在橫向磁化下的δpp，以及在極向或者縱向磁化下的旋度和/或者橢圓度)。
所公開的設(shè)備可以使用，例如作為折射計(jì)、化學(xué)傳感器或者生物傳感器。
材料、尺寸規(guī)格、形狀和各器件的排列順序可以改變，只要不改變本發(fā)明的基本概念。
在當(dāng)前說明書和和權(quán)利要求書中，術(shù)語“包含”以及其變化形式如“包含有”并不排斥其他的步驟或者成分。
權(quán)利要求
1.一種檢測(cè)電介質(zhì)(200)折射率變化的設(shè)備，它包括至少一個(gè)金屬層(300)，它被用來和電介質(zhì)(200)保持接觸；至少一個(gè)光源(20)，它被用來將橫向磁化偏振光導(dǎo)向金屬層以便光線能照射到金屬層；聯(lián)接工具(10)，它被用來聯(lián)結(jié)光源(20)和金屬層(300)；從而當(dāng)光線落到金屬層的時(shí)候就能夠在金屬層表面激發(fā)表面等離子體振子共振；至少一個(gè)探測(cè)器(31)，它被用來接收越過金屬層向下的反射光并且至少檢測(cè)出光線的一個(gè)特性；其特征在于金屬層包含鐵磁性材料。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的設(shè)備，其特征在于本設(shè)備還包含磁化工具(50)，它被用來磁化金屬層(300)。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的設(shè)備，其特征在于磁化工具(50)被用來以極化磁化金屬層。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的設(shè)備，其特征在于磁化工具(50)被用來以縱向磁化金屬層。
5.根據(jù)權(quán)利要求2所述的設(shè)備，其特征在于磁化工具(50)被用來以橫向磁化金屬層。
6.根據(jù)權(quán)利要求3-5任意一個(gè)所述的設(shè)備，其特征在于磁化工具(50)能夠連續(xù)地改變金屬層(300)的磁化狀態(tài)。
7.根據(jù)上述權(quán)利要求任意一個(gè)所述的設(shè)備，其特征在于它包含電子數(shù)據(jù)處理器(41)，此處理器被用來處理從探測(cè)器(31)傳來的輸出信號(hào)(32)，而探測(cè)器(31)至少和反射光線的一個(gè)特征相對(duì)應(yīng)。
8.根據(jù)權(quán)利要求6或權(quán)利要求7所述的設(shè)備，其特征在于電子數(shù)據(jù)處理器(41)和磁化工具是同步的，從而反射光線的至少一個(gè)特征的變化就能夠和金屬層(300)的磁化狀態(tài)的變化進(jìn)行同步分析。
9.根據(jù)權(quán)利要求3所述的設(shè)備，其特征在于檢測(cè)器被設(shè)定為檢測(cè)，至少，反射光的旋度(r)和/或者橢圓度(e)的變化。
10.根據(jù)權(quán)利要求4所述的設(shè)備，其特征在于檢測(cè)器被設(shè)定為至少檢測(cè)反射光的旋度(r)和/或者橢圓度(e)的變化。
11.根據(jù)權(quán)利要求5或8所述的設(shè)備，其特征在于檢測(cè)器被設(shè)定為檢測(cè)反射光的強(qiáng)度(Rpp)且以此，電子數(shù)據(jù)處理工具被設(shè)定為確定2給定橫向磁化狀態(tài)的反射光強(qiáng)差(ΔRpp)。
12.根據(jù)權(quán)利要求11所述的設(shè)備，其特征在于電子數(shù)據(jù)處理工具被設(shè)定為計(jì)算反射光強(qiáng)差(ΔRpp)與反射光的基準(zhǔn)強(qiáng)度(RppREF)的比值(δpp)。
13.根據(jù)前面的權(quán)利要求任意一項(xiàng)所述的設(shè)備，其特征在于它被設(shè)定為檢測(cè)電介質(zhì)折射率(nd)的變化，從這些檢測(cè)光至少一個(gè)特性中，且其是金屬層(300)上光入射角(θ)的函數(shù)。
14.根據(jù)前面的權(quán)利要求任意一項(xiàng)所述的設(shè)備，其特征在于它被設(shè)定為檢測(cè)電介質(zhì)折射率(nd)的變化，從這些檢測(cè)光至少一個(gè)特性中，且其是金屬層(300)上反射光波長的函數(shù)。
