[發(fā)明專利]外差干涉式表面等離子體波感測裝置及方法

無效

• 申請?zhí)枺?/td>: 01129484.1
• 申請日: 2001-06-21
• 公開（公告）號: CN1393689A
• 公開（公告）日: 2003-01-29
• 發(fā)明（設計）人: 周晟
• 申請（專利權）人: 周晟
• 主分類號: G01N21/41
• 分類號: G01N21/41;G01N21/21;G01N33/53
• 代理公司: 隆天國際專利商標代理有限公司
• 代理人: 陳紅,潘培坤

本發(fā)明涉及一種等離子體波感測裝置及方法，特別涉及一種外差干涉式表面等離子體波感測裝置及方法。

傳統(tǒng)上經(jīng)過一些免疫分析法(ELISA?or?RIA)檢測病原體細菌或病毒至少需要三天，它必須經(jīng)過清洗-反應-清洗等步驟方可完成，如果利用光纖生物傳感器，雖然可大大縮短檢驗的時間，然而還需要標志熒光物質方可執(zhí)行，而且在熒光檢測靈敏度上有一定限制，目前最新的方法是利用表面等離子體波共振方法(Surface?Plasma?Resonance；SPR)，可同時擁有快速檢驗而且不需使用熒光物標志的優(yōu)點。表面等離子體波(SurfacePlasma?Wave；SPW)是“在金屬表面同步震蕩的電磁波″，而表面等離子體共振現(xiàn)象的發(fā)生原理是通過棱鏡或其它不同的光學耦合(opticalcoupling)結構使入射的P偏極化光(TM?wave)在平行于金屬薄膜界面的方向的傳播常數(shù)k_x與表面等離子體波的傳播常數(shù)k_sp相同，而滿足共振的條件：k_x＝k_gsinθ＝k_sp，其中k_g＝[ω/c](ε₀)^1/2，

k_sp＝[ω/c](ε₁ε₂/(ε₁+ε₂))^1/2，ω為入射激光頻率，而ε₀、ε₁、ε₂分別為棱鏡、金屬膜和被測試介質的介電常數(shù)，此時產(chǎn)生于金屬膜和附著在金屬膜上的電介質的界面會產(chǎn)生表面等離子體波并同時將入射光能量帶走，因此造成反射光的強度下降，如圖1。而通過檢測因為介電常數(shù)的改變或折射率的改變所產(chǎn)生共振角度的平移或是固定激光入射角而測量反射光強度的變化(如圖2)，而可求得如折射率改變等物理量。以上兩種方法已廣泛地被采用于生物醫(yī)學或化學物質的快速檢驗中，然而該種方法不論利用反射光強度的變化或共振角發(fā)生位置的變化來檢測物理量，在靈敏度上都有一定的限制。

本發(fā)明的目的在于提供一種新的外差干涉表面等離子體波感測裝置及方法，采用雙頻率相互垂直(orthogonal)的線偏極化激光，例如日曼(Zeeman)激光在金屬膜等界面上產(chǎn)生兩個表面等離子體波，利用測量產(chǎn)生表面等離子體波的P偏極化反射波(P1波+P2波)的外差干涉信號的振幅大小變化，取代傳統(tǒng)上以測量共振角的位置或單一反射P波的強度變化等方法(如圖3)，本發(fā)明的裝置及方法用于檢測靈敏度可大幅提高并可即時測量被測試分子間的相互作用，例如，結合(association)、分離(dissociation)速率和濃度(concentration)等功能，同時亦可發(fā)展成為化學及生物傳感器(sensor)或其它應用。

為實現(xiàn)本發(fā)明的目的，我們提出一種外差干涉式表面等離子體波感測方法，用于測量化學或生物分子間相互作用，該方法主要在界面產(chǎn)生表面等離子體波時，測量兩相互同調關連、不同頻率的反射P1偏振光和P2偏振光，所產(chǎn)生外差干涉信號的振幅變化來計算出待測的物理量，該方法包括下列步驟：

(1)以一具有第一折射率的全反射裝置作為全反射用的基底，一具有第二折射率且規(guī)范一定厚度的金屬薄膜，其緊靠在該全反射裝置基底，同時在該金屬薄膜的另一面附著一化學或生物薄膜，其中該第二折射率低于該第一折射率；

(2)調整并校正入射激光的角度使得表面等離子體波在該金屬薄膜和該化學或生物薄膜界面上產(chǎn)生表面等離子體波；

(3)采用雙頻率且相互垂直線偏極化激光，其為P偏振光和S偏振光，并經(jīng)過一極化光元件組使得入射激光轉變成不同頻率且相互同調關連的P1偏振波和P2偏振波，P1和P2偏振激光經(jīng)全反射在金屬膜和化學薄膜界面上分別產(chǎn)生表面等離子體波，其反射P₁′波和P₂′波產(chǎn)生外差干涉信號，其拍頻等于該雙頻率的差頻；

(4)相同載波頻率的參考光束和信號光束的光干涉信號通過帶通濾波器過濾，并將外差干涉信號輸入到鎖相放大器或振幅解調裝置中，可即時測量外差干涉信號的振幅及相位變化；以及

(5)選擇適當入射角度，也即在表面等離子體波產(chǎn)生的共振角附近，測量外差干涉信號的振幅大小及其隨時間的變化量或相位變化量。

上述的外差干涉式表面等離子體波感測方法，其中雙頻率相互關連的P1波和P2波線偏極化激光，從以下方法所組成的族群中選擇：