專利名稱：傳感器、傳感系統(tǒng)和傳感方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及將入射到樣品中的測量光以根據(jù)樣品具有不同的物理性 質(zhì)的發(fā)射光的形式發(fā)出的傳感器，以及使用該傳感器的傳感系統(tǒng)和傳感方法。
背景技術(shù)：
作為用于分析有機(jī)分子的傳感器，己經(jīng)提出了利用其中特定波長的反
射光的強(qiáng)度通過局部等離子體激元(plasmon)共振而衰減的現(xiàn)象的傳感器。 據(jù)說，盡管局部等離子體激元傳感器結(jié)構(gòu)簡單，較為便宜，并且結(jié)構(gòu)局限 性較小，但是其在檢測靈敏度方面并不出色，并且難以通過使用局部等離 子體激元傳感器進(jìn)行精確分析。由于檢測靈敏度受到傳感器表面中金屬精 細(xì)結(jié)構(gòu)的凹陷/凸起結(jié)構(gòu)(有時(shí)稱作"不規(guī)則")的面內(nèi)均勻性的影響，因此提 出了其中精確控制金屬精細(xì)結(jié)構(gòu)的凹陷/凸起結(jié)構(gòu)以制備凹陷/凸起結(jié)構(gòu)的 規(guī)則性高的金屬精細(xì)結(jié)構(gòu)的方法。參見，例如，日本未審查專利出版物 2004-279364和2004-232027。

發(fā)明內(nèi)容
在日本未審查專利出版物2004-279364和2004-232027公開的等離子 體激元傳感器中，金屬精細(xì)結(jié)構(gòu)是在凹陷/凸起結(jié)構(gòu)規(guī)則性高的金屬精細(xì)結(jié) 構(gòu)基礎(chǔ)上制備的，所述凹陷/凸起結(jié)構(gòu)是通過將金屬陽極化獲得的，因此它 們可以相對(duì)容易地控制精細(xì)結(jié)構(gòu)。然而，由于局部等離子體激元的吸收峰 包括金屬精細(xì)結(jié)構(gòu)中的散射光，該散射光影響吸收效果而使峰寬變寬，并 且不能獲得足夠的靈敏度，因而難以通過使用局部等離子體激元傳感器進(jìn) 行精確分析。
鑒于上述觀察和描述，本發(fā)明的主要目的是提供一種新的傳感器，該 傳感器的檢測靈敏度比等離子體激元傳感器更佳，同時(shí)具有相對(duì)簡單的結(jié)構(gòu)。
本發(fā)明的另一目的是提供采用這種新的傳感器的傳感系統(tǒng)和傳感方法。
根據(jù)本發(fā)明，提供一種傳感器，其將入射到樣品中的測量光以根據(jù)樣 品具有不同的物理性質(zhì)的發(fā)射光的形式發(fā)出，所述傳感器包括光學(xué)共振
器，其中將表現(xiàn)出半透/半反性的第一反射體、透明體和具有反射性或半透 /半反性的第二反射體一個(gè)接一個(gè)按序?qū)訅?，由光學(xué)共振器中共振引起的測 量光吸收峰與在光學(xué)共振器表面和/或內(nèi)部產(chǎn)生的局部等離子體激元共振 所引起的測量光吸收峰一致。
在本說明書中，"半透/半反性"是指同時(shí)具有透射性和反射性，并且透 射率和反射率可以是任意的。
在本發(fā)明的傳感器中，優(yōu)選第一和/或第二反射體具有小于測量光波長 的凹陷/凸起結(jié)構(gòu)。
此處使用的表述"小于測量光波長的凹陷/凸起結(jié)構(gòu)"是指凸部和凹部 (此處使用的"凹部"包括在厚度方向上貫穿反射體的空間)的平均尺寸(此 處使用的"尺寸"是指"最大寬度")和凸部與凹部的平均間距小于測量光波 長。
作為本發(fā)明傳感器的一個(gè)優(yōu)選實(shí)施方案，可以示出其中第一和/或第二 反射體是在透明體表面上以圖案方式形成的金屬層的實(shí)施方案。
作為本發(fā)明傳感器的另一優(yōu)選實(shí)施方案，可以示出其中第一和/或第二 反射體是由固著到透明體表面上的多個(gè)金屬粒子形成的金屬層的實(shí)施方 案。
作為本發(fā)明傳感器的另一優(yōu)選實(shí)施方案，可以示出以下實(shí)施方案其 中透明體包含具有多個(gè)細(xì)孔的透明細(xì)孔體，所述細(xì)孔開口于面對(duì)第一反射 體的表面中且直徑小于測量光波長，并且第一反射體是沿著透明體表面具 有多個(gè)細(xì)孔的金屬層。在這種結(jié)構(gòu)中，細(xì)孔的一部分可以填充有金屬或者 僅僅細(xì)孔的底部可以填充有金屬。
本發(fā)明的傳感系統(tǒng)包括上述的本發(fā)明的傳感器，將測量光投射到傳感 器上的光投射裝置和檢測從傳感器發(fā)出的光的物理性質(zhì)的檢測器。
作為檢測器，優(yōu)選檢測來自傳感器的發(fā)射光的強(qiáng)度、強(qiáng)度變化率和物
5理性質(zhì)中至少一個(gè)的那種檢測器。
