CZ20004320A3 - Multichannel detection method for optical sensors with surface plasmons and sensor element for making the same - Google Patents

Abstract

The proposed multichannel detection method in sensors with surface plasmons and spectral evaluation is characterized in that the surface plasmons (6) are gradually excited by the action of electromagnetic radiation (1) in different spatial regions of at least one sensor element (12), whereby in these regions the surface plasmons (6) are excited by different regions of electromagnetic radiation (1) spectrum wave lengths. The invented multichannel detection method in sensors with surface plasmons and spectral evaluation can be carried out also parallel in at least two regions of the sensor element (12) in the direction perpendicular to propagation of the electromagnetic radiation (1) and by making use of different beams or beam portions of the electromagnetic radiation (1). At least two sources emitting monochromatic electromagnetic radiation or a white light source can be a source of the electromagnetic radiation (1). The emitted electromagnetic radiation (1) is detected by a spectrograph or by at least two detectors with different spectral efficiencies. The sensor element (12) of a multichannel sensor with surface plasmons for making the method according to the present invention has the form of a plate (13) with non-parallel opposite walls, with at least one wall covered by a metal layer (3) for gradual excitation of the surface plasmons (6) or a plate (14) with parallel or non-parallel opposite walls with at least one wall covered with a metal layer (3), whereby said metal layer (3) is covered in at least one region with at least one cover layer (11). Said sensor element (12) can be for example constructed as an integrated optical waveguide (15), the surface of which is covered on at least one section with the metal layer (3), whereby said metal layer (3) is in at least one region covered with at least one cover layer (11) or it can be in the form of an optical fiber (16), the surface of which is covered on at least one section with the metal layer (3), whereby said metal layer (3) is in at least one region covered with at least one cover layer (11).

Description

Vynález se týká způsobu vícekanálové detekce v optických senzorech s povrchovými plasmony a senzorového elementu k provádění tohoto způsobu.The present invention relates to a method of multichannel detection in optical sensors with surface plasmons and to a sensor element for carrying out the method.

Dosavadní stav technikyBACKGROUND OF THE INVENTION

Senzory patří mezi moderní prostředky pro měření fyzikálních, chemických a biologických veličin. Moderní senzory využívají rozličných metod - elektrických, optických, mechanických apod. Jednou z optických metod užívaných v senzorech je metoda optické excitace povrchových plasmonů.Sensors are among the modern means for measuring physical, chemical and biological quantities. Modern sensors use various methods - electrical, optical, mechanical, etc. One of the optical methods used in sensors is the method of optical excitation of surface plasmon.

Povrchové plasmony jsou elektromagnetické vlny, které lze za určitých okolností vybudit například na »Surface plasmons are electromagnetic waves that can be excited under certain circumstances, for example »

rozhraní mezi kovem a dielektrikem (H. Raether: Surface plasmons on smooth and rough surfaces and on gratings, Springer - Verlag, Berlin, 1988). Protože elektromagnetické pole povrchového plasmonů je soustředěno při rozhraní v dielektríckém prostředí, jsou povrchové plasmony velmi citlivé ke změnám optických parametrů dielektrického prostředí, V optických senzorech jsou povrchové plasmony buzeny elektromagnetickým zářením ve viditelné a infračervené oblasti spektra. Podmínka rezonanční vazby mezi elektromagnetickým zářením a povrchovými plasmony přitom závisí na indexu lomu dielektrika. Proto lze změny indexu lomu dielektrika určit pomocí monitorování parametrů interakce mezi optickou vlnou a povrchovými plasmony. Senzory s povrchovými plasmony mohou sloužit jako citlivé refraktometry. Senzory s povrchovými plasmony lze rovněž využít pro detekci chemických a biologických látek. Pro tento účel se senzory s povrchovými plasmony kombinují s vhodnými materiály, které interagují specificky s vybranou látkou (například protilátky, enzymy, DNA, atd.). Interakce mezi specifickou látkou upevněnou na povrchu senzoru a detekovanou látkou ve vzorku vede k lokálnímu zvýšení indexu lomu v blízkosti povrchu senzoru, které je detekováno pomocí opticky excitovaných povrchových plasmonů.metal-dielectric interface (H. Raether: Surface plasmons on smooth and rough surfaces and on gratings, Springer-Verlag, Berlin, 1988). Because the electromagnetic field of surface plasmon is concentrated at the interface in the dielectric environment, surface plasmons are very sensitive to changes in the optical parameters of the dielectric environment. In optical sensors, surface plasmons are excited by electromagnetic radiation in the visible and infrared region of the spectrum. The condition of the resonant coupling between electromagnetic radiation and surface plasmons depends on the refractive index of the dielectric. Therefore, changes in the refractive index of the dielectric can be determined by monitoring the interaction parameters between the optical wave and surface plasmons. Surface plasmon sensors can serve as sensitive refractometers. Surface plasmon sensors can also be used to detect chemical and biological agents. For this purpose, surface plasmon sensors are combined with suitable materials that interact specifically with the substance of choice (e.g., antibodies, enzymes, DNA, etc.). The interaction between the specific substance attached to the sensor surface and the detected substance in the sample leads to a local increase in the refractive index near the sensor surface, which is detected by optically excited surface plasmon.

V současnosti existuje řada konfigurací, ve kterých je optická excitace povrchových plasmonů realizována. Tyto metody využívají hranolových (Sensors and Actuators, 4 (1983) 299 - 304; Electronics Letters, 23 (1988) 1469 - 1470) a mřížkových (Sensors and Actuators B, 8 (1992) 155 160) vazebních elementů či vláknových (Sensors and Actuators B, 12 (1993) 213 - 220; Analytical Chemistry, 66 (1994) 963 - 970) a integrovaně-optických vlnovodných struktur (Sensors and Actuators B, 22 (1994) 75 - 81). Největšího rozšíření dosáhly optické senzory s povrchovými plasmony využívající Kretschmannovu geometrii metody tlumeného totálního odrazu (H. Raether:Currently, there are a number of configurations in which the optical excitation of surface plasmon is realized. These methods use prismatic (Sensors and Actuators, 4 (1983) 299 - 304; Electronics Letters, 23 (1988) 1469 - 1470) and lattice (Sensors and Actuators B, 8 (1992) 155 160) or fiber (Sensors and Actuators B, 12 (1993) 213-220; Analytical Chemistry, 66 (1994) 963- 970) and integrated-optical waveguide structures (Sensors and Actuators B, 22 (1994) 75-81). Optical sensors with surface plasmons using Kretschmann geometry of the damped total reflection method (H. Raether:

-2• · · «*«· ·· ·« · • ♦ · * · ·· ·♦ v v v « · · • · ♦ *-2 · v v v v v v v v v v v v

