专利名称：管状波导式等离子体激元共振感测装置及感测系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种等离子体激元共振感测装置及感测系统，特别涉及一种应用管状
波导组件作为待测物质载体的表面等离子体激元共振感测系统。
背景技术：
目前，表面等离子体激元共振的现象指的是，当光源以某一固定入射角入射在金 属表面时，光检测器检测到的反射光强度会接近零，也就是金属膜的反射率近于零，未反射 的光将沿着平行界面方向以一定的速度传播，激发金属的表面等离子体激元共振，这就是 全反射衰逝法(attenuated totalref lection :atr)。 表面等离子体激元共振感测系统是利用上述表面等离子体激元共振的现象所制 成的感测系统，因为表面等离子体激元共振感测器具有高灵敏度、无须对待测物质分子做 任何标记、可实时地分析分子间的交互作用、检测速度快、可定量并可大量平行筛检等种种 优点，因此对于生物分子的检测，已有广泛的应用。 金属纳米粒子表面上的自由电子云能受到特定频率的电磁场所激发，进而以集体 式偶极共振的现象反应出来，但此时这些活泼的电子云却被局限在纳米微粒附近，所以又 被称为定域等离子体激元共振(localized plasmonresonance，lpr)。有趣的是，当金属纳 米粒子感受到环境折射率改变时，该定域等离子体激元共振的频率与强度也会随之产生变 化。若观察金属纳米粒子的吸收光谱，能发现当环境折射率上升时，其定域等离子体激元共 振的吸收波带会往长波长处位移，并伴随着吸收度上升的现象；另外若从散射光的特性来 观察，则会发现当环境折射率上升时，其散射光的光谱同样也会往长波长处偏移，并伴随着 光强度增强的现象。 近几年来纳米材料的发展越来越成为大家研究的焦点，例如光电、通信、医学仪器 等都纷纷加入纳米材料的研究与应用，而纳米材料之所以如此受到青睐，是因为纳米材料 提供与原先物质所产生完全不同的特性的性质。公知技术是利用目前圆球形金纳米粒子激 发出定域等离子体激元共振(localizedplasmon resonance :lpr)来取代传统使用金薄膜 激发表面等离子体激元共振(surface plasmon resonance :spr)，从而提高感测器的灵敏 度。目前纳米粒子的合成方法已经非常纯熟，方法大致上有化学及物理两种方式。物理的 方法有金属气化法、激光侵蚀法、溅镀法等，其中以金属气化法最为常用。化学的方法有还 原法、电解法等，其中以还原法最为常用也最为重要。然而科技日新月异，对于感测器灵敏 度的需求也不断提高；因此，将感测器灵敏度作大幅提升，是当前急需进行的研究与解决的 课题。
发明内容
有鉴于上述课题，本发明的目的在于提出一种利用光波导技术产生多次全反射与 反射界面处的渐逝波(evanescent wave)现象来累积定域等离子体激元共振的能量变化。 如背景技术内容所描述的，金属纳米粒子感受到环境折射率的改变时，其lpr的共振能量也会产生变化，因此其吸收光光谱或是散射光光谱同样也会受到影响。而在波导现象中， 每一次的反射界面处，特定频率的光能量都会与金属纳米粒子的lpr现象产生作用。因此 当反射次数越多时，此频率处的光能量所受到的影响就越明显。若从光衰逝的特性来看， 入射光经多次全反射，使得波导的出光信号减弱；若从散射光的特性来观察，则能发现散 射光强度的增加。综合而言，通过全反射现象能累积lpr信号的变化量，因此也就能达到 灵敏度提高的目的了。最后再利用管状波导定域等离子体激元共振(localized plasmon resonance, lpr)感测单元作为待测物质的盛装容器，以阵列式方式排列，再配合光源与光 感应组件，便能达到高效率高输出的感测能力。 为了达到上述的目的，本发明提出一种等离子体激元共振感测装置，该装置包括 波导组件，所述波导组件具有管状内壁和分布于所述管状内壁表面并接触待测物质的贵金 属纳米粒子层，且引入入射光与所述贵金属纳米粒子层作用，以判读所述待测物质。
