CN101163957B - 表面等离子体共振和石英晶体微天平传感器 - Google Patents

表面等离子体共振和石英晶体微天平传感器 Download PDF

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Abstract

一种传感器芯片组件，用于能够进行表面等离子体共振(SPR)和重量检测的传感器。所述组件包括具有第一表面和与第一表面相对的第二表面的透明压电基底(1)。所述组件还包括分别设置于基底(1)第一和第二表面上的第一和第二薄膜金属电极(2，3)。第二薄膜金属电极(3)设置于所述基底(1)的第二表面上，从而光束可传播通过所述基底的第二表面并从第一薄膜金属电极反射。所述组件还包括与第二薄膜金属电极(3)相邻的衰减全反射(ATR)耦合器(11)。

Description

表面等离子体共振和石英晶体微天平传感器
技术领域
本发明总体涉及一种用于检测生物、生物化学或化学样品的传感器。更具体地，本发明涉及一种能够采用表面等离子体共振和微重检测技术而检测生物、生物化学或化学样品的传感器。
背景技术
作为适于原位、无标记检测和分析结合反应的方法，表面等离子体共振(SPR)和微重检测技术例如石英晶体微天平(QCM)是已知的。采用SPR或QCM的传感器已经用于分析生物、生物化学和化学样品。
QCM设备包括两个平板金属电极位于晶片两个表面上的石英晶体的晶片。在其中一个电极的表面上吸收待分析样品。通过逆压电效应引起的交流电场将石英晶体中的变化激发为机械共振。共振频率取决于表面电极上所吸收材料的质量。例如，共振频率随着质量增加降低，随着质量减少提高。使用分析方程使频率变化与所吸收质量相关。可检测大约1ng/cm2阶的质量沉积。
SPR是检测薄金属膜表面上化学变化的已知方法。SPR检测由所述金属表面上分子吸收所引起的光学厚度(即折射率)的变化。在SPR中，传感器表面上存在倏逝波(指数衰减波)。在已知的Kretchmann几何结构的结构中，当在高折射率物质与低折射率物质界面(即棱镜的玻璃-空气界面)上发生入射光全内反射时，生成倏逝波。当在所述表面上放置金属(例如金或银)薄膜时，在某些条件下发生SPR。当入射光为单色时，金属的自由电子将会振荡(即激发表面等离子体)，并吸收与入射光某角度相应的能量。此角称为SPR角。通过测量反射光的强度检测SPR信号。在SPR角，当表面等离子体吸收能量时，检测到强度的急剧减小或者“下降”。
SPR角的位置取决于检测表面的折射率，其在分子结合到此表面上时发生变化。因此，SPR角根据结合到此表面上的分子量而变化。SPR的检 测极限大约为1ng/cm2。
SPR和QCM技术有各自独有的优点、弱点，并且存在数据收集和分析中固有的假设。因此，每种技术对薄膜样品的不同属性灵敏。
已知利用SPR和QCM技术的分析仪器。德国专利DE 10024366公开了一种使用光栅耦合器组合SPR和QCM的分析仪器。采用光栅耦合器需要入射光束通过样品溶液以进行SPR，同时要求流槽和样品光学透明。其缺陷在于会产生低信噪比的结果。而且和棱镜耦合器SPR传感器相比SPR测量灵敏度低。
有必要提供一种传感器和分析技术，其克服或者至少改进一个或多个上述缺点。
发明概述
根据本发明的第一方面，提供一种用于能够对样品进行表面等离子体共振和重量检测传感器的传感器芯片组件，此组件包括：
透明压电基底，具有第一表面和与第一表面相对的第二表面；
第一薄膜金属电极，设置于基底第一表面上以和所述样品接触；以及第二薄膜金属电极，设置于基底第二表面上，所述第二薄膜金属电极位于所述基底上从而光束可传播通过所述基底的第二表面并从第一薄膜金属电极反射；以及
衰减全反射(ATR)耦合器，与第二薄膜金属电极相邻以将光线耦合至所述基底；以及
光耦合介质，置于ATR耦合器和所述基底之间，所述光耦合介质基本上匹配ATR耦合器和所述基底的折射率，并且相对于粘度为100cP的折射率匹配油粘度较低，
其中在使用时，通过向所述第一和第二薄膜金属电极施加振荡电场而产生重量检测信号，通过反射从所述第一薄膜金属电极发出且传播通过所述ATR耦合器、所述光耦合介质和所述基底的光束而产生SPR信号。
在一个实施例中，提供一种用于能够进行表面等离子体共振和重量检测传感器的组件，此组件包括：
透明压电基底，具有第一表面和与第一表面相对的第二表面；
第一薄膜金属电极，设置于基底第一表面上；
第二薄膜金属电极，设置于基底第二表面上；
衰减全反射(ATR)耦合器，与第二薄膜金属电极相邻；以及
光耦合介质，置于ATR耦合器和第二薄膜金属电极之间以基本上匹配ATR耦合器和所述基底的折射率。
根据本发明的第二方面，提供一种传感器，包括：
透明压电基底，具有第一表面和与第一表面相对的第二表面；
设置于基底第一表面以在其上设置样品的第一薄膜金属电极，设置于基底第二表面上的第二薄膜金属电极，第一和第二薄膜金属电极可耦合至振荡电路以在一个或多个选定频率下振荡电场从而造成基底共振；以及
衰减全反射(ATR)耦合器，与第二薄膜金属电极相邻，并且可以多个入射角光学耦合从光束源到第一薄膜金属电极的光束，以在激发时产生表面等离子体共振(SPR)；以及
光耦合介质，置于ATR耦合器和所述基底之间，所述光耦合介质基本上匹配ATR耦合器和所述基底的折射率，并且相对于粘度为100cP的折射率匹配油粘度较低，
其中在使用时，通过向所述第一和第二薄膜金属电极施加振荡电场而产生重量检测信号，通过反射从所述第一薄膜金属电极发出且传播通过所述ATR耦合器、所述光耦合介质和所述基底的光束而产生SPR信号。
一个实施例中，传感器还包括光耦合介质，置于ATR耦合器和第二薄膜金属电极之间以基本上匹配ATR耦合器和所述基底的折射率。
