專利名稱：一種利用光譜強度變化檢測介質(zhì)折射率變化的裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及在表面等離子體光學(xué)傳感和生物傳感技術(shù)領(lǐng)域，特別是 涉及一種利用 光譜強度變化檢測介質(zhì)折射率變化的裝置。
背景技術(shù)：
表面等離子波是在金屬表面存在的自由振動的電子與光子相互作用產(chǎn)生的沿著 金屬表面?zhèn)鞑サ碾娮邮杳懿?。表面等離子體波在金屬_介質(zhì)表面?zhèn)鬏敃r，它的倏逝波場在 介質(zhì)中具有一定穿透深度。當(dāng)介質(zhì)的折射率出現(xiàn)擾動，表面等離子體的傳播常數(shù)會發(fā)生變 化，表面等離子體共振傳感器就是通過測量傳播常數(shù)的變化來檢測折射率的變化。表面等 離子體波的傳播常數(shù)的變化可以通過檢測與表面等離子體耦合的輸入光的特性變化來體 現(xiàn)。表面等離子體傳感作為一種光學(xué)傳感技術(shù)，無需進行樣品標(biāo)記、能夠?qū)崟r監(jiān)測生物分子 之間相互作用，近年來發(fā)展迅速，成為生物分子檢測的有利工具。該檢測方法樣品用量少， 靈敏度高，抗干擾能力強，在核酸雜交、遺傳病診斷、基因突變研究及微生物檢測等領(lǐng)域得 到廣泛的應(yīng)用。根據(jù)檢測光波的特性的不同，常見的表面等離子體傳感器可以分為角度調(diào)制傳感 器，波長調(diào)制傳感器，強度調(diào)制傳感器，相位調(diào)制傳感器，偏振調(diào)制傳感器五種類型。其中比 較常見是角度調(diào)制傳感器和波長調(diào)制傳感器。表面等離子體波激發(fā)需要特定條件，真空中光波矢量小于表面等離子體波矢量， 光波可以通過棱鏡表面全反射增加光波波矢量，使入射光波矢量與表面等離子體波波矢量 匹配，以棱鏡耦合方式激發(fā)金屬表面等離子體波。表面等離子體波共振激發(fā)后，由于入射光 波與表面等離子體波模式耦合，發(fā)生全反射的入射光波反射率會大大降低。傳感金屬層表 面介質(zhì)折射變化會導(dǎo)致表面等離子體波矢量變化，此時入射光波需要調(diào)整入射角度或者波 長使棱鏡耦合光波矢量與表面等離子體波矢量匹配，才能達到共振激發(fā)表面等離子體波的 目的。通過檢測不同入射角度或不同波長的入射光波的反射率變化即可得到表面等離子體 波共振狀態(tài)變化，通過這一變化可以監(jiān)測金屬表面介質(zhì)折射率的細微擾動，達到傳感目的。常規(guī)角度調(diào)制表面等離子體傳感器傳感光源采用單色光源或激光光源，改變?nèi)肷?光全反射角，檢測反射率對于全反射角度的變化，監(jiān)測金屬表面介質(zhì)折射率變化。探測過程 中需要改變探測光源入射角度，需要精確控制光路變化，對角度控制和樣品定位設(shè)備精度 要求較高。表面等離子體波長調(diào)制傳感通常使用寬譜光源，經(jīng)過棱鏡全反射后利用光譜儀 分析反射光譜強度變化得到相應(yīng)入射光波對金屬表面等離子體波共振響應(yīng)，設(shè)備復(fù)雜。

發(fā)明內(nèi)容