Surface plasmons on smooth and rough surfaces and on gratings, Springer - Verlag, Berlin, 1988). V této konfiguraci prochází elektromagnetické záření optickým vazebním hranolem s tenkou kovovou vrstvou. Při úplném odrazu záření na rozhraní hranol - kovová vrstva dochází k excitací povrchového plasmonu na vnější hranici kovové vrstvy, která je provázena absorbcí energie elektromagnetického záření. Rezonanční podmínka, při které dochází k maximální absorbci dopadajícího záření, závisí na vlastnostech použitého hranolu a kovové vrstvy, vlnové délce, úhlu dopadu a především na indexu lomu prostředí přilehlého k vnější hranici kovové vrstvy. Změny indexu lomu přilehlého prostředí (vzorku) lze určit měřením rezonanční vlnové délky při pevném úhlu dopadu (Electronics Letters, 23 (1988) 1469 - 1470), rezonančního úhlu dopadu při pevné vlnové délce (Applied Optícs, 27 (1988) 1160- 1163), intenzity (Sensors and Actuators B, 11 (1993) 455 - 459) a fáze (Sensors and Actuators B, 35-36 (1996) 187 - 191) při pevném úhlu dopadu a vlnové délce.Surface plasmons on smooth and rough surfaces and on gratings, Springer-Verlag, Berlin, 1988). In this configuration, electromagnetic radiation passes through an optical prism with a thin metal layer. When the radiation is fully reflected at the prism - metal layer, the surface plasmon is excited at the outer boundary of the metal layer, which is accompanied by energy absorption of electromagnetic radiation. The resonance condition in which the maximum incident radiation is absorbed depends on the properties of the prism and the metal layer used, the wavelength, the angle of incidence and, in particular, the refractive index of the environment adjacent to the outer boundary of the metal layer. Changes in the refractive index of an adjacent environment (sample) can be determined by measuring the resonant wavelength at a fixed incidence angle (Electronics Letters, 23 (1988) 1469 - 1470), the resonant angle of incidence at a fixed wavelength (Applied Optics, 27 (1988) 1160-1163) , intensity (Sensors and Actuators B, 11 (1993) 455-459) and phase (Sensors and Actuators B, 35-36 (1996) 187-191) at a fixed incident angle and wavelength.

Vícekanálové senzorové systémy jsou žádoucí pro současnou detekci více veličin a pro potlačení vlivu rušivých efektů (např. změny indexu lomu vzorku v důsledku teplotních změn) pro přesnější a spolehlivější měření. V současnosti existuje několik způsobů vícekanálové detekce pomocí opticky excitovaných povrchových plasmonů (Sensors and Actuators B, 5 (1991) 79 - 84; Sensors and Actuators B, 51 (1998) 38-45; United States patent # 5,822,073; Sensors and Actuators B, 37 (1996) 145 -150; Electronics Letters, 35 (1999) 1105-1106; Analytical Chemistry, 70 (1998) 703 - 706). Vícekanálové senzory s povrchovými plasmony mohou být například realizovány jako struktury s paralelními senzorovými oblastmi (kanály), ve kterých jsou použity oddělené svazky či různé oblasti svazků elektromagnetického záření (Sensors and Actuators B, 5 (1991) 79 - 84; Sensors and Actuators B, 51 (1998) 38 - 45) a excitace povrchových plasmonů je vyvolána pomocí jediného vazebního elementu. Elektromagnetické záření excituje povrchové plasmony současně ve všech senzorových oblastech a odezvy jednotlivých senzorových oblastí jsou sledovány pomocí individuálních detektorů Či oblastí detektorového pole (Sensors and Actuators B, 5 (1991) 79 - 84) či přepínáním signálů od jednotlivých senzorových oblastí na jediný detektor či oblast detektorového pole (Sensors and Actuators B, 51 (1998) 38 - 45). Tato uspořádání se vyznačují vysokou komplexností optického systému a vysokou cenou. Zjednodušení optického systému senzoru lze dosáhnout tak, že elektromagnetické záření excituje povrchové plasmony současně v několika senzorových oblastech se vzájemně odlišnými konstantami šíření povrchových plasmonů. V takovém případě obsahuje spektrum odraženého svazku elektromagnetického záření sérii absorpčních pásů odpovídajících excitaci povrchových plasmonů v různých oblastech povrchu senzoru (Electronics Letters, 35 (1999) 1105-1106). Měřením spektra vystupujícího elektromagnetického záření lze potom určit vývoj poloh jednotlivých absorbčních pásů a tím i odezvy všech senzorových oblastí současně. Nevýhodou tohoto uspořádání jsou vysoké nároky na kvalitu hranic jednotlivých oblastí povrchuMulti-channel sensor systems are desirable for simultaneous detection of multiple variables and for suppressing the effects of interfering effects (eg, changes in the refractive index of a sample due to temperature changes) for more accurate and reliable measurements. There are currently several methods of multi-channel detection using optically excited surface plasmon (Sensors and Actuators B, 5 (1991) 79-84; Sensors and Actuators B, 51 (1998) 38-45; United States Patent # 5,822,073; Sensors and Actuators B, 37 (1996) 145-150; Electronics Letters, 35 (1999) 1105-1106; Analytical Chemistry, 70 (1998) 703-706). For example, multichannel sensors with surface plasmons can be implemented as structures with parallel sensor areas (channels) in which separate beams or different beam regions are used (Sensors and Actuators B, 5 (1991) 79-84; Sensors and Actuators B, 51 (1998) 38-45) and surface plasmon excitation is induced by a single binding element. Electromagnetic radiation excites surface plasmons simultaneously in all sensor areas, and the responses of individual sensor areas are monitored using individual detectors or detector array areas (Sensors and Actuators B, 5 (1991) 79-84) or by switching signals from individual sensor areas to a single detector or area detector array (Sensors and Actuators B, 51 (1998) 38-45). These arrangements are characterized by high complexity of the optical system and high cost. Simplification of the optical system of the sensor can be achieved by electromagnetic radiation exciting surface plasmons simultaneously in several sensor regions with mutually different surface plasmon spread constants. In this case, the spectrum of the reflected beam of electromagnetic radiation comprises a series of absorption bands corresponding to excitation of surface plasmon in different areas of the sensor surface (Electronics Letters, 35 (1999) 1105-1106). By measuring the spectrum of the emitting electromagnetic radiation, it is then possible to determine the development of the positions of the individual absorption bands and thus the response of all sensor areas simultaneously. The disadvantage of this arrangement is the high demands on the quality of the boundaries of the individual surface areas

-39 9« •9*9 ·· •9» ···-38 9 «• 9 * 9 ·· • 9» ···

9»9 »

9 * · 9 • · 9 *9 senzoru a kontrast absorbčních pásů klesající s počtem z oblastí s odlišnými konstantami šíření povrchových plasmonů. Další metoda vícekanálové detekce využívá speciálního senzorového elementu s mnohonásobným odrazem elektromagnetického záření uvnitř elementu (United States patent # 5,822,073). Do tohoto senzorového elementu je zavedeno širokopásmové elektromagnetické záření, které dopadá na stěny elementu v široké oblasti úhlů. Záření dopadající na stěny elementu pod různými úhly dopadu je po průchodu senzorovým elementem rozděleno podle úhlu dopadu do několika svazků. Provedením spektrální analýzy každého z nich lze dosáhnout vícekanálové detekce (United States patent # 5,822,073). Další metoda vícekanálové detekce v senzorech s povrchovými plasmony (Analytical Chemistry, 70 (1998) 703 - 706) využívá hranolového vazebního elementu a uspořádání senzorových oblastí do matice, přičemž povrchové plasmony jsou excitovány kolimovaným svazkem monochromatického záření, který je po průchodu vazebním členem detekován polem fbtodetektorů. Z prostorového rozložení intenzity elektromagnetického záření se určují změny intenzity způsobené excitací povrchových plasmonů v jednotlivých senzorových oblastech. Nevýhodou tohoto způsobuje intenzitní povaha detekce, která se ve srovnání se senzorovými systémy založenými na určování rezonační vlnové délky a rezonančního úhlu dopadu elektromagnetického záření vyznačuje nižším poměrem mezi signálem a šumem, což nepříznivě ovlivňuje rozlišení senzoru.9 * · 9 • · 9 * 9 sensor contrast and absorption band contrast decreasing with the number of regions with different surface plasmon spread constants. Another method of multi-channel detection utilizes a special sensor element with multiple reflection of electromagnetic radiation inside the element (United States Patent # 5,822,073). Broadband electromagnetic radiation is imbedded in this sensor element and impinges on the walls of the element over a wide range of angles. The radiation incident on the element walls at different incidence angles is divided into several beams after passing through the sensor element according to the incidence angle. Multichannel detection can be achieved by performing spectral analysis of each (United States Patent # 5,822,073). Another method of multichannel detection in surface plasmon sensors (Analytical Chemistry, 70 (1998) 703-706) utilizes a prismatic coupling element and arranges the sensor regions into a matrix, with the surface plasmons excited by a collimated beam of monochromatic radiation which is detected by the field fbtodetektorů. The spatial distribution of electromagnetic radiation intensity determines the intensity changes caused by excitation of surface plasmon in individual sensor areas. The disadvantage of this method is the intensity of the detection, which, in comparison with sensor systems based on the determination of the resonance wavelength and the resonance angle of incidence of electromagnetic radiation, is characterized by a lower signal-to-noise ratio, which adversely affects the resolution of the sensor.

