用于执行表面等离子共振测量的方法和装置

摘要

本发明涉及用于执行表面等离子共振测量的方法和装置。由电磁辐射源(2)产生电磁辐射束(1)。所述电磁辐射束(1)被导向穿过棱镜(3)以入射角(α1；α2)入射到材料层(5)，该材料层(5)覆盖棱镜(3)的平面表面(4)。引发共振现象。表面(4)产生反射电磁辐射束(6)并引导该辐射束到达用于检测该反射电磁辐射束(6)的强度水平的检测器(7)。测量由表面共振现象引起的反射电磁辐射束(6)的强度变化。使用反射镜(8)将所述反射电磁辐射束(6)反射到检测器(7)。

权利要求

1.用于执行表面等离子共振测量的方法，其中：由电磁辐射源(2)产生电磁辐射束(1)，所述电磁辐射束(1)被导向穿过棱镜(3)以入射角(α1；α2)入射到材料层(5)，该材料层(5)至少部分覆盖棱镜(3)的平面表面(4)，引发共振现象，

表面(4)产生反射电磁辐射束(6)并将该辐射束引导穿过棱镜(3)并进一步到达用于检测该反射电磁辐射束(6)的强度水平的检测器(7)，以及测量由表面共振现象所致的反射电磁辐射束(6)的强度变化，使用反射镜(8)将所述反射电磁辐射束(6)反射到检测器(7)，其中通过i)相对于电磁辐射源(2)和检测器(7)一起旋转棱镜(3)和反射镜(8)，或者ii)相对于棱镜(3)一起旋转电磁辐射源(2)和检测器(7)来改变入射角(α)以实现表面等离子共振现象。

2.权利要求1所述的方法，其特征在于：使用平面反射镜(8)，以及

将该平面反射镜(8)布置成与平面表面(4)平面平行。

3.权利要求1所述的方法，其特征在于该电磁辐射源(2)为激光器。

4.权利要求1所述的方法，其特征在于该材料层(5)为金属薄膜。

5.权利要求4所述的方法，其特征在于该材料层(5)包含Au。

6.权利要求1所述的方法，其特征在于：棱镜(3)为具有平面表面(4)的半圆柱形棱镜，该平面表面具有纵向中线(9)，以及电磁辐射束(1)被导向到该纵向中线(9)。

7.权利要求1所述的方法，其特征在于：将用于检测样品中是否存在分析物(13)的传感器(10)布置成与材料层(5)功能接触，该传感器包含生物分子(14)，生物分子(14)能够将特定分析物粘合到该生物分子，且该传感器能够导致与其功能接触的材料层(5)发生改变，表明粘合到该生物分子的分析物的增加，将包含分析物的样品传送到传感器(10)，致使分析物被粘合到该生物分子，

致使材料层(5)改变，以及

致使共振现象以及反射电磁辐射改变，表明被传送到该传感器的样品中存在分析物。

8.用于执行表面等离子共振测量的装置，该装置包含：电磁辐射源(2)，用于产生电磁辐射束(1)，将该辐射束引导穿过棱镜(3)入射到材料层(5)上，使得以入射角(α1；α2)入射到该材料层(5)，该入射角可实现表面等离子共振现象，其中该材料层(5)至少部分覆盖棱镜(3)的平面表面(4)，以及该平面表面(4)布置成产生反射电磁辐射束(6)，该反射电磁辐射束(6)被反射穿过棱镜(3)并进一步入射到用于检测该反射电磁辐射束(6)强度水平的检测器(7)，该装置进一步包含用于将所述反射电磁辐射束(6)反射到检测器(7)的反射镜(8)并且其中通过旋转配置允许i)相对于电磁辐射源(2)和检测器(7)一起旋转棱镜(3)和反射镜(8)，或者ii)相对于棱镜(3)一起旋转电磁辐射源(2)和检测器(7)来改变入射角(α)以实现表面等离子共振现象。

9.权利要求8所述的装置，其特征在于：该反射镜(8)为平面反射镜，以及

将该平面反射镜(8)及棱镜(3)的平面表面(4)布置成平面平行关系。

10.权利要求8所述的装置，其特征在于：该电磁辐射源(2)为激光器，以及

电磁辐射束(1)和反射电磁辐射束(6)为激光束。

11.权利要求8所述的装置，其特征在于该材料层(5)为金属薄膜。

12.权利要求11所述的装置，其特征在于该材料层(5)包含Au。

13.权利要求8所述的装置，其特征在于棱镜(3)为半圆柱形棱镜。

14.权利要求8所述的装置，其特征在于：电磁辐射源(2)和检测器(7)被相互机械固定。

15.权利要求8所述的装置，其特征在于：棱镜(3)和反射镜(8)被相互机械固定。

16.权利要求8所述的装置，其特征在于用于检测样品中是否存在分析物(13)的传感器(10)布置成与材料层(5)功能接触，该传感器包含生物分子(14)，生物分子(14)能够将特定分析物粘合到该生物分子，且该传感器能够导致与其功能接触的材料层(5)发生改变，表明粘合到该生物分子的分析物的增加。