(一)要解決的技術(shù)問題本發(fā)明針對上述表面等離子體傳感技術(shù)不足，提供了一種利用光譜強度變化檢測 介質(zhì)折射率變化的裝置，該裝置使用形變布拉格反射鏡作為光波檢測信號的分光裝置，反 射光波經(jīng)過形變布拉格反射鏡分光入射至CCD傳感器，通過CCD傳感器實時監(jiān)測反射光譜強度變化，達到檢測金屬表面介質(zhì)折射率變化目的。( 二 )技術(shù)方案為達到上述目的，本發(fā)明提供了一種利用光譜強度變化檢測介質(zhì)折射率變化的裝置，該裝置包括耦合棱鏡1 ；在耦合棱鏡1表面蒸鍍的金屬層2 ；在金屬層2表面涂覆的傳感介質(zhì)層3 ；形變布拉格反射鏡4;CCD傳感器5;以及在CXD傳感器5表面涂覆的熒光物質(zhì)層6 ；其中，平行入射光波a經(jīng)過所述耦合棱鏡1入射至所述金屬層2發(fā)生表面等離子 體諧振耦合，并變?yōu)楸砻娴入x子體耦合反射光波b ；反射光波b入射至所述形變布拉格反射 鏡4，被所述形變布拉格反射鏡4反射，形成傳感光波c ；傳感光波c入射至所述CCD傳感器 5表面的熒光物質(zhì)層6 ；熒光物質(zhì)層6被激發(fā)后由所述CCD傳感器5檢測熒光強度；發(fā)生表 面等離子體耦合的波長在CCD傳感器5相應(yīng)位置體現(xiàn)為暗條紋，通過檢測暗條紋位置即可 監(jiān)測表面等離子體耦合波長，實現(xiàn)對介質(zhì)折射率變化的檢測。上述方案中，所述金屬層2采用厚度為40nm的金。上述方案中，所述傳感介質(zhì)層3為經(jīng)過生物修飾的抗體抗原或其待測溶液。上述方案中，所述形變布拉格反射鏡4采用傾斜鍍膜技術(shù)制作，在離子束濺射介 質(zhì)膜同時依次按照固頂角度改變襯底與反應(yīng)室托盤夾角，由于濺射區(qū)域與濺射源位置不 同，得到厚度逐漸變化的多層薄膜，形成形變布拉格反射鏡4。上述方案中，所述形變布拉格反射鏡4通過多層介質(zhì)薄膜疊加制作，使用厚度均 勻變化介質(zhì)薄膜按照相同的厚度變化方向周期性堆疊而成。 上述方案中，所述形變布拉格反射鏡4，對應(yīng)傳感波長位置單層介質(zhì)膜厚度為傳感 光波波長的四分之一，對此波長形成全反射；由于介質(zhì)膜厚度均勻變化，在形變布拉格反射 鏡表面不同位置對應(yīng)不同波長形成全反射，其他波長成分完全透過布拉格反射鏡。上述方案中，所述平行入射光波a是波長為800nm-900nm寬譜光源，則與該平行入 射光波a對應(yīng)的形變布拉格反射鏡4介質(zhì)膜厚度變化區(qū)域為200nm至225nm范圍。上述方案中，所述形變布拉格反射鏡4對耦合棱鏡1反射的反射光波b分光，得到 的傳感光波c按照波長順序入射至所述CCD傳感器5的不同位置，發(fā)生表面等離子體共振 的波長光譜強度由于能量為最低；通過檢測入射至所述CCD傳感器5表面不同位置光譜，能 夠得到發(fā)生表面等離子體共振的光波的波長，通過檢測表面等離子體共振波長的變化監(jiān)控 傳感介質(zhì)折射率的變化。上述方案中，所述熒光物質(zhì)層6通過所述CCD傳感器5監(jiān)測傳感光波激發(fā)不同位 置的熒光物質(zhì)發(fā)光而檢測共振波長變化。(三)有益效果本發(fā)明提供的利用光譜強度變化檢測介質(zhì)折射率變化的裝置，使用形變布拉格反 射鏡結(jié)合表面等離子體耦合進行波長調(diào)制傳感，傳感光波直接被形變布拉格反射鏡分光， 利用CCD傳感器直接檢測形變布拉格反射鏡不同位置對應(yīng)波長光譜強度變化。傳感光路簡單，檢測不需使用光譜儀等設(shè)備，檢測方式簡化。可以直觀實時地通過CCD傳感器檢測點信 號強度變化檢測傳感介質(zhì)折射率微小擾動，具有較高的靈敏度。另外，檢測波長范圍存在變 化時，可以改變?nèi)肷渲列巫儾祭穹瓷溏R光波位置，利用形變布拉格反射鏡不同的厚度區(qū) 域進行傳感，波長調(diào)制傳感范圍靈活可控。


圖1為本發(fā)明提供的利用光譜強度變化檢測介質(zhì)折射率變化裝置的示意圖；其中1耦合棱鏡2金屬層3傳感介質(zhì)層4形變布拉格反射鏡5CCD 傳感器6熒光物質(zhì)層a平行入射光波b表面等離子體耦合的反射光波c布拉格反射鏡反射的傳感光波