根据本发明的第三方面，提供一种采用传感器的表面等离子体共振(SPR)和重量检测方法，所述传感器包括：具有第一表面和与第一表面相对的第二表面的透明压电基底；设置于基底第一表面上的第一薄膜金属电极，和设置于基底第二表面上的第二薄膜金属电极；以及与第二薄膜金属电极相邻的衰减全反射(ATR)耦合器，和置于ATR耦合器和所述基底之间的光耦合介质，所述光耦合介质基本上匹配ATR耦合器和所述基底的折射率，并且相对于粘度为100cP的折射率匹配油粘度较低，所述方法包括下面的步骤：
在第一薄膜金属电极上提供样品；
通过第一和第二薄膜金属电极在一个或多个选定频率下振荡电肠衣产生重量检测信号，从而造成所述基底共振；和
通过以多个入射角反射在传播经过所述ATR耦合器、所述光耦合介质和所述基底之后从第一薄膜金属电极反射的光束，以产生表面等离子体共振(SPR)而生成SPR信号。
在一个实施例中，所述方法还包括下面的步骤：将光耦合介质置于ATR耦合器和第二薄膜金属电极之间以基本上匹配ATR耦合器和所述基底的折射率。
根据本发明的第四方面，提供一种制造用于可进行表面等离子体共振(SPR)和重量检测的传感器的组件的方法，所述方法包括：
在透明压电基底第一表面上沉积第一薄膜金属电极；
在基底的与第一表面相对的第二表面上沉积第二薄膜金属电极，从而光束可传播通过基底的第二表面并从第一薄膜金属电极反射；以及
连接与第二薄膜金属电极相邻的衰减全反射(ATR)耦合器；以及
密封置于ATR耦合器和所述基底之间的光耦合介质，所述光耦合介质基本上匹配ATR耦合器和所述基底的折射率，并且相对于粘度为100cP的折射率匹配油粘度较低。
在一个实施例中，所述方法还包括下面的步骤：密封ATR耦合器和第二薄膜金属电极之间的光耦合介质以基本上匹配ATR耦合器和所述基底的折射率。
根据本发明的第五方面，提供一种可对生物、生物化学或者化学样品进行表面等离子体共振(SPR)和重量检测的传感器***，所述检测***包括：
外壳，具有将样品设置其中的腔室；
透明压电基底，具有第一表面和与第一表面相对的第二表面；
第一薄膜金属电极，设置于石英基底第一表面上并与所述腔室液体相通；
第二薄膜金属电极，设置于石英基底第二表面上，所述第二薄膜金属电极位于所述基底上从而光束能够传播通过所述基底的第二表面并从第一薄膜金属电极反射；
振荡电路，耦合至第一和第二薄膜金属电极以在一个或多个选定频率下振荡电场从而造成基底在共振频率下共振；
共振频率检测器，用于检测共振频率以检测重量分析信号；
光束源，用于以多个入射角产生光束；
衰减全反射(ATR)耦合器，与第二薄膜金属电极相邻以光学耦合至所述光束源，从而在产生表面等离子体共振(SPR)的入射角从第一薄膜金属电极反射内反射光束；
光耦合介质，置于ATR耦合器和所述基底之间，所述光耦合介质基本上匹配ATR耦合器和所述基底的折射率，并且相对于粘度为100cP的折射率匹配油粘度较低；以及
检测器，用于接收内反射光束和检测SPR特征，这些特征取决于样品和第一薄膜金属电极之间的反应。
一个实施例中，传感器***包括光耦合介质，置于ATR耦合器和第二薄膜金属电极之间以基本上匹配ATR耦合器和所述基底的折射率。
根据本发明的第六方面，提供一种采用传感器进行样品液体表面等离子体共振(SPR)和重量检测的方法，所述传感器包括：具有第一表面和与第一表面相对的第二表面的透明压电基底；设置于基底第一表面上的第一薄膜金属电极；和设置于基底第二表面上的第二薄膜金属电极；以及与第二薄膜金属电极相邻的衰减全反射(ATR)耦合器，和置于ATR耦合器和所述基底之间的光耦合介质，所述光耦合介质基本上匹配ATR耦合器和所述基底的折射率，并且相对于粘度为100cP的折射率匹配油粘度较低；所述方法包括下面的步骤：
(a)在第一薄膜金属电极上提供样品液体；
(b)传播光束通过所述ATR耦合器、所述光耦合介质和所述基底；
(c)以反射从第一薄膜金属电极发出的光；
(d)检测反射光的强度以产生SPR信号；
(e)施加跨过第一和第二薄膜金属电极的电场；以及
(f)检测所述电场的共振频率以产生重量检测信号。
实施例公开
所述透明压电基底可包括从下面物质选取的材料：石英、钽酸锂和铌酸锂。
可将任何可与特定波长的光发生共振以产生SPR的金属用作薄膜金属电极。所述薄膜金属电极材料可从下面物质组成的组选取：铝；铬；钴；铜；金、铟、钼；镍；钯；铂；银；锡；钛；钨和锌。
光耦合介质可以是折射率处于下面数值组范围内的任何透明液体：1.50到1.60、1.51到1.59、1.52到1.58、1.52到1.57、1.52到1.56、1.52到1.55、1.53到1.55。在基底是石英的实施例中，所述光耦合介质在632.8nm的波长下折射率大约为1.54。
在基底和ATR耦合器之间可有一个腔，其可以以折射率匹配介质填充并密封。基底与ATR耦合器之间的距离可以处在下面数值组的范围内：0.5mm到2.5mm；0.75mm到2.25mm；和1mm到2mm。光耦合介质的密度相对于水较低，并且处于下面数值组的范围内：1.05到1.3；1.1到1.25；和1.1到1.2。
光耦合介质可以是水介质或非水介质。一个实施例中，光耦合介质是碳原子数处于下面数值组范围的碳氢化合物：1到25；2到20；3到18；4到15；5到12；和5到10。光耦合介质可从下面物质组成的组选取：苯乙烯、甲苯、苯甲醇、和丁苯、四氢化萘、乙酰苯、氰苯、二溴甲烷、苄胺、3-吡啶甲醇、2-甲基苯甲胺、苯基环氧乙烷。
光耦合介质对水的相对密度可处于下面的数值组范围内：1.05到1.3；1.1到1.25；和1.1到1.2。
