CN102235973A - 依表面等离子体共振原理进行检测的检测装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种依表面等离子体共振原理进行检测的检测装置，包含一光源、一光耦合单元、一解相位模组及一资料处理单元。所述光源提供一光束，且所述光束入射所述光耦合单元的一金属薄膜表面而激发产生表面等离子体共振。所述解相位模组是用以将所述光束于所述金属薄膜表面的反射光分成一第一道光、一第二道光、一第三道光及一第四道光，且同时侦测各道光的光强度，其中所述第一、第二道光之间的相位差为90度，第三及第四道光之间的相位差为90度。所述资料处理单元是根据所述第一道光、第二道光、第三道光及第四道光的光强度计算所述金属薄膜表面发生的表面等离子体共振的相位变化。

Description

依表面等离子体共振原理进行检测的检测装置

【技术领域】

本发明是有关于一种依表面等离子体共振原理进行检测的检测装置，特别是有关于一种影像相位式依表面等离子体共振原理进行检测的检测装置。

【背景技术】

在感测器界面上的生物分子与待测生物分子(例如：抗体与抗原)间发生交互作用时，会引致界面物理特性的改变，此现象可作为分析生物分子间交互作用(bio-molecular interactions)的感测方法。随着光电技术与微机电***的发展与整合，已发展出多种生物感测技术，例如共轭焦激光扫描萤光显微术(Confocal Laser Scanning Fluorescence Microscopy；CLSFM)、石英晶体微平衡技术(Quartz Crystal Micro-balance；QCM)，以及表面等离子体共振(SurfacePlasmon Resonance；SPR)等。其中以表面等离子体共振技术对界面变化的灵敏度最高。

自从B.Liedberg在1983年将SPR原理应用于气体成分检测后，以SPR为基础的分析仪，已成功且广泛地应用在各类研究领域。例如，将表面等离子体共振技术与生物芯片结合作生医检测的应用；它无须事先用萤光分子染色标记(labeling)，且具有快速检测与高灵敏度的优点，在某些应用上可取代萤光标记法。

依工作原理来分类，SPR技术通常可分为下列几类：(一)角度调变侦测共振角；(二)光波长调变侦测共振波长；(三)强度检测；以及(四)相位感测等。就折射率的量测而言，根据文献记载，角度调变或光波长调变对折射率的解析度约为10-5 RIU(Refractive Index Unit)；而相位感测为最高，可达到10-7RIU。虽然角度调变或光波长调变方式较为简单，也是目前大多SPR仪器采用的技术，但在待测样本浓度越来越小与使用者普遍要求更高解析度的情况下，高解析相位检测方式已成为当前的技术发展趋势。另一方面，快速检测筛选也是生物分子感测的未来趋势，而全场的影像分析(full-fieldimaging analysis)亦是发展的重点的一。

根据美国专利申请案第2003/0219809号由陈显祯(Chen，Shean-Jen)等人提出以PZT移相法解出SPR现象的相位差，其***架构如图1的表面依表面等离子体共振原理进行检测的检测装置10。激光光源11发出的光束经偏振片12及光束扩大器13分成两道光后入射一棱镜14并于与棱镜14相邻的金属薄膜15表面产生反射。二反射光经分光镜16、17及透镜21后至光二极管18。另外，反射光经分光镜16分出另二道光至PZT驱动元件19，并经1/2波片23、分光镜20及透镜21后由一电荷耦合元件(Charge CoupledDevice；CCD)22接收。之后，根据CCD元件22所接收的光讯号以数学运算方法解出待测物所引入的相位差。此方法的缺点是目前PZT驱动元件的价格偏高，且需要高压电源，因此将增加仪器成本。

美国专利US 7,027,676采用外差的方式产生出不同的波长变动，当光入射至侦测器(detector)后，再解出SPR的相位。其光源产生的方式因需要不同波长的变动，故其光源的相对成本较高。