说明书

技术领域

本发明涉及根据权利要求1前序部分的用于执行表面等离子共振测量的方法，并涉及根据权利要求11前序部分的用于执行表面等离子共振测量的装置。

背景技术

表面等离子是沿金属表面传播的特殊类型电磁波(H.Raether，“Surface plasmons on smooth and rough surface and on gratings”，Springer-Verlag ISBN 3-540-1760-3，Berlin，1998)。如果p偏振准直光束在涂敷了薄金属薄膜的玻璃衬底(例如棱镜)表面(所谓的Kretschmann配置)上发生全反射，则可实现表面等离子的光学激发。为了使之成为可能，光子的动量应与该金属薄膜相对立表面上的表面等离子相匹配。这发生于光线以临界角入射的特定波长。观察到的现象为，当入射角(玻璃衬底表面和光线之间的夹角)改变时，反射光的强度出现明显最小值。发生该强度骤降的角度或波长决定性地取决于该金属薄膜顶部上的表面层的性能，因此该现象可用于监视由于例如特定化学或生物反应或该表面紧密相邻区域内某些物质浓度改变所致的该表面层的变化。
图1示出了用于表面等离子共振测量的配置的原理。图1中，由电磁辐射源2(例如激光器)产生的电磁辐射束1(例如激光束)与表面4成一入射角(α1；α2)穿过对所述入射是透明的部件3(半圆形棱镜3)，入射到棱镜3表面4上的金属薄膜5。电磁辐射束1在棱镜3表面4上被反射。当电磁辐射束1在棱镜3的表面4上被反射时，表面4产生反射电磁辐射束6，该反射电磁辐射束6与表面4成一反射角(α1；α2)(与入射角(α1；α2)大小相同)反射穿过棱镜3并进一步反射到用于检测该反射电磁辐射束6强度的检测器7。由在表面4发生全内反射(TIR)的电磁辐射在材料层5的对立表面上激发表面等离子。材料层5和可能的附加层位于与TIR相关的渐逝场的影响区域内。
与上述配置相关的一个问题为，如果棱镜3及其表面4和材料层5相对于电磁辐射源2旋转了β角时，用于收集反射电磁辐射束的检测器7相对于表面4应旋转γ角，其中γ角为棱镜3自身旋转角β的两倍。换而言之，当棱镜3旋转β角时，棱镜3的表面4也旋转了β角，使得电磁辐射束1与表面4及材料层5之间的旧入射角α1转变为电磁辐射束1与表面4之间的新入射角α2，相应地反射电磁辐射束6与表面4之间的旧反射角α1也转变为反射电磁辐射束6与表面4之间的新反射角α2。这导致了电磁辐射束1与反射电磁辐射束6之间夹角的变化(未用附图标记示出)。为了收集由源2产生的并被表面4反射成电磁辐射束6的电磁辐射束1，检测器7因此需要旋转γ角，其中γ角为图1所示配置中棱镜自身旋转角β的两倍。
在图1的示例中，这意味着如果棱镜围绕旋转轴12逆时针旋转20度(电磁辐射源不旋转)，来自源4的电磁辐射束1以一入射角进入棱镜并到达表面4上的材料层5，其中该入射角和未旋转状态相比顺时针旋转了20度，导致反射束以与未旋转状态相比逆时针旋转了40度的反射角从棱镜出射。在图1的示例中，新入射角α2比旧入射角α1小20度，相应地新反射角α2比旧反射角α1小20度。新入射角α2与新反射角α2之间的夹角因此比旧入射角α1与旧反射角1之间的夹角大40度。这就是检测器相对于源1需要旋转40度(为棱镜3的旋转角度的两倍)的原因。
该问题的一个解决方法为采用如下的旋转配置，即，源旋转一角度时使检测器7旋转一角度，该角度为源4旋转角度的两倍。该解决方法机械复杂。