一个实施例中，第二薄膜金属电极可配置至少一个用于使光束从其中穿过的开口。第二薄膜金属电极可配置多个开口。所述开口足够大以使多条光束从其中通过并由所述物质和第一薄膜金属电极之间的界面反射。
重量检测可从下面的组选取：石英晶体微天平检测；表面声波检测；体声波检测。
一个实施例中，提供一种ATR耦合器，其可以是下面形状的棱镜：基本上半球形、基本上矩形、基本上正方形、和基本上圆柱形。
最佳方式
下面将参照附图进一步描述本发明的非限制性实例，包括最佳方式和比较实例，其中：
图1A是可进行组合同步(simultaneous)QCM和SPR的传感器芯片的横截面图；
图1B是图1A传感器芯片的平面图；
图1C是图1A传感器芯片的底视图；
图2是用于SPR的Kretschmann结构ATR光学耦合设置的示意图；
图3是利用图1传感器芯片执行QCM和SPR分析法的传感器装置的横截面图；
图4A-D分别是四种不同ATR光学耦合SPR结构的横截面图；
图5A是可进行组合同步QCM和SPR的传感器芯片另一个实施例的横截面图；
图5B是图5A传感器芯片的平面图；
图5C是采用图5A设置的传感器芯片的Kretschmann结构ATR光学耦合设置另一个实施例的横截面图；
图6A是采用图5A传感器芯片设置的一次性Kretschmann结构ATR光学耦合设置另一个实施例的横截面图；
图6B是图6A的传感器芯片和Kretschmann结构ATR光学耦合设置的平面图；
图7是利用图1传感器芯片执行QCM和SPR分析法的传感器装置另一个实施例的横截面图；
图8是执行QCM和SPR分析多模测量的传感器装置另一个实施例的横截面图；
图9A是公开石英基底上金属电极阵列的另一个实施例的横截面图；
图9B是石英基底顶面上金属电极阵列平面图；
图9C是其中提供多个开口的金属电极阵列的底视图，金属电极设置在石英基底的底面上；
图10A示出采用甲苯进行折射率匹配从图1的传感器芯片获得的角形扫描曲线；
图10b示出分别采用甲苯、苯乙烯和苯甲醇进行折射率匹配从图1的传感器芯片获得的三个角形扫描曲线；
图10c示出由Autolab SPR仪检测的SPR稳定度；
图11A示出处在石英晶体较低的面暴露在空气中的方位的同步频率和运动阻力响应曲线；
图11B是示出处在石英晶体较低的面暴露在甲苯中的方位的同步频率和运动阻力响应曲线；
图12是示出上电极PBS缓冲液发出的激发QCMs对BSA吸收的频率响应的曲线；
图13是示出QCMs上径向依赖质量灵敏度的曲线；
图14是示出P/P和P/R电极QCMs对BSA吸收反应的频率响应的曲线；
图15是示出图3传感器装置的同步SPR和QCM信号频率响应的曲线。
所公开实施例详述
图1A、1B和1C公开了总体上以箭头30表示可用于传感器***的传感器芯片设置，此传感器***可利用组合SPR和石英晶体微天平(QCM)重量检测。
传感器芯片30包括石英基底1形式的透明压电基底。电极2形式的第一薄膜金属电极处于基底1的顶侧。电极3形式的第二薄膜金属电极处于基底1的相对侧。如下文进一步所述，电极3设置开口32以使激光照射到基底1上。
如图1所示，电极3连接到缠绕石英基底1右沿的金属板4。基底1上提供间隙2A以使样品在使用中与基底1接触。金属板4使电极3从一侧电连接。电极(2，3)和石英基底1使得可进行QCM检测。如图1C所示，在电极3中心的开口32(或“窗口”)可通过下面方法进行SPR分析，即：允许入射光束经过石英基底1，从而光束在特定的入射角经历全内反射，以激发检测电极2表面上的表面等离子体共振(SPR)。应当理解，开口32使得光可直接穿过基底1。
图2示出了用于SPR分析的衰减全反射(ATR)棱镜耦合器。图2的设置称作“Kretschmann设置”，并包括棱镜18，在棱镜底部安装由折射率和棱镜18相同的材料制成的检测盘16。检测盘和棱镜18之间的气隙充满一些进行光耦合的折射率匹配液体17。石英基底1和棱镜18之间的折射率匹配液体17用于提高SPR激发时产生的SPR信号品质，特别通过减少所生成的与由折射影响所引起的SPR信号相关的噪声。特别地，石英基底1和棱镜18之间距离从5nm增加到15nm以产生气隙，这会大大提高SPR信号的振荡并因此提高信号品质。
检测盘的上表面涂覆薄膜金属层19(例如金)。该层19提供其中在使用时激发表面等离子体的导电表面层。
图3是进行SPR和QCM检测的传感器***36的横截面图。在该实施例中，同步进行SPR和QCM检测。图1的传感器芯片30示出为夹在衰减全反射(ATR)耦合器和样品容纳槽之间，此耦合器呈Kretschmannn结构中棱镜11的形式，此样品容纳槽呈包括容纳样品8的腔的槽5的形式。槽5暴露给电极2。此槽还包括分别接收和输出样品的的样品入口导管8a和样品出口导管8b。在此公开的实施例中，样品是液体分析物样品8。但是，在其它实施例中，样品呈气体形式。
O-环(7，9)将传感器芯片30夹在棱镜11和槽5之间。
在棱镜11和电极3之间设置一个腔，其充满呈折射率匹配介质10形式的光耦合介质。
光从激光器14形式的光源中引向棱镜组件。在该实施例中，激光器14的输出波长处于500nm到900nm的范围。入射束15经过折射率匹配液体10和石英基底1，并在石英基底1和电极3的界面上折射。反射束12经棱镜11返回到检测器13。
在某些条件下，光在石英基底1和电极3的界面上经历全内反射，引起SPR。因此，可在分析物溶液8暴露在检测电极3的同时监控分析物溶液8的吸收。
传感器***36还包括用来进行QCM分析的振荡电路6和频率计数器7。从电路6到石英基底1上的电极(2，3)施加AC电源(未表示)形式的电场，以激发剪切模式振荡。这造成吸收分析物溶液8从而可获得QCM 信号。应当认识到可同步或者异步获得SPR信号和QCM信号。