为了达到上述的目的，本发明还提出一种等离子体激元共振感测系统，该系统包 括至少一个光源，提供至少一束入射光；至少一个波导组件，具有管状内壁；贵金属纳米 粒子层，分布于所述管状内壁以接触待测物质；至少一个光探测器，用于探测与所述贵金属 纳米粒子层作用后所射出的至少一束出射光，以判读所述待测物质；所述波导组件引入所 述入射光与所述贵金属纳米粒子层作用。 承上所述，本发明利用多次全反射的波导现象去累积lpr信号变化量，由此提高 了信噪比，且由于使用了管状构形的波导基材，因此具有体积小、构形良好的优点，若以阵 列式方式组装，则可开发一种具有高灵敏感测能力同时具有高效能输出的lpr感测技术。
为让本发明的上述和其它目的、特征和优点能更明显易懂，下文列出了优选实施 例，并配合附图作详细说明如下。
图1是本发明的管状波导式等离子体激元共振感测系统的第一实施例的示意图。
图2a是本发明的管状波导式等离子体激元共振感测系统的第二实施例的示意 图。 图2b是本发明第二实施例使用管状波导装置承载待测物质的示意图。 图3a是本发明的管状波导式等离子体激元共振感测系统的第三实施例的示意图。 图3b是本发明第三实施例使用圆锥形管状波导装置承载待测物质的示意图。
图4a是本发明第三实施例使用圆锥形管状波导装置承载的待测物质的不同折射 率的信号-时间关系图。 图4b是本发明第三实施例使用圆锥形管状波导装置承载的待测物质的信号_折 射率关系图。 图5a是管状波导式等离子体激元共振感测系统的不同浓度的链霉素 (str印tavidin)的信号-时间关系图。 图5b是管状波导式等离子体激元共振感测系统的相对信号(1/10)-浓度对数的 关系图。 图6是本发明第二实施例使用多点光源提供入射光的示意图。
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图7a是本发明第二实施例管状波导式等离子体激元感测系统的不同折射率的出 光强度-时间关系图。 图7b是本发明第二实施例的相对信号a/io)-折射率的关系图。 图8a是本发明第三实施例使用多点光源取各个样品在平衡时的相对信号对浓度
对数作图的结果。 8b是本发明第三实施例使用多点光源取各个样品在平衡时的相对信号对浓度对 数作图的结果。 图9是本发明第三实施例使用平面光源进行多组待测物质检测的示意图。主要组件符号说明
10 :波导组件； 11 :管状内壁； 12 :封底； 13:圆锥状封闭端； 14:光栅； 20 :贵金属纳米粒子层； 30 :光源； 31 :入射光； 32 :第一光纤； 39:出射光； 40 :光探测器； 41 :透镜； 42 :第二光纤； 50 :待测物质； 60:函数信号产生器； 70 :锁相放大器。
具体实施例方式
以下将参照相关附图，说明本发明各实施例的等离子体激元共振感测系统，其中 相同的组件将以相同的参照符号加以说明。 参照图l图i为本发明的管状波导式等离子体激元共振感测系统的第一实施例 的示意图。本实施例的等离子体激元共振感测装置包括有波导组件10和贵金属纳米粒子 层20，该波导组件具有管状内壁ll，该管状内壁表面分布有贵金属纳米粒子层20。该波导 组件也具有封底12，贵金属纳米粒子层20由多个贵金属纳米圆球、多个贵金属纳米棒或多 个贵金属纳米壳体组成。本实施例还包括光源30和光探测器40，光源30以单频光(如激 光(laser))或窄频光波(如led)作为入射光31，并通过光栅14将入射光引入波导组件 10。波导组件10由可透光材料制成，引入入射光31与贵金属纳米粒子层20作用，折射出 出射光39汇集到光探测器40。当待测物质50流经波导组件10时，贵金属纳米粒子层20 接触待测物质50，从而会改变贵金属纳米粒子层20的lpr的共振能量，最终导致出射光39 的信号的改变。
再参照图2a，图2a是本发明的管状波导式等离子体激元共振感测系统的第二实 施例的示意图。本实施例包括至少一个光源30，提供至少一束入射光31 ;至少一个波导组 件io，其具有管状内壁11和分布在管状内壁11表面以接触待测物质50的贵金属纳米粒子 层20，且引入入射光31与贵金属纳米粒子层20作用；至少一个光探测器40，用于探测与贵 金属纳米粒子层20作用后所射出的至少一束出射光39，以判读待测物质50。本实施例还 包括至少一根第一光纤32，设置在光源30与波导组件10之间，用于传导入射光31射入 波导组件10 ;透镜41和第二光纤42，透镜41收集出射光39并透过第二光纤42将出射光 39传递至光探测器40。