專利名稱：用于相敏表面等離子體共振的方法和裝置的制作方法
技術領域：
本公開涉及表面等離子體共振(SPR)檢測設備。
背景技術：
一系列表面等離子體共振(SPR)技術是公知的。來自香港中文大學的Ho等人公布 了基于馬赫曾德爾干涉儀的相敏SI3R傳感器(Optics Letter (光學快報)，29，2378-2380， 2004)。為了提供更寬的動態(tài)范圍，Law等人提出了測量相敏Sra系統(tǒng)內(nèi)的調(diào)制諧波 (Biosensors and Bioelectronics (生物傳感器和生物電子學)，23，627-632，2007)。

發(fā)明內(nèi)容
本文公開了用于相敏SPR的方法和裝置。在第一實施方式中，公開了包括傳感單元的相敏sra傳感裝置，所述傳感單元具 有反射電磁輻射的測試光束的傳感表面，其中測試光束被所述傳感表面以多個角度反射。在可替換的實施方式中，照明角的范圍可以在約0°和10°之間、約10°和約 20°之間、20°和約30°之間、約30°和約40°之間、約40°和約50°之間、約50°和約 60°之間、60°和約70°之間、約70°和約80°之間、約80°和約90°之間。在可替換的實施方式中，所述裝置還可以包括檢測單元，用于在所述反射角中的 至少兩個處檢測所述反射光束。在可替換的實施方式中，所述裝置還可以包括多個檢測器。在可替換的實施方式中，檢測單元將所述反射的測試光束的相位與參考光束的相 位相比較。在可替換的實施方式中，利用分束器產(chǎn)生參考光束和所述測試光束。在可替換的實施方式中，所述裝置還可以包括聚焦所述測試光束的聚焦單元。在可替換的實施方式中，所述聚焦單元包括柱面透鏡。在可替換的實施方式中，所述裝置還可以包括光束會聚單元，用于會聚所述測試 光束。在可替換的實施方式中，所述裝置還可以包括具有光電探測器陣列的檢測單元。在可替換的實施方式中，所述裝置還可以包括具有相位計的檢測單元。在可替換的實施方式中，所述裝置還可以包括具有液晶調(diào)制器的所述第一光束的 源。在可替換的實施方式中，所述裝置還可以包括具有可變相位延遲的偏振電磁輻射 源。在可替換的實施方式中，所述檢測單元可以包括偏振器、檢測來自所述偏振器的 干涉的電磁輻射的光電探測器、以及將干涉的電磁輻射的相位方向圖與參考光束相比較的 處理器。在可替換的實施方式中，所述第一光束的源包括氣體激光器、固體激光器、激光二
4極管、發(fā)光二極管或者二極管激光器。在可替換的實施方式中，所述傳感單元還包括棱鏡和允許樣本流過傳感表面的樣 本流動系統(tǒng)。在可替換的實施方式中，所述傳感單元包括轉換層，所述轉換層要么是適于執(zhí)行 常規(guī)SPR效應的金屬層，要么是金屬/電介質層/金屬的配置。在可替換的實施方式中，公開了一種傳感裝置，其包括電磁輻射源、產(chǎn)生測試光束 和參考光束的分束器、傳感表面、以多個角度將所述測試光束聚焦到所述傳感表面上的電 磁輻射聚焦單元、用于檢測所述參考光束和所述反射的測試光束之間的差分相位變化的檢 測單元。在可替換的實施方式中，照明角的范圍在約0°和約10°之間、約10°和約20° 之間、約20°和約30°之間、約30°和約40°之間、約40°和約50°之間、約50°和約 60°之間、60°和約70°之間、約70°和約80°之間、約80°和約90°之間。在可替換的實施方式中，所述檢測單元包括多個檢測器。在可替換的實施方式中，所述檢測單元包括檢測器陣列。在可替換的實施方式中，所述檢測單元包括用于測量輸出信號陣列的每個點的差 分相位的相位計。在可替換的實施方式中，所述源還包括用于選擇所發(fā)射的電磁輻射的ρ偏振分量 和s偏振分量之間的強度比的偏振器。在可替換的實施方式中，所述檢測單元還包括偏振器和光電探測器，而且所述檢 測單元適于將所述測試光束的相位與所述參考光束的相位相比較。在可替換的實施方式中，所述聚焦單元包括用于擴展測試光束直徑的光束擴展 器；以及用于將光束聚焦到傳感表面上的透鏡。在可替換的實施方式中，所述傳感單元包括棱鏡和允許樣本流過傳感表面的樣本 流動腔。在可替換的實施方式中，所述源包括相位調(diào)制器。在可替換的實施方式中，所述單元包括氣體激光器、固體激光器、激光二極管、或 者發(fā)光二極管。