在本發(fā)明的傳感系統(tǒng)中，可以分析樣品的折射率和/或濃度，并且可以 通過分析樣品的折射率識(shí)別樣品。
本發(fā)明的傳感方法包括以下步驟在使與特定材料特異性結(jié)合的結(jié)合 材料與本發(fā)明的傳感器的接觸側(cè)接觸后，使樣品與傳感器接觸；將測量光 投射到傳感器上；和檢測從傳感器發(fā)出的光的物理性質(zhì)，從而分析在樣品
中是否存在所述特定材料和/或所述特定材料的量。
本發(fā)明的傳感器包括光學(xué)共振器，其中將表現(xiàn)出半透/半反性的第- 反 射體、透明體和具有反射性或半透/半反性的第二反射體一個(gè)接一個(gè)按序?qū)?壓，由光學(xué)共振器中共振引起的測量光吸收峰與在光學(xué)共振器表面和/或內(nèi) 部產(chǎn)生的局部等離子體激元共振引起的測量光吸收峰一致。
采用這種布置，從第一和/或第二反射體發(fā)出具有由局部等離子體激元 共振引起的反射峰的光。共振條件和局部等離子體激元共振波長隨著樣品 的接觸而變化，并且發(fā)射光的物理性質(zhì)與之響應(yīng)地以類似方式變化。因此， 可以通過檢測強(qiáng)度、波長位移等分析樣品。
己經(jīng)知道，與吸收峰相比，反射峰的S/N比通常更高。因此，根據(jù)本 發(fā)明，由于可以通過具有高S/N比的反射峰進(jìn)行傳感，因此可以提供與局 部等離子體激元傳感器相比靈敏度優(yōu)異的靈敏傳感器。


圖1A是根據(jù)本發(fā)明第一實(shí)施方案的傳感器的透視圖，
圖1B是根據(jù)本發(fā)明第一實(shí)施方案的傳感器在厚度方向上的橫截面
圖，
圖2A是在根據(jù)本發(fā)明第一實(shí)施方案的傳感器中，當(dāng)厚度沒有最優(yōu)化 時(shí)，發(fā)射光L2的光譜的一個(gè)實(shí)例，
圖2B是當(dāng)厚度最優(yōu)化時(shí)，發(fā)射光L2的光譜的一個(gè)實(shí)例，
圖2C顯示了由樣品的接觸引起的發(fā)射光L2的光譜變化的一個(gè)實(shí)例，
圖3是根據(jù)本發(fā)明第二實(shí)施方案的傳感器在厚度方向上的橫截面圖，
圖4A是根據(jù)本發(fā)明第三實(shí)施方案的傳感器的透視圖，
圖4B是根據(jù)本發(fā)明第三實(shí)施方案的傳感器的平面圖，圖5是根據(jù)本發(fā)明第四實(shí)施方案的傳感器的透視圖，
圖6A至6C是顯示圖5所示傳感器的制備方法的視圖， 圖7A至7C是顯示根據(jù)本發(fā)明第一實(shí)施方案的傳感系統(tǒng)的視圖， 圖8A是根據(jù)本發(fā)明第四實(shí)施方案的傳感器的放大橫截面圖，和 圖8B是顯示實(shí)施方案1的發(fā)射光吸收特性的圖。
具體實(shí)施例方式
傳感器的第一實(shí)施方案
以下，將參考圖1A和1B描述根據(jù)本發(fā)明第一實(shí)施方案的傳感器。 圖1A是第--實(shí)施方案的透視圖，并且圖1B是第一實(shí)施方案在厚度方向 上的(沿A-A'線所取的)橫截面圖。
如圖1A和1B所示，根據(jù)該實(shí)施方案的傳感器1從測量光L1的入射 側(cè)(在圖1A和1B中從上面)依次包含表現(xiàn)出半透/半反性的第一反射體 10，透明體20和具有反射性的第二反射體30。測量光Ll可以是為單波 長光或?qū)捁猓⑶覝y量光L1的波長是根據(jù)將要檢測的物理性質(zhì)選擇的。
透明體20包含透明平坦襯底，而第一反射體10包含金屬層，其中在 透明體20的一側(cè)上以規(guī)則的柵格圖案形成金屬細(xì)線11，并且第二反射體 30包含形成在透明體20另一側(cè)的固體金屬層。
透明體20可以由任何合適的材料形成，例如，可以由透明陶瓷如玻 璃或氧化鋁，或透明樹脂如丙烯酸類樹脂或聚碳酸酯樹脂形成。
第一反射體10和第二反射體30可以由任何合適的反射性金屬形成， 并且可以由Au， Ag， Cu， Al， Pt， Ni， Ti或它們的合金形成。第一反射 體10和第二反射體30可以包括不少于2種的這些反射性金屬。
作為固體金屬層的第二反射體30可以通過例如金屬氣相沉積形成。 第一反射體10可以這樣形成例如，在通過例如金屬氣相沉積形成固體 金屬層后，進(jìn)行已知的光刻。
第一反射體10雖然是由反射性金屬形成的，但是由于它具有多個(gè)圖 案化孔隙12而表現(xiàn)出透光性并且整體上表現(xiàn)出半透/半反性。第一反射體 10的金屬細(xì)線11的線寬和間距小于測量光Ll的波長，并且第一反射體 10具有小于測量光Ll的波長的凹陷/凸起結(jié)構(gòu)。當(dāng)凹陷/凸起結(jié)構(gòu)小于光的波長時(shí)，第一反射體10對(duì)光起膜作用并且表現(xiàn)出具有電磁網(wǎng)屏蔽功能 的半透/半反性。