本实施例的光源30为单频光、窄频光或白光。波导组件10的一端 具有平面封底12 (见图2b图)，使其用作待测物质的容器，也是感测单元。本实施例中还包 括函数信号产生器60，用于增加信号的灵敏度；本实施例中还包括锁相放大器70，用于减 低系统噪声。 再参照3a，图3a是本发明的管状波导式等离子体激元共振感测系统的第三实施 例的示意图。本实施例的等离子体激元共振感测装置(见图3b)包括波导组件10和贵金 属纳米粒子层20，波导组件10具有管状内壁11和圆锥状封闭端13，贵金属纳米粒子层20 分布在管状内壁11的表面，其中贵金属纳米粒子层20还分布在圆锥状封闭端13的内壁表 面。本实施例的等离子体激元共振感测系统还包括至少一个光源30，提供至少一束入射 光31 ;波导组件io，具有管状内壁11和圆锥状封闭端13 ;贵金属纳米粒子层20，其分布在 管状内壁11和圆锥状封闭端13的内壁表面以接触待测物质50 ;至少一个光探测器40，用 于探测与贵金属纳米粒子层20作用后所射出的至少一束出射光39，以判读待测物质50。波 导组件10引入入射光31与贵金属纳米粒子层20作用。本实施例还包括至少一根第一光 纤32，用于对光源30进行处理并传导入射光31射入波导组件10 ;函数信号产生器60，用 以增加信号的灵敏度；锁相放大器70，用以减低系统噪声。 所使用的系统构造如图3a所示，波导基材使用玻璃材质，所采用的贵金属纳米粒 子是金纳米圆球，然后利用函数信号产生器以每秒iooo次的电位方波，驱动发光波长为 530nm的led产生频率性的发光，最后透过锁相放大器(lock-in amplifier)处理并放大 信号后再由计算机读出，附图即是以led为光源时，感测系统对折射率变化的实验结果，如 图4a所示。光波导的出光信号会随着环境折射率的增加而递减，而且感测器测量到的信 号是以一个平稳的状态做输出，系统的噪声(o)为1.21x10—4v。图4b是将图4a的电位 信号对折射率作图的结果，其光波导出光强度对环境折射率呈现一个良好的线性关系，r值 为0.9937，而该线性关系的斜率(m)为0. 398v/riu。因此我们可以计算出该组件的感测 分辨率为9. 08x 10—4riu(我们定义当信号大小恰巧等于三倍噪声时为最小可信信号，而此 时对应的折射率的数值即为探测分辨率，若以数学式子表示，探测分辨率=3c/m，也就是 3x0. 000121 0. 398)。 在玻璃管内壁的金纳米颗粒上修饰维生素h(biotin)分子，然后针对链霉素 (str印tavidin)进行检测，得到实验结果，其所使用的系统构造如图3a所示。由图5a中可 以观测到，当各个不同浓度的样品注入到玻璃管内后，波导的出光信号会下降到一定程度 后才达到平稳的状态。这个现象是因为链霉素(str印tavidin)结合到维生素h(biotin) 分子上，使得金纳米粒子表面的介电常数渐渐增加，造成lpr吸收谱带的上升，最终造成波 导出光的信号减弱。而当信号到达平稳状态时，即表示结合或辨识反应已达到平衡。最后
7若分析各个平衡信号的相对信号(1/1。，其中i为样品信号，1。为空白信号)与浓度对数 (log[c])的关系，就能得到图5b的检测直线。此时系统的噪声为4.6x10— ，因此我们可 以算出该感测系统对链霉素(str印tavidin)的探测极限为5. 27x 10—7g/ml(8. 78x 10—9m)。
再参照图6，图6是本发明第二实施例使用多点光源提供入射光的示意图。第二实 施例中还可提供多个光源30或多个第一光纤32从波导组件10各个不同的断面处将多束 入射光31耦合射入，可提高贵金属纳米粒子层20的lpr现象对整体出射光的影响，增加感 测灵敏度。 同时使用了七根光纤收集两颗led的光信号，然后再从玻璃管各个不同的断面处 将光耦合进去，以提高金纳米lpr现象对整体出光信号的影响，从而能增加感测灵敏度。图 7a为玻璃管内盛装不同折射率(1.333riu 1.403riu)的水溶液时，波导感测器的出光强 度会随之减弱。而根据图7a的结果，我们可以将相对出光信号值(1/1。)对折射率来作图， 如图7b ;经分析后我们可以得到一条线性相当良好的检量线(r = 0. 9972)，进而能推算其 感测器分辨率(sensor resolution)为1. 6x 10—5riu，实验结果证实，利用多光纤耦合的组 件架构，的确能有较好的感测能力。 再参照8a和图8b，该部分实验中我们同时使用三根光纤收集三个led的光信号， 并由不同断面处将光信号耦合入玻璃管壁(如图3b)。此项设计因为增加了金纳米粒子的 lpr现象对整体出光能量的贡献，因此理论上也能提高系统的感测能力。