在可替換的實施方式中，公開了一種用于sra傳感的方法，所述方法包括將來自 多個照明角的測試光束反射出測試表面；檢測所述反射光束的相位；以及將反射的測試光 束的相位與所述參考光束的相位相比較以表征樣本。在可替換的實施方式中，所述方法還包括檢測所述反射光束的相位的變化。在可替換的實施方式中，將反射光束與參考光束相比較。在可替換的實施方式中，當測試光束入射到所述傳感表面時，測試光束是基本平 行的。在可替換的實施方式中，所述比較包括在參考光束的ρ偏振分量和s偏振分量之 間形成干涉；檢測干涉的電磁輻射；以及將所述干涉的電磁輻射的相位與所述測試光束的 相位相比較。在可替換的實施方式中，照明角的范圍在約0°和10°之間、約10°和約20°之 間、約20°和約30°之間、約30°和約40°之間、約40°和約50°之間、約50°和約60°
5之間、60°和約70°之間、約70°和約80°之間、約80°和約90°之間。在可替換的實施方式中，第一光束由氣體激光器、固體激光器、激光二極管、或者 發(fā)光二極管產(chǎn)生。在可替換的實施方式中，電磁輻射可以是光。在可替換的實施方式中，電磁輻射可以是可見光。根據(jù)后面對如附圖所示的一些實施方式的詳細描述，所公開的主題的特征和優(yōu)點 將變得更加明顯。如所意識到的，在不脫離權利要求書的精神和范圍的情況下，各個實施方 式能夠在各方面進行修改，并且可以以多種可替換的方式進行組合。因此，附圖和說明書實 質上應被認為是解釋性的，而不應被認為是限制性的。


圖1是根據(jù)第一實施方式的寬動態(tài)范圍相敏sra生物傳感器的框圖；圖2是根據(jù)第一實施方式的電磁輻射源、參考單元和光束會聚單元的示意圖；圖3是示出了根據(jù)圖1的實施方式的液晶調(diào)制器的工作原理的示意圖；圖4是傳統(tǒng)的sra傳感表面配置的示意圖；圖5是根據(jù)實施方式的LRSI3R傳感表面配置的示意圖；圖6是根據(jù)實施方式的sra傳感器的示意圖；圖7示出了從甘油和水的混合物中獲得的具有傳統(tǒng)的SI^R傳感表面配置的寬動態(tài) 范圍相敏sra傳感器的實驗結果；圖8示出了在傳統(tǒng)sra和LRsra傳感表面配置中相位響應的模擬結果；圖9示出了在具有傳統(tǒng)的sra傳感表面配置的寬動態(tài)范圍相敏sra傳感器中相位 響應的模擬結果；以及圖10示出了在使用LRsra傳感表面配置的寬動態(tài)范圍相敏sra傳感器中相位響 應的模擬結果。
具體實施例方式定義在本公開中，詞語“包括”使用非限制性意義，表示包含跟在該詞后面的項，但是不 排除沒有具體提及的項。通過不定冠詞“一個(a)”對一個元素的引用不排除存在一個以上 元素的可能性，除非上下文明確地要求只存在一個且唯一一個元素。在本公開中，通過端點表述的數(shù)值范圍包括包含在該范圍內(nèi)的所有數(shù)字，包括所 有整數(shù)和所有的分數(shù)中間體(例如，1至5包括1、1. 5、2、2. 75,3,3. 80,4以及5等)。在本公開中，單數(shù)形式“一種(a) ”、“一種(an) ”、以及“該(the) ”包括復數(shù)指代物， 除非另有明確說明。因此，例如，對于包含“一種化合物”的組合物的指代包括具有兩種或 者兩種以上化合物的混合物。在本公開中，術語“或者”通常使用其包含“和/或”的意義，除非另有明確說明。在本公開中，除非另有指明，用在說明書和權利要求中的表示數(shù)量或者成分、性能 的測量等等的所有數(shù)字將被理解為在所有情況下由術語“大約”修飾。因此，除非根據(jù)上下 文相反或者必要地指明，本公開中闡述的數(shù)值參數(shù)是近似值，其能夠根據(jù)想要獲得的期望的屬性，由本領域的技術人員利用本公開中的指導并根據(jù)測量和量化的誤差進行變化。在 不限制應用權利要求的等同范圍原則的情況下，每個數(shù)值參數(shù)應至少根據(jù)報告有效位數(shù)并 運用一般的四舍五入方法進行理解。盡管闡明本公開的較寬范圍的數(shù)字范圍和參數(shù)是近似 值，但是僅在與本公開效力以及所公開和要求保護的主題與現(xiàn)有技術的區(qū)別相一致的情況 下，廣泛地理解在具體的示例中闡明的這些數(shù)值。