[发明专利]表面等离子体振子谐振传感器

说明书

发明领域

本发明涉及表面等离子体振子谐振(surface plasmonresonance(SPM))传感器。更具体地说，本发明涉及水质监测领域，在这种领域中需要能够测量可能污染我们的水源的大量不同的化合物的传感器。其它可能的应用是食品质量监测、过程控制、包括人体免疫缺损病毒(HIV)核蛋白质的生物成分检测以及基因表达监测。

本发明的背景技术

表面等离子体振子(SP)为存在于电介质和金属/半导体之间的界面上的电荷密度的简振模式。在30年前人们就发现在SP和光的电磁场之间的耦合度对接近金属表面的电介质的光学特性的变化敏感。SPR传感器主要是在医疗和环境应用方面引起了人们的注意。

通过不同的分子识别元素(MRE)的阵列可以确定不同的分析物的监测，每种元素具有对特定的分析物的特定的响应。MRE可以是生物的、生化的或化学识别元素或这些元素的组合。

MRE例如可以直接固定在支持与光一同谐振的SP波的金属膜(例如SPR金属膜)的表面上，例如通过与金表面键联的硫醇。

可替换地，MRE例如可以通过在适合的聚合物膜(例如水凝胶)中的共价键固定，该聚合物为几百纳米厚并涂敷在SPR金属膜上。根据不同的应用，已经有了不同的MRE感测方案，包括抗体-抗原反应、用于DNA杂化分析的源自cNDA库的探针或低聚核苷酸阵列、分子印记技术、与离子载体和颜色离子载体的离子反应以及其中SPR金属膜作为两个电极中的一个电极(阳极或阴极)的电化学相互作用。虽然这些MRE本质上各不相同，但是它们具有固有的特性，即它们都利用表面或界面敏感的生化/化学相互作用，这些相互作用可以应用SPR感测方案定量地监测。

由于SP以横磁模式(TM模式)传播，只是在平行于入射平面地极化电场(TM极化)并且光的波矢量和SP相匹配的情况下才可能进行光学激励。在金属/电介质界面(即，在金属和要测量的试样之间的界面)上波长为λ的SP的波矢量k_SP大致表示为： k sp ~ 2 π λ ϵ m ϵ s ϵ m + ϵ s - - - ( 1 ) ]]>这里ε_s和ε_m分别为试样和金属的电介质常数的实部。入射光不可能直接耦合到光滑的表面上，由于在金属的情况ε_m为负值，光和SP的波矢量永远不可能相匹配。电子地光学地应用光栅或光学地应用耦合到金属表面的渐消失光波来激励SP。在应用Kretschmann结构中经常使用后一种方法，这种Kretschmann结构包括涂敷在高折射率棱镜(n_p～1.4-1.7)的一个表面上的薄金属膜组成。