Podstata vynálezuSUMMARY OF THE INVENTION

Předmětem vynálezu je způsob vícekanálové detekce v senzorech s povrchovými plasmony a spektrálním vyhodnocováním, jehož podstata spočívá v tom, že se povrchové plasmony postupně excitují elektromagnetickým zářením v různých prostorových oblastech alespoň jednoho senzorového elementu,(sériové uspořádání senzorových oblastí) přičemž v těchto oblastech se povrchové plasmony excitují odlišnými oblastmi vlnových délek spektra elektromagnetického záření.The object of the invention is a method of multichannel detection in sensors with surface plasmons and spectral evaluation, characterized in that the surface plasmons are successively excited by electromagnetic radiation in different spatial regions of at least one sensor element (series arrangement of sensor regions). plasmons excite different regions of the wavelength of the electromagnetic radiation spectrum.

Tato metoda vícekanálové detekce je tak principiálně odlišná od existujících metod vícekanálové detekce v senzorech s povrchovými plasmony, které využívají rozdílné svazky Či části svazku elektromagnetického záření pro excitaci povrchových plasmonů v různých senzorových oblastech (paralelní uspořádání senzorových oblastí).Thus, this multi-channel detection method is principally different from existing multi-channel detection methods in surface plasmon sensors that use different beams or portions of the electromagnetic radiation beam to excite surface plasmon in different sensor areas (parallel arrangement of sensor areas).

Elektromagnetické záření se při provádění způsobu podle vynálezu vyzařuje z alespoň dvou zdrojů emitujících monochromatické elektromagnetické záření nebo ze zdroje bílého světla.In carrying out the method of the invention, electromagnetic radiation is emitted from at least two sources emitting monochromatic electromagnetic radiation or from a white light source.

Na výstupu se záření detekuje spektrografem Či alespoň dvěma detektory s rozdílnými spektrálními účinnostmi.At the output, radiation is detected by a spectrograph or at least two detectors with different spectral efficiencies.

Postupné excitace povrchových plasmonů různými oblastmi vlnových délek spektra elektromagnetického záření v různých oblastech senzorového elementu lze dosáhnout speciálníGradual excitation of surface plasmon through different wavelengths of the electromagnetic radiation spectrum in different regions of the sensor element can be achieved by special

-44*4 4«* konstrukcí senzorového elementu. Excitace povrchových plasmonů je provázena absorbcí elektromagnetického záření na vlnových délkách charakteristických pro jednotlivé senzorové oblasti. Spektrum elektromagnetického záření vystupujícího ze senzorového elementu proto obsahuje různé absorbční pásy odpovídající excitacím povrchových plasmonů v jednotlivých senzorových oblastech. Měřením spektra vystupujícího elektromagnetického záření lze potom určit vývoj poloh jednotlivých absorbčních pásů a tím i odezvy všech senzorových oblastí současně. Zajištění rozdílných rezonančních podmínek v různých senzorových oblastech lze dosáhnout: a) změnou rezonanční podmínky pro excitaci povrchové vlny s pomocí vrstev na povrchu kovové vrstvy, b) změnou velikosti momentu elektromagnetického záření excitujícího povrchový plasmon ve směru šíření povrchového plasmonů, nebo kombinací těchto dvou metod.-44 * 4 4 «* sensor element construction. Excitation of surface plasmon is accompanied by absorption of electromagnetic radiation at wavelengths characteristic for individual sensor areas. The spectrum of electromagnetic radiation emitted from the sensor element therefore comprises various absorption bands corresponding to excitation of surface plasmon in the individual sensor regions. By measuring the spectrum of the emitting electromagnetic radiation, it is then possible to determine the development of the positions of the individual absorption bands and thus the response of all sensor areas simultaneously. Ensuring different resonance conditions in different sensor areas can be achieved by: a) changing the resonance condition for surface wave excitation with layers on the surface of the metal layer, b) changing the magnitude of the electromagnetic radiation exciting surface plasmon in the direction of surface plasmon propagation, or a combination of the two.

Metodu vícekanálové detekce v senzorech s povrchovými plasmony, používající pro dosažení rozdílných podmínek excitace povrchových plasmonů v jednotlivých oblastech senzorového elementu změn v úhlu dopadu elektromagnetického záření, lze realizovat dále popsaným způsobem. Elektromagnetické záření obvykle ve viditelné či infračervené oblasti spektra se šíří prostředím, jehož index lomu je vyšší než index lomu vzorku a dopadá na aktivní plochu s tenkou kovovou vrstvou v prvé senzorové oblasti pod úhlem dopadu a. Elektromagnetické záření se odráží na rozhraní senzorový element - kovová vrstva a excituje povrchový plasmon na rozhraní kovové vrstvy a vzorku. Excitace povrchového plasmonů je provázena absorbcí energie elektromagnetického záření v úzké oblasti spektra, jež je pro prvou senzorovou oblast charakteristická. Po odrazu a případných dalších odrazech od od jedné či více pomocných odrazných ploch dopadá záření na aktivní plochu s tenkou kovovou vrstvu v druhé senzorové oblasti pod jiným úhlem dopadu β, než v prvé senzorové oblasti. Protože rezonanční vlnová délka závisí na úhlu dopadu elektromagnetického záření, dochází v druhé senzorové oblasti k excitaci povrchového plasmonů jinou oblastí vlnových délek elektromagnetického záření, než v prvé senzorové oblasti. Záření vystupující ze senzorového elementu vykazuje proto dva absorbční pásy. Jejich spektrální vzdálenost lze ovlivňovat prostřednictvím rozdílu mezi úhly dopadu a a β.The method of multichannel detection in surface plasmon sensors using variations in the angle of incidence of electromagnetic radiation to achieve different surface plasmon excitation conditions in different regions of the sensor element can be realized as described below. Electromagnetic radiation usually propagates in the visible or infrared range of the spectrum through an environment whose refractive index is higher than the refractive index of the sample and impinges on the active metal-thin surface in the first sensor area at an incidence angle a. layer and excites surface plasmon at the interface of the metal layer and the sample. Excitation of surface plasmon is accompanied by absorption of energy of electromagnetic radiation in the narrow region of the spectrum, which is characteristic of the first sensor region. After reflection and possible further reflections from one or more auxiliary reflective surfaces, the radiation impinges on the active surface with a thin metal layer in the second sensor region at a different incident angle β than in the first sensor region. Since the resonant wavelength depends on the angle of incidence of the electromagnetic radiation, surface plasmon excitation occurs in the second sensor region with a different wavelength region of the electromagnetic radiation than in the first sensor region. The radiation emanating from the sensor element therefore has two absorption bands. Their spectral distance can be influenced by the difference between the angles of incidence a and β.