在本公開中，術語“電介質”具有其普通的含義，并且包含以下材料，如玻璃、聚合 物、陶瓷、氮化硅、二氧化硅以及適合使用的具有電介質特性的任何材料等。在本公開中，術語“源”或者“電磁輻射源”可以包括電磁輻射發(fā)射器，電磁輻射發(fā) 射器可以包括氣體激光器、固體激光器、激光二極管、發(fā)光二極管(LED)、寬帶電磁輻射源或 者任何其他適合的電磁輻射發(fā)射器。在實施方式中，電磁輻射源(在本文中還可以簡稱為 “源”)可以是或者可以包括線偏振氦氖激光器。在具體的實施方式中，電磁輻射源可以具有 約為12mW的光輸出功率，但是在可替換的實施方式中，電磁輻射源可以具有大于lmW、2mW、 4mW、6mW、8mW、10mW、12mW、14mW、16mW、20mW、22mW、24Mw、26mW、28mW、30mW、40mW、50麗或者更 大的輸出功率。輻射發(fā)射器可以發(fā)射包含s偏振分量和ρ偏振分量的光束，而輸出光束的 偏振被設置成以約45°的偏振角α偏離ρ偏振。在實施方式中，偏振角α可以大于或者 小于約45°，而且容易由本領域的技術人員進行調(diào)節(jié)以適應具體要求。在實施方式中，偏振 角可以達到約 5°、10°、15°、20°、25°、30°、35°、40°、45°、50°、55°、60°、65°、 70°、75°、80°、85°或者90°。在實施方式中，偏振角的一些選擇可以減小s偏振分量 和P偏振分量的振幅，并且可以降低系統(tǒng)的相位檢測能力。應該理解，在實施方式中，電磁 輻射源可以包括另外的設備，包括但不限于，光纖、透鏡和/或用于聚焦、準直、偏振、濾波、 瞄準和/或改變光束的性質的反射鏡。在本公開中，術語“電磁輻射”可以包括任何波長范圍的電磁輻射，本領域的技術 人員容易在其間進行選擇以用于具體的實施方式中。在不對前文構成限制的情況下，在具 體的實施方式中，電磁輻射可以包括光，并且可以包括可見光、紫外光、紅外光、X射線、伽馬 射線、偏振輻射和無線電波。在本公開中，術語“光電探測器”是指用于檢測入射的電磁輻射的設備，并且可以 包括電荷耦合器件、電荷注入器件、照相機、光電二極管、光電倍增器、CMOS傳感器、攝影膠 片、以及光敏二極管，并且可以包括任何上述器件的陣列或者多通道布置。在本公開中，術語“分束器”是指用于將電磁輻射的入射光束分成兩個或者更多個 輸出光束的設備。在實施方式中，分束器可以包括與入射光束成一定角度設置的載玻片或 者等位面。在本公開中，術語“傳感單元”是指用于接收將使用實施方式來測試的樣本的裝 置，并且可以包括適合的反射面、棱鏡、樣本保持腔、以及用于允許樣本或者樣本溶液保持 在傳感單元中或者通過傳感單元的設備。在本公開中，術語“檢測單元(detecting unit) ”或者“檢測單元(detection unit)”是指用于檢測電磁輻射的裝置，并且可以包括用于處理關于所檢測到的電磁輻射的 信息的處理器。在實施方式中，檢測單元還可以包括用于比較來自不同源的電磁輻射(包 括參考光束和測試光束)的裝置，可以包括光電探測器、光電探測器陣列，并且可以包括用 于處理關于所檢測到的電磁輻射的信息的處理裝置。在實施方式中，檢測單元可以檢測偏
7振的電磁輻射，并且可以比較在兩個或者多個接收的電磁輻射的光束中的偏振光的要素。在本公開中，“SPR”是指表面等離子體共振，并且包括但不限于大范圍表面等離子 體共振(本文中簡稱為“LPSPR” )。在本公開中，在具體的實施方式中，術語“sra傳感單元”和“sra傳感器”以及相 似的術語可以包括克雷奇曼(Kretschmarm)和奧托(Otto)配置，可以包括透鏡陣列或者微 透鏡陣列，并且可以包括棱鏡配置、光柵配置、或者衍射配置。在實施方式中，棱鏡可以具有 較高的折射率范圍，并且可以具有在約0. 9和約2. 5之間、或者小于約0. 9或者大于約2. 5、 或者在約1. 0和2. 0之間、或者在約1. 1和1. 9之間、或者在約1. 2和1. 8之間、或者在約 1.3和1.8之間、或者在約1.4和1.7之間的η。在具體的實施方式中，當棱鏡包含硅時，η 可以取3. 4和3. 5之間的值。在本公開中，術語“導體”或者“導電層，，等等包括能夠支持表面等離子體的導電 材料，可以包括具有自由電子的金屬，也可以包括或者由金、銀、鉬、鎳、銅、鉻、或者鋁組成， 但是不限于這些成份。本領域的技術人員將容易地做出適合的選擇。