图4A-D描述了四种不同的光学耦合至传感器芯片30的ATR耦合基SPR结构。在图4(a)中，示出了采用ATR耦合基SPR技术的SPR和QCM组合。该结构利用扇形(例如半圆柱透镜)透明块20棱镜会聚光束以由折射率匹配液体10照射电极3。EP-A1-0305109公开了用于ATR的扇形棱镜的全部内容，其全部内容在此引入本文参考。
图4B公开了采用梯形透明块21会聚光束以由折射率匹配液体10照射电极3的结构。图4C公开了采用矩形透明块22会聚光束以由折射率匹配液体10照射电极3的结构。图4D公开了采用圆柱形透明块23会聚光束以由折射率匹配液体10照射电极3的结构。
图5A是紧凑并包括传感器芯片30′的盘装置40的横截面图，此传感器芯片包括耦合至配置有空腔15的支承滑块24。在此实施例中，传感器芯片30′与传感器芯片30功能相似，因此相似的元件以相似的附图标记加上上标(′)符号表示。但是，应当理解，传感器芯片30和传感器芯片30′之间在结构上存在某些差异。例如，该实施例示出具有斜角的空腔15a′。提供斜角15b′保证腔表面与传感器盘不平行，从而通过尽量降低压缩波共振造成的响应而改善QCM特性。
在此实施例中，滑块24′置于基底1和棱镜11′之间。滑块24′以在波长632.8nm下折射率为1.54的玻璃制造。空腔15′充满低粘度和低密度的折射率匹配液体10′。传感器芯片30′附着在滑块24′上以保证良好的密封。
图5C示出如上面图4A实施例所述的连到半球形棱镜11′的盘装置40′。传感器芯片36′紧凑并可有利地组合在现存的商用SPR机器中，例如荷兰乌得勒支的Eco Chemie B.V.生产的AutolabTM ESPR(电化学表面等离子体共振)分析仪。
在此实施例中，支承滑块24′的厚度为0.82mm、直径为25.4mm并由BK7玻璃制成。滑块24的腔15以斜角25放置在电极3′的表面上。这是为了尽量降低压缩波共振造成的响应，当液体深度低至～1mm(至于图5的紧凑传感器盘装置)时响应可能很大。
腔15a′充满苯乙烯溶液形式的折射率匹配液体，并由传感器芯片30′覆盖。在此实施例中，传感器芯片30′是6MHz组合SPR和QCM传感器 盘，其厚度为0.276mm直径为20nm。电极(2′，3′)的直径为10mm，而电极(3′)的开口32′内径为5mm。
以密封剂例如胶水密封盘30′的沿。合适的粘合剂为美国明尼苏达州梅普尔伍德Minnesota Mining & Manufacturing Company的3MTM AutoGlass Adhesive。
盘装置40′紧凑并可用在现有的SPR仪中，例如AutolabTM SPR机。
可通过涂覆折射率匹配油17′的薄层，而将盘装置40′安装在棱镜11′上。因为可用于测量生物、生物化学或化学样品，可将盘装置40′用作生物传感器。
使用时，如现有技术所知，通过将两个电极(2′，3′)都连至振荡器(例如图3所示的振荡器6)和频率计数器(例如图3所示的频率计数器7)以启动QCM，从而同步检测SPR和QCM。美国专利No.6,156,578和5,201,215中公开了示例性QCM方法，其全部在此引入以供参考。同时，激光通过电极3′的开口32′射入以引起SPR。
图6是紧凑的并且可以是一次性的盘装置50″的横截面图。盘装置50″包括传感器芯片30″。在此实施例中，传感器芯片30″与传感器芯片30功能相似，因此相似的元件以相似的附图标记加上两个上标(′)符号表示。但是，应当理解，某些结构上差异存在于传感器芯片30和传感器芯片30″之间。例如，该实施例示出位于棱镜26″的空腔27″。
棱镜26″是折射率大约为1.54从而与石英基底1″匹配的模制塑料棱镜26″。空腔27″位于半球棱镜26″底部的中心部分。如上述的传感器芯片40′，腔27″充满折射率匹配液体10″，其是低粘度和低密度的液体并且由传感器芯片50″覆盖。
通过合适的密封剂将光学匹配液体10″密封在腔27″中以防止其泄漏或从此腔蒸发。
图7描述了包括传感器芯片30′″的分析设备60′″的另一个实施例。在此实施例中，传感器芯片30′″与传感器芯片30功能相似，因此相似的元件以相似的附图标记加上三个上标(′)符号表示。但是，此实施例包括波导28′″。
传感器芯片30″′连至棱镜11″′一侧和呈槽5″′形式的样品容纳槽，此 样品容纳槽充满分析物样品8″′并以和上面参照图3所描述的***36相同的方式运行。
因此，盘装置30″′能够执行组合的SPR和QCM分析方法。如图7所示，在此实施例中将合适的波导28涂覆到检测电极2″′上。分析物溶液8″′暴露在波导26″′上，产生ATR引起的波导基SPR分析。波导由多层刚性固体膜制成。在此实施例中，波导的总厚度处于从1微米到2微米的范围内。从发明人的经验发现，对于固体膜，QCM能够检测一直到10微米。
图8示出组合SPR和QCM传感器芯片30^的透视图。在此实施例中，传感器芯片30^与传感器芯片30功能相似，因此相似的元件以相似的附图标记加上(^)符号表示。传感器芯片30^因为开口尺寸比其它所述实施例的其它电极(3，3′，3″，3″′)的开口32更大，因此能够容纳SPR测量的多通道。开口32^足够大以使多条光束可通过，以进行多通道SPR检测从而获得电极2^和石英晶体基底1^界面的更多信息。
图9A是传感器芯片30^^另一个实施例的横截面图。在此实施例中，传感器芯片30^^与传感器芯片30功能相似，因此相似的元件以相似的附图标记加上两个(^^)符号表示。盘装置30^^包括位于石英基底1^^上的金属电极阵列。石英基底1^^包括电极(2^^，3^^)阵列。