Metodu vícekanálové detekce v senzorech s povrchovými plasmony používající pro dosažení rozdílných podmínek excitace povrchových plasmonů v jednotlivých oblastech senzorového elementu vrstev na povrchu kovové vrstvy lze realizovat následujícím způsobem. Elektromagnetické záření obvykle ve viditelné či infračervené oblasti spektra se šíří prostředím, jehož index lomu je vyšší než index lomu vzorku a dopadá na aktivní plochu s tenkou kovovou vrstvou v prvé senzorové oblasti. Elektromagnetické záření se odráží na rozhraní senzorový element - kovová vrstva a excituje povrchový plasmon na rozhraní kovové vrstvy a vzorku. Excitace povrchového plasmonů je provázena absorbcí energie elektromagnetického záření v úzké oblasti spektra, jež je pro prvou ··«· * ····<· ·«· * * · · · «««* «· *· ··· ·· ·· senzorovou oblast charakteristická. Po odrazu a případných dalších odrazech od jedné či více pomocných odrazných ploch dopadá záření na aktivní plochu senzorového elementu v druhé senzorové oblasti, která kromě kovové vrstvy obsahuje také překryvovou vrstvu. Přítomnost překryvové vrstvy na povrchu kovu způsobuje, že excitace povrchového plasmonu v druhé senzorové oblasti nastává na jiné vlnové délce elektromagnetického záření než odpovídá excitací povrchového plasmonu v prvé senzorové oblasti. Spektrum vystupujícího záření proto vykazuje dva absorbční pásy. Spektrální vzdálenost pozorovaných absorbčních pásů odpovídajících jednotlivým senzorovým oblastem lze účinně ovlivňovat prostřednictvím tloušťky a indexu lomu překryvové vrstvy.The method of multichannel detection in surface plasmon sensors using surface plasmon excitation in different regions of the sensor element of the layers on the surface of the metal layer can be realized as follows to achieve different conditions. Electromagnetic radiation, usually in the visible or infrared region of the spectrum, propagates through an environment whose refractive index is higher than the refractive index of the sample and impinges on the active surface with a thin metal layer in the first sensor region. Electromagnetic radiation is reflected at the sensor-metal interface and excites surface plasmon at the metal-sample interface. Excitation of surface plasmon is accompanied by the absorption of energy of electromagnetic radiation in a narrow region of the spectrum, which is for the first one. ·· sensor area characteristic. After reflection and any other reflection from one or more auxiliary reflective surfaces, the radiation impinges on the active surface of the sensor element in the second sensor area, which in addition to the metal layer also contains an overlap layer. The presence of an overlay on the metal surface causes the surface plasmon excitation in the second sensor region to occur at a different wavelength of electromagnetic radiation than it corresponds to the surface plasmon excitation in the first sensor region. The emission spectrum therefore exhibits two absorption bands. The spectral distance of the observed absorption bands corresponding to the individual sensor areas can be efficiently influenced by the thickness and refractive index of the overlay.

Výše popsaný způsob vícekanálové detekce využívající postupné excitace plasmonů v různých oblastech senzorového elementu lze pro dosažení vyššího počtu senzorových kanálů kombinovat s paralelním uspořádáním senzorových oblastí, způsob podle vynálezu se pak provádí paralelně v alespoň dvou oblastech senzorového elementu ve směru kolmém ke směru šíření elektromagnetického záření s využitím rozdílných svazků či částí svazků elektromagnetického záření. Navržený způsob vícekanálové detekce lze realizovat s použitím speciálního senzorového elementu, v němž lze dosáhnout rozdílných rezonančních podmínek v různých senzorových oblastech: a) změnou rezonanční podmínky pro excitaci povrchové vlny s pomocí vrstev na povrchu kovové vrstvy, případně změnou jejích parametrů, b) změnou velikosti momentu elektromagnetického záření excitujícího povrchový plasmon ve směru šíření povrchového plasmonu, případně kombinací těchto dvou metod.The above-described multichannel detection method using sequential excitation of plasmon in different regions of the sensor element can be combined with a parallel arrangement of the sensor regions to achieve a greater number of sensor channels, the method according to the invention being carried out in parallel in at least two regions of the sensor element in a direction perpendicular to the direction of electromagnetic radiation using different beams or parts of beams of electromagnetic radiation. The proposed method of multichannel detection can be realized using a special sensor element in which different resonance conditions can be achieved in different sensor areas: a) by changing the resonance condition for excitation of the surface wave with layers on the surface of the metal layer, or by changing its parameters, moment of electromagnetic radiation exciting surface plasmon in the direction of surface plasmon propagation, or a combination of these two methods.

Speciální senzorový element lze konstruovat jako objemově-optický, integrovaně-optický nebo vláknově-optický.The special sensor element can be designed as volumetric-optic, integrated-optic or fiber-optic.

Objemově optický senzorový element má tvar destičky s nerovnoběžnými protilehlými stěnami s alespoň jednou stěnou pokrytou kovovou vrstvou pro postupnou excitaci povrchových plasmonů, nebo tvar destičky s rovnoběžnými nebo nerovnoběžnými protilehlými stěnami s alespoň jednou stěnou pokrytou kovovou vrstvou, přičemž kovová vrstva je v alespoň jedné oblasti pokryta alespoň jednou dielektrickou vrstvou.The bulk optical sensor element has the shape of a plate with non-parallel opposite walls with at least one wall covered with a metal layer for successive excitation of surface plasmon, or a plate with parallel or non-parallel opposite walls with at least one wall covered with a metal layer. at least one dielectric layer.

Integrované optický senzorový element sestává z integrovaně-optického vlnovodu, jehož povrch je alespoň v jednom úseku pokryt kovovou vrstvou, přičemž kovová vrstva je alespoň v jedné oblasti pokryta alespoň jednou dielektrickou vrstvou.The integrated optical sensor element consists of an integrated optical waveguide, the surface of which is covered in at least one section by a metal layer, the metal layer being covered by at least one dielectric layer in at least one region.

Vláknově optický senzorový element sestává z optického vlákna, jehož povrch je alespoň v jednom úseku pokryt kovovou vrstvou, přičemž kovová vrstva je alespoň v jedné oblasti pokryta alespoň jednou dielektrickou vrstvou.The fiber optic sensor element consists of an optical fiber whose surface is covered in at least one section by a metal layer, the metal layer being covered in at least one dielectric layer in at least one region.

Senzorový element je zpravidla opatřen v alespoň jedné oblasti speciální vrstvou pro detekci chemických či biologických látek.As a rule, the sensor element is provided in at least one area with a special layer for detection of chemical or biological substances.

-6AAA · * A A A A • AAA A A A A A A ·-6AAA · A A A A AAA A A A A A

AAA A · · A A A • AA AA AAA AAA AA AAAAA AAA AAA AA AA AAA AAA AA AA

Objemově-optické senzorové elementy umožňující způsob vícekanálové detekce podle vynálezu lze vyrobit tradičními metodami (řezání, broušení, leštění, atd.) ze skel, případně lisováním či litím polymerů. Integrovaně-optické senzorové elementy umožňující způsob vícekanálové detekce podle vynálezu lze vyrobit například vakuovým napařením dielektrických vrstev s vysokým indexem lomu na optické podložky či iontovou výměnou ve sklech speciálního složení. Tenké kovové vrstvy, na kterých jsou povrchové plasmony excitovány (např. zlato, stříbro) a případné překryvové dielektrické vrstvy (např. oxid titaničitý, oxid tantaličný, oxid ytritý), lze zhotovit metodami jako jsou vakuové naparování, naprašování, plasmová polymerace.The volume-optical sensor elements enabling the multi-channel detection method according to the invention can be made by traditional methods (cutting, grinding, polishing, etc.) from glass or by molding or casting polymers. The integrated optical sensor elements enabling the multichannel detection method according to the invention can be produced, for example, by vacuum vapor deposition of high refractive dielectric layers onto optical substrates or by ion exchange in special composition glasses. Thin metal layers on which surface plasmons are excited (eg gold, silver) and any overlap dielectric layers (eg titanium dioxide, tantalum pentoxide, yttrium oxide) can be made by methods such as vacuum vapor deposition, sputtering, plasma polymerization.