主要參照圖1至圖10描述了實施方式。在第一實施方式中，公開了總體上指定為 10的包括傳感單元400的相敏sra傳感裝置，傳感單元400具有反射電磁輻射的測試光束 920的傳感表面，其中測試光束以多個角度從所述傳感表面反射。在實施方式中，照明角的 范圍可以在約0°和約10°之間、約10°和約20°之間、約20°和約30°之間、約30°和 約40°之間、約40°和約50°之間、約50°和約60°之間、60°和約70°之間、約70°和 約80°之間、約80°和約90°之間。在實施方式中，所述裝置還可以包括檢測單元600(可 替換地，也稱為檢測單元或者探針單元)，以所述反射的角度Y的至少兩個量級來檢測所述 反射光束930，并且所述裝置可以包括多個檢測器。在可替換的實施方式中，檢測單元600可以將所述反射的測試光束910的相位與 參考光束900的相位相比較?？梢酝ㄟ^分束器104產(chǎn)生參考光束900和測試光束930。所 述裝置還可以包括總體上指定為300的聚焦單元(可替換地，稱為光束會聚單元)以聚焦 測試光束910。光束會聚單元300可以包括柱面透鏡，而且所述裝置還可以包括用于會聚測 試光束910的光束擴展器301。檢測單元600可以包括光電探測器陣列502，而且可以包括 相位計。在實施方式中，所述裝置還可以包括具有液晶調(diào)制器109的所述第一光束800的 源100，而且在進一步的實施方式中，偏振光的源100能夠進行可變相位延遲。在實施方式中，檢測單元600可以包括偏振器102，并且可以包括用于檢測來自所 述偏振器的干涉的光的光電探測器，以及將干涉的光的相位方向圖與參考光束相比較的處 理器。在具體的實施方式中，所述第一光束的源100可以包括氣體激光器、固體激光器、激 光二極管、發(fā)光二極管或者二極管激光器。傳感單元還可以包括具有傳感表面402的棱鏡； 以及允許樣本流過傳感表面的樣本流動系統(tǒng)403。在可替換的實施方式中，轉換層可以是適 于執(zhí)行常規(guī)SI^R效應的金屬層，或者是金屬/電介質層/金屬配置。在實施方式中，會聚單 元300可以包括柱面透鏡，而且可以包括透鏡302。 下面參照附圖更加詳細地描述第一實施方式。 圖1示出了寬動態(tài)范圍相敏Sra和LRSPR(大范圍表面等離子體共振)傳感器。 sra傳感器可以包括包括電磁輻射發(fā)射器ιο 的電磁輻射源loo。源loo可以是光學光源， 用于提供包含P偏振分量和S偏振分量的光束800，光束800在P偏振分量和S偏振分量之間具有經(jīng)調(diào)制的相位延遲；參考單元200，用于接收光束的一部分，以提供指示經(jīng)調(diào)制的相 位延遲的參考信號；光束會聚單元或者聚焦單元300，用于將平行光束改變?yōu)闀酃馐?’傳 感單元400，用于接收光束的另一部分，從而由于與樣本相關聯(lián)的SPR或者LRSPR而在ρ偏 振分量和s偏振分量之間引起相位延遲變化；光學探測器陣列單元500，用于接收穿過SPR 傳感單元的光，從而提供用于計算由sra傳感單元引起的相位延遲變化的一組信號軌跡； 以及檢測單元(也稱為檢測單元或者探針單元)600，其連接于參考單元以計算參考延遲基 線，從而通過從獲得自光學檢測陣列單元的延遲中減去參考延遲能夠得到實際由sra引起 的延遲。應該注意，檢測單元600可以與光電檢測器502或者光電檢測器陣列500相關聯(lián)， 或者可以包括光電檢測器502或者光電檢測器陣列500。如圖2所示，電磁輻射源100可以包括電磁輻射發(fā)射器101、偏振器102、液晶相位 調(diào)制器103、以及分束器104。在實施方式中，電磁輻射發(fā)射器101包括氣體激光器。在可替換的實施方式中，電 磁輻射發(fā)射器101可以包括固體激光器、激光二極管、發(fā)光二極管(LED)或者任何其他適合 的電磁輻射發(fā)射器。輻射發(fā)射器101產(chǎn)生包含s偏振分量和ρ偏振分量的光束。在實施方 式中，采用光學輸出功率為12mW的線偏振氦氖激光器，并且線偏振氦氖激光器的偏振方向 可被設置為與P偏振成45°。偏振器102可以被提供以通過轉動偏振器102的偏振角來選擇電磁輻射源的ρ偏 振分量和s偏振分量之間的含量比。在實施方式中，偏振器102的偏振角被設置為與ρ偏 振光軸成45°，以在ρ偏振分量和s偏振分量上獲得相等的含量。