CN102121899B - 表面等离子体共振感测仪 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种表面等离子体共振感测仪，尤指一种携带方便，且其光纤感测单元的表面等离子体共振波长是位于单模光纤或多模光纤的传输波段内的表面等离子体共振感测仪。其包括：一光源单元、一光纤感测单元、一光传感器、多条光纤以及一运算显示单元。其中，光纤感测单元具有一凹槽、一披覆层、一核心层、一第一金属层及多数层介电薄膜层，且第一金属层是位于凹槽之上，多数层介电薄膜层则形成于第一金属层之上。光源单元所提供的光源在通过光纤感测单元之后便会产生一光信号，光传感器将此光信号对应转换为一电信号，以供运算显示单元运算之用。
Description
技术领域
本发明涉及一种表面等离子体共振感测仪，尤指一种携带方便，且其光纤感测单元的表面等离子体共振波长是位于单模光纤或多模光纤的传输波段内的表面等离子体共振感测仪。
背景技术
对于医疗检测或环境检测的应用而言，迅速且精确地检测出生物分子的种类及浓度是非常重要的。尤其在环境毒害的场合中，处理人员必须先检测出灾害现场的有害物质的种类及浓度，他们才能依据检测结果决定后续相关的处理程序，以减低处理的风险。所以，分析仪器的精确度、灵敏度、操作流程的简易度及可携带性均非常重要。
目前，业界已使用一种利用表面等离子体共振效应(Surface PlasmonResonance Effect)原理进行检测的表面等离子体共振感测仪检测微量的生物分子的种类及浓度。此种表面等离子体共振效应感测仪具有：1.感测所需时间短；2.不需事先对待测物进行标记(1able-free)；3.所需样品量少；4.可在线实时感测待测物与其配位体(ligand)间的交互作用；及5.感测灵敏度高等优点。
图1是公知的表面等离子体共振感测仪的示意图，其包含入射光源11、入射光处理单元12、棱镜13、金属层14、光传感器15、待测物承载单元16及光谱仪17。其中，入射光源11是为激光二极管，而入射光处理单元12则包含光束扩大器121、偏光镜122、分光镜123及聚焦镜124。所以，当入射光源11所产生光线经过入射光处理单元12之后，其便具有特定的频率、模态及极化方向，以供检测之用。此外，金属层14是位于棱镜13的背面并是应用蒸镀或溅镀的方式将金或银颗粒沉积于棱镜13表面而成。当进行检测时，入射光源11产生的光线先通过入射光处理单元12，再入射棱镜13的第一侧面131。此光线接着被金属层14反射，而从棱镜13的第二侧面132射出，再进入光传感器15。最后，光传感器15将其所接收的光信号对应转换为一电信号并将其提供给光谱仪17以分析其光谱分布的变化。
但是，由于此种表面等离子体共振感测仪的体积庞大，且其各元件之间的相对位置必须精确地维持，否则从其入射光处理单元所出射的光便无法正确地被位于其棱镜背面的金属层反射，便无法顺利到达其光传感器。因此，此种表面等离子体共振感测仪对于振动的容忍度极低且容易因意外碰撞而损坏，其并不适合让灾害处理人员随身携带至灾害现场。
除此之外，由于目前所使用的表面等离子体共振感测仪的光纤感测单元的表面等离子体共振波长与单模光纤或多模光纤的传输波段仍有不小的差距，以致光纤感测单元所产生的表面等离子体共振信号无法有效地在与光纤感测单元连接的单模光纤(或多模光纤)中传递，导致信号损耗的发生，进而降低公知的表面等离子体共振感测仪的检测效率及准确度。
因此，业界极需一种携带方便，且其光纤感测单元的表面等离子体共振波长是位于单模光纤或多模光纤的传输波段内的表面等离子体共振感测仪，以使灾害处理人员可以随身携带并在灾害现场迅速且精确地进行检测，且具有较高的检测效率及准确度。
发明内容
本发明的目的是公开一种表面等离子体共振感测仪，其携带方便、操作简单迅速、检测效率及准确度较高，且其光纤感测单元的表面等离子体共振波长是位于单模光纤或多模光纤的传输波段内。