15.根據(jù)前面的權(quán)利要求任意一項(xiàng)所述的設(shè)備，其特征在于金屬層為鐵磁材料。
16.根據(jù)權(quán)利要求1-14中任意一項(xiàng)所述的設(shè)備，其特征在于金屬層為至少一種鐵磁材料和至少一種非鐵磁材料的合金。
17.根據(jù)權(quán)利要求1-14中任意一項(xiàng)所述的設(shè)備，其特征在于金屬層通過在金屬介質(zhì)中內(nèi)嵌磁性粒子成形加工。
18.根據(jù)權(quán)利要求1-14中任意一項(xiàng)所述的設(shè)備，其特征在于金屬層通過一套在電介質(zhì)中內(nèi)嵌含鐵磁材料的金屬粒子成形加工。
19.根據(jù)前面的權(quán)利要求任意一項(xiàng)所述的設(shè)備，其特征在于它包含多數(shù)的附加金屬層，至少有一個(gè)所說的層(300)含有鐵磁材料。
20.檢測(cè)電介質(zhì)折射率變化的方法，為以下幾個(gè)步驟直接橫向磁性偏振光朝向金屬層(300)且以以下的方式通過選定的耦合工具，當(dāng)光指向金屬層可以激活其上的表面等離振子共振，還有至少有一部分光被金屬層反射，朝向探測(cè)器(31)；用探測(cè)器至少檢測(cè)這些反射光的一個(gè)特性且產(chǎn)生與此特性相應(yīng)的檢測(cè)信號(hào)(32)；分析檢測(cè)信號(hào)并從中確定至少出與電介質(zhì)折射率相關(guān)的一個(gè)方面；其特征在于包含鐵磁材料的層被用作金屬層(300)。
21.根據(jù)權(quán)利要求20所述的方法，其特征在于它由磁化金屬層(300)步驟所組成。
22.根據(jù)權(quán)利要求21所述的方法，其特征在于金屬層被磁化為極性結(jié)構(gòu)。
23.根據(jù)權(quán)利要求21所述的方法，其特征在于金屬層被縱向磁化。
24.根據(jù)權(quán)利要求21所述的方法，其特征在于金屬層被橫向磁化。
25.根據(jù)權(quán)利要求22-24任意一個(gè)所述的方法，其特征在于金屬層(300)的磁化狀態(tài)是順序改變的。
26根據(jù)權(quán)利說明20-25任意一個(gè)所述方法，涉及到電介質(zhì)折射率的特征包括-折射率的絕對(duì)值；-折射率是否改變的指示；-折射率大幅改變的指示。
27.根據(jù)權(quán)利說明25所述的方法，具有檢測(cè)器信號(hào)分析的步驟和磁化狀態(tài)的變化同步進(jìn)行的特征，所以信號(hào)分析和金屬層(300)的磁化狀態(tài)的變化是一致的。
28.根據(jù)權(quán)利要求22或者23所述的方法，其特征在于折射光線的旋度和/或者橢圓度的至少一個(gè)變化得到了分析。
29.根據(jù)權(quán)利說明24或27所述的方法，有檢測(cè)信號(hào)喜顯示反射光線的強(qiáng)度的特征，檢測(cè)信號(hào)分析的步驟包括兩個(gè)不同橫向磁化狀態(tài)之間的反射光線強(qiáng)度誤差(ΔRpp)的確定和以此涉及到的電介質(zhì)折射率的誤差。
30.根據(jù)權(quán)利說明29所述的方法，檢測(cè)信號(hào)分析的步驟包括計(jì)算反射光線強(qiáng)度誤差(ΔRpp)和反射光線基準(zhǔn)強(qiáng)度RppREF間的比例(δpp)。
31.根據(jù)上述所有權(quán)利說明所述的方法，金屬層(300)包括的鐵磁性材料是眾多金屬層的一部分。
全文摘要
檢測(cè)電介質(zhì)折射率變化的設(shè)備包括金屬層(300)至少要和電介質(zhì)(200)相接觸；光源(20)發(fā)出的橫向磁化(TM)偏振光直接照射在金屬層上，所以光線在金屬層上發(fā)生反射；連接工具(10)；檢測(cè)器(30)接收金屬層反射光線并檢測(cè)此光線的特征。依據(jù)本發(fā)明，金屬層包括鐵磁性材料。本發(fā)明也涉及了相應(yīng)方法。
文檔編號(hào)G01N21/55GK101069087SQ200580019079
公開日2007年11月7日 申請(qǐng)日期2005年6月10日 優(yōu)先權(quán)日2004年6月11日
發(fā)明者博亞·賽普維達(dá)馬丁內(nèi)茲, 蓋斯波·阿邁勒斯瑞格, 勞拉·M·萊楚格高邁茲, 安娜·考勒馬丁 申請(qǐng)人:高級(jí)科學(xué)研究理事機(jī)構(gòu)