图9B示出石英基底1^^顶面的平面图，其具有位于其上的多个电极2^^。图9C示出电极3^^阵列的平面图，其开口32^^位于石英基底1^^的底面上。
应当理解，这里所公开的组合SPR和QCM传感器芯片(30，30′，30″，30″′，30^，30^^)可以是耦合至棱镜、聚焦透镜、或者波导的ATR。因为能够接收单条或多条入射光束，传感器芯片可以是单模态或者多模态。
这里所公开的传感器可用于检测液体和气体的吸收。本领域技术人员将意识到，可对这里所描述的发明进行多种变化和/或更改而不偏离本发明的实质或范围。将从各个方面认为本实施例是解释性而非限制性。
制造传感器芯片组件
所公开的传感器芯片组件可以如下进行制造。
例如可从美国圣达菲Springs的Maxtek Inc.购买石英晶体基底。石英晶体基底是平的而且是盘的形状。可通过预切或切至需要尺寸获得石英晶体基底。
在平面晶体基底的第一侧上气相沉积大约50nm的金属以形成第一薄膜金属电极(2，2′，2″，2″′，2^，2^^)。可在基底第二相对面上气相沉积另一个50nm以形成第二薄膜金属电极(3，3′，3″，3″′，3^，3^^)之前，将圆片置于电极的相对面上。然后取出此圆片以露出开口(32，32′，32″，32″′，32^，32^^)。在基底1的一侧沉积金属层(4，4′，4″，4″′，4^，4^^)以连接电极(2，2′，2″，2″′，2^，2^^)和(3，3′，3″，3″′，3^，3^^)。
Kretschmann棱镜(11，11′，11″，11″′，11^，11^^)可从德国耶拿(Jena)的Hellma Optik Gmbh商业获得。通过棱镜支架将Kretschmann棱镜(11，11′，11″，11″′，11^，11^^)耦合至电极(3，3′，3″，3″′，3^，3^^)。在Kretschmann棱镜(11，11′，11″，11″′，11^，11^^)和电极(3，3′，3″，3″′，3^，3^^)之间注入光耦合介质(10，10′，10″，10″′，10^，10^^)，并且使用例如O-环7密封。
折射率匹配液体
液体样品所产生的QCM信号振荡品质主要由此液体的粘度和密度决定。在已知的QCM吸收分析传感器中，基底的一个面暴露于样品液体中，另一侧暴露于空气中。对于大多数生物吸收分析，例如磷酸盐缓冲盐水(PBS)是经常使用的介质，其QCM品质因子大约为25000(例如对于从美国俄克拉何马城的International Crystal Manufacturing Co.，Inc.获得的10MHz QCM)。该振荡品质非常稳定并且频率测量精确。对于相同的10MHz QCM，当一个面暴露于PBS中另一侧暴露于折射率匹配油中时，Q下降至远低于500。5倍低的Q因子意味着频谱的5倍宽，如果真这样，这一点使得难于实现稳定振荡和精确频率测量。而且当QCM通过非常粘的折射率匹配油置于棱镜上时，强烈的阻尼效应使得几乎不能检测振荡。
本实施例中，将低粘度液体用作折射率匹配液体而非折射率匹配油。
表1示出可用于所公开实施例中光耦合的几种有机溶剂的材料属性。表1中还包括了在不同暴露状况下所测量的QCM品质因子(10MHz ICMQCM)。
表1
  暴露状况   有机溶剂的液  体密度  (g/cm3)   有机溶剂的粘  度(cP)   有机溶剂的折  射率  (@λ＝632.8n  m)   Q因子
  PBS/空气   ～2.5
  PBS/苯乙烯   0.907   0.76   1.55   ～1.38
  PBS/甲苯   0.867   0.58   1.49   ～1.35
  PBS/苯甲醇   1.540   5.0   1.54   ～0.7
  PBS/IMO   0.820   100   1.51   ～0.5
这里“PBS”是磷酸盐缓冲盐水，“IMO”是折射率匹配油。
实例1
在实例1中，参照附图3如上所述使用相同的传感器***设置进行SPR和QCM测量。因此，将参照附图3使用相同的附图标记描述该实例的传感器***设置。
通过将镀金石英盘用作基底而获得同步的SPR和QCM测量。从石英基底1第一侧上的电极2产生ATR SPR。借助在通过电极(2，3)的石英基底1上施加AC电压驱动QCM振荡。对于ATR SPR激发，折射率匹配甲苯(10)形式的折射率匹配液体密封在O-环(7)之间。甲苯不导电且对水有低粘度和低密度。折射率匹配甲苯用作激发表面等离子体共振的无源光耦合界面。
此实例中，基底1是厚度为0.276mm直径为25.4mm的6MHz AT-切削石英板。将具有5nm Cr粘附层的45nm金层沉积在石英基底1上以形成薄膜电极2。开口内径为6.35nm的金电极层沉积在石英基底1另一侧以形成薄膜电极3。
棱镜11由BK7玻璃制成并与电极3相邻，而其间的O-环7密封折射 率匹配甲苯(10)。
采用美国加利福尼亚州卡尔斯鲁厄Melles Griot的p-偏振He-Ne激光器(14)(632.8nm)形式的光源。在激光器14的光束15进入棱镜11之前联合锁定放大器而将其机械切开。通过光电二极管检测器检测在金电极2和石英基底1的界面上反射的光束强度，并记录为“角-扫描”测量入射角的函数。
图10a示出使用折射率匹配甲苯(10)获得的角扫描曲线。图10a的曲线示出在43.5度SPR角下的大强度损失。反射强度随入射角的平滑变化表明传感器***36获得了与折射率匹配甲苯之间良好的光耦合。
实例2
实例2中，将图5的相同传感器芯片30′用在可由荷兰乌得勒支的EcoChemie B.V.购买的AUTOLAB ESPIRITTM SPR分析仪中。因此，将参照附图5使用相同的附图标记描述该实例的传感器芯片30′。