发明内容

因此本发明的目标是提供用于执行表面等离子共振测量的方法和装置以解决上述问题。
通过用于执行表面等离子共振测量的方法和装置实现本发明的目标，该方法和装置的特征在独立权利要求1和11中得到陈述。
本发明的优选实施例在从属权利要求中被公开。
本发明是基于这样的思想，即，使用反射镜将反射电磁辐射束反射到检测器，换而言之，使用反射镜将反射电磁辐射束导向检测器。
在一种配置中，其中该棱镜为具有平面表面的半圆形棱镜，该平面表面具有材料层并具有纵向中线，该电磁辐射束被导向垂直于所述纵向中线，且其中该反射镜为与所述平面表面成平面平行关系的平面反射镜，反射电磁辐射束穿过该棱镜之后，入射到该反射镜并被反射到平行于主方向-即电磁辐射源所产生的电磁辐射束方向的方向。
备选地，该反射镜和该棱镜表面可能不平行。在这种实施例中，电磁辐射源所产生的电磁辐射束以及由反射镜产生(反射)的反射电磁辐射束将不平行。此外，由反射镜产生(反射)的反射电磁辐射束将被导向到一方向(角度)，该方向(角度)依赖于由电磁辐射源产生的电磁辐射束的入射角。这意味着，取决于由电磁辐射源产生的电磁辐射束的入射角，由反射镜产生(反射)的反射电磁辐射束将被导向特定方向(角度)。当棱镜与反射镜一起相对于电磁辐射源及检测器旋转以实现表面等离子共振现象时，由电磁辐射源产生的电磁辐射束的入射角(图1和2中的α1、α2)将随着旋转而改变，由反射镜产生(反射)的反射电磁辐射束的方向(图1和2中的α3、α4)也将随旋转而改变。然而，为了实现表面等离子共振现象的旋转(图1和2中的β角)通常非常小，例如10度。因此容易地相对于检测器设置该反射镜，使得对于适用于表面等离子测量的特定角度范围内的所有角度的辐射束从棱镜表面通过反射镜被导向到检测器。
该棱镜和反射镜可永久固定在一起，一方面在电磁辐射源(例如激光器)前旋转，另一方面在检测器前旋转。备选地，电磁辐射源和检测器可永久固定在一起，相对棱镜和反射镜旋转。
本发明的优点为，能够以机械简单的方式将反射电磁辐射束导向检测器。该反射镜例如可布置成与棱镜上的材料层成固定关系。