根據(jù)該實(shí)施方案的傳感器1是傳感體，其中第一反射體10和第二反
射體30的平均復(fù)折射率根據(jù)與其接觸的樣品而變化，并且可以通過將樣 品與第一反射體10和第二及射體30接觸放置來分析樣品。
由于特別是第一反射體10具有小于測量光Ll的波長的凹陷/凸起結(jié) 構(gòu)，平均復(fù)折射率的變化在第一反射體10中以比在第二反射體30中更高 的靈敏度發(fā)生。據(jù)認(rèn)為是因?yàn)槔?，測量光L1的振動(dòng)在第一反射體10中 的凹陷/凸起結(jié)構(gòu)中有效產(chǎn)生。
金屬細(xì)線11的間距可以是任意的，只要它們小于測量光L1的波長即 可，并且當(dāng)采用可見光作為測量光L1時(shí)，優(yōu)選金屬細(xì)線11的間距不大于， 例如200nm。金屬細(xì)線11的間距可以是任意的，并且考慮到靈敏度優(yōu)選 盡可能小。金屬細(xì)線11的線寬可以是任意的，并且考慮到靈敏度優(yōu)選盡 可能小。優(yōu)選金屬細(xì)線11的線寬不大于被光振動(dòng)的電子的平均自由行程， 具體而言，優(yōu)選金屬細(xì)線11的線寬不大于50nm并且更優(yōu)選不大于30nm。
優(yōu)選的是，金屬細(xì)線11的間距和線寬優(yōu)選盡可能小，原因在于單個(gè) 金屬細(xì)線11的表面比例相對(duì)增加，并且金屬細(xì)線11的表面特性更易于被 反映為第一反射體10的總體特性，從而可以獲得更高的靈敏度。具體地， 隨著金屬細(xì)線11的間距和線寬變得越小，由樣品差異造成的第一反射體 10的介電常數(shù)的變化變得越大，從而平均復(fù)折射率(有效復(fù)折射率)的變化 變得越大，并且可以獲得更高的靈敏度。
如圖1B所示，當(dāng)測量光Ll碰撞傳感器1時(shí)，根據(jù)第一反射體10的 透射性或反射率，測量光Ll被第一反射體10的表面部分反射(未顯示)并 且部分通過第一反射體10進(jìn)入透明體20。進(jìn)入透明體20的光在第-一反射 體10和第二反射體30之間重復(fù)反射。即，傳感器l為光學(xué)共振器，其中 在第一反射體10和第二反射體30之間發(fā)生多重反射。
在這種裝置中，由于發(fā)生由多重反射光產(chǎn)生的多重干涉，因而表現(xiàn)出 選擇性吸收滿足共振條件的特定波長的光的吸收特性。由于共振條件根據(jù) 第一反射體10和第二反射體30的平均復(fù)折射率以及透明體20的厚度d 和平均復(fù)折射率而變化，該裝置表現(xiàn)出根據(jù)這些因素吸收特定波長光的吸收特性，并且根據(jù)吸收特性發(fā)出其物理性質(zhì)與測量光Ll不同的發(fā)射光L2。 該實(shí)施方案的傳感器1是反射型傳感器，其中由于第二反射體30具有反 射性，僅從第一反射體10發(fā)出發(fā)射光L2。
在該實(shí)施方案的傳感器1中，在第一反射體10中產(chǎn)生局部等離子體 激元共振，原因在于第一反射體10和第二反射體30都是金屬反射體，并 且第一反射體10具有小于測量光Ll波長的精細(xì)凹陷/凸起結(jié)構(gòu)。
局部等離子體激元共振是這樣的現(xiàn)象其中金屬的自由電子與光的電 場共振振動(dòng)以產(chǎn)生電場。據(jù)說尤其是在具有精細(xì)凹陷/凸起結(jié)構(gòu)的金屬層 中，當(dāng)在凸部的自由電子與光的電場共振并且振動(dòng)時(shí)，在凸部周圍產(chǎn)生強(qiáng) 電場，并且有效發(fā)生局部等離子體激元共振。在該實(shí)施方案中，由于如上 所述，第一反射體10具有小于測量光L1的波長的凹陷/凸起結(jié)構(gòu)，因而 有效發(fā)生局部等離子體激元共振。
在產(chǎn)生局部等離子體激元共振的波長處，測量光L1的散射和/或吸收 顯著增強(qiáng)，并且從傳感器l發(fā)出的光的強(qiáng)度顯著降低。局部等離子體激元 共振波長和測量光L1的散射和/或吸收程度取決于傳感器1的表面上的凹 陷/凸起結(jié)構(gòu)的尺寸，金屬的種類，與該表面接觸的樣品的折射率等，因此， 隨著與傳感器1的表面接觸的樣品的物理性質(zhì)而變化。
盡管局部等離子體激元共振可以在任何金屬中發(fā)生，但是作為第一反 射體10，優(yōu)選金(Au)，銀(Ag)，銅(Cu)，鎳(Ni)或鈦(Ti)，并且特別優(yōu)選金 (Au)和銀(Ag)。