Způsob vícekanálové detekce v senzorech s povrchovými plasmony a spektrálním vyhodnocováním podle vynálezu umožňuje realizovat vícekanálovou detekci a potlačit tak rušivé vlivy pozadí (např. fluktuace teploty, tlaku) na přesnost a spolehlivost senzorových měření. V kombinaci s vhodnými materiály reagujícími specificky na přítomnost vybraných chemických a biologických látek, umožňuje způsob vícekanálové detekce podle vynálezu současnou detekci vybraných látek v komplexních vzorcích v reálném čase a bez značkování detekovaných látek. Způsob vícekanálové detekce podle vynálezu umožňuje vícekanálovou detekci bez použití maticových detektorů (Sensors and Actuators B, 5 (1991) 79 - 84) či přepínání signálů z jednotlivých senzorových oblastí na jeden detektor (Sensors and Actuators B, 51 (1998) 38 - 45). Narozdíl od metody využívající paralelní detekce na senzorových površích s oblastmi s odlišnými konstantami šíření povrchových plasmonů (Electronics Letters, 35 (1999) 1105-1106) je způsob vícekanálové detekce podle vynálezu výhodnější především proto, že neklade nároky na kvalitu hranic překryvových vrstev a poskytuje lepší kontrast absorbčních pásů analyzovaného elektromagnetického záření a tudíž lepší rozlišení. V porovnání s vícekanálovými senzory s povrchovými plasmony s intenzitní detekcí (Analytical Chemistry, 70 (1998) 703 - 706), využívá způsob vícekanálové detekce podle vynálezu měření rezonanční vlnové délky záření, což umožňuje dosahovat lepšího poměru signál-šum a tím i vyššího rozlišení senzoru. Způsob vícekanálové detekce podle vynálezu má tedy, ve srovnání s dosud známými metodami řešení vícekanálového senzoru s povrchovými plasmony, výhodu ve vyšším rozlišení a nižší komplexnosti a tím i ceně optického systému senzoru.The method of multichannel detection in surface plasmons and spectral evaluation sensors according to the invention makes it possible to realize multichannel detection and thus suppress background interferences (eg temperature fluctuations, pressure) on the accuracy and reliability of the sensor measurements. In combination with suitable materials responsive specifically to the presence of selected chemical and biological agents, the multi-channel detection method of the invention allows simultaneous detection of the selected agents in complex samples in real time and without labeling the detected agents. The multi-channel detection method of the invention allows multi-channel detection without the use of matrix detectors (Sensors and Actuators B, 5 (1991) 79-84) or switching signals from individual sensor areas to one detector (Sensors and Actuators B, 51 (1998) 38-45) . In contrast to the method using parallel detection on sensor surfaces with regions with different surface plasmon spread constants (Electronics Letters, 35 (1999) 1105-1106), the multichannel detection method of the invention is more advantageous in particular because it does not impose quality requirements on overlap layers and provides better contrast of absorption bands of analyzed electromagnetic radiation and hence better resolution. Compared to multichannel surface plasmon sensors with intense detection (Analytical Chemistry, 70 (1998) 703 - 706), the multichannel detection method of the invention uses resonant wavelength measurements to achieve a better signal-to-noise ratio and thus higher sensor resolution . Thus, the multichannel detection method of the present invention has the advantage of higher resolution and lower complexity and hence the cost of the optical sensor system compared to the prior art methods of solving a multichannel surface plasmon sensor.

Přehled obrázků na výkresechBRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS

Vynález bude blíže osvětlen pomocí výkresů. Obr 1. znázorňuje metodu vícekanálové detekce v senzorech s povrchovými plasmony používající pro dosažení rozdílných podmínek excitace povrchových plasmonů v jednotlivých oblastech senzorového elementu změn v úhlu dopadu elektromagnetického záření. Obr. 2 znázorňuje metodu vícekanálové detekce v senzorech s povrchovými plasmony používající pro dosažení rozdílných podmínek excitace povrchovýchThe invention will be explained in more detail with reference to the drawings. Fig. 1 illustrates a multi-channel detection method in surface plasmon sensors using variations in the angle of incidence of electromagnetic radiation to achieve different surface plasmon excitation conditions in individual regions of the sensor element. Giant. 2 illustrates a multi-channel detection method in surface plasmon sensors using surface excitation conditions to achieve different conditions

-7»· » * · ·*·» «·»« · ·····» »«· « · «·»« ··· ·4 ··· *·· ·· »· plasmonů v jednotlivých oblastech senzorového elementu překryvových vrstev na povrchu kovové vrstvy. Obr. 3 znázorňuje provedení speciálního senzorového elementu pro provedení metody dle vynálezu, založené na transparentní destičce s nerovnoběžnými stěnami umožňující postupnou excitaci povrchových plasmonů v jednotlivých oblastech senzorového elementu, elektromagnetickým zářením na různých vlnových délkách. Obr. 4 znázorňuje provedení speciálního senzorového elementu pro provedení metody dle vynálezu, založené na transparentní destičce s kovovou vrstvou částečně pokrytou další vrstvou, umožňující postupnou excitaci povrchových plasmonů v jednotlivých oblastech senzorového elementu elektromagnetickým zářením na různých vlnových délkách. Obr. 5 znázorňuje provedení speciálního senzorového elementu pro provedení metody dle vynálezu, založené na integrovaně-optickém vlnovodu s kovovou vrstvou částečně pokrytou další vrstvou, umožňující postupnou excitaci povrchových plasmonů v jednotlivých oblastech senzorového elementu elektromagnetickým zářením na různých vlnových délkách. Obr. 6 znázorňuje provedení speciálního senzorového elementu pro provedení metody dle vynálezu, založené na optickém vlákně s částečně odstraněným pláštěm a kovovou vrstvou Částečně pokrytou další vrstvou umožňující postupnou excitaci povrchových plasmonů v jednotlivých oblastech senzorového elementu elektromagnetickým zářením na různých vlnových délkách.-7 · * plas plas plas plas mon mon plas plas plas mon mon mon mon mon plas mon mon mon plas mon mon mon mon mon mon mon mon mon mon mon mon mon mon mon a sensor element of the overlays on the surface of the metal layer. Giant. 3 shows an embodiment of a special sensor element for carrying out the method according to the invention, based on a transparent plate with non-parallel walls allowing the gradual excitation of surface plasmon in individual regions of the sensor element by electromagnetic radiation at different wavelengths. Giant. 4 shows an embodiment of a special sensor element for carrying out the method according to the invention, based on a transparent plate with a metal layer partially covered by another layer, allowing successive excitation of surface plasmon in individual regions of the sensor element by electromagnetic radiation at different wavelengths. Giant. 5 shows an embodiment of a special sensor element for carrying out the method according to the invention, based on an integrated optical waveguide with a metal layer partially covered by another layer, allowing the gradual excitation of surface plasmon in individual regions of the sensor element by electromagnetic radiation at different wavelengths. Giant. 6 illustrates an embodiment of a special sensor element for carrying out the method of the invention based on an optical fiber with partially sheathed and metal layer partially coated with another layer allowing successive excitation of surface plasmon in individual regions of the sensor element by electromagnetic radiation at different wavelengths.