附图说明

在下文中，将参考附图并结合优选实施例更加详细地描述本发明，附图中：
图1示出了无反射镜的装置的原理；
图2示出了本发明的原理；
图3示出了用于检测样品中是否存在分析物的设备；以及
图4示出了具有生物分子的材料层的示意性表示。
发明详述
本发明涉及用于执行表面等离子共振测量的方法。
在该方法中，由电磁辐射源2产生电磁辐射束1。电磁辐射束1被导向穿过棱镜3以入射角(α1；α2)入射到材料层5。材料层5至少部分覆盖棱镜3的平面表面4。在材料层5内引发表面共振现象。反射电磁辐射束6被平面表面4反射，并以反射角(α1；α2)穿过棱镜3且进一步入射到用于检测反射电磁辐射束6强度水平的检测器7。测量由该表面共振现象所致的反射电磁辐射束6的强度变化。入射角(α1；α2)与反射角(α1；α2)大小相等。
在用于执行表面等离子共振测量的方法中，使用反射镜8将反射电磁辐射束6反射到检测器7。
图2中使用了平面反射镜8，该平面反射镜8布置成与平面表面4成平面平行关系。这导致反射电磁辐射束6以第二入射角(α3；α4)入射到平面反射镜8，该第二入射角等于反射角(α1；α2)，并导致平面反射镜8以第二反射角(α3；α4)反射该反射电磁辐射束6，该第二反射角等于第二入射角(α3；α4)。在图2中，由电磁辐射源2产生电磁辐射束1，反射电磁辐射束6因此被反射镜8平行地反射。
备选地，平面反射镜8可与平面表面4成非平行的倾斜关系。在本实施例中，反射镜8相对于平面表面4被布置成使得反射电磁辐射束6被导向检测器7。反射镜8相对于平面表面4优选地被布置成使得某一角度范围内的反射电磁辐射束6被导向检测器7。
电磁辐射源2优选但无需为激光器。
材料层5优选为金属薄膜，优选但无需包含Au。也可以使用其它SPR兼容材料。
本方法中使用的检测器7优选但无需为能够检测到达检测器特定区域(例如大小为10mm×10mm)的反射电磁辐射束6的检测器。检测器7优选但不一定为硅检测器、光纤束或任何其它光线收集和检测装置。
该图中的棱镜3为具有平面表面4的半圆柱形棱镜3，该平面表面4具有纵向中线9。图1和2中的电磁辐射束1被导向到纵向中线9。
在该方法中，棱镜3和反射镜8优选但无需一起围绕旋转轴12相对于电磁辐射源2及检测器7旋转，或者电磁辐射源2及检测器7一起围绕旋转轴12相对于棱镜3和反射镜8旋转，从而改变入射角(α1；α2)以实现表面等离子共振现象。
在图2中，棱镜3为具有平面表面4的半圆柱形棱镜3，该平面表面4具有纵向中线9。电磁辐射束1被导向到纵向中线9，棱镜3和反射镜8一起围绕旋转轴12旋转，该旋转轴也是半圆柱形棱镜3的平面表面4的纵向中线9，从而改变入射角(α1；α2)以实现表面等离子共振现象。
在图3中，电磁辐射源2和检测器7一起相对棱镜3和反射镜8旋转，从而改变入射角(α1；α2)以实现表面等离子共振现象。
本发明的方法例如可用作检测样品(未用附图标记表示)中是否存在分析物13的方法(或者用在该方法中)。通过将用于检测样品中是否存在分析物13的传感器11布置成与材料层5功能接触，可实现这一点。
该传感器优选但无需为专利申请PCT/FI02/00763中提出的传感器。
图4所示传感器包含能够将特定分析物13粘合到生物分子14的生物分子14，该传感器因此能够使与其功能接触的材料层5发生变化，表明被粘合到该生物分子14的分析物的增加。包含分析物的样品被传送到传感器，致使分析物13被粘合到生物分子14。由于传感器11与材料层5功能接触，引发材料层5内的表面等离子共振特性发生变化，该变化导致共振现象变化，并引起表明被传送到传感器的样品中存在分析物的反射电磁辐射发生变化。
本发明还涉及用于执行表面等离子共振测量的装置。
该装置包含电磁辐射源2，该辐射源用于产生电磁辐射束1并将该辐射束1引导穿过棱镜3以能够实现表面等离子共振现象的入射角(α)入射到材料层5。
材料层5至少部分覆盖棱镜3的平面表面4。
平面表面4适于产生反射电磁辐射束6，该反射电磁辐射束6被反射穿过棱镜3并进一步到达用于检测反射电磁辐射束6强度水平的检测器7。
本发明的装置包含用于将反射电磁辐射束6反射到检测器7的反射镜8。
图中所示反射镜8为平面反射镜8。平面反射镜8和棱镜3的平面表面4被布置成平面平行关系。
在各图中，电磁辐射源2为激光器，电磁辐射束1和反射电磁辐射束6为激光束。
材料层5优选但无需为金属薄膜，优选但无需包含Au。也可以使用其它SPR兼容材料。
在各图中，棱镜3为半圆柱形棱镜。还可以使用角棱镜，例如45度或60度棱镜。
本方法中使用的检测器7优选但无需为能够检测到达检测器特定区域(例如大小为10mm×10mm)的反射电磁辐射束6的检测器。检测器7优选但无需为硅检测器、光纤束或任何其它光线收集和检测装置。
反射镜8和棱镜3优选但无需一起相对电磁辐射源2和检测器7旋转。
该装置优选但无需包含将电磁辐射源2和检测器7一起旋转的第一旋转配置11。图3中给出了这种配置。电磁辐射源2和检测器7优选但无需相互机械固定。
在图3中，棱镜3为具有平面表面4的半圆柱形棱镜，该平面表面具有纵向中线9。电磁辐射源2布置成将电磁辐射束1导向平面表面4的中线9，第一旋转配置11布置成围绕半圆柱形棱镜3的平面表面4的中线9一起旋转电磁辐射源2和检测器7。
此外或备选地，该装置包含用于将棱镜3和反射镜8一起旋转的第二旋转配置(未示出)，如图2所示。在本实施例中，棱镜3和反射镜8优选但无需相互机械固定。在本实施例中，第二旋转配置布置成围绕半圆柱形棱镜3的平面表面4的中线9一起旋转电磁辐射源2和检测器7。
本发明的装置可用作检测样品中是否存在分析物的装置(或用于这种检测设备中)。在本实施例中，该装置包含用于检测样品中是否存在分析物的传感器。
该传感器优选地但无需为在专利申请PCT/FI02/00763中提出的传感器。
在本实施例中，传感器与材料层5功能接触。该传感器例如可以包含能够将特定分析物粘合到生物分子的生物分子，该传感器能够使与其功能接触的材料层5内的表面等离子共振特性发生变化，表明被粘合到该生物分子的分析物增加。材料层5内的表面等离子共振特性变化导致反射电磁辐射束6改变。
本领域技术人员将会了解到，随着技术发展，可以通过各种方式实施本发明概念。本发明及其实施例不限于上述示例，而是可以在权利要求书所限定的范围内变化。