图8a是取各个样品在平衡时的相对信号对浓度对数作图的结果。数据分析的 结果显示，前四个较低浓度的样品信号都属于噪声范围内；此外，对于浓度较高的后四个 分析样品，则可以观察到有着较好的线性关系。若我们将其分离，并独自分析后就能得到 下图8b的线性关系。另外，此系统的噪声是5. 7x 10—4v，因此可以推算出其探测极限为 8. 56 x 10—8g/ml (1. 42 x 10—9m)。 结果显示使用多个led系统时，因为激发到更多的金纳米颗粒，致使lpr现 象对整体出光的贡献变大，因此相对于单led系统来说，多led的感测系统对链霉素 (str印tavidin)的探测极限提高了约十倍左右。 再参照9，图9是本发明第三实施例使用多个点光源的集合形成的平面光源进行 多组待测物质检测的示意图。第二实施例中的光源30还可为平面光源或多个单独的点光 源的集合，同时多个波导组件10对应多个光探测器40作阵列排列，所述多个波导组件10 承载多个待测物质50，可同时检测得出多组待测物质的数据，达到高效能输出的检测目标。 除此之外，各管状感测单元可依照实际需求进行设计，能同时检测不同待测物质的组合。
以上各实施例中，所述波导组件由透光材质所制成。所述贵金属纳米粒子层由 多个金纳米粒子、银纳米粒子或白金纳米粒子组成。更进一步地，所述贵金属纳米粒子 的表面可以修饰上各种辨识单元，该辨识单元为化学辨识分子、抗体(antibody)、抗原 (antigen)、凝集素(lectin)、激素受体(hormonerec印tor)、核酸(nucleic acid)或醣类， 该辨识单元用来感测金属离子、抗体(antibody)、抗原(antigen)、细胞激素(cytokine)、 激素受体(hormone)、成长因子(growth factor)、神经肽(腦rop印tide)、血红素 (hemoglobin)、血奖蛋白(plasmaprotein)、胺基酸(amino acid)、维生素(vitamin)、核 酸(薦leic acid)、碳水化合物(carbohydrate)、醣蛋白(glycoprotein)、月旨肪酸(fatty acid)、磷脂酸(phosphatidicacid)、固醇(sterol)、抗生素(antibiotic)、细胞(cell)、毒素(toxin)、病毒(virus)或细菌(bacterium)，例如修饰上具有螯合能力的化学分子时，就 可以用来感测特定大小的醣类或金属离子等等；又例如可以通过抗体的修饰，感测器便能 针对特定的抗原做检测；相反地，也可以修饰上特定的抗原，以检测特定的抗体；还例如可 以修饰上核醣核酸或是脱氧核醣核酸等物质，用以检测特定序列的遗传物质；其它诸如醣 类的修饰，也能用于细菌检测。 以上所述仅为举例性，而非为限制性的。在任何未脱离本发明的精神与范畴的情 况下对其进行的等效修改或变更均应包含在权利要求的范围中。
权利要求
一种等离子体激元共振感测装置，包括波导组件，具有管状内壁；以及贵金属纳米粒子层，分布在所述管状内壁的表面。
2. 如权利要求1所述的等离子体激元共振感测装置，其中，所述波导组件具有封底。
3. 如权利要求2所述的等离子体激元共振感测装置，其中，所述封底为平面封闭端或 圆锥状封闭端。
4. 如权利要求1所述的等离子体激元共振感测装置，其中，所述波导组件由可透光材 质制成。
5. 如权利要求1所述的等离子体激元共振感测装置，其中，所述贵金属纳米粒子层由 多个贵金属纳米圆球、多个贵金属纳米棒或多个贵金属纳米壳体组成。
6. 如权利要求1所述的等离子体激元共振感测装置，其中，所述贵金属纳米粒子层修 饰有辨识单元，以应用在不同物质的检测上。