在該實(shí)施方案的傳感器l中，傳感是通過反射峰進(jìn)行的，所述反射峰 是通過疊加由上述多重干涉引起的吸收峰和局部等離子體激元共振的峰 而產(chǎn)生的。因此，設(shè)計(jì)傳感器l，使得由多重干涉引起的共振波長^r)基本 上等于局部等離子體激元共振波長(Aj^人lP)。
盡管共振條件還受到第一反射體10和第二反射體30的平均復(fù)折射率 (m-ik,)和(rvik3)以及透明體20的平均復(fù)折射率(n2-ik2)和厚度d的影響，但
是由于與透明體20的平均復(fù)折射率(Il2-ik2)和厚度d的變化的影響相比，
第一反射體10和第二反射體30的平均復(fù)折射率(n,-ik，)和(n3-ik3)的變化的 影響小，因此共振波長可以基本上由透明體20的厚度d確定至幾個(gè)nm的 數(shù)量級(jí)的精度。(-ib， -ik2和-ik3表示虛部。由于在該實(shí)施方案中透明體20的平均復(fù)折射率(n2-ik2)的虛部為0，所以ii2-ikfn2)。因此，在傳感器1中， 將透明體20的厚度d最優(yōu)化，使得人r和Xlp相互一致。當(dāng)透明體20的厚 度d是任意時(shí)，人r和Xlp有時(shí)彼此不同，有時(shí)彼此一致。
透明體20的平均復(fù)折射率(ri2-ik2)和厚度d與共振波長Xr —起在幾個(gè) nm的數(shù)量級(jí)上充分滿足以下等式。因此，只要透明體20的平均復(fù)折射率 (n2-ik2)相同，則可以只通過改變透明體20的厚度d來改變共振波長Xr。
d = (m + l)入r / 2 (n2-ik2) 其中d表示透明體20的厚度，Xr表示共振波長，(n2-ik2)表示平均復(fù)折射 率并且m表示整數(shù)。
當(dāng)如在稍后描述的第四實(shí)施方案中那樣，透明體20包含透光性細(xì)孔 構(gòu)件時(shí)，"透明體20的平均復(fù)折射率"是指透光性細(xì)孔構(gòu)件的復(fù)折射率和 細(xì)孔中的材料(當(dāng)細(xì)孔沒有填充特定材料時(shí)，"細(xì)孔中的材料"是空氣，并且 當(dāng)細(xì)孔填充有特定材料時(shí)，"細(xì)孔中的材料"是細(xì)孔中的特定材料和/或細(xì)孔 中的空氣和特定材料的混合物)的復(fù)折射率的平均值。
盡管透明體20的厚度d根據(jù)等式中的m值而具有多個(gè)值，但是其優(yōu) 選不大于300nm，其原因在于由多重干涉產(chǎn)生的在可見波長區(qū)的吸收峰波 長是單一的，并且容易檢測，同時(shí)優(yōu)選不小于100nm，其原因在于有效發(fā) 生多重反射，并且在可見波長區(qū)容易檢測到由多重干涉產(chǎn)生的吸收峰波 長。如上所述，盡管比透明體20的平均復(fù)折射率(Il2-ik2)和厚度d的變化 造成的影響小，但是由于共振條件還受到第一反射體10和第二反射體30 的平均復(fù)折射率(n,-ik,)和(ri3-ik3)及其表面條件的影響，因此發(fā)射光L2的 物理性質(zhì)隨樣品與第一反射體10和第二反射體30的接觸而變化。
圖2A顯示了當(dāng)傳感器1中厚度d沒有被最優(yōu)化(XrAlp)時(shí)，發(fā)射光 L2的光譜的一個(gè)實(shí)例。在圖2A中，由多重干涉產(chǎn)生的吸收峰(Pr)和局部 等離子體激元共振吸收峰(Plp)出現(xiàn)在不同的波長。如所示的，與由多重干 涉產(chǎn)生的吸收峰相比，局部等離子體激元共振吸收峰的靈敏度通常更差。
圖2B顯示了當(dāng)傳感器1中厚度d被最優(yōu)化使得由多重干涉產(chǎn)生的吸 收峰Pr疊加在局部等離子體激元共振吸收峰Plp上時(shí)，發(fā)射光L2的光譜 的--個(gè)實(shí)例。為了容易理解，還示出了原始吸收峰的形狀。圖2B中所示 的發(fā)射光L2的光譜是在吸收峰中具有反射峰Prf的W-形狀，并且在反射峰Prf的波長基本上等于局部等離子體激元共振波長X1P。
圖2C顯示了當(dāng)不同樣品A和B與傳感器1的第一反射體10接觸時(shí)， 發(fā)射光L2的光譜的一個(gè)實(shí)例，并且顯示了通過改變樣品，在反射峰Prf 的波長從XI變到人2的狀態(tài)。圖2A至2C中所示光譜中的任一個(gè)都是在 采用白光作為測量光L1時(shí)的光譜。
在傳感器1中，優(yōu)選通過采取光學(xué)阻抗匹配形成裝置結(jié)構(gòu)，使得透明 體20中多重反射的數(shù)量(精細(xì)度)最大化。優(yōu)選這種布置的原因在于，吸收 峰變尖并且可以進(jìn)行更加精確的分析。
