波长可调谐表面等离子体激元谐振传感器制造技术

一种表面等离子体激元谐振传感器，用于感测探针区的折射系数，其包括：　　　　多色光源，用于产生沿着入射光传播轴传播的光；　　　　偏振器，其与所述多色光源光联通，用于选择所述光的偏振状态；　　　　光学组件，其与所述多色光源光联通，所述光学组件包括一个电介质层、一个电介质样品层和一个位于所述电介质层和所述电介质样品层之间的导电层，其中用所述光的所述光学组件的照射可以产生沿着反射光传播轴传播的光，其中所述电介质样品层临近所述导电膜的部分构成探针区；　　　　探测器，其与所述光学组件光联通，用于探测沿着所述反射光轴传播的所述光，借此感测所述探针区的折射系数；和　　　　可选择调节波长选择器，其位于所述光源与所述探测器之间的光路上，用于透射光，该光具有选择的透射波长分布从而在与所述电介质样品层接触的所述导电层表面上产生表面等离子体激元。（*该技术在2023年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】关于联邦政府资助研究或开发的声明本工作由美国政府准予资助，NIDCR许可1UO1 DE14971-01。
技术介绍
表面等离子体激元谐振(SPR)显微镜是一种通过激发表面等离子体激元(SP)来探测与感测表面相邻的被探测区域化学和物理变化的技术。已经开发出了多种基于SPR技术的传感器，为表征金属薄膜表面上存在的超薄膜的厚度和折射系数提供了一种灵敏的装置。近年来，SP传感器被广泛地用于表征各种生物材料的化学和物理性质以及实时地探测结合事件。例如，SP传感器已经被成功地用于表征大量表面的形态学，探测蛋白质之间、蛋白质与DNA之间以及蛋白质与小分子之间的动力学(kinetics)和动态学(dynamics)，监视抗体-抗原结合以及表征DNA杂交过程。表面等离子体激元(surface plasmons)，也称作表面等离子体激元波(surface plasmon waves)或等离子体激元极化振子(plasmonpolaritons)，是电荷密度波，其平行于导电或半导电薄膜与电介质样品层之间的界面传播。SP是通过将入射光子的辐射能耦合到导电材料，例如金属，或者半导体材料内存在的自由电子的振荡模式中而产生的。SP高度集中在导电(或半导电)层的表面，且SP的电场强度在垂直于其传播平面的方向上成指数地衰减。SP的空间分布能够通过表征衰减长度加以量化地描述，衰减长度是指SP的强度衰减到其在导体(或半导体)-电介质样品层界面上的数值的e-1倍的距离。衰减长度(L)由下式给出L=12Re(ksp2+ks2)---(I)]]>其中Re是圆括号内量的实部，ksp是表面等离子体激元波矢，ks是临近导体(或半导体)的电介质样品层的波矢。对于由水构成的电介质样品层和由金构成的导电薄膜，波长为大约632.8nm的光的衰减长度等于83.1nm。SP高度集中的特性使得它们完美地适合于探测位于感测表面附近(≤约300nm)的感测区域内折射系数的非常小的变化。在传统的SPR方法中，SP是通过入射光束的全内反射产生的瞬时(evanescent)电磁波激发的。在Kretschmann-Raether几何布置中，瞬时电磁波透过位于较高和较低折射系数电介质层之间的金属薄膜(≈50nm)并激发SP，SP平行于位于较低折射系数层附近的金属膜的外表面传播。为了获得入射激发光和表面等离子体激元之间的波矢匹配条件，棱镜是必需的。对于给定的电介质样品，具有特定波长并且以特定角度入射的光子将产生瞬时波，其透过金属层并在金属-电介质样品界面激发表面等离子体激元。因此反射光的强度将减小并能够被监测作为SP发生的信号。选择地，在Otto SPR配置中，金属层和棱镜被空气隙隔离，SP在金属膜临近棱镜的一侧上被激发。Otto SPR配置的缺点是，在实验上难以保持非常薄而恒定的空气隙厚度。最后，在其他的SPR方法中，表面等离子体激元是通过当光沿着具有薄金属内层的光纤或者波导管传播时产生的瞬时场产生的。