美国专利US 5,229,833揭示另一表面等离子体共振仪，其是移动镜组位置产生相位改变。He-Ne激光经过偏振片后，产生相同的TE及TM波，再通过聚焦镜聚焦到SPR感测器，此时感测器架设于旋转平台上，从感测器反射的光通过检偏板(analyzer)后，由CCD撷取讯号，再解出相位。此专利于讯号撷取时需作补偿，以达到撷取偏振光的效果。

更详细来说，现有等离子体共振检测装置的SPR相位检测技术多半以外差光源配合锁相放大器(lock-in amplifier)解出相位，或是以压电制动器(piezoelectric actuator)配合五步移相法解出相位。以上两者，制作方法繁复且仪器建置成本较高。另外以五步移相法来说，需要撷取五个画面方能计算出一组有意义的数据，取样时间较长。

故，有必要提供一种依表面等离子体共振原理进行检测的检测装置，以解决现有技术所存在的问题。

【发明内容】

本发明的主要目的在于提供一种依表面等离子体共振原理进行检测的检测装置，其利用SPR的全场影像式的相位检测技术，以进行例如生物分子反应的量测。本发明无须PZT驱动元件的设置、不需多波长光源，且不需作校正与补偿即可解出相位，故可简化装置且降低成本。

本发明的次要目的在于提供一种依表面等离子体共振原理进行检测的检测装置，其包含一光源、一光耦合单元、一解相位模组及一资料处理单元。所述光源提供一光束，且所述光束入射所述光耦合单元的一金属薄膜表面而激发产生表面等离子体共振。所述解相位模组是用以将所述光束于所述金属薄膜表面的反射光分成一第一道光、一第二道光、一第三道光及一第四道光，且同时侦测各道光的光强度，其中所述第一、第二道光之间的相位差为90度，第三及第四道光的相位差为90度。所述资料处理单元是根据所述第一道光、第二道光、第三道光及第四道光的所述光强度计算所述金属薄膜表面发生的表面等离子体共振的相位变化。

若归纳为检测方法，上述表面等离子体共振检测可包含(1)提供一光束入射至产生表面等离子体共振的金属薄膜表面；(2)将所述光束于所述金属薄膜表面的反射光分为四道光，且所述四道光的相位分为两组，每组内两两相差90度；(3)同时侦测所述四道光的光强度；以及(4)利用所述光强度计算所述金属薄膜表面发生的表面等离子体共振的相位变化。

更详细来说，本发明的表面等离子体共振检测是取出四个相位的光强度讯号，再以原理上类似五步移相法的数值方法计算出待测的相位。此方法的优点是仅采用光学元件即可达到解析相位的目的，不需额外的光源或驱动机制，可减少物料成本，并降低制作与后续维护的难度；另外有别于五步移相法需进行五次撷取方可获得讯号，本发明一次撷取所需的影像画面，采样时间可缩短。另，与前案相较的下，本发明不需作校正与补偿即可解出相位，因此本发明较为简单精确。

【附图说明】

图1显示现有的一表面依表面等离子体共振原理进行检测的检测装置；

图2显示不同折射率的相位与入射角的关是；

图3例示本发明的表面依表面等离子体共振原理进行检测的检测装置；

图4显示本发明的解相位变化的方式；

图5例示本发明一实施例的待测物的折射率关是图；

图6(a)～6(d)例示本发明的表面依表面等离子体共振原理进行检测的检测装置一实施例的接收光强度；

图7例示本发明的表面依表面等离子体共振原理进行检测的检测装置的相位关是图；以及

图8例示本发明的表面等离子体共振检测流程。

【具体实施方式】

为让本发明上述目的、特征及优点更明显易懂，下文特举本发明较佳实施例，并配合附图，作详细说明如下：

以下将依本发明的基本原理、相位解析技术的***架构、理论分析及折射率分布模拟等分段加以说明。

基本原理

表面等离子体共振发生于介电质与金属膜之间，是由于入射光源的光子水平偏振分量(P偏振光)激发金属层的自由电子产生纵向共振运动，此运动沿着介质表面传递，称为表面等离子体波(Surface Plasmon Wave；SPW)。根据表面等离子体共振理论，当P偏振光波向量k0的水平分量kx等于SPW的波向量ksp时，即产生表面等离子体共振，如下式(1)：