Příklady provedení vynálezuDETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

Příklad 1Example 1

Obr. 1 znázorňuje provedení metody vícekanálové detekce v senzorech s povrchovými plasmony používající pro dosažení rozdílných podmínek excitace povrchových plasmonů v jednotlivých oblastech senzorového elementu změn v úhlu dopadu elektromagnetického záření. Elektromagnetické záření i se zavede do prostředí 2, jehož index lomu je vyšší než index lomu vzorku 7, a dopadá na tenkou kovovou vrstvu 3 v prvé senzorové oblasti 4 pod úhlem dopadu a 5. Při odrazu elektromagnetického záření na kovové vrstvě se excituje povrchový plasmon 6 na rozhraní kovové vrstvy 3 a vzorku 7. Excitace povrchového plasmonů je provázena absorbcí energie elektromagnetického záření v úzké oblasti spektra, jež je pro senzorovou oblast 4 charakteristická. Po odrazu a případných dalších odrazech od od jedné či více pomocných odrazných ploch 8 záření dopadá na tenkou kovovou vrstvu 3 v druhé senzorové oblasti 9 pod jiným úhlem dopadu β 10, než v prvé senzorové oblasti 4. Protože rezonanční vlnová délka závisí na úhlu dopadu elektromagnetického záření, v oblasti B se povrchový plasmon 6,excituje na rozhraní kovové vrstvy a vzorku 7 jinou oblastí vlnových délek elektromagnetického záření, než v oblasti 4. Záření vystupující ze senzorového elementu vykazuje proto dva absorbční pásy. Jejich spektrální vzdálenost lze ovlivňovat velikostí rozdílu úhlů dopadu a a β na senzorové oblasti 4 a 9.Giant. 1 depicts an embodiment of a multi-channel detection method in surface plasmon sensors using variations in the angle of incidence of electromagnetic radiation to achieve different surface plasmon excitation conditions in individual regions of the sensor element. The electromagnetic radiation 1 is introduced into the environment 2, whose refractive index is higher than the refractive index of the sample 7, and impinges on the thin metal layer 3 in the first sensor region 4 at an angle of incidence 5.. at the interface of the metal layer 3 and the sample 7. The excitation of the surface plasmon is accompanied by the absorption of electromagnetic radiation energy in the narrow region of the spectrum characteristic of the sensor region 4. After reflection and possible other reflections from one or more auxiliary reflective surfaces 8, the radiation impinges on a thin metal layer 3 in the second sensor region 9 at a different incident angle β 10 than in the first sensor region 4. Because the resonance wavelength depends on the incident angle radiation, in the area B, the surface plasmon 6 excites at the interface of the metal layer and the sample 7 with a different wavelength region of the electromagnetic radiation than in the area 4. The radiation emanating from the sensor element therefore exhibits two absorption bands. Their spectral distance can be influenced by the magnitude of the difference in the angles of incidence α and β on the sensor areas 4 and 9.

-8• *· ·« ·-8 • *

Příklad 2Example 2

Obr, 2 znázorňuje provedení metody vícekanálové detekce v senzorech s povrchovými plasmony používající pro dosažení rozdílných podmínek excitace povrchových plasmonů v jednotlivých oblastech senzorového elementu překryvových vrstev na povrchu kovové vrstvy. Elektromagnetické žárem i se zavede do prostředí 2, jehož index lomu je vyšší než index lomu vzorku, a dopadá na aktivní plochu s tenkou kovovou vrstvu 3 v prvé senzorové oblasti 4. Při odrazu elektromagnetického záření na kovové vrstvě se excituje povrchový plasmon 6 na rozhraní kovové vrstvy a vzorku 7. Excitace povrchového plasmonů je provázena absorbcí energie elektromagnetického záření v úzké oblasti spektra, jež je pro senzorovou oblast 4 charakteristická. Po odrazu a případných dalších odrazech od jedné čí více pomocných odrazných ploch 8 záření dopadá na aktivní plochu senzorového elementu v druhé senzorové oblasti 9, která kromě kovové vrstvy 3 obsahuje také překryvovou vrstvu 11. Přítomnost překryvové vrstvy na povrchu kovu způsobuje, že v druhé senzorové oblasti 9 se povrchový plasmon 6 excituje na jiné vlnové délce elektromagnetického záření než odpovídá excitaci povrchového plasmonů v prvé senzorové oblasti 4. Spektrum výstupujícího záření proto vykazuje dva absorbční pásy. Spektrální vzdálenost pozorovaných absorbčních pásů odpovídajících jednotlivým senzorovým oblastem lze účinně ovlivňovat prostřednictvím tloušťky a indexu lomu překryvové vrstvy.Fig. 2 illustrates an embodiment of a multi-channel detection method in surface plasmon sensors using surface plasmon excitation conditions in different regions of the overlay layer sensor element on a metal layer surface to achieve different conditions. The electromagnetic radiation is introduced into the environment 2, whose refractive index is higher than the refractive index of the sample, and impinges on the active surface with a thin metal layer 3 in the first sensor region 4. When the electromagnetic radiation on the metal layer is reflected, surface plasmon 6 is excited The excitation of surface plasmon is accompanied by the absorption of the energy of electromagnetic radiation in the narrow region of the spectrum, which is characteristic of the sensor region 4. After reflection and possible further reflections from one or more auxiliary reflective surfaces 8 of the radiation, it impinges on the active surface of the sensor element in the second sensor area 9, which in addition to the metal layer 3 also contains an overlay 11. In the region 9, the surface plasmon 6 is excited at a different wavelength of electromagnetic radiation than corresponds to the excitation of the surface plasmon in the first sensor region 4. The output radiation spectrum therefore exhibits two absorption bands. The spectral distance of the observed absorption bands corresponding to the individual sensor areas can be efficiently influenced by the thickness and refractive index of the overlay.

Příklad 3Example 3

Navržený způsob vícekanálové detekce lze realizovat s použitím speciálního senzorového elementu. Speciální senzorový element lze konstruovat jako transparentní destičku s nerovnoběžnými stěnami, Obr. 3. Elektromagnetické záření i vstupuje do senzorového elementu 12, dopadá na aktivní plochu s tenkou kovovou vrstvu 3 v prvé senzorové oblasti 4 pod úhlem dopadu a 5 a excituje povrchový plasmon 6 na vnější hranici kovové vrstvy. Excitace povrchového plasmonů je provázena absorbcí energie elektromagnetického záření v úzké oblasti spektra, jež je pro prvou senzorovou oblast 4 charakteristická. Záření se odráží od odrazné stěny senzorového elementu 8, která není rovnoběžná s aktivní plochou senzorového elementu a dopadá na aktivní plochu senzorového elementu v druhé senzorové oblasti 9 pod úhlem dopadu β 10, který je různý od úhlu dopadu v senzorové oblasti 4 (β a ), a proto dochází v druhé senzorové oblasti 9 k excitaci povrchového plasmonů 6 jinou oblastí vlnových délek elektromagnetického záření, než v oblasti 4. Každý senzorový element může obsahovat jednu či více odrazných stěn, přičemž senzorová oblast s kovovou vrstvou může sloužit zároveň jako odrazná stěna. Senzorový element může obsahovat až dvě nebo více senzorových oblastí. Záření vystupující ze senzorového elementu vykazuje absorbční pás pro každou senzorovou oblast.The proposed multi-channel detection method can be realized using a special sensor element. The special sensor element can be constructed as a transparent plate with non-parallel walls. 3. The electromagnetic radiation 1 enters the sensor element 12, impinges on the active surface with a thin metal layer 3 in the first sensor area 4 at an angle of incidence α 5 and excites the surface plasmon 6 at the outer boundary of the metal layer. The excitation of surface plasmon is accompanied by the absorption of energy of electromagnetic radiation in the narrow region of the spectrum, which is characteristic of the first sensor region 4. The radiation reflects off the reflective wall of the sensor element 8, which is not parallel to the active surface of the sensor element and impinges on the active surface of the sensor element in the second sensor area 9 at an incidence angle β 10 different from the incidence angle in sensor area 4 (β a) Thus, in the second sensor region 9, the surface plasmon 6 is excited by a different wavelength region of electromagnetic radiation than in the region 4. Each sensor element may comprise one or more reflective walls, wherein the metal-layered sensor region may also serve as a reflective wall. The sensor element may comprise up to two or more sensor regions. The radiation emanating from the sensor element has an absorption band for each sensor area.