具體實施例方式為使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點更加清楚明白，以下結(jié)合具體實施例，并參照 附圖，對本發(fā)明進一步詳細說明。如圖1所示，圖1為本發(fā)明提供的利用光譜強度變化檢測介質(zhì)折射率變化裝置的 示意圖，該裝置包括耦合棱鏡1 ；在耦合棱鏡1表面蒸鍍的金屬層2 ；在金屬層2表面涂覆的傳感介質(zhì)層3 ；形變布拉格反射鏡4 ；CCD傳感器5 ；以及在CXD傳感器5表面涂覆的熒光物質(zhì)層6 ；其中，平行入射光波a經(jīng)過所述耦合棱鏡1入射至所述金屬層2發(fā)生表面等離子 體諧振耦合，并變?yōu)楸砻娴入x子體耦合反射光波b ；反射光波b入射至所述形變布拉格反射 鏡4，被所述形變布拉格反射鏡4反射，形成傳感光波c ；傳感光波c入射至所述CCD傳感器 5表面的熒光物質(zhì)層6 ；熒光物質(zhì)層6被激發(fā)后由所述CCD傳感器5檢測熒光強度；發(fā)生表 面等離子體耦合的波長在CCD傳感器5相應(yīng)位置體現(xiàn)為暗條紋，通過檢測暗條紋位置即可 監(jiān)測表面等離子體耦合波長，實現(xiàn)對介質(zhì)折射率變化的檢測。金屬層2采用厚度為40nm的金。傳感介質(zhì)層3為經(jīng)過生物修飾的抗體抗原或其 待測溶液。形變布拉格反射鏡4采用傾斜鍍膜技術(shù)制作，在離子束濺射介質(zhì)膜同時依次按 照固頂角度改變襯底與反應(yīng)室托盤夾角，由于濺射區(qū)域與濺射源位置不同，得到厚度逐漸 變化的多層薄膜，形成形變布拉格反射鏡4。
形變布拉格反射鏡4通過多層介質(zhì)薄膜疊加制作，使用厚度均勻變化介質(zhì)薄膜按 照相同的厚度變化方向周期性堆疊而成。形變布拉格反射鏡4對應(yīng)傳感波長位置單層介質(zhì) 膜厚度為傳感光波波長的四分之一倍，對此波長形成全反射；由于介質(zhì)膜厚度均勻變化，在 形變布拉格反射鏡表面不同位置對應(yīng)不同波長形成全反射，其他波長成分完全透過布拉格 反射鏡。平行入射光波a是波長為800nm-900nm寬譜光源，則與該平行入射光波a對應(yīng)的 形變布拉格反射鏡4介質(zhì)膜厚度變化區(qū)域為200nm至225nm范圍。形變布拉格反射鏡4對耦合棱鏡1反射的反射光波b分光，得到的傳 感光波c按 照波長順序入射至所述CCD傳感器5的不同位置，發(fā)生表面等離子體共振的波長光譜強度 由于能量為最低；通過檢測入射至所述C⑶傳感器5表面不同位置光譜，能夠得到發(fā)生表面 等離子體共振的光波的波長，通過檢測表面等離子體共振波長的變化監(jiān)控傳感介質(zhì)折射率 的變化。熒光物質(zhì)層6通過所述CCD傳感器5監(jiān)測傳感光波激發(fā)不同位置的熒光物質(zhì)發(fā)光 而檢測共振波長變化。入射光波為寬譜光源，以一定角度入射至棱鏡并在棱鏡表面發(fā)生全反射，此時入 射光與棱鏡表面金屬發(fā)生表面等離子體耦合，相應(yīng)波長反射光波反射率大大降低，對應(yīng)光 波光譜強度會大大降低。反射光波入射至形變布拉格反射鏡，形變布拉格反射鏡對反射光 分光，不同波長反射光波在形變布拉格反射鏡表面反射率不同，使反射光波按照一定波長 排布順序入射至CCD傳感器，形成反射光譜。發(fā)生表面等離子體共振反射光波模式對應(yīng)波 長光譜強度大大降低，可以在CCD傳感器表面實時檢測，通過分析不同共振光波的波長強 度的變化，可以得到棱鏡金屬層表面介質(zhì)折射率的變化。再參照圖1，在耦合棱鏡1表面蒸鍍厚度為40nm的金作為表面等離子體耦合金屬 層2，在金屬層2的表面蒸鍍一層傳感介質(zhì)層3，可傳感介質(zhì)層3以為經(jīng)過生物修飾的抗體 抗原或其待測溶液。