在此实例中，将厚度为0.166mm的10MHz石英基底1′置于具有支承滑块24′的半球棱镜11′上。将支承滑块24′折射率匹配液体10′注入腔15a′中。
图10b示出由传感器芯片获得以Autolab SPR仪检测的角扫描曲线。Autolab SPR仪利用670nm波长的激光二极管和振动镜调整p-偏振光束在基底上的入射角。在Ward等人Anal.Biochem.2000，285，179中公开了对产生SPR方法的完整描述，其组合在此以供参考。
通过注入已经注入腔15a′的三种不同折射率匹配液体10′而产生三种不同的SPR信号，这三种液体分别是甲苯、苯乙烯和苯甲醇。三种折射率匹配液体的SPR光谱参见图10b。因此，甲苯、苯乙烯和苯甲醇表示为作为传感器芯片中折射率匹配液体的可能溶液，传感器芯片具有石英基底/BK7玻璃棱镜设置。这是因为所有的三种液体清楚表明在各自共振频率下的反射最小点。
图10c示出由Autolab SPR测量的SPR稳定度。对于标准的Autolab***，30分钟以上的基线SPR角稳定度大约为±0.5m度。当使用与折射率匹配有机溶剂组合的传感器芯片30′时，基线稳定度大约为±2m度，对 多数界面分析这是有利可接受的。
实例3
在该实例中，研究当石英基底一个面暴露于水溶液另一个面暴露于折射率匹配液体时的QCM振荡行为(振荡品质和稳定度)。
使用从美国俄克拉荷马州俄克拉何马城的International CrystalManufacturers Inc获得的厚度为0.166mm直径为13.66mm的10MHz、AT-切削石英基底测量QCM上的牛血清白蛋白(BSA)吸收。石英的两侧都以100nm厚的金电极沉积，电极的直径为5mm并且在任何电极上都没有开口。
对液体中的原位频率检测，将QCM晶体固定到氯丁橡胶O-环密封的两个树脂玻璃块中。形成开口液体槽和下面底部的石英上面形成封闭液体槽的底部。开口槽允许放入直到1mL的液体，封闭液体槽体积约为70μL并具有斜角。使用此设置，晶体的上面暴露于PBS缓冲溶液中，而下面暴露于不导电、低粘度和低密度的有机溶剂中。使用美国路易斯安那州梅泰里Universal Sensors，Inc.的PzTools硬件和软件测量频率响应。对于阻抗分析，将相同的设置连接至美国亚利桑那州菲尼克斯的Saunders&Associates，Inc的S&A250B Network Analyzer，其记录频谱和阻抗参数，包括Q因子，Network Analyzer的频率稳定度为4Hz。
图11示出由Network Analyzer测量的PBS/空气(图11a)或PBS/甲苯(图11b)暴露的QCMs同步频率和运动阻力响应。其下面暴露于空气的晶体的噪声水平为4Hz Q因子为2.5k(图11a)，而下面暴露于甲苯的晶体的噪声水平为10Hz Q因子为1.35k(图11b)。使用PzTools仪时噪声水平分别为1Hz和3Hz。
实例4
在实例4中，使用和参照实例3所述的相同传感器***设置进行SPR测量。
在实例4中，对BSA吸收反应研究传感器芯片36的径向依赖QCM质量灵敏度。在此实例中，BSA吸收试验表明以此暴露状况的QCM有利 地应用于实际界面分析。为进行原位蛋白质固定，首先以10mM巯基十一酸(MUA)溶液处理新近清洗的QCM晶体12-24小时。在使用EDC/NHS化学激发表面上的COOH基后，传感器准备共价BSA联接。
使用厚度为0.166mm直径为13.66mm的10MHz AT-切削石英基底1。45nm的金和5nm的Cr气相沉积在基底上以形成电极(2，3)。电极3包括内径为3.5mm的开口32。在P.J. Cumpson and M.P.Seah，Meas.Sci.Technol.1990，1，544-555中教导的‘点-墨校准’方法，全部引入在此以供参考，并且用于研究两侧具有电极2的QCMs(P/P电极QCM)和具有电极(2，3)的QCM(P/R电极QCM)的径向依赖质量灵敏度分布。[注意：P/P代表板/板，这里板电极为没有开口的固体电极。P/R代表板/环，这里环电极是具有开口的电极。]使用这些QCMs监控BSA吸收反应。BSA吸收研究的试验设置与实例3中所述的相同。在使用MUA预处理电极2后，将QCMs固定到树脂玻璃块液体槽中并连接到Network分析仪。QCM的电极2暴露于PBS缓冲溶液中以在BSA施加前校准频率基线。
图12示出从上电极上PBS缓冲液的激发QCMs对BSA吸收的频率响应。在箭头70所示的PBS/空气和箭头72所示的PBS/甲苯中，施加BSA溶液(PBS中5mg/mL)造成饱和时大约150Hz的稳定频率下降。这表明在界面上超时添加蛋白质分子。尽管暴露于甲苯且具有下面的***比下面暴露于空气的***噪声水平高，但是可由图12看出可获得BSA吸收测量中充分的稳定度和灵敏度。
可断定QCM暴露于适当的有机溶剂将不会影响界面分析中的振荡品质。
图13示出这些QCMs上的径向依赖质量灵敏度。P/P电极QCM的钟形灵敏度分布反映了下面的事实，即在剪切模式振荡中，更多的能量俘获在电极区域中心。尽管P/R电极QCM具有复杂的灵敏度分布和降低的总质量灵敏度，但是试验表明这些QCMs仍可用于监控合理频率响应的吸收反应。
图14示出箭头76所示P/P和箭头74所示P/R对吸收反应的频率响应。饱和的频率下降对P/P和P/R电极QCM分别是140Hz/130Hz(前/后清洗)和125Hz/110Hz(前/后清洗)。尽管存在此下降的信号(大约10 ％)，频率响应示出相似的趋势，其非常好地反映了界面粘接处理。B)
实例5