通过全内反射激发SP是一种谐振现象，其取决于入射光的波矢(也就是，入射光束的波长和入射角)。此外，SP的激发取决于较高折射系数层、较低折射系数样品层和用于将辐射能耦合到导体自由电子振荡模式中的导电(或半导电)薄膜的折射系数和厚度。SP的色散方程由下式给出ksp=k0ϵcϵdϵc+ϵd---(II);]]>其中k0是自由空间波矢(k0＝ω/c)；εc和εd分别是导电(或半导电)薄膜和较低折射系数电介质样品层的复合介电常数，ω是角频率。激发SP的谐振条件是，入射波矢(kpar)的平行分量必须等于表面等离子体激元波矢(ksp)kpar＝ksp(III)入射波矢的平行分量可以用光所入射的介质的折射系数n、入射角θ和入射光束的波长λ通过形成SP的等式加以表示kpar=2πnsin(θ)λ---(IV)]]>将等式II和IV带入等式III给出了如下的关系，其根据入射角和入射波束的波长表达形成表面等离子体激元的谐振条件2πnsin(θ)λ=k0ϵcϵdϵc+ϵd---(V)]]>由等式V可以显见，对于给定的金属膜厚度和电介质层折射系数设定，谐振条件可以通过改变入射角或者入射光束的波长或者同时改变两者加以满足。在SP色散关系的推导中(等式II)，产生表面等离子体激元必须满足的两个附加条件变得显而易见。首先，SP被p-偏振所以只能被p-偏振的入射光激发。其次，SP只有在由具有实异号介电常数(realpermittivites of opposite sign)的介质构成的界面上才被支持。如等式II-V所示，临近金属薄膜的电介质样品层折射系数的改变会改变产生SP的谐振条件。谐振条件的这一个变化能够通过测量反射入射波束的强度作为入射角、入射波束的波长或者两者的函数直接地加以监视。满足谐振条件会导致反射波束的强度急剧衰减，这是由于入射波束的辐射能在金属薄膜与较低折射系数层之间的界面上转变成了SP造成的。由于SP的空间定位特性，SP也被用于激发光致发光材料。明确地讲，是以激发电子跃迁产生荧光或光致发光的方式将SP的能量耦合到光致发光材料中。一个附加的探测器能够被设置成与感测表面光学联通，用于测量由SPR处理泵发的材料的荧光强度。衰减反射SPR方法与SPR诱导荧光的组合已经被示范地提供用于表征在传感器表面发生的化学和物理变化的灵敏装置。基于SPR的传感器利用了SPR谐振条件对于位于金属(或半导体)薄膜附近的较低折射系数电介质样品层的折射系数改变的依赖。在典型的感测装置中，用于形成SP的谐振条件的变化被实时地监测并直接与金属(或半导体)薄膜附近的感测表面上发生的化学或物理变化相联系。基于SPR的传感器可以通过操作感测表面的化学或物理性质对材料和化合物进行灵敏的探测。在这些装置中，感测表面可以涂覆一种可显示选择性结合特性的材料，从而当存在待感测的特殊材料时折射系数会变化。例如，感测表面能够通过涂覆某种抗体的抗原而对特殊的抗体敏感。利用这些原理，SPR探测能够成功地结合于大量商业上可获得的生物传感器件中，包括BIAcore有限公司制造的传感器和扫描器件。一般地，SPR光学配置包括(1)电磁辐射源，(2)具有第一折射系数的透光部件，(3)具有比透光部件的第一折射系数更小的第二折射系数的电解质样品层(探针区)，(4)位于透光部件和电解质样品层(探针区)之间的导电或半导电薄膜以及(5)探测器。在这一配置中，入射波束以一定的入射角度透过透明区域从而能够在透光部件与导电薄膜之间的表面上经历全内反射。反射的入射波束被收集和导向到探测器，该探测器能够测量其强度作为时间的函数。如果满足等式II-V列出的谐振条件，则辐射能量在导电或半导电薄膜与电介质样品层之间的界面上被转移给SP，导致被反射入射波束的强度产生可以测量的降低。基于SPR的传感器可以采用多种不同的光学配置。示例光学配置在如下文献中有说明Rothenhausler，本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】

【专利技术属性】
技术研发人员：保罗·雅格，伊莱恩·S·付，
申请(专利权)人：华盛顿大学，
类型：发明
国别省市：