形變布拉格反射鏡4采用傾斜鍍膜技術(shù)制作，在離子束濺射介質(zhì)膜同 時依次按照固頂角度改變襯底與反應(yīng)室托盤夾角，由于濺射區(qū)域與濺射源位置不同，得到 厚度逐漸變化的多層薄膜，形成形變布拉格反射鏡4。在CCD傳感器5表面涂覆熒光物質(zhì)層 6。平行入射光波a可以選擇為800nm-900nm寬譜光源，則對應(yīng)布拉格反射鏡介質(zhì)膜 厚度變化區(qū)域為200nm至225nm范圍。平行入射光波a經(jīng)過耦合棱鏡1入射至金屬層2發(fā) 生表面等離子體諧振耦合，并變?yōu)楸砻娴入x子體耦合反射光波b。反射光波b入射至形變布 拉格反射鏡4，相應(yīng)波長范圍的光波按照800nm-900nm波長順序，在被形變布拉格反射鏡4 薄膜厚度范圍200nm至225nm區(qū)域內(nèi)反射，形成形變布拉格反射鏡4反射傳感光波c，傳感 光波c入射至CCD傳感器表面的熒光物質(zhì)層6。熒光物質(zhì)層6被激發(fā)后由CCD傳感器5檢 測熒光強度。發(fā)生表面等離子體耦合的波長在CCD傳感器5相應(yīng)位置體現(xiàn)為暗條紋，通過 檢測暗條紋位置即可監(jiān)測表面等離子體耦合波長，達到檢測介質(zhì)折射率變化的目的。以上所述的具體實施例，對本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和有益效果進行了進一步詳 細說明，所應(yīng)理解的是，以上所述僅為本發(fā)明的具體實施例而已，并不用于限制本發(fā)明，凡 在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所做的任何修改、等同替換、改進等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保 護范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
一種利用光譜強度變化檢測介質(zhì)折射率變化的裝置，其特征在于，該裝置包括耦合棱鏡(1)；在耦合棱鏡(1)表面蒸鍍的金屬層(2)；在金屬層(2)表面涂覆的傳感介質(zhì)層(3)；形變布拉格反射鏡(4)；CCD傳感器(5)；以及在CCD傳感器(5)表面涂覆的熒光物質(zhì)層(6)；其中，平行入射光波a經(jīng)過所述耦合棱鏡(1)入射至所述金屬層(2)發(fā)生表面等離子體諧振耦合，并變?yōu)楸砻娴入x子體耦合反射光波b；反射光波b入射至所述形變布拉格反射鏡(4)，被所述形變布拉格反射鏡(4)反射，形成傳感光波c；傳感光波c入射至所述CCD傳感器(5)表面的熒光物質(zhì)層(6)；熒光物質(zhì)層(6)被激發(fā)后由所述CCD傳感器(5)檢測熒光光譜強度；發(fā)生表面等離子體耦合的波長在CCD傳感器(5)相應(yīng)位置體現(xiàn)為暗條紋，通過檢測暗條紋位置即可監(jiān)測表面等離子體耦合波長，實現(xiàn)對介質(zhì)折射率變化的檢測。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的利用光譜強度變化檢測介質(zhì)折射率變化的裝置，其特征在 于，所述金屬層(2)采用厚度為40nm的金。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的利用光譜強度變化檢測介質(zhì)折射率變化的裝置，其特征在 于，所述傳感介質(zhì)層(3)為經(jīng)過生物修飾的抗體抗原或其待測溶液。