在实例5中，使用和参照附图3所述的相同传感器***设置进行SPR和QCM测量。因此，该实例的传感器***设置将参照附图3使用相同的附图标记描述。
通过将镀金石英盘用作基底获得同步SPR和QCM检测。从石英基底1第一侧上的电极2产生ATR SPR。借助在通过电极(2，3)的石英基底1上施加由美国加利福尼亚州圣达菲Springs的Maxtek Inc获得的RQCM仪而驱动QCM振荡。还通过RQCM仪记录QCM的频率响应。
对于ATR SPR激发，折射率匹配甲苯(10)形式的折射率匹配液体密封在O-环(7)之间。甲苯不导电且对水有低粘度和低密度。折射率匹配甲苯用作激发表面等离子体共振的无源光耦合界面。
此实例中，基底1是厚度为0.276mm直径为25.4mm的6MHz AT-切削石英板。将具有5nm Cr粘附层的45nm金层沉积在石英基底1上以形成薄膜电极2。开口内径为6.35nm的金电极层沉积在石英基底1另一侧以形成薄膜电极3。
棱镜11与电极3相邻，而其间的O-环7密封折射率匹配甲苯(10)。
采用美国加利福尼亚州卡尔斯鲁厄Melles Griot的p-偏振He-Ne激光器(14)(632.8nm)形式的光源。在激光器14的光束15进入棱镜11之前联合锁定放大器而将其机械切开。通过光电二极管检测器检测在金电极2和石英基底1的界面上反射的光束强度，并记录为运动测量时间的函数。
图15示出以同步记录的箭头78所示QCM频率和箭头80所示SPR反射率探测的牛血清白蛋白(BSA)吸收。当表面1上电极2暴露于磷酸盐缓冲盐水(PBS)缓冲液时，记录基线频率和反射率。
稳定之后，将BSA(PBS中5mg/mL)注入以替换PBS缓冲液。在吸收结束时，以PBS缓冲液冲洗此槽以去除不稳定的吸收。
由图15可以看出，频率和反射率表明金表面上超时的蛋白质分子堆积/吸收。
应用
所公开的传感器实施例可用作同步表面等离子体共振(SPR)和石英晶体微天平(QCM)检测的传感器。传感器实施例可用于原位、无标记分析结合反应。
所公开的传感器可以同步使用两种根本不同的检测方法监控界面现象。通过组合设备获得的补充SPR和QCM信号利用检测方法的优点，同时检验数据分析中固有假设的有效性。
在所公开的传感器实施例中，SPR共振基于从传感器芯片背部发出经棱镜的激光束入射，穿过的光不需要进入测试溶液，而特定物质的灵敏度区域限制于倏逝波的延伸长度，即电磁波从检测表面侧进入液体介质的深度。因此，对从非限制样品分子连接至特别限制的分析物分子的响应影响最小。而且，如上所述，基于ATR棱镜耦合器的SPR设备的灵敏度远高于使用光栅耦合器的SPR传感器。
将意识到，所公开的传感器实施例不依靠光栅结构以耦合至石英基底。因此，所公开实施例的SPR检测不依靠通过样品溶液的入射光束。因此，在本公开实施例中进行分析的样品不必光学透明。
所公开的传感器实施例产生和光栅耦合器相比信噪比较低的SPR和QCM信号。
利用电极(3，3′，3″，3″′，3^，3^^)上开口的所公开传感器实施例允许光线直接到达基底上。因此，所公开传感器实施例不必要求使用透明的铟锡氧化物(ITO)电极以允许激光在其间穿过。借助ITO膜、波长为632.8nm的光，石英晶体和溅射沉积ITO薄膜的折射率分别为1.54和1.95。尽管ITO膜非常薄(大约100nm)，但是不匹配的折射率所引起的折射明显并造成信噪比低。
一个公开实施例中，以一侧的平板金电极和另一侧上包括开口的电极涂覆石英基底。有窗电极允许激光穿过石英基底并到达激发表面等离子体的平板金电极。
明显地，本领域技术人员在阅读前面的内容后，本发明的各种其它更改和变化都是明显的而不偏离本发明的实质和范围，并且意味着所有这些更改和变化都属于附加权利要求书的范围。

Claims (15)

1.一种用于能够对样品进行表面等离子体共振和石英晶体微天平重量检测传感器的传感器芯片组件，此组件包括：
透明压电基底，具有第一表面和与第一表面相对的第二表面；
第一薄膜金属电极，设置于基底第一表面上以和所述样品接触；以及第二薄膜金属电极，设置于基底第二表面上，所述第二薄膜金属电极位于所述基底上，从而光束可传播通过所述基底的第二表面，并从第一薄膜金属电极反射；以及
Kretschmann结构的衰减全反射棱镜耦合器，与第二薄膜金属电极相邻以将光线耦合至所述基底；以及
光耦合介质，置于Kretschmann结构的衰减全反射棱镜耦合器和所述基底之间，所述光耦合介质基本上匹配Kretschmann结构的衰减全反射棱镜耦合器和所述基底的折射率，并且相对于粘度为100cP的折射率匹配油粘度较低，
其中在使用时，通过向所述第一和第二薄膜金属电极施加振荡电场而产生重量检测信号，通过反射从所述第一薄膜金属电极发出且传播通过所述Kretschmann结构的衰减全反射棱镜耦合器、所述光耦合介质和所述基底的光束而产生表面等离子体共振信号。
2.根据权利要求1的传感器芯片组件，其中第二薄膜金属电极包括允许所述光束通过其中的开口。
3.根据权利要求2的传感器芯片组件，其中第二薄膜金属电极开口足够大以使多条光束可在其中通过。
4.根据权利要求1的传感器芯片组件，其中多个第一或第二或者两种薄膜金属电极设置在基底上。
5.根据权利要求1的传感器芯片组件，其中第一和第二薄膜金属电极相互电耦合。
6.根据权利要求1的传感器芯片组件，其中所述光耦合介质的折射率选择下面的数值组：1.50到1.60、1.51到1.59、1.52到1.58、1.52到1.57、1.52到1.56、1.52到1.55、1.53到1.55。
7.根据权利要求1的传感器芯片组件，包括Kretschmann结构的衰减全反射棱镜耦合器和第二薄膜金属电极之间的透明块，所述透明块具有其中放置光耦合介质的腔。