$k_x=k_0{\mathrm{\ϵ}}_g\left(\mathrm{\λ}\right)\sin \left(\mathrm{\θ}\right)=k_0\sqrt{\frac{{\mathrm{\ϵ}}_m\left(\mathrm{\λ}\right)\·n^2}{{\mathrm{\ϵ}}_m\left(\mathrm{\λ}\right)+n^2}}=k_{\mathrm{sp}}...\left(1\right)$

其中θ为入射角，λ为入射光波长，εg(λ)为耦合棱镜的介电系数，εm(λ)为金属膜的介电系数，k0为真空中的波向量，n为待测物的折射率。

使用Kretschmann的棱镜耦合方式激发SPR，根据Fresnel方程式与多重反射(multi-reflection)理论可得到P偏振光反射系数rp及S偏振光反射系数rs。

$r_p=\frac{{r_{12}}^p+{r_{23}}^p\exp \left(2i{k}_{z2}{d}_2\right)}{1+{r_{12}}^p{r_{23}}^p\exp \left({2\mathrm{ik}}_{z2}{d}_2\right)}={\left|r_p\right|e}^{\mathrm{i\φp}}...\left(2\right)$

$r_s=\frac{{r_{12}}^s+{r_{23}}^s\exp \left(2i{k}_{z2}{d}_2\right)}{1+{r_{12}}^s{r_{23}}^s\exp \left({2\mathrm{ik}}_{z2}{d}_2\right)}={\left|r_s\right|e}^{\mathrm{i\φs}}...\left(3\right)$

其中

K′_i，j＝[ε_i，j(k₀)¹-k₁ ²]^0.5，k₁＝k₀sin(θ)ε₁ ^0.5，i，j＝1，2，3

Φ_p、Φ_s各为P偏振光与S偏振光的相位，相位差Φ为

Φ＝φ_p-φ_s...(4)

k_zi，j分别代表其相对应的z方向波向量，k1为式(1)的kx，rijq是第i层与第j层的Fresnel反射系数，上标代表P偏振光或是S偏振光，i或j是任意的1(棱镜ε1)、2(金属膜ε2)、3(待测层ε3)。由于ε3＝n2，故可以反应出待测样本层的折射率变化，而推得生物分子键结的反应情况。

以(2)、(3)、(4)式代入程式模拟，其相关参数如下：入射光波长785nm，角度范围60～70度；金属膜厚度50nm；介电常数：ε1＝2.27，ε2＝-23.45+1.242i，n＝1.3，n′＝1.31。而其相位变化与入射角度的关是表示如图2所示。

可以发现当入射角固定在63.2度，待测物的折射率n＝1.3所对应的相位值约为-115度，若折射率变为n′＝1.31时，其对应的相位值约为+41度，相位变化ΔΦ约为156度。若解相位技术的解析度ΔR＝0.01。由下式(5)可得***灵敏度。

$\mathrm{\ΔS}=\frac{\∂n}{\∂\mathrm{\Φ}}\mathrm{\ΔR}=6\×{10}^{-7}\mathrm{RIU}...\left(5\right)$

相位解析技术

(a)***架构

参照图3，其显示本发明的表面依表面等离子体共振原理进行检测的检测装置30的架构，其包含一光源31、一偏振片32、一光学镜33(例如棱镜或半圆柱镜)、一解相位单元50及一资讯处理单元51。所述解相位单元50包含分光镜38、39和40、反射镜36和37、1/4波片41和42、检偏板43和44及光侦检器D1、D2、D3和D4。本实施例中，所述光侦检器D1、D2、D3和D4是使用CCD感测元件。所述资料处理单元51是电脑或微处理器。