相位調(diào)制器103可以是液晶調(diào)制器(LCM)，用于調(diào)制ρ偏振分量和s偏振分量之 間的光學相位延遲。調(diào)制原理如圖3所示。LCM 103接收穿過偏振器102的光。在光穿過 LCM103之后，可以將周期驅動電壓應用于LCM103以引起ρ偏振分量和s偏振分量的相位 延遲Θ。根據(jù)實施方式的示例，LCM 103的調(diào)制深度可以在大約0至之間，而LCM 103 的頻率可以設置為約30Hz。在可替換的實施方式中，調(diào)制深度可以達到約1 π、2 π、3 π、 4π、5π、6π、7:η、8π、9:η、10π、11:η、12π、13π、14π、15π、20π、25π、30π
30JI。在可替換的實施方式中，LCM的頻率可以設置為高達約10Ηζ、20Ηζ、30Ηζ、40Ηζ、50Ηζ、 60Hz、70Hz、80Hz、90Hz、100Hz、lkHz、IOkHz、IOOkHz、1ΜΗζ、IOMHz、100MHz、lGHz、IOGHz、 100GHz、或者更大。根據(jù)LCM的特性，其他調(diào)制深度和頻率也可以使用，并且容易由本領域 的技術人員想到和實現(xiàn)，以適合具體要求?？梢允菬o色的載玻片的分束器104可以用于將光束分為兩部分。所獲得的一條光 束可以是探針或者測試光束910，而另一條可以是參考光束900。利用包括偏振器201和光 電探測器202的參考單元200能夠產(chǎn)生參考光束900。如圖2所示，偏振器201可以被設置 為偏振角α，偏振器201能夠在參考光束的ρ偏振分量和s偏振分量之間產(chǎn)生干涉。在具 體實施方式中，偏振角α可以是任何適合的角，本領域的技術人員將容易地識別所有這些 角，在具體實施方式
中，根據(jù)用戶的具體要求偏振角α可以是約45°或者可以大于或小于 45°。當LCM連續(xù)地掃過ρ偏振分量和s偏振分量之間的延遲差時，光電探測器202可以 用于將光強變化轉換成電信號。在這個示例中，光電探測器202可以是光電二極管。在光束會聚單元300 (還稱為聚焦單元)中，光束擴展器301可以首先擴展測試光 束的光束直徑，而透鏡302接著可以聚焦光束以形成覆蓋一系列照明角的光束920。該光束
9線到達其在sra系統(tǒng)的傳感表面302處的焦點，并且在反射后開始發(fā)散。由于sra只在狹 窄的入射角范圍內(nèi)出現(xiàn)，因此這種配置確保了照明覆蓋了較寬的條件范圍，包括與共振之 前和之后相關的那些條件。入射角的分辨率依賴于光電探測器陣列502中像素的數(shù)量以及 sra傳感表面402的接納角。在實施方式中，入射角的所述范圍可以在約60°和約70°之間。應該理解，在實 施方式中，入射角的范圍可以是在傳感層的全內(nèi)反射的臨界角和90°之間的任何范圍。在 可替換的實施方式中，所述角可以在約50°和70°之間、約55°和75°之間、約50°和 80°之間、約45°和85°之間、約40°和90°之間。在實施方式中，入射角可以包括大于 約80°或者小于約10°的角。在實施方式中，所述角可以大于約5度、10度、15度、20度、 25度、30度、35度、40度、45度、50度、55度、60度、65度、70度、75度、80度、85度、90度、 95 度、100 度、105 度、110 度、115 度、120 度、125 度、130 度、135 度、140 度、145 度、150 度、 155度、160度、165度、170度或者更大的度數(shù)，或者可以小于約5度、10度、15度、20度、25 度、30度、35度、40度、45度、50度、55度、60度、65度、70度、75度、80度、85度、90度、95 度、100 度、105 度、110 度、115 度、120 度、125 度、130 度、135 度、140 度、145 度、150 度、155 度、160度、165度、170度。在實施方式中，所述角可以在約0°和約10°之間、約10°和約 20°之間、約20°和約30°之間、約30°和約40°之間、約40°和約50°之間、約50°和 約60°之間、60°和約70°之間、約70°和約80°之間、約80°和約90°之間。