8.根据权利要求1的传感器芯片组件，其中所述Kretschmann结构的衰减全反射棱镜耦合器中的棱镜具有下面的形状：基本上半球形、基本上矩形、基本上正方形、或基本上圆柱形。
9.一种传感器，包括：
透明压电基底，具有第一表面和与第一表面相对的第二表面；
设置于基底第一表面以在其上设置样品的第一薄膜金属电极，设置于基底第二表面上的第二薄膜金属电极，第一和第二薄膜金属电极可耦合至振荡电路以在一个或多个选定频率下振荡电场从而造成基底共振；
Kretschmann结构的衰减全反射棱镜耦合器，与第二薄膜金属电极相邻，并且可以多个入射角光学耦合从光束源到第一薄膜金属电极的光束，以在激发时产生表面等离子体共振；以及
光耦合介质，置于Kretschmann结构的衰减全反射棱镜耦合器和所述基底之间，所述光耦合介质基本上匹配Kretschmann结构的衰减全反射棱镜耦合器和所述基底的折射率，并且相对于粘度为100cP的折射率匹配油粘度较低，
其中在使用时，通过向所述第一和第二薄膜金属电极施加振荡电场而产生重量检测信号，通过反射从所述第一薄膜金属电极发出且传播通过所述Kretschmann结构的衰减全反射棱镜耦合器、所述光耦合介质和所述基底的光束而产生表面等离子体共振信号。
10.一种采用传感器的表面等离子体共振和石英晶体微天平重量检测方法，所述传感器包括：具有第一表面和与第一表面相对的第二表面的透明压电基底；设置于基底第一表面上的第一薄膜金属电极，和设置于基底第二表面上的第二薄膜金属电极；以及与第二薄膜金属电极相邻的Kretschmann结构的衰减全反射棱镜耦合器，和置于Kretschmann结构的衰减全反射棱镜耦合器和所述基底之间的光耦合介质，所述光耦合介质基本上匹配Kretschmann结构的衰减全反射棱镜耦合器和所述基底的折射率，并且相对于粘度为100cP的折射率匹配油粘度较低，所述方法包括下面的步骤：
在第一薄膜金属电极上提供样品；
通过第一和第二薄膜金属电极在一个或多个选定频率下振荡电场以产生重量检测信号；
从在传播经过所述Kretschmann结构的衰减全反射棱镜耦合器、所述光耦合介质和所述基底之后从第一薄膜金属电极反射的光束生成表面等离子体共振信号。
11.一种制造用于可进行表面等离子体共振和石英晶体微天平重量检测的传感器的组件的方法，所述方法包括：
在透明压电基底第一表面上沉积第一薄膜金属电极；
在基底的与第一表面相对的第二表面上沉积第二薄膜金属电极，从而光束可传播通过基底的第二表面并从第一薄膜金属电极反射；
连接与第二薄膜金属电极相邻的Kretschmann结构的衰减全反射棱镜耦合器；以及
密封置于Kretschmann结构的衰减全反射棱镜耦合器和所述基底之间的光耦合介质，所述光耦合介质基本上匹配Kretschmann结构的衰减全反射棱镜耦合器和所述基底的折射率，并且相对于粘度为100cP的折射率匹配油粘度较低。
12.一种可对生物、生物化学或者化学样品进行表面等离子体共振和石英晶体微天平重量检测的传感器***，所述检测***包括：
外壳，具有将样品设置其中的腔室；
透明压电基底，具有第一表面和与第一表面相对的第二表面；
第一薄膜金属电极，设置于石英基底第一表面上并与所述腔室液体相通；
第二薄膜金属电极，设置于石英基底第二表面上，所述第二薄膜金属电极位于所述基底上，从而光束能够传播通过所述基底的第二表面并从第一薄膜金属电极反射；
振荡电路，耦合至第一和第二薄膜金属电极，以在一个或多个选定频率下振荡电场，从而造成基底在共振频率下共振；
共振频率检测器，用于检测共振频率以检测重量分析信号；
光束源，用于以多个入射角产生光束；
Kretschmann结构的衰减全反射棱镜耦合器，与第二薄膜金属电极相邻以光学耦合至所述光束源，从而在产生表面等离子体共振的入射角从第一薄膜金属电极反射内反射光束；
光耦合介质，置于Kretschmann结构的衰减全反射棱镜耦合器和所述基底之间，所述光耦合介质基本上匹配Kretschmann结构的衰减全反射棱镜耦合器和所述基底的折射率，并且相对于粘度为100cP的折射率匹配油粘度较低；以及
检测器，用于接收内反射光束和检测表面等离子体共振特征，这些特征取决于样品和第一薄膜金属电极之间的反应。
13.根据权利要求12的传感器***，其中第二薄膜金属电极包括允许光束通过其中的开口。
14.根据权利要求12的传感器***，其中多个第一或第二或者两种薄膜金属电极设置在基底上。
15.一种采用传感器进行样品液体表面等离子体共振和石英晶体微天平重量检测的方法，所述传感器包括：具有第一表面和与第一表面相对的第二表面的透明压电基底；设置于基底第一表面上的第一薄膜金属电极；和设置于基底第二表面上的第二薄膜金属电极；以及与第二薄膜金属电极相邻的Kretschmann结构的衰减全反射棱镜耦合器，和置于Kretschmann结构的衰减全反射棱镜耦合器和所述基底之间的光耦合介质，所述光耦合介质基本上匹配Kretschmann结构的衰减全反射棱镜耦合器和所述基底的折射率，并且相对于粘度为100cP的折射率匹配油粘度较低；所述方法包括下面的步骤：
(a)在第一薄膜金属电极上提供样品液体；
(b)传播光束通过所述Kretschmann结构的衰减全反射棱镜耦合器、所述光耦合介质和所述基底；
(c)反射从第一薄膜金属电极发出的光；
(d)检测反射光的强度以产生表面等离子体共振信号；
(e)施加跨过第一和第二薄膜金属电极的电场；以及
(f)检测所述电场的共振频率以产生重量检测信号。
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