为达成上述目的，本发明的技术解决方案是：
一种表面等离子体共振感测仪，是包括：一光源单元，是用以提供一光源；一具有一凹槽、一披覆层、一核心层、一第一金属层及多数层介电薄膜层的光纤感测单元，且此披覆层将此核心层包围于其中，此光源并通过此光纤感测单元而产生一光信号；一光传感器，是用以感测通过此光纤感测单元的此光信号并对应转换为一电信号；多条光纤，是分别连接此光源单元、此光纤感测单元及此光传感器；以及一连接此光传感器的运算显示单元，此运算显示单元接受来自此光传感器的此电信号并显示运算所得的结果。其中，此第一金属层是位于此凹槽之上，该等介电薄膜层则形成于此第一金属层之上。
本发明的表面等离子体共振感测仪可使用任何种类的光源单元，其较佳为激光二极管(Laser Diode)或发光二极管(LED)。本发明的表面等离子体共振感测仪可具有任何种类的光传感器，其较佳为光二极管传感器或电荷耦合传感器(CCD Detector)。本发明的表面等离子体共振感测仪的光纤感测单元的凹槽可利用任何工艺方法制作，其较佳是利用侧边研磨(sidepolish)工艺或蚀刻工艺而成。本发明的表面等离子体共振感测仪的光纤感测单元可具有任何层数的多数层介电薄膜层，其层数较佳介于3至5层。本发明的表面等离子体共振感测仪的光纤感测单元可具有任何数值的表面等离子体共振波长，其表面等离子体共振波长较佳介于840nm至860nm之间或1300nm至1320nm之间。本发明的表面等离子体共振感测仪可还包括一任何种类的温度传感器，以量测样品槽的温度，此温度传感器较佳为电偶温度计。本发明的表面等离子体共振感测仪可还包括一任何种类的温度控制器，以维持样品槽的温度，此温度控制器较佳为电阻加热器或热电致冷器(TE cooler)。本发明的表面等离子体共振感测仪可使用任何种类的光纤，其较佳为单模光纤或多模光纤。本发明的表面等离子体共振感测仪可还包含多数个任何类型的光纤连接器，以将该等光纤连接于此光纤感测单元，其较佳为FC型光纤连接器、ST型光纤连接器或LC型光纤连接器。本发明的表面等离子体共振感测仪可还包含一任何种类的电源单元，其较佳为一电池组或一插头。
本发明的优点在于：
由于本发明的表面等离子体共振感测仪是利用多模光纤传递光信号于光源单元、光纤感测单元及光传感器之间，而非让光信号直接暴露于大气中传播。所以，本发明的表面等离子体共振感测仪可承受一定程度的碰撞而不致损害其光路的稳定性，且本发明的表面等离子体共振感测仪的整体体积亦可因此而进一步地缩小，使其可携带性进一步地增加。此外，由于本发明的表面等离子体共振感测仪的光纤感测单元的凹槽上除了形成一第一金属层外，还形成多数层介电薄膜层于此第一金属层上，使得本发明的表面等离子体共振感测仪的光纤感测单元的表面等离子体共振波长可通过膜层设计的方式而被调整至单模光纤或多模光纤的传输波段内，以减低因存在于光纤感测单元的表面等离子体共振波长与单模光纤或多模光纤的传输波段之间的差异所造成的信号损耗。
附图说明
图1是公知的表面等离子体共振感测仪的示意图；
图2A是本发明一实施例的表面等离子体共振感测仪的示意图；
图2B是本发明一实施例的表面等离子体共振感测仪中的光纤感测单元的示意图；
图2C是本发明一实施例的表面等离子体共振感测仪中的光纤感测单元的剖面示意图；
图3是显示分别使用一未具任何介电薄膜层的光纤感测单元及本发明一实施例的表面等离子体共振感测仪的光纤感测单元感测同一样品所得的表面等离子体共振光谱图；
图4是使用本发明一实施例的表面等离子体共振感测仪分别感测不同浓度的葡萄糖溶液所得的检测结果的示意图。
主要元件符号说明：
11入射光源 12入射光处理单元
121光束扩大器 122偏光镜
123分光镜 124聚焦镜
13棱镜 131第一侧面
132第二侧面 14金属层
15光传感器 16待测物承载单元
2表面等离子体共振感测仪 21外壳