對于傳感單元400，使用了針對傳統(tǒng)SI3R配置(棱鏡/金屬層/樣本)和針對LRSPR 配置(棱鏡/金屬層/電介質層/金屬層/樣本)的棱鏡耦合方案，而且其配置分別在圖4 和圖5中示出。在這些配置中，棱鏡耦合方案包括棱鏡401、在棱鏡401上的傳感表面402、 以及與棱鏡401相關聯(lián)的樣本流動腔404，樣本流動腔404用于引導樣本403流過傳感表 面402。在實施方式中，棱鏡401可由透明的介電材料制成，如塑料或者玻璃，以提高光的 動量，從而與SPW的動量相匹配。在實施方式中，采用了由BK7玻璃制成的達夫棱鏡(dove prism)。在傳統(tǒng)的SI^R配置中，傳感表面402的轉換層通常由導電材料如金或者銀制成。一 系列其他金屬也是可用的，例如但不限于，在實施方式中導電表面可以包括或者由鉬、鎳、 銅、鋁、或者鉻組成，而且在實施方式中，導電表面可以覆蓋不同的金屬或者其它導電層或 者電介質。在實施方式中，由于金層良好的抗化學腐蝕性能，因此可以采用標稱48nm厚的金 層。根據(jù)應用場合和材料選擇，該層的厚度可以在20nm至SOnm之間。在實施方式中，該厚 度可以是0. 1和Inm之間、1和2nm之間、2禾口 5nm之間、5禾口 IOnm之間、10禾口 20nm之間、 20和30nm之間、30和40nm之間、40和50nm之間、50和60nm之間、60和70nm之間、70和 80nm之間、80和90nm之間、90和IOOnm之間、100和1 IOnm之間、110和120nm之間、120禾口 140nm之間、140和180nm之間、180和220nm之間、或者大于220nm的任何值。在LRSra配置中，傳感表面402的轉換層由電介質層406組成，電介質層406被圖 5的兩個導電材料層405和407夾在中間。在實施方式中，所述導電層可包括金或銀。在 實施方式中，形成棱鏡表面的導電材料的第一層可以是厚度為48nm的金。導電材料的第二 層可以是厚度為453nm的二氧化硅。導電材料的第三層可以是厚度為2nm的金。對于具體 的應用場合和材料選擇可以對各層選擇的厚度進行修改，本領域的技術人員將容易地修改 適合具體要求的尺寸等。在實施方式中，樣本403可以以含水形式使用。在一個實施方式中，可以使用重量百分比濃度從0%至8%并且增量為的甘油和水的混合物。樣本流動 腔404可被設計為允許樣本403流進和流出腔404，并接觸傳感面。在光學檢測器陣列單元502/500中，偏振器501可被定向成使得探針光束的ρ偏 振分量和s偏振分量能夠相互干涉。然后，光電探測器陣列502可以用于在不同的入射角 處獲取發(fā)散的探針光束的光強變化。來自每個光學檢測器元件的信號軌跡可以包含在具體 入射角處計算與SPR效應相關聯(lián)的相位改變所需要的所有信息。如圖6所示，檢測單元600包括相位計601和微處理器602，該檢測單元600可 以連接在參考單元200和光學檢測器陣列單元502/500之間，并且可包括光學檢測器陣列 500?？梢圆捎孟辔挥?01以測量參考通道和探針通道之間的差分相位，使得利用微處理器 602能夠得到該差分相位以及隨后的與待分析的生物分子或其他分子結合到傳感器表面相 關聯(lián)的折射率變化。應該理解，光學光束的數(shù)值孔徑和光學檢測器陣列的像素數(shù)之間的折中可以決定 或者影響性能。在實施方式中，陣列中較高的檢測器元素數(shù)可以提供更好的分辨率。但是 這也意味著完成測量所需要的時間將增加，因為系統(tǒng)需要處理更多的信號軌跡。應該理解，在可替換的實施方式中，所描述的裝置的一個或者多個單獨的部件可 以組合或者包含在另一個之中?？商鎿Q的實施方式在可替換的實施方式中，公開了用于sra傳感的方法。該方法可以包括將來自多 個照明角的測試光束反射離開測試表面，檢測所述反射的光束的相位，以及將反射的測試 光束的相位與所述參考光束的相位相比較以特征化所述樣本。在實施方式中，方法還包括 檢測所述反射光束相位的變化，將檢測的光束與參考光束相比較。在實施方式中，當測試光 束入射到所述傳感表面時，測試光束基本是平行的。在可替換的實施方式中，反射光束和參 考光束之間的比較可以包括在參考光束的P偏振分量和S偏振分量之間形成干涉；檢測干 涉的光；以及將所述干涉的光的相位與所述測試光束的相位相比較。