在傳感器1中，當(dāng)樣品與第一反射體10和/或第二反射體30 (優(yōu)選第 一反射體IO)接觸時(shí)，與樣品接觸的反射體的平均復(fù)折射率(有效復(fù)折射率) 通過反射體和樣品的相互作用而變化，并且傳感器1的共振條件和局部等 離子體激元共振條件變化，從而吸收特性變化，并且當(dāng)吸收特性變化時(shí)， 發(fā)射光L2的物理性質(zhì)也根據(jù)傳感器1的吸收特性而變化。因此，通過檢 測傳感器1中發(fā)射光L2的物理性質(zhì)，可以分析樣品。
作為根據(jù)傳感器1的吸收特性而變化的發(fā)射光L2的物理性質(zhì)，可以 示出發(fā)射光L2的強(qiáng)度和強(qiáng)度變化率，以及反射峰波長或反射峰波長位移。 稍后將描述一種具體傳感系統(tǒng)的實(shí)例。
在該實(shí)施方案的傳感器l中，可以分析樣品的折射率和/或濃度，并且 甚至可以通過分析樣品的折射率來識(shí)別樣品。而且，通過在將與特定材料 特異性結(jié)合的結(jié)合材料固定到將要與樣品接觸的反射體(第一反射體10和 /或第二反射體30)上后，使樣品與反射體接觸，將測量光L1投射到傳感 器1上并且檢測發(fā)射角12,可以分析樣品中是否存在特定材料和/或特定 材料的量。作為特定材料和結(jié)合材料的組合，可以示出例如抗原和抗體(它 們中的任一個(gè)可以是結(jié)合材料)的組合。在該實(shí)施方案中，可以進(jìn)行抗原/ 抗體反應(yīng)的時(shí)間分析。
將該實(shí)施方案的傳感器l如上所述布置。如上所述，該實(shí)施方案的傳 感器1包括光學(xué)共振器，其中將表現(xiàn)出半透/半反性的第一反射體10、透 明體20和具有反射性的第二反射體30 —個(gè)接一個(gè)按序?qū)訅?，由光學(xué)共振 器中共振引起的測量光吸收峰Pr與在光學(xué)共振器表面(第一反射體IO)上 產(chǎn)生的局部等離子體激元共振所引起的測量光吸收峰Plp —致。在該布置中，通過第一反射體10后進(jìn)入透明體20的光在第一反射體 10和第二反射體30之間重復(fù)反射，以產(chǎn)生由多重反射引起的多重干涉， 并且表現(xiàn)出選擇性吸收滿足共振條件的特定波長的吸收特性。然而，在光 學(xué)共振器表面(第一反射體10)，產(chǎn)生由精細(xì)金屬結(jié)構(gòu)的凹陷/凸起結(jié)構(gòu)造成 的局部等離子體激元共振。由于可以通過改變透明體20的厚度d容易地 改變由多重干涉產(chǎn)生的共振波長Ir，因此通過改變透明體20的厚度d使 共振波長Xr和局部等離子體激元共振波長Xlp相互一致，從第一反射體 10發(fā)出發(fā)射光L2，該發(fā)射光L2具有由局部等離子體激元共振造成的反射 峰Prf 。
已知的是，與吸收峰相比，反射峰的S/N比通常更高。同樣，在根據(jù) 本實(shí)施方案的傳感器l中，由于反射峰Prf的背景可以接近為0，所以可 以通過具有極高S/N比的反射峰進(jìn)行傳感。因此，可以進(jìn)行與使用局部等 離子體激元傳感器的傳感相比靈敏度優(yōu)異的高靈敏傳感。
盡管如上所述，在該實(shí)施方案中，采用通過在局部等離子體激元共振 波長人lp上疊加共振波長人r而產(chǎn)生的反射峰Prf，并且反射峰Prf是由局 部等離子體激元共振造成的，但是可以想到，出現(xiàn)反射峰Prf是由于由多 重干涉造成的共振和局部等離子體激元共振之間的相互作用或者上述裝 置的布置所特有的現(xiàn)象，而不限于歸因于局部等離子體激元共振。
盡管在該實(shí)施方案中描述了其中第一反射體10處于規(guī)則柵格圖案的 情形，但是第一反射體10可以是任何圖案，并且甚至可以是隨機(jī)圖案。 然而，優(yōu)選結(jié)構(gòu)的規(guī)則性更高，原因在于共振結(jié)構(gòu)的面內(nèi)均勻性越高，特 性越集中。
傳感器的第二實(shí)施方案
以下，將參考圖3描述本發(fā)明第二實(shí)施方案的傳感器。圖3是與第一 實(shí)施方案的圖1A類似的橫截面圖。在該實(shí)施方案中，對(duì)于與第一實(shí)施方 案類似的那些元件給出相同的附圖標(biāo)記并且不再描述。
如圖3中所示，類似于第一實(shí)施方案，根據(jù)該實(shí)施方案的傳感器2從 測量光L1的入射側(cè)(圖3中從上面)按序包括表現(xiàn)出半透/半反性的第一反 射體10、透明體20和具有半透/半反性的第二反射體30。根據(jù)該實(shí)施方案傳感器1的不同之處在于，在第二實(shí)施
方案中，第二反射體30如第一實(shí)施方案的第一反射體10—樣，由其中以
規(guī)則柵格圖案形成金屬細(xì)線11的金屬層形成并且表現(xiàn)出半透/半反性，而
在第一實(shí)施方案中，第二反射體30是包含固體金屬層并且具有反射性的 反射體(第二實(shí)施方案中的第二反射體30在透視圖中與第一實(shí)施方案中的 第二反射體30相同)。