22光源单元 23样品槽
24光纤感测单元 241凹槽
242披覆层 243核心层
244第一金属层 245介电薄膜层
2451第一二氧化硅薄膜层 2452二氧化钛薄膜层
2453第二二氧化硅薄膜层 246第二金属层
25光传感器 26溶液储存槽
261、262导管 263注入口
27运算显示单元 271按键组
272显示屏 281、282光纤
29电源单元
具体实施方式
请参阅图2A、图2B及图2C，其中图2A是本发明一实施例的表面等离子体共振感测仪的示意图，图2B是为本发明一实施例的表面等离子体共振感测仪中的光纤感测单元的示意图，图2C则为本发明一实施例的表面等离子体共振感测仪中的光纤感测单元的剖面示意图，且是沿着图2B的CC’剖面线所得。如图2A及图2B所示，本发明一实施例的表面等离子体共振感测仪2具有一外壳21、一光源单元22、一样品槽23、一光纤感测单元24、一光传感器25、一溶液储存槽26、一运算显示单元27、多条光纤281、282及一电源单元29。其中，光纤感测单元24是位于样品槽23内并包含一凹槽241、一披覆层242、一核心层243、一第一金属层244、多数层介电薄膜层245及一第二金属层246。
而如图2B所示，披覆层242是将核心层243包围于其中，第一金属层244是位于凹槽241之上，多数层介电薄膜层245则形成于第一金属层244之上。此外，如图2C所示，多数层介电薄膜层245是包含3层介电薄膜层，即第一二氧化硅薄膜层2451、位于第一二氧化硅薄膜层2451之上的二氧化钛薄膜层2452及位于二氧化钛薄膜层2452之上的第二二氧化硅薄膜层2453。在本实施例中，第一二氧化硅薄膜层2451的厚度约为30nm，二氧化钛薄膜层2452的厚度约为60nm，第二二氧化硅薄膜层2453的厚度则约为30nm。一般而言，第一金属层244及第二金属层246的材质是为金或银。
在本实施中，光源单元22是为激光二极管，且光源单元22所产生的光源是通过多模光纤281被传递至位于样品槽23内的光纤感测单元24。之后，通过光纤感测单元24并带有待测样品相关信息的光信号则通过另一多模光纤282被传递至光传感器25。接着，光传感器25便将此光信号对应转换为一电信号，且将此电信号传递至运算显示单元27，以进行进一步的计算。
在本实施例中，运算显示单元27是用以控制本发明一实施例的表面等离子体共振感测仪2的运作并通过位于外壳21表面的按键组271接受来自外界的控制指令。此外，运算显示单元27并将其运算的结果显示于位于外壳21表面的显示屏272中。至于本发明一实施例的表面等离子体共振感测仪2运作时所需的电力，则由电源单元29提供，其可为一配合一变压器的插头或一电池组(应用于无法使用市电的场所，如室外的检测场合)。
此外，溶液储存槽26容纳有一可提供适当检测环境的溶液，此溶液并经由导管261及导管262分别流入及流出样品槽23，以使样品槽23内处于一稳定状态(如处于特定温度、特定pH值或特定折射率的状态)。此溶液一般包括一缓冲液，如生理食盐水或去离子水等，而此溶液可经由位于外壳21表面的注入口263被注入至溶液储存槽26中。除此之外，溶液储存槽26更具有一多管阀(图中未示)，以控制此溶液的流动。
再如图2B所示，本发明一实施例的表面等离子体共振感测仪的光纤感测单元24是将多模光纤经过表面研磨(side-polish)工艺，使其具有一凹槽241(其长度约为5mm，其深度则约为62.5μm)而成。由于凹槽241的深度大于多模光纤的披覆层242的厚度，故多模光纤的核心层243便暴露出来。但需注意的是，凹槽241的长度及深度并非以此为限，其可依据所需要检测的样品的种类及检测环境(如溶液的折射率)而有所变化。