7. 如权利要求6所述的等离子体激元共振感测装置，所述辨识单元为化学辨识分子、 抗体、抗原、凝集素、激素受体、核酸或醣类。
8. 如权利要求7所述的等离子体激元共振感测装置，所述辨识单元用来感测金属离 子、抗体、抗原、细胞激素、激素受体、成长因子、神经肽、血红素、血浆蛋白、胺基酸、维生素、 核酸、碳水化合物、醣蛋白、脂肪酸、磷脂酸、固醇、抗生素、细胞、毒素、病毒或细菌。
9. 如权利要求1所述的等离子体激元共振感测装置，其中，所述贵金属纳米粒子层由 多个金纳米粒子、银纳米粒子或白金纳米粒子组成。
10. —种等离子体激元共振感测系统，包括 至少一个光源，提供至少一束入射光； 至少一个波导组件，所述波导组件具有管状内壁； 贵金属纳米粒子层，分布在所述管状内壁以接触待测物质；以及至少一个光探测器，用于探测与所述贵金属纳米粒子层作用后所射出的至少一束出射 光，以判读所述待测物质；所述波导组件引入所述入射光与所述贵金属纳米粒子层作用。
11. 如权利要求io所述的等离子体激元共振感测系统，其中，所述至少一个光源为单频光、窄频光或白光。
12. 如权利要求10所述的等离子体激元共振感i: 立光源或移动光源。
13. 如权利要求12所述的等离子体激元共振感领
14. 如权利要求10所述的等离子体激元共振感i 个点光源组成。
15. 如权利要求10所述的等离子体激元共振感i 材质制成。
16. 如权利要求10所述的等离子体激元共振感领
17. 如权利要求16所述的等离子体激元共振感； 或圆锥状封闭端。
18. 如权利要求10所述的等离子体激元共振感； !u系统，其中，所述至少一个光源为独l系统，其中，所述移动光源为移动管。 !u系统，其中，所述至少一个光源由多!u系统，其中，所述波导组件由可透光j系统，其中，所述波导组件具有封底。 !u系统，其中，所述封底为平面封闭端!u系统，其中，所述多个波导组件对应所述多个光探测器作阵列排列。
19. 如权利要求io所述的等离子体激元共振感测系统，其中，还包括至少一根第一光 纤，用于对该光源进行处理并传导所述入射光射入所述波导组件。
20. 如权利要求io所述的等离子体激元共振感测系统，其中，还包括透镜和第二光纤， 所述透镜收集所述出射光并通过所述第二光纤传递所述出射光至所述光探测器。
21. 如权利要求io所述的等离子体激元共振感测系统，其中，还包括函数信号产生器， 用以增加信号的灵敏度。
22. 如权利要求io所述的等离子体激元共振感测系统，其中，还包括锁相放大器，用以 减低系统噪声。
23. 如权利要求10所述的等离子体激元共振感测系统，其中，所述贵金属纳米粒子层 修饰有辨识单元，以应用在不同物质的检测上。
24. 如权利要求23所述的等离子体激元共振感测系统，所述辨识单元为化学辨识分 子、抗体、抗原、凝集素、激素受体、核酸或醣类。
25. 如权利要求24所述的等离子体激元共振感测系统，所述辨识单元用来感测金属离 子、抗体、抗原、细胞激素、激素受体、成长因子、神经肽、血红素、血浆蛋白、胺基酸、维生素、 核酸、碳水化合物、醣蛋白、脂肪酸、磷脂酸、固醇、抗生素、细胞、毒素、病毒或细菌。
26. 如权利要求io所述的等离子体激元共振感测系统，其中，所述贵金属纳米粒子层 由多个贵金属纳米圆球、多个贵金属纳米棒或多个贵金属纳米壳体组成。
27. 如权利要求io所述的等离子体激元共振感测系统，其中，所述贵金属纳米粒子层 由多个金纳米粒子、银纳米粒子或白金纳米粒子组成。
全文摘要
本发明公开了一种等离子体激元共振感测系统，该系统包括光源、波导组件和光探测器。光源提供入射光，波导组件具有管状内壁和分布于该管状内壁表面并接触待测物质的贵金属纳米粒子层，波导组件由可透光材质制成以用于引入入射光与贵金属纳米粒子层作用，利用该光探测器探测与贵金属纳米粒子层作用后所射出的出射光，以判读待测物质。其中，还包括第一光纤，设置在光源与波导组件之间，用于传导入射光射入波导组件；透镜和第二光纤，透镜收集出射光并通过第二光纤传递出射光至光探测器。
文档编号g01n21/41gk101738385sq20081018191
公开日2010年6月16日 申请日期2008年11月24日 优先权日2008年11月24日
发明者周礼君, 张维哲, 陈勋辉 申请人:周礼君