本实施例的光源31是使用波长785nm的二极管激光(其他如宽频白光光源亦可加以使用)，其产生的光束进入偏振片32调整P偏光与S偏光的分量，之后入射于光学镜33，并于与光学镜33邻接的金属薄膜34表面上发生反射，而入射角度是由旋转机构35控制。待测物如一生物芯片是设置于所述金属薄膜34相对于所述光学镜33的另一表面。

所述光学镜33的出射光通过分光镜38分为两光线，其中一光线通过另一个分光镜40再分为两光线，其中一光线直接通过偏振角为45度的检偏板43，之后投射至光侦检器D1，另一光线经所述反射镜36改变行进方向后，依序经过所述1/4波片41及所述检偏板43，最后由光侦检器D3接收。

分光镜38分出的另一光线通过另一个分光镜39再分为两道光，其中一光线直接通过偏振角为-45度的检偏板44，另一光线经所述反射镜37反射后，依序经过所述1/4波片42及所述检偏板44，最后再分别由光侦检器D2和D4接收。

(b)Jones Matrix理论分析

以Jones Matrix分析光侦检器D1、D2、D3及D4所接收到的光强度。先考虑光出射于光学镜33的反射电场振幅E_SPR：

$E_{\mathrm{SPR}}=r_{\mathrm{SPR}}\·E_{\mathrm{in}}=\left(\begin{array}{cc}\left|r_p\right|e^{i{\mathrm{\φ}}_p}& 0\\ 0& \left|r_s\right|e^{i{\mathrm{\φ}}_s}\end{array}\right)\left(\begin{array}{c}\cos \mathrm{\α}\\ \sin \mathrm{\α}\end{array}\right)=\left(\begin{array}{c}\cos \mathrm{\α}\left|r_p\right|e^{i{\mathrm{\φ}}_p}\\ \sin \mathrm{\α}\left|r_s\right|e^{i{\mathrm{\φ}}_s}\end{array}\right)...\left(6\right)$

其中rSPR代表入射光通过SPR***造成的反射系数，Ein为入射光电场振幅。因为在SPR发生情况下，P偏振反射光过小使得对比度偏低。所以可以调整偏振片32的偏振角来调整入射光的P偏振光与S偏振光分量，使其一致，则能提高对比度。

令cos α|rp|＝a、sin α|rs|＝b，可将式(6)改写为式(7)：

$E_{\mathrm{SPR}}=\left(\begin{array}{c}a{e}^{i{\mathrm{\φ}}_p}\\ b{e}^{i{\mathrm{\φ}}_s}\end{array}\right)...\left(7\right)$

考虑四个光侦检器D1、D2、D3及D4分别接收到的光强度：

E1为通过偏振角为45度的检偏板43后由光侦检器D1接收的反射光电场振幅：

$E_1=A1\·E_{\mathrm{SPR}}=\left(\begin{array}{cc}1& 1\\ 1& 1\end{array}\right)\left(\begin{array}{c}a{e}^{i{\mathrm{\φ}}_p}\\ b{e}^{i{\mathrm{\φ}}_s}\end{array}\right)=(a{e}^{i{\mathrm{\φ}}_p}+b{e}^{i{\mathrm{\φ}}_s})\left(\begin{array}{c}1\\ 1\end{array}\right)...\left(8\right)$

光强度I1为

I₁＝|E₁|²＝a²+b²+2abcos(φ_p-φ_s)...(9)

E2为通过偏振角为-45度的检偏板44后光侦检器D2接收的反射光电场振幅：

$E_2=A2\·E_{\mathrm{SPR}}=\left(\begin{array}{cc}1& -1\\ -1& 1\end{array}\right)\left(\begin{array}{c}a{e}^{i{\mathrm{\φ}}_p}\\ b{e}^{i{\mathrm{\φ}}_s}\end{array}\right)=(a{e}^{i{\mathrm{\φ}}_p}-b{e}^{i{\mathrm{\φ}}_s})\left(\begin{array}{c}1\\ 1\end{array}\right)...\left(10\right)$

光强度I2为

I₂＝|E₂|²＝a²+b²-2abcos(φ_p-φ_s)...(11)