此外，本发明一实施例的表面等离子体共振感测仪的光纤感测单元24是利用直流溅镀(DC sputtering)或其它的方法于凹槽241的表面沉积一第一金属层244(其厚度约为40nm)。随后，为了将本发明一实施例的表面等离子体共振感测仪的光纤感测单元的表面等离子体共振波长调整至单模光纤或多模光纤的传输波段内(即介于840nm至860nm之间或1300nm至1320nm之间)，再利用直流溅镀(DC sputtering)或其它的方法于第一金属层244之上形成多数层介电薄膜层245。需注意的是，虽然在本实施中，多数层介电薄膜层245是包含3层介电薄膜层(第一二氧化硅薄膜层2451、二氧化钛薄膜层2452及第二二氧化硅薄膜层2453)，但在不同的应用情况下，多数层介电薄膜层245仍可为具有不同层数的介电薄膜层，以及由不同材质的介电薄膜层层迭而成。
最后，为了提高表面等离子体共振(SPR effect)效应的强度及样品结合的稳定度，本发明一实施例的表面等离子体共振感测仪的光纤感测单元24再利用直流溅镀(DC sputtering)或其它的方法于多数层介电薄膜层245之上形成一第二金属层246。
接着，本发明一实施例的表面等离子体共振感测仪的检测程序将配合图2A至图2C叙述于下：
首先，将具有待测样品的光纤感测单元24置入于样品槽23中，再利用位于其两端的光纤连接器(图中未示)使其分别连接于多模光纤281及多模光纤282。如此，光源单元22所产生的光源便可通过位于样品槽23中的光纤感测单元24，而到达光传感器25。
接着，启动泵(图中未示)，使原本储存于溶液储存槽26的溶液持续地经由导管261及导管262流入及流出样品槽23，形成一循环***。此外，此溶液储存槽26的内侧具有一电偶温度计(图中未示)及一热电致冷器(图中未示)，以分别量测溶液的温度并保持其温度的稳定。当溶液的温度趋近稳定之后，运算显示单元27便开启光源单元22，使其发射出一具有特定频率范围及强度的光源，此光源便经由多模光纤281而到达位于样品槽23中的光纤感测单元24。
此时，由于位于光纤感测单元24的第二金属层246表面的待测样品的缘故，此光纤感测单元24便发生表面等离子体共振效应(SurfacePlasmon Resonance effect)，即当此光源通过光纤感测单元24后，其光谱分布(spectrum distribution)会因为待测样品的种类、浓度或其与第二金属层246之间的作用力的不同而产生对应的变化。
如前所述，当此光源通过光纤感测单元24后，其光谱分布已经产生变化，并经由多模光纤282而到达光传感器25。光传感器25便将其所接收的光信号对应转换为一电信号，且将此电信号提供给与其连接的运算显示单元27。当经过适当的运算程序之后，运算显示单元27便可依照使用者事先所设定的模式，显示光谱分布图形于显示屏272中。或经过与事先储存于其内存的数据比较之后，直接显示此一待测样品的种类或浓度于显示屏272中。
如图3所示，其显示分别使用一未具任何介电薄膜层的光纤感测单元及本发明一实施例的表面等离子体共振感测仪的光纤感测单元感测同一样品所得的表面等离子体共振光谱图。其中，曲线A是显示使用未具任何介电薄膜层的光纤感测单元感测所得的结果，曲线B则显示使用本发明一实施例的表面等离子体共振感测仪的光纤感测单元感测所得的结果。需说明的是，除了有无介电薄膜层的差别之外，这两种光纤感测单元的其它部分均相同。
从图3中可看出，曲线A所示的表面等离子体共振波长是介于650nm至670nm之间，曲线B所示的表面等离子体共振波长是则于800nm至820nm之间。此外，多模光纤的传输波段一般是介于840nm至860nm之间。所以，相较于一未具任何介电薄膜层的光纤感测单元的表面等离子体共振波长而言，本发明一实施例的表面等离子体共振感测仪的光纤感测单元的表面等离子体共振波长更接近多模光纤的传输波段。也就是说，若再对多数层介电薄膜层的膜层设计进行调整(如改变各介电薄膜层的膜层厚度或层数)，本发明一实施例的表面等离子体共振感测仪的光纤感测单元的表面等离子体共振波长势必可位于多模光纤的传输波段内。