根據(jù)該實(shí)施方案的傳感器2也是傳感體，其中第一反射體10和第二 反射體30的平均復(fù)折射率根據(jù)與其接觸的樣品而變化，并且可以通過將 樣品與第一反射體10和第二反射體30接觸放置來分析樣品。由于在該實(shí) 施方案中第一反射體10和第二反射體30都具有小于測量光波長的凹陷/ 凸起結(jié)構(gòu)，所以當(dāng)樣品與第一反射體10和第二反射體30中的任一個(gè)接觸 時(shí)，由樣品造成的平均復(fù)折射率的變化以高靈敏度發(fā)生。
在這種如第一實(shí)施方案的布置中，通過第一反射體10后進(jìn)入透明體 20的光在第一反射體10和第二反射體30之間重復(fù)反射，以產(chǎn)生由多重反 射引起的多重干涉，并且表現(xiàn)出選擇性吸收滿足共振條件的特定波長的吸 收特性。
在該實(shí)施方案中，由于第一反射體10和第二反射體30都具有小于測 量光Ll的波長的精細(xì)凹陷/凸起結(jié)構(gòu)，在第二反射體30中也產(chǎn)生局部等 離子體激元共振。因此，在該實(shí)施方案中，在光學(xué)共振器的表面和內(nèi)部(第 -反射體10和第二反射體30)上產(chǎn)生由精細(xì)金屬凹陷/凸起結(jié)構(gòu)造成的局 部等離子體激元共振。
同樣在該實(shí)施方案中，由于可以通過改變透明體20的厚度d容易地 改變由多重干涉產(chǎn)生的共振波長人r，因此通過改變透明體20的厚度d使 共振波長Xr和局部等離子體激元共振波長Xlp相互一致，從第一反射體 10和第二反射體30發(fā)出發(fā)射光L2，該發(fā)射光L2具有由局部等離子體激 元共振造成的反射峰Prf。
當(dāng)樣品與第一反射體10和/或第二反射體30接觸時(shí)，與樣品接觸的反 射體的平均復(fù)折射率(有效復(fù)折射率)通過反射體和樣品的相互作用而變 化。因此，即使當(dāng)?shù)诙瓷潴w30具有半透/半反性時(shí)，也可以通過檢測根 據(jù)吸收特性而變化的發(fā)射光L2的物理性質(zhì)來分析樣品。在其中第二反射體30僅具有反射性的第一實(shí)施方案中，僅獲得反射 型傳感器。而在其中第二反射體30具有半透/半反性的該實(shí)施方案中，獲 得以下傳感器中的一種其中僅從第一反射體10發(fā)出發(fā)射光L2的反射型 傳感器，其中僅從第二反射體30發(fā)出發(fā)射光L2的透射型傳感器，和其中 從第一反射體10和第二反射體30發(fā)出發(fā)射光L2的半透/半反型傳感器， 該發(fā)射光L2在每一種情形中根據(jù)第一反射體10和第二反射體30的平均 復(fù)折射率，以及透明體20的平均復(fù)折射率和厚度d而發(fā)出。在任何傳感 器中，從第-一反射體10和第二反射體30發(fā)出的發(fā)射光L2的光譜的實(shí)例 與從第一反射體10發(fā)出的發(fā)射光L2的光譜類似。
該實(shí)施方案的傳感器2與第一實(shí)施方案基本上相同，不同之處在于第 二反射體30具有半透/半反性，因此，表現(xiàn)出與第一實(shí)施方案相同的效果。 盡管在該實(shí)施方案中，第一反射體10和第二反射體30以相同的圖案布置， 但是它們可以以不同的圖案布置。
傳感器的第三實(shí)施方案
以下，將參考圖4A和4B描述本發(fā)明第三實(shí)施方案的傳感器。圖4A 是對(duì)應(yīng)于第一實(shí)施方案的圖1A的透視圖，并且圖4B是顯示該傳感器的 平面圖。在該實(shí)施方案中，對(duì)于與第一實(shí)施方案類似的那些元件給出相同 的附圖標(biāo)記并且不再描述。
如圖4A中所示，類似于第一實(shí)施方案，根據(jù)該實(shí)施方案的傳感器3 從測量光L1的入射側(cè)按序包括表現(xiàn)出半透/半反性的第一反射體10、透 明體20和具有反射性的第二反射體30。
根據(jù)該實(shí)施方案的傳感器3與根據(jù)第一實(shí)施方案的傳感器1的不同之 處在于，在第三實(shí)施方案中，第一反射體10由其中將直徑基本上彼此相 同的多個(gè)金屬粒子13以矩陣形式基本上規(guī)則地排列在透明體20的表面上 的金屬層形成，而在第一實(shí)施方案中，第一反射體10由以圖案形式形成 的金屬層10形成。金屬粒子13可以由任何合適的材料形成，并且作為用 于金屬粒子13的材料，可以示出在第一實(shí)施方案中用于第一反射體10的 那些。
而且，例如，通過旋涂等將金屬粒子13的分散體涂覆到透明體20的表面上并且將其干燥，可以形成第一反射體io。優(yōu)選分散體包括粘合劑如