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的利用光譜強度變化檢測介質(zhì)折射率變化的裝置，其特征在 于，所述形變布拉格反射鏡(4)采用傾斜鍍膜技術(shù)制作，在離子束濺射介質(zhì)膜同時依次按 照固頂角度改變襯底與反應(yīng)室托盤夾角，由于濺射區(qū)域與濺射源位置不同，得到厚度逐漸 變化的多層薄膜，形成形變布拉格反射鏡(4)。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的利用光譜強度變化檢測介質(zhì)折射率變化的裝置，其特征在 于，所述形變布拉格反射鏡(4)通過多層介質(zhì)薄膜疊加制作，使用厚度均勻變化介質(zhì)薄膜 按照相同的厚度變化方向周期性堆疊而成。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的利用光譜強度變化檢測介質(zhì)折射率變化的裝置，其特征在 于，所述形變布拉格反射鏡(4)，對應(yīng)傳感波長位置單層介質(zhì)膜厚度為傳感光波波長的四分 之一，對此波長形成全反射；由于介質(zhì)膜厚度均勻變化，在形變布拉格反射鏡表面不同位置 對應(yīng)不同波長形成全反射，其他波長成分完全透過布拉格反射鏡。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的利用光譜強度變化檢測介質(zhì)折射率變化的裝置，其特征在 于，所述平行入射光波a是波長為800nm-900nm寬譜光源，則與該平行入射光波a對應(yīng)的形 變布拉格反射鏡(4)介質(zhì)膜厚度變化區(qū)域為200nm至225nm范圍。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的利用光譜強度變化檢測介質(zhì)折射率變化的裝置，其特征在 于，所述形變布拉格反射鏡(4)對耦合棱鏡(1)反射的反射光波b分光，得到的傳感光波c 按照波長順序入射至所述CCD傳感器(5)的不同位置，發(fā)生表面等離子體共振的波長光譜 強度由于能量為最低；通過檢測入射至所述C⑶傳感器(5)表面不同位置光譜，能夠得到發(fā) 生表面等離子體共振的光波的波長，通過檢測表面等離子體共振波長的變化監(jiān)控傳感介質(zhì) 折射率的變化。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的利用光譜強度變化檢測介質(zhì)折射率變化的裝置，其特征在 于，所述熒光物質(zhì)層(6)通過所述CCD傳感器(5)監(jiān)測傳感光波激發(fā)不同位置的熒光物質(zhì)發(fā)光而檢測共振波長變化.
全文摘要
本發(fā)明公開了一種利用光譜強度變化檢測介質(zhì)折射率變化的裝置，包括耦合棱鏡；在耦合棱鏡表面蒸鍍的金屬層；在金屬層表面涂覆的傳感介質(zhì)層；形變布拉格反射鏡；CCD傳感器；以及在CCD傳感器表面涂覆的熒光物質(zhì)層。寬譜傳感光束通過耦合棱鏡后，特定波長與棱鏡表面金屬層發(fā)生表面等離子體模式共振，金屬層表面介質(zhì)折射率會對表面等離子體共振波長調(diào)制，不同介質(zhì)折射率對應(yīng)不同的波長表面等離子體耦合，通過棱鏡的傳感光束反射光譜由形變布拉格反射鏡分光反射至CCD探測器上，利用CCD探測器不同位置對應(yīng)波長光譜強度變化探測特定波長的表面等離子體共振光吸收，達到探測棱鏡上金屬表面介質(zhì)折射率變化的目的。
文檔編號G01N21/64GK101825568SQ20101013917
公開日2010年9月8日 申請日期2010年3月31日 優(yōu)先權(quán)日2010年3月31日
發(fā)明者劉宏偉, 王春霞, 闞強, 陳弘達 申請人:中國科學(xué)院半導(dǎo)體研究所