请再参阅图4，其是使用本发明一实施例的表面等离子体共振感测仪分别感测不同浓度的葡萄糖溶液所得的检测结果的示意图。其中，曲线C是代表去离子水的检测结果，曲线D是代表浓度2％的葡萄糖溶液的检测结果，曲线E是代表浓度4％的葡萄糖溶液的检测结果，曲线F是代表浓度6％的葡萄糖溶液的检测结果，曲线G是代表浓度8％的葡萄糖溶液的检测结果，曲线H则代表浓度10％的葡萄糖溶液的检测结果。从图4中可看出，不论用于感测何种浓度的葡萄糖溶液，本发明一实施例的表面等离子体共振感测仪的光纤感测单元的表面等离子体共振波长均邻近于，甚或位于单模光纤的传输波段内(1300nm至1320nm)。此外，由于各曲线可从图4中明显地被辨识出来，所以本发明一实施例的表面等离子体共振感测仪对于不同浓度的葡萄糖溶液也有一定的辨识效果。
综上所述，由于本发明的表面等离子体共振感测仪是利用多模光纤传递光信号于光源单元、光纤感测单元及光传感器之间，而非让光信号直接暴露于大气中传播。所以，本发明的表面等离子体共振感测仪可承受一定程度的碰撞而不致损害其光路的稳定性，且本发明的表面等离子体共振感测仪的整体体积亦可因此而进一步地缩小，使其可携带性进一步地增加。此外，由于本发明的表面等离子体共振感测仪的光纤感测单元的凹槽上除了形成一第一金属层外，更形成多数层介电薄膜层于此第一金属层上，使得本发明的表面等离子体共振感测仪的光纤感测单元的表面等离子体共振波长可通过膜层设计的方式而被调整至单模光纤或多模光纤的传输波段内，以减低因存在于光纤感测单元的表面等离子体共振波长与单模光纤或多模光纤的传输波段之间的差异所造成的信号损耗。
上述实施例仅是为了方便说明而举例而已，本发明所主张的权利范围自应以权利要求书的保护范围所述为准，而非仅限于上述实施例。
Claims (9)
1.一种表面等离子体共振感测仪，其特征在于，包括：
一光源单元，用以提供一光源；
一具有一凹槽、一披覆层、一核心层、一第一金属层、一第二金属层及多数层介电薄膜层的光纤感测单元，且该披覆层将该核心层包围于其中，该光源通过该光纤感测单元而产生一光信号；
一光传感器，用以感测通过该光纤感测单元的该光信号并对应转换为一电信号；
多条光纤，分别连接该光源单元、该光纤感测单元及该光传感器；以及
一连接该光传感器的运算显示单元，该运算显示单元接受来自该光传感器的该电信号并显示运算所得的结果；
其中，该第一金属层位于该凹槽之上，该多数层介电薄膜层则形成于该第一金属层之上，该第二金属层则形成于该多数层介电薄膜层之上。
2.如权利要求1所述的表面等离子体共振感测仪，其特征在于，还包含一样品槽，用以容置该光纤感测单元及一包含有一缓冲液的溶液。
3.如权利要求1所述的表面等离子体共振感测仪，其特征在于，所述光源单元为激光二极管，该光传感器则为光二极管传感器。
4.如权利要求1所述的表面等离子体共振感测仪，其特征在于，所述该多数层介电薄膜层包括至少三层介电薄膜层。
5.如权利要求1所述的表面等离子体共振感测仪，其特征在于，所述该多数层介电薄膜层包含一第一二氧化硅薄膜层、一位于该第一二氧化硅薄膜层之上的二氧化钛薄膜层及一位于该二氧化钛薄膜层之上的第二二氧化硅薄膜层。
6.如权利要求1所述的表面等离子体共振感测仪，其特征在于，所述第一金属层及该第二金属层的材质为金或银。
7.如权利要求1所述的表面等离子体共振感测仪，其特征在于，所述凹槽是将一光纤经侧边研磨工艺制作而成。
8.如权利要求1所述的表面等离子体共振感测仪，其特征在于，所述该多条光纤为多模光纤或单模光纤。
9.如权利要求1所述的表面等离子体共振感测仪，其特征在于，所述光纤感测单元的表面等离子体共振波长介于840nm至860nm之间或1300nm至1320nm之间。
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