在可替換的實施方式中，公開了傳感裝置，其包括電磁輻射源；產(chǎn)生測試光束和 參考光束的分束器；傳感表面；光聚焦單元，以多個角度將所述測試光束聚焦到所述傳感 表面上；檢測單元，用于檢測所述參考光束和所述反射測試光束之間的差分相位變化。實施例為了證明實施方式的性能，進行了使用傳統(tǒng)sra傳感表面的實驗。測試樣本是甘 油和水的混合物。這些混合物的濃度為0%到8%重量比，而相應折射率單位(RIU)的范 圍從1.3330至1.3424。相應的結果如圖7所示。如該圖所示，當光學檢測器陣列只包含 6個元件時，系統(tǒng)覆蓋的動態(tài)范圍是ixio_2riu。來自傳統(tǒng)sra配置和LRsra配置的相位 響應的模擬結果如圖8所示。對于傳統(tǒng)的Sra配置，傳感器層的結構是厚度為48nm的薄金 層，而對于LRSI3R配置，傳感器層的結構是厚度分別為48nm、453nm和2nm的金/ 二氧化硅 /金的多層堆疊。結果表明，對于γ相位變化，對于傳統(tǒng)的sra配置而言相應折射率變化 是9. 62X 10_7，而對于LRSI3R配置而言相應折射率變化是1. 72X 10_8RIU。圖9和圖10示出 了當傳統(tǒng)sra和LRsra配置分別被并入寬動態(tài)范圍相敏sra傳感器中時，來自傳統(tǒng)sra和 LRSra配置的相位響應的模擬結果。在此模擬中使用的入射角覆蓋了 62. 500°到65. 627° 的范圍，對于傳統(tǒng)的SI^R配置，利用16個元件的光學檢測器陣列來檢測產(chǎn)生的信號軌跡，而對于LRSra配置，利用32個元件的光學檢測器陣列來檢測產(chǎn)生的信號軌跡。曲線表示在每 個照明角處傳感層的相位響應，該相位響應是在檢測器陣列的每個通道中檢測到的相位信 號。來自傳統(tǒng)的Sra配置的相位響應曲線在圖9中所示，折射率傳感范圍從1. 333RIU到 1.38RIU(即，動態(tài)范圍大約是5X10_2 RIU)。隨著折射率進一步遠離最佳值移動，分辨率 漸漸地從2. 92X T6RIU/度減小到7. 67X 10_5 RIU/度。如圖10所示，LRSPR配置的相位響 應表明，在5X IO-2RIU的動態(tài)范圍內(nèi)，分辨率僅從2. 14X IO-8RIU/度改變到6. 57X KT8RIU/ 度。 本文所介紹的實施方式和示例是對所要求保護的主題的一般性特征的說明，而不 是限制性的。本領域的技術人員應當理解，在不脫離所公開和所要求保護的主題的精神和 范圍的情況下，如何能夠針對不同的應用和以不同的方式容易地修改和/或適用這些實施 方式。權利要求應被理解為包括但不限于所要求保護的主題的所有可替換的實施方式和等 價物。本文所采用的短語、單詞和術語是說明性的而不是限制性的。在法律允許的情況下， 本文所引用的所有參考文獻的全部內(nèi)容通過引用并入本文。應當理解，在可能的可替換的 實施方式和可替換的特征組合的范圍內(nèi)，本文所公開的不同實施方式的任何方面可以進行 組合，改變特征組合的所有的實施方式將被理解為形成所要求保護的主題的一部分。
權利要求
一種相敏SPR傳感裝置，包括傳感單元，所述傳感單元具有傳感表面以反射電磁輻射的測試光束，其中所述測試光束被所述傳感表面以多個角度反射。
2.如權利要求1所述的裝置，其中所述照明角的范圍可以在約0°和10°之間、約 10°和約20°之間、約20°和約30°之間、約30°和約40°之間、約40°和約50°之間、 約50°和約60°之間、60°和約70°之間、約70°和約80°之間、約80°和約90°之間。
3.如權利要求2所述的裝置，還包括檢測單元，用于在所述反射角中的至少兩個處檢 測所述反射光束。
4.如權利要求3所述的裝置，其中所述檢測單元包括多個檢測器。
5.如權利要求2所述的裝置，其中所述檢測單元將所述反射的測試光束的相位與參考 光束的相位相比較。
6.如權利要求5所述的裝置，其中所述參考光束和所述測試光束由分束器產(chǎn)生。
7.如權利要求4所述的裝置，還包括聚焦單元，用于聚焦所述測試光束。
8.如權利要求7所述的裝置，其中所述聚焦單元包括柱面透鏡。
9.如權利要求8所述的裝置，還包括光束會聚單元，用于會聚所述測試光束。
10.如權利要求4所述的裝置，其中所述檢測單元包括光電探測器陣列。
11.如權利要求10所述的裝置，其中所述檢測單元包括相位計。