樹脂或蛋白質(zhì)，以通過粘合劑將金屬粒子13固著到透明體20的表面上。 當(dāng)采用蛋白質(zhì)作為粘合劑時(shí)，可以利用蛋白質(zhì)之間的結(jié)合反應(yīng)將金屬粒子 13固著到透明體20的表面上。
第一反射體10盡管是由反射性金屬形成的，但是由于具有多個(gè)空的 粒子間空間14而表現(xiàn)出透光性，并且在整體上表現(xiàn)出半透/半反性。金屬 粒子13的直徑和間距被設(shè)計(jì)為小于測量光Ll的波長，并且第一反射體 IO具有小于測量光LI波長的不規(guī)則。由于小于光的波長，第一反射體IO 在該實(shí)施方案中也對(duì)光起膜作用并且表現(xiàn)出具有電磁網(wǎng)屏蔽功能的半透/ 半反性。
同樣，在該實(shí)施方案的傳感器3中，可以通過將樣品或樣品池與第一 反射體10表面接觸放置來分析樣品。
由于特別是第一反射體IO具有小于測量光LI波長的凹陷/凸起結(jié)構(gòu)， 出于與第一實(shí)施方案中相同的原因，平均復(fù)折射率的變化在第一反射體10
中以更高的靈敏度發(fā)生。因此，優(yōu)選在使樣品至少與第一反射體10接觸 的情況下分析樣品。
金屬粒子13的間距可以是任意的，只要它們小于測量光L1的波長即 可，并且當(dāng)采用可見光作為測量光L1時(shí)，金屬粒子13的間距優(yōu)選不大于， 例如200nm。出于靈敏度的觀點(diǎn)，優(yōu)選金屬粒子13的間距盡可能小。
金屬粒子13的直徑可以是任意的，并且出于靈敏度的觀點(diǎn)，優(yōu)選盡 可能小。優(yōu)選金屬粒子13的直徑不大于通過光在金屬中振動(dòng)的電子的平 均自由行程，并且具體地，優(yōu)選不大于50nm并且更優(yōu)選不大于30nm。
優(yōu)選的是，如在第一實(shí)施方案的金屬細(xì)線11中那樣，金屬粒子13的 間距和直徑優(yōu)選盡可能小，原因在于單個(gè)金屬粒子13占據(jù)的表面比例相 對(duì)增加，并且金屬粒子13的表面特性更易于被反映為第一反射體10的總 體特性，從而可以獲得更高的靈敏度。
如在第一實(shí)施方案中一樣，在該實(shí)施方案中，通過第一反射體10后 進(jìn)入透明體20的光在第一反射體10和第二反射體30之間重復(fù)反射，以 產(chǎn)生由多重反射引起的多重干涉，并且表現(xiàn)出選擇性吸收滿足共振條件的 特定波長的吸收特性。而且，在光學(xué)共振器表面(第一反射體10)，產(chǎn)生由精細(xì)金屬凹陷/凸起結(jié)構(gòu)造成的局部等離子體激元共振。由于可以通過改變
透明體20的厚度d容易地改變由多重干涉產(chǎn)生的共振波長入r，因此通過 改變透明體20的厚度d使共振波長人r和局部等離子體激元共振波長Xlp 相互一致，從第一反射體10發(fā)出發(fā)射光L2，該發(fā)射光L2具有由局部等 離子體激元共振造成的反射峰Prf。
同樣在該實(shí)施方案中，當(dāng)樣品與第一反射體10和/或第二反射體30 (優(yōu) 選第一反射體IO)接觸時(shí)，與樣品接觸的反射體的平均復(fù)折射率(有效復(fù)折 射率)通過反射體和樣品的相互作用而變化，并且傳感器1的共振條件和局 部等離子體激元共振條件變化，從而吸收特性變化，并且當(dāng)吸收特性變化 時(shí)，發(fā)射光L2的物理性質(zhì)也根據(jù)傳感器3的吸收特性而變化。因此，通 過檢測發(fā)射光L2的物理性質(zhì)，可以分析樣品。
該實(shí)施方案的傳感器3如上所述布置。
該實(shí)施方案的傳感器3與第一實(shí)施方案基本上相同，不同之處在于第 一反射體10包含金屬層，因此，表現(xiàn)出與第一實(shí)施方案相同的效果。
盡管在該實(shí)施方案中己經(jīng)描述了其中第一反射體10包含將多個(gè)直徑 基本上相詞的金屬粒子13以矩陣形式規(guī)則地排列的金屬層的情形，但是 第一反射體10可以是分布式的并且可以處于任何圖案形式。第一反射體 10甚至可以處于隨機(jī)圖案形式。而且，盡管已經(jīng)描述了其中第二反射體 30包含固體金屬層的情形，但是第二反射體30可以像第一反射體10 —樣 包含金屬粒子層。當(dāng)采用這種布置時(shí)，第二反射體30具有半透/半反性， 可以采用與第二實(shí)施方案一樣的方式進(jìn)行分析。
傳感器的第四實(shí)施方案
以下，將參考圖5和6A至6C描述本發(fā)明的第四實(shí)施方案的傳感器。 圖5是該傳感器的透視圖，并且圖6A至6C是顯示圖5中所示傳感器的 制備方法的視圖。在該實(shí)施方案中，對(duì)于與第一實(shí)施方案類似的那些元件 給出相同的附圖標(biāo)記并且不再描述。