E3为先通过一快轴设为90度的1/4波片41后，再通过偏振角为45度的检偏板43后由光侦检器D3接收的反射光电场振幅：

$E_3=A3\·Q\·E_{\mathrm{SPR}}=\left(\begin{array}{cc}1& 1\\ 1& 1\end{array}\right)\left(\begin{array}{cc}1& 0\\ 0& i\end{array}\right)\left(\begin{array}{c}a{e}^{i{\mathrm{\φ}}_p}\\ b{e}^{i{\mathrm{\φ}}_s}\end{array}\right)=(a{e}^{i{\mathrm{\φ}}_p}+{\mathrm{bie}}^{i{\mathrm{\φ}}_s})\left(\begin{array}{c}1\\ 1\end{array}\right)...\left(12\right)$

光强度I3为

I₃＝|E₃|²＝a²+b²+2absin(φ_p-φ_s)...(13)

E4为先通过一快轴设为90度的1/4波片42后，再通过偏振角为-45度的检偏板44后由光侦检器D4接收的反射光电场振幅：

$E_4=A4\·Q\·E_{\mathrm{SPR}}=\left(\begin{array}{cc}1& -1\\ -1& 1\end{array}\right)\left(\begin{array}{cc}1& 0\\ 0& i\end{array}\right)\left(\begin{array}{c}a{e}^{i{\mathrm{\φ}}_p}\\ b{e}^{i{\mathrm{\φ}}_s}\end{array}\right)=(a{e}^{i{\mathrm{\φ}}_p}-{\mathrm{bie}}^{i{\mathrm{\φ}}_s})\left(\begin{array}{c}1\\ 1\end{array}\right)...\left(14\right)$

光强度I4为

I₄＝|E₄|²＝a²+b²-2absin(φ_p-φ_s)...(15)

通过(9)、(11)式相减得到IX

I_X＝I₁-I₂＝4abcos(φ_p-φ_s)...(16)

通过(13)、(15)式相减得到IY

I_Y＝I₃-I₄＝4absin(φ_p-φ_s)...(17)

此步骤可将环境的影响消去，使得相位项单独分离出来，表示如下

$\frac{I_Y}{I_X}=\frac{4\mathrm{ab}\sin ({\mathrm{\φ}}_p-{\mathrm{\φ}}_s)}{4\mathrm{ab}\cos ({\mathrm{\φ}}_p-{\mathrm{\φ}}_s)}=\frac{\sin ({\mathrm{\φ}}_p-{\mathrm{\φ}}_s)}{\cos ({\mathrm{\φ}}_p-{\mathrm{\φ}}_s)}=\tan ({\mathrm{\φ}}_p-{\mathrm{\φ}}_s)...\left(18\right)$

所以可以得到P偏振光与S偏振光的相位差Φ表示如下

$\mathrm{\Φ}={\mathrm{\φ}}_p-{\mathrm{\φ}}_s={\tan }^{-1}\left(\frac{I_3-I_4}{I_1-I_2}\right)...\left(19\right)$

上述解相位变化的步骤如图4所示。

(c)全场折射率分布模拟

若待测物为折射率随着空间而成高斯曲线的分布(折射率变化范围：1.30～1.31)，如图5所示。假设图一架构中的模拟参数为：入射光波长λ＝785nm，入射角度θ＝63.2度；金膜厚度d2＝50nm；介电常数：ε1＝2.27，ε2＝-23.45+1.242i。由(1)～(4)式与(9)、(11)、(13)、(15)计算，可得到4个光侦检器取得的四个光强度讯号分布图，如图6(a)、6(b)、6(c)及6(d)所示。再通过方程式(16)～(19)可画出如图7的相位差分布。由此模拟的流程，可以验证出本发明的可行性。而观察图5与图7可以发现，若折射率差为0.01RIU，可以对应出156度的相位变化，显现出相位式SPR***的高灵敏度。相反地，复参图4，相位变化可对应至折射率n的变化，进而推估待检测物例如生物分子键结的情况。