12.如權利要求1所述的裝置，其中所述第一光束的所述源包括液晶調(diào)制器。
13.如權利要求1所述的裝置，還包括具有可變相位延遲的偏振電磁輻射源。
14.如權利要求13所述的裝置，其中所述檢測單元包括 偏振器；光電探測器，用于檢測來自所述偏振器的干涉的電磁輻射；以及 處理器，用于將所述干涉的電磁輻射的相位方向圖與所述參考光束相比較。
15.如權利要求1所述的裝置，其中所述第一光束的所述源包括氣體激光器、固體激光 器、激光二極管、發(fā)光二極管或者二極管激光器。
16.如權利要求2所述的裝置，其中所述傳感單元還包括 棱鏡；以及樣本流動系統(tǒng)，用于允許所述樣本流過所述傳感表面。
17.如權利要求16所述的裝置，其中所述傳感單元包括轉換層，所述轉換層包括 金屬層，適于提供常規(guī)SI^R效應；或者電介質層，位于兩個金屬層之間。
18.一種傳感裝置，包括 電磁輻射源；分束器，用于產(chǎn)生測試光束和參考光束； 傳感表面；電磁輻射聚焦單元，以多個角度將所述測試光束聚焦到所述傳感表面上；以及 檢測單元，用于檢測所述參考光束和所述反射的測試光束之間的差分相位變化。
19.如權利要求18所述的裝置，其中照明角的范圍在約0°和10°之間、約10°和約 20°之間、20°和約30°之間、約30°和約40°之間、約40°和約50°之間、約50°和約 60°之間、60°和約70°之間、約70°和約80°之間、約80°和約90°之間。
20.如權利要求19所述的裝置，其中所述檢測單元包括多個檢測器。
21.如權利要求20所述的裝置，其中所述檢測單元包括檢測器陣列。
22.如權利要求21所述的裝置，其中所述檢測單元包括相位計，用于測量輸出信號陣 列的每個點的差分相位。
23.如權利要求18所述的裝置，其中所述源還包括偏振器，用于選擇所發(fā)射的電磁輻 射的P偏振分量和S偏振分量之間的強度比。
24.如權利要求18所述的裝置，其中所述檢測單元還包括偏振器和光電探測器，而且 適于將所述測試光束的相位與所述參考光束的相位相比較。
25.如權利要求24所述的裝置，其中所述聚焦單元包括光束擴展器，用于擴展所述測試光束的直徑；以及透鏡，用于將所述光束聚焦到所述傳感表面上。
26.如權利要求18所述的裝置，其中所述傳感單元包括棱鏡；以及樣本流動腔，允許樣本流過所述傳感表面。
27.如權利要求18所述的裝置，其中所述源包括相位調(diào)制器。
28.如權利要求18所述的裝置，其中所述單元包括氣體激光器、固體激光器、激光二極 管、或者發(fā)光二極管。
29.一種用于sra傳感的方法，所述方法包括將來自多個照明角的測試光束反射出測試表面；檢測所述反射光束的相位；以及將反射的測試光束的相位與所述參考光束的相位相比較以表征樣本。
30.如權利要求29所述的方法，還包括檢測所述反射光束的相位的變化。
31.如權利要求30所述的方法，其中將所述反射光束與參考光束相比較。
32.如權利要求29所述的方法，其中當所述測試光束入射到所述傳感表面時是基本平 行的。
33.如權利要求31所述的方法，其中所述比較包括在所述參考光束的P偏振分量和S偏振分量之間形成干涉；檢測所述干涉的電磁輻射；以及將所述干涉的電磁輻射的相位與所述測試光束的相位相比較。
34.如權利要求29所述的方法，其中照明角的范圍在約0°和10°之間、約10°和約 20°之間、約20°和約30°之間、約30°和約40°之間、約40°和約50°之間、約50°禾口 約60°之間、60°和約70°之間、約70°和約80°之間、約80°和約90°之間。
35.如權利要求29所述的方法，其中第一光束由氣體激光器、固體激光器、激光二極 管、或者發(fā)光二極管產(chǎn)生。
全文摘要
公開了相敏SPR傳感裝置和用于表面等離子體共振傳感的方法。所述相敏SPR包括傳感單元(400)，其具有用于反射電磁輻射的測試光束(920)的傳感表面(402)，其中測試光束(920)被所述傳感表面(402)以多個角度反射。
文檔編號G01N21/21GK101965509SQ200980108278
公開日2011年2月2日 申請日期2009年3月20日 優(yōu)先權日2008年4月2日
發(fā)明者何浩培, 盧光銓, 孫益強, 江紹佳, 王永威, 胡樹源 申請人:香港中文大學