[发明专利]纳米结构的SPR传感器装置

说明书

技术领域

本发明总体涉及基于表面等离子体共振的传感系统，更具体地说，涉及一种具有纳米结构的SPR传感器装置，适合在化学、生物化学、生物学、生物医学、制药和物理测试中使用。

背景技术

有许多已知的利用表面等离子体的激发的传感器，被称为表面等离子体共振（SPR）传感器，用于检测邻近传感器表面的样品的折射率变化。这样的SPR传感器用于，例如，在化学、生物化学、生物学、生物医学或制药研究中，在临床或食品检测中，或者在环境检测（如检测气体或废水）等中测量物质的浓度。许多SPR传感器可以进行快速、并行和大规模检测，这使得这些传感器也便于定量分子间的相互作用，特别是用于研究两个或更多相互作用的分子之间的亲合力和实时反应动力学。

SPR传感器依赖于众所周知的SPR现象，这涉及在金属材料（通常是金或银）和电介质材料之间的界面处传播的一种或多种表面结合电磁波。每一种因自由电子在金属-电介质的界面处的集体振荡而产生的表面结合电磁波，平行于该界面时，以其最高强度传播，远离该界面时，呈指数衰减。

激发SPR的最常用技术是利用Kretschmann装置中的棱镜。在这种情况下，棱镜覆盖有支持表面等离子体的贵金属层，且通过棱镜，SPR被光激发。实际上，如果入射光平行于界面的分量（component）和SPR的表面结合电磁波既有相匹配的频率，又有相匹配的波长，则光可以在金属-电介质界面处激发表面等离子体的共振。在共振条件下，入射光被金属-电介质界面吸收，以与表面结合电磁波耦合。通过检测，例如，由金属-电介质界面传输或反射的光强度的降低，可以观察到这一吸收。光与表面等离子体波之间的耦合状态对靠近金属-电介质界面的电介质的折射率变化非常敏感，SPR传感器利用在共振耦合状态的这种敏感性，当用SPR激发光束照射电介质时，通过测量从金属-电介质界面反射的光强度的降低，用于检测电介质的折射率变化。

SPR在能够检测生物分子或生物化学分子之间的相互作用的生物传感器系统中具有特别应用，这些相互作用为，例如，抗原和抗体、酶和底物、内分泌物和受体、核酸和核酸等之间的相互作用。特别是，许多SPR生物传感器系统带有附着在其传感器表面的生物受体，以当生物化学分子或生物分子与这些生物受体相互作用（结合）时，检测由传感器表面的折射率变化引起的光-SPR耦合状态的变化。这样的生物传感器系统适用于测量，例如，生物分子或生物化学分子在溶液中的浓度等。

目前，存在各种基于SPR传感的实验室设备。申请号为US2009/021,727的美国专利申请描述了基于Kretschman装置的生物传感器。

另一种用于检测生物化学分子的SPR生物传感器系统已知来自US2008/316,490，并且采用了金属光栅代替棱镜。

最近，局部表面等离子体共振（L-SPR）现象的发现以及通过金属亚波长周期结构增强的传输，对于显著提高检测阵列尺寸（支持高通量应用）显示出极大的潜力。对于L-SPR应用，在广泛的技术领域中已开发的最简单和最通用的技术是所谓的纳米孔阵列传感装置。在常规方法中，SPR传感器包括用贵金属层覆盖的电介质基片，在贵金属层中形成了周期性纳米孔阵列，即具有亚波长尺寸的孔。

例如，在WO2008/039212、WO2010/130045、和Parsons,J.等人的“Localized surface-plasmon resonances in periodic non-diffracting metallic nanoparticle and nanohole arrays”（PHYSICAL REVIEW B79，073412（2009））中，都描述了这种基于L-SPR的带有nm孔阵列的传感器。

发明目的

本发明的目的是提供一种纳米孔阵列型传感器装置，用于具有更高灵敏度的SPR传感。

这个目的是通过权利要求1所述的传感器装置达到的。

发明内容

在开展本发明工作时，本发明人观察到，现有技术已能通过调节纳米孔的几何形状来适应其电磁响应，然而，就生物检测过程来说，所得到的几何形状并不是最佳的。特别地，本发明人观察到，附着在金属上以及在孔中的生物分子受体通常位于不恰当的位置，以确保最有效的检测。

本发明人思考了这一问题，设计了一种等离子体传感器装置，具有能够确保配体/分析物与受体的结合发生在强电场密度的区域内。