综上，本发明的表面等离子体共振检测方法可归如图8。首先提供一光束入射至产生表面等离子体共振的金属薄膜表面，且将所述光束于所述金属薄膜表面的反射光分为四道光，其中所述四道光的相位分为两组，每组内两两相差90度。之后，侦测所述四道光的光强度，并利用所述光强度计算所述金属薄膜表面发生的表面等离子体共振的相位变化。所述相位变化可对应至金属薄膜表面的折射率变化，即对应于待测物在金属薄膜表面反应的情形。

本发明无须PZT驱动元件的设置、不需多波长光源，且不需作校正与补偿即可解出相位，故可简化装置且降低成本。本发明的表面依表面等离子体共振原理进行检测的检测装置是以软体整合呈现量测结果，可应用于提供使用者即时的生物分子反应变化资讯。

本发明已由上述相关实施例加以描述，然而上述实施例仅为实施本发明的范例。必需指出的是，已公开的实施例并未限制本发明的范围。相反地，包含于权利要求书的精神及范围的修改及均等设置均包括于本发明的范围内。

Claims (10)

1.一种依表面等离子体共振原理进行检测的检测装置，其特征在于：所述依表面等离子体共振原理进行检测的检测装置包含：

一光源，提供一光束；

一光耦合单元，包含一金属薄膜表面，供所述光束入射激发产生表面等离子体共振；

一解相位模组，用以将所述光束于所述金属薄膜表面的反射光分成一第一道光、一第二道光、一第三道光及一第四道光，且侦测各道光的光强度，其中所述第一、第二道光的相位差为90度，第三及第四道光的相位差为90度；以及

一资料处理单元，根据所述第一道光、第二道光、第三道光及第四道光的所述光强度计算所述金属薄膜表面发生的表面等离子体共振的相位变化。

2.如权利要求1所述的依表面等离子体共振原理进行检测的检测装置，其特征在于：另包含一偏振片于所述光源及所述光耦合单元之间，用以调整所述光束的P偏振光及S偏振光的分量而提高对比度。

3.如权利要求1所述的依表面等离子体共振原理进行检测的检测装置，其特征在于：所述光耦合单元另包含一光学镜，以光学镜耦合方式产生表面等离子体共振效应。

4.如权利要求3所述的依表面等离子体共振原理进行检测的检测装置，其特征在于：所述光学镜是棱镜或半圆柱镜。

5.如权利要求1所述的依表面等离子体共振原理进行检测的检测装置，其特征在于：所述解相位模组包含：

复数个分光镜，用以将所述光束分成第一光线、第二光线、第三光线及第四光线；

一第一检偏板，其偏振角为45度；一第二检偏板，其偏振角为-45度；

及

至少一1/4波片，设置于所述复数个分光镜及所述第一及第二检偏板之间；

其中所述第一光线通过所述第一检偏板形成所述第一道光，所述第二光线通过所述第二检偏板形成第二道光，所述第三光线通过所述1/4波片及所述第一检偏板形成所述第三道光，所述第四光线通过所述1/4波片及所述第二检偏板形成所述第四道光。

6.如权利要求5所述的依表面等离子体共振原理进行检测的检测装置，其特征在于：所述1/4波片的快轴为90度。

7.如权利要求5所述的依表面等离子体共振原理进行检测的检测装置，其特征在于：所述解相位模组另包含至少一反射镜，用于改变所述第一光线、第二光线、第三光线或第四光线中至少一者的行进方向。

8.如权利要求5所述的依表面等离子体共振原理进行检测的检测装置，其特征在于：所述解相位单元另包含四个光侦检器，用以同时侦测所述第一道光、第二道光、第三道光及第四道光的光强度。

9.如权利要求1所述的依表面等离子体共振原理进行检测的检测装置，其特征在于：另包含一旋转机构，用以调整使得所述光束于所述金属薄膜表面产生反射。

10.如权利要求1所述的依表面等离子体共振原理进行检测的检测装置，其特征在于：所述光源可为激光或宽频白光光源。

Images