-9« 4 »44« • 4 * 4 4 4 4-9 4 4 44 44 • • 4 * 4 4 4 4

4 4 4 4 444*4 4 4 4 443 *

4444 4* 444 444 44 444444 4 * 444 444 44 44

Měřením spektra vystupujícího elektromagnetického záření lze potom určit vývoj poloh jednotlivých absorbčních pásů a tím i odezvy všech senzorových oblastí současně.By measuring the spectrum of the emitting electromagnetic radiation, it is then possible to determine the evolution of the positions of the individual absorption bands and thus the response of all sensor areas simultaneously.

Příklad 4Example 4

Navržený způsob vícekanálové detekce lze realizovat s použitím speciálního senzorového elementu. Speciální senzorový element lze konstruovat jako transparentní destičku s kovovou vrstvou částečně pokrytou další vrstvou, Obr. 4. Elektromagnetické záření 1 vstupuje do senzorového elementu 12, dopadá na aktivní plochu s tenkou kovovou vrstvu 3 v prvé senzorové oblasti 4 a excituje povrchový plasmon 6 na vnější hranici kovové vrstvy. Excitace povrchového plasmonu je provázena absorbcí energie elektromagnetického záření v úzké oblasti spektra, jež je pro senzorovou oblast 4 charakteristická. Záření se odráží od odrazné stěny senzorového elementu 8, dopadá znovu na aktivní plochu senzorového elementu v druhé senzorové oblasti 9, která kromě kovové vrstvy 3 obsahuje i překryvovou vrstvu 11. Přítomnost překryvové vrstvy na povrchu kovu způsobuje, že excitace povrchového plasmonu v senzorové oblasti 9 nastává na jiné vlnové délce elektromagnetického záření než odpovídá excitaci povrchového plasmonu v senzorové oblasti 4. Každý senzorový element může obsahovat jednu či více odrazných ploch, přičemž senzorová oblast s kovovou vrstvou může sloužit zároveň jako odrazná plocha. Senzorový element může obsahovat dvě nebo více senzorových oblastí. Záření vystupující ze senzorového elementu vykazuje absorbční pás pro každou senzorovou oblast. Měřením spektra vystupujícího elektromagnetického záření lze potom určit vývoj poloh jednotlivých absorbčních pásů a tím i odezvy všech senzorových oblastí současně.The proposed multi-channel detection method can be realized using a special sensor element. The special sensor element can be constructed as a transparent plate with a metal layer partially covered with another layer, FIG. 4. The electromagnetic radiation 1 enters the sensor element 12, impinges on the active surface with a thin metal layer 3 in the first sensor area 4 and excites the surface plasmon 6 at the outer boundary of the metal layer. The excitation of the surface plasmon is accompanied by the absorption of the energy of the electromagnetic radiation in the narrow region of the spectrum characteristic of the sensor region 4. The radiation reflects off the reflective wall of the sensor element 8, impinges again on the active surface of the sensor element in the second sensor area 9, which in addition to the metal layer 3 also includes an overlay layer 11. The presence of the overlay layer on the metal surface causes excitation of the surface plasmon in the sensor area 9 it occurs at a different wavelength of electromagnetic radiation than corresponds to the excitation of the surface plasmon in the sensor region 4. Each sensor element may comprise one or more reflective surfaces, wherein the metal-layered sensor region may also serve as a reflective surface. The sensor element may comprise two or more sensor regions. The radiation emanating from the sensor element has an absorption band for each sensor area. By measuring the spectrum of the emitting electromagnetic radiation, it is then possible to determine the evolution of the positions of the individual absorption bands and thus the response of all sensor areas simultaneously.

Příklad 5Example 5

Navržený způsob vícekanálové detekce lze realizovat s použitím speciálního senzorového elementu. Speciální senzorový element lze konstruovat jako integrovaně-optický vlnovod, který je pokryt alespoň v jednom úseku kovovou vrstvou, a tato vrstva je částečně pokryta překryvovou vrstvou. Elektromagnetické záření 1 je zavedeno do senzorového elementu 12 a v prvé senzorové oblasti 4 obsahující tenkou kovovou vrstvu 3 excituje na rozhraní kovové vrstvy a vzorku 7 povrchový plasmonThe proposed multi-channel detection method can be realized using a special sensor element. The special sensor element can be constructed as an integrated optical waveguide, which is covered in at least one section by a metal layer, and this layer is partially covered by an overlay layer. The electromagnetic radiation 1 is introduced into the sensor element 12 and in the first sensor area 4 containing the thin metal layer 3 excites the surface plasmon at the interface of the metal layer and the sample 7

6. Excitace povrchového plasmonu je provázena absorbcí energie elektromagnetického záření v úzké oblasti spektra, jež je pro prvou senzorovou oblast 4 charakteristická. Záření se poté dále šíří senzorovým elementem do druhé senzorové oblasti 9, která kromě kovové vrstvy 3 obsahuje i překryvovou vrstvu H- Přítomnost překryvové vrstvy na povrchu kovu způsobuje, že excitace povrchového plasmonu v senzorové oblasti 9 nastává na jiné vlnové délce elektromagnetického záření než odpovídá excitaci povrchového plasmonu v senzorové oblasti 4. Každý senzorový element může obsahovat dvě nebo více senzorových oblastí. Záření vystupující ze senzorového elementu vykazuje6. The excitation of the surface plasmon is accompanied by the absorption of the energy of electromagnetic radiation in the narrow region of the spectrum characteristic of the first sensor region 4. The radiation is then further propagated by the sensor element to the second sensor region 9, which in addition to the metal layer 3 also includes an overlay layer H. The presence of the overlay on the metal surface causes the excitation of the surface plasmon in the sensor area 9 occurs at a different wavelength of electromagnetic radiation Each sensor element may comprise two or more sensor regions. It exhibits radiation emanating from the sensor element

-10• 99 9 · 9 9 9 9-10 • 99 9 · 9 9 9 9

9 9 9 9 9 » 9 9 9 9 • · · 9 · 9 9 · ··· ·* 999 ··· 99 99 absorbční pás charakteristický pro každou senzorovou oblast. Měřením spektra vystupujícího elektromagnetického záření lze potom určit vývoj poloh jednotlivých absorbčních pásů a tím i odezvy všech senzorových oblastí současně.9 9 9 9 9 9 9 9 9 9 9 9 9 9 9 9 9 9 9 9 9 9 9 9 9 9 9 9 9 9 9 9 9 9 an absorbent band characteristic of each sensor area. By measuring the spectrum of the emitting electromagnetic radiation, it is then possible to determine the development of the positions of the individual absorption bands and thus the response of all sensor areas simultaneously.

Příklad 6Example 6

Navržený způsob vícekanálové detekce lze realizovat s použitím speciálního senzorového elementu. Speciální senzorový element lze konstruovat jako vláknový vlnovod s částečně odstraněným pláštěm, který je pokryt alespoň v jednom úseku kovovou vrstvou, a tato vrstva je částečně pokryta překryvovou vrstvou. Elektromagnetické záření i je zavedeno do senzorového elementu 12 a v prvé senzorové oblasti 4 obsahující tenkou kovovou vrstvu 3 excituje na rozhraní kovové vrstvy a vzorku 7 povrchový plasmon 6. Excitace povrchového plasmonu je provázena absorbcí energie elektromagnetického záření v úzké oblasti spektra, jež je pro prvou senzorovou oblast 4 charakteristická. Záření se poté dále šíří senzorovým elementem do druhé senzorové oblasti 9, která kromě kovové vrstvy 3 obsahuje i překryvovou vrstvu 11. Přítomnost překryvové vrstvy na povrchu kovu způsobuje, že excitace povrchového plasmonu v druhé senzorové oblasti 9 nastává na jiné vlnové délce elektromagnetického záření než odpovídá excitaci povrchového plasmonu v prvé senzorové oblasti 4. Každý senzorový element může obsahovat dvě nebo více senzorových oblastí. Záření vystupující ze senzorového elementu vykazuje absorbční pás pro každou senzorovou oblast. Měřením spektra vystupujícího elektromagnetického záření lze potom určit vývoj poloh jednotlivých absorbčních pásů a tím i odezvy všech senzorových oblastí současně.The proposed multi-channel detection method can be realized using a special sensor element. The special sensor element can be constructed as a fiber waveguide with a partially removed jacket, which is covered in at least one section by a metal layer, and this layer is partially covered by an overlay layer. The electromagnetic radiation 1 is introduced into the sensor element 12 and in the first sensor area 4 containing the thin metal layer 3 excites the surface plasmon 6 at the interface of the metal layer and the sample 7. The excitation of the surface plasmon is accompanied by absorption of electromagnetic radiation energy in the narrow region of the spectrum. sensor area 4 characteristic. The radiation is then further propagated by the sensor element to the second sensor area 9, which in addition to the metal layer 3 also includes an overlay layer 11. The presence of the overlay layer on the metal surface causes excitation of the surface plasmon in the second sensor area 9 occurs at a different wavelength of electromagnetic radiation excitation of the surface plasmon in the first sensor region 4. Each sensor element may comprise two or more sensor regions. The radiation emanating from the sensor element has an absorption band for each sensor area. By measuring the spectrum of the emitting electromagnetic radiation, it is then possible to determine the development of the positions of the individual absorption bands and thus the response of all sensor areas simultaneously.

Průmyslová využitelnostIndustrial applicability

Navrhované řešení může být využito v mnoha oborech, jako je lékařství (stanovení přítomnosti a koncentrací důležitých látek), farmaceutický průmysl (vývoj a kontrola léčiv), potravinářství (kontrola jakosti potravin, detekce škodlivin), ochrana životního prostředí (monitorování znečištění vody a ovzduší), vojenství (detekce otravných látek).The proposed solution can be used in many fields such as medicine (determination of presence and concentration of important substances), pharmaceutical industry (drug development and control), food industry (food quality control, pollutant detection), environmental protection (water and air pollution monitoring) , military (poisoning detection).

Claims (9)

1. Způsob vícekanálové detekce v senzorech s povrchovými plasmony a spektrálním vyhodnocováním, vyznačuj ící se tím, že se povrchové plasmony postupně excitují elektromagnetickým zářením v různých prostorových oblastech alespoň jednoho senzorového elementu, přičemž v těchto oblastech se povrchové plasmony excitují odlišnými oblastmi vlnových délek spektra elektromagnetického záření,1. A method of multichannel detection in surface plasmon and spectral evaluation sensors, characterized in that surface plasmons are successively excited by electromagnetic radiation in different spatial regions of at least one sensor element, wherein in these regions the surface plasmons are excited by different wavelength regions of the electromagnetic spectrum. radiation, 2. Způsob vícekanálové detekce v senzorech s povrchovými plasmony a spektrálním vyhodnocováním podle nároku 1, vyznačuj ící se tím, že tento způsob se provádí paralelně v alespoň dvou oblastech senzorového elementu ve směru kolmém ke směru Šíření elektromagnetického záření s využitím rozdílných svazků či částí svazků elektromagnetického záření.2. A method of multichannel detection in surface plasmon and spectral evaluation sensors according to claim 1, wherein the method is carried out in parallel in at least two regions of the sensor element in a direction perpendicular to the direction of propagation of electromagnetic radiation using different beams or portions of electromagnetic beams. radiation. 3. Způsob vícekanálové detekce v senzorech s povrchovými plasmony podle nároku 1, vyznačující se tím, že se elektromagnetické záření vyzařuje z alespoň dvou zdrojů emitujících monochromatické elektromagnetické záření nebo ze zdroje bílého světla,The multi-channel detection method of surface plasmon sensors according to claim 1, characterized in that the electromagnetic radiation is emitted from at least two sources emitting monochromatic electromagnetic radiation or from a white light source, 4. Způsob vícekanálové detekce v senzorech s povrchovými plasmony podle nároku 1, vyznačuj ící se tím, že vystupující záření se detekuje spektrografem či alespoň dvěma detektory s rozdílnými spektrálními účinnostmi.4. The method of multichannel detection in surface plasmon sensors according to claim 1, characterized in that the emitting radiation is detected by a spectrograph or at least two detectors with different spectral efficiencies. 5. Senzorový element vícekanálového senzoru s povrchovými plasmony k provádění způsobu podle nároku 1, vyznačuj ící se tím, že má tvar destičky s nerovnoběžnými protilehlými stěnami s alespoň jednou stěnou pokrytou kovovou vrstvou pro postupnou excitaci povrchových plasmonů.5. A multichannel surface plasmon sensor sensor element for carrying out the method of claim 1, characterized in that it has the shape of a plate with non-parallel opposing walls with at least one wall covered with a metal layer for sequential excitation of surface plasmon. 6. Senzorový element vícekanálového senzoru s povrchovými plasmony k provádění způsobu podle nároku I, vyznačující se tím, že má tvar destičky srovnoběžnými nebo nerovnoběžnými protilehlými stěnami s alespoň jednou stěnou pokrytou kovovou vrstvou, přičemž kovová vrstva je v alespoň jedné oblasti pokryta alespoň jednou dielektrickou vrstvou.6. A surface element plasma multichannel sensor element for carrying out the method according to claim 1, characterized in that it has the shape of a plate with parallel or non-parallel opposite walls with at least one wall covered with a metal layer, wherein the metal layer is covered in at least one region by at least one dielectric layer. . 7. Senzorový element vícekanálového senzoru s povrchovými plasmony k provádění způsobu podle nároku 1, vyznačující se tím, že sestává z integrovaně-optického vlnovodu, jehož povrch je pokryt alespoň v jednom úseku kovovou vrstvou, přičemž kovová vrstva je alespoň v jedné oblasti pokryta alespoň jednou dielektrickou vrstvou.7. A multichannel surface plasmon sensor sensor element for carrying out the method according to claim 1, characterized in that it consists of an integrated optical waveguide, the surface of which is coated in at least one section with a metal layer, wherein the metal layer is covered in at least one region dielectric layer. 8. Senzorový element vícekanálového senzoru s povrchovými plasmony k provádění způsobu podle nároku l, vyznačuj ící se tím, že sestává z optického vlákna jehož povrch je pokryt alespoň v jednom úseku kovou vrstvou, přičemž kovová vrstva je alespoň v jedné oblasti pokryta alespoň jednou dielektrickou vrstvou.8. A multichannel surface plasmon sensor sensor element for carrying out the method according to claim 1, characterized in that it consists of an optical fiber whose surface is covered in at least one section by a metal layer, wherein the metal layer is covered in at least one region by at least one dielectric layer. . • t I • * a• t I • * a V « 1 ···« ·· • * * * « · • * » * « · · • · · ft · « ··· »·· ··In 1 1 · · ft * ft ft ft ft ft ft ft ft ft ft ft ft ft ft ft ft ft ft 9. Senzorový element vícekanálového senzoru podle nároků 5 až 8, vyznačuj ící se tím, že je opatřen v alespoň jedné oblasti senzorového elementu speciální vrstvou pro detekci chemických či biologických látek.The multi-channel sensor element according to claims 5 to 8, characterized in that it is provided in at least one area of the sensor element with a special layer for the detection of chemical or biological substances.