如圖5所示，與第一實(shí)施方案類似，根據(jù)該實(shí)施方案的傳感器4從測 量光Ll的入射側(cè)(在圖3從上面)依次包含表現(xiàn)出半透/半反性的第一反 射體10、透明體20和具有反射性的第二反射體30。在該實(shí)施方案中，與第一實(shí)施方案不同，透明體20由如圖6A所示通 過陽極氧化一部分要被陽極氧化的金屬(A1) 40獲得的金屬氧化物(Al203) 41形成，并且第二反射體30由圖6A中所示的要被陽極氧化的金屬(A1)40 的非陽極氧化部分(A1)42形成。第二反射體30具有反射性。
透明體20是配置有多個(gè)基本上直的細(xì)孔21的透光性細(xì)孔體，該細(xì)孔 21從第一反射體側(cè)延伸到第二反射體側(cè)。多個(gè)細(xì)孔21在第一反射體側(cè)的 面上開口，并且在第二反射體側(cè)的面上閉合。在透明體20中，多個(gè)細(xì)孔 21中的每個(gè)具有小于測量光Ll的波長的直徑，并且多個(gè)細(xì)孔21以小于 測量光Ll的波長的間距基本上規(guī)則地排列。
陽極氧化可以通過以下步驟進(jìn)行將要被陽極氧化的金屬40 (作為陽 極)與陰極一起浸漬在電解溶液中，并且跨過陽極和陰極提供電壓。盡管要 被陽極氧化的金屬40的形狀不受限制，但是優(yōu)選要被陽極氧化的金屬40 在形狀上類似板等?？梢允褂脦е误w的那些，如其中在支撐體上以層的 形式形成要被陽極氧化的金屬40的膜的那些。作為陰極，使用例如碳或 鋁。作為電解溶液，可以優(yōu)選使用酸性電解溶液，其包括但不限于硫酸， 磷酸，鉻酸，草酸，氨基磺酸，苯磺酸或胺基磺酸(amidosulfonicacid沖的 -種或多種。
如圖6A至6C所示，當(dāng)陽極氧化將要被陽極氧化的金屬40時(shí)，氧化 從表面40s開始，基本上垂直于表面40s進(jìn)行并且形成金屬氧化物(^203) 41。通過陽極氧化形成的金屬氧化物41具有其中排列許多在平面上為規(guī) 則六邊形的細(xì)柱狀體41a而在它們之間沒有空間的結(jié)構(gòu)?；旧显诿總€(gè)細(xì) 柱狀體41a的中心處，從表面40s沿深度方向基本上直線延伸的細(xì)孔21 是開口的，并且每個(gè)細(xì)柱狀體41a的底部的形狀是圓的。由陽極氧化形成 的金屬氧化物的結(jié)構(gòu)公開于，例如，"由陽極氧化制備中孔氧化鋁及其對(duì)
功育&材料-的應(yīng)用(Preparation of meso-porous Alumina by Anode Oxidation and Application thereof to functional Material)", H. Masuda， "Material
Technology",第34頁，第15巻，第10期，1997中。
作為進(jìn)行陽極氧化以形成規(guī)則排列的金屬氧化物體41的合適條件，
可以示出例如以下條件當(dāng)采用草酸作為電解溶液時(shí)，電解溶液的濃度為
0.5M，電解溶液的溫度為14至16°C，并且跨過陽極和陰極提供的電壓為40至40±0.5 V。在這些條件下形成的細(xì)孔21的直徑為5至200nm并且間 距為10至400nm。
在該實(shí)施方案中，第一反射體10是通過例如金屬沉積形成到透明體 20上的，并且包含沿透明體20表面輪廓形成的金屬層。由于在其中細(xì)孔 21開口的透明體部分中不形成金屬膜，因而第一反射體IO具有其中將許 多細(xì)金屬體15排列而在它們之間沒有空間的結(jié)構(gòu)，所述細(xì)金屬體15的每 個(gè)具有基本上位于其中心的細(xì)孔16并且在平面上是正則六邊形。由于第 一反射體10的細(xì)孔16是以與透明體20的細(xì)孔21相同的圖案形成的，因 而多個(gè)細(xì)孔16中的每個(gè)具有小于測量光L1的波長的直徑，并且多個(gè)細(xì)孔 16以小于測量光L1波長的間距基本上規(guī)則地排列。
第一反射體10盡管是由反射性金屬形成的，但是由于其具有多個(gè)細(xì) 孔16，每個(gè)細(xì)孔16是空的空間，因此表現(xiàn)出透光性，并且在整體上表現(xiàn) 出半透/半反性。由于包含許多基本上規(guī)則排列的細(xì)金屬體15，每個(gè)細(xì)金 屬體15具有基本上位于其中心的細(xì)孔16，小于測量光Ll的波長并且在 平面上是正則六邊形，因此第一反射體IO具有小于測量光LI波長的凹陷 /凸起結(jié)構(gòu)(有時(shí)稱作"不規(guī)則")。由于凹陷/凸起結(jié)構(gòu)小于光的波長，第一反 射體10在該實(shí)施方案中也對(duì)光起膜作用并且通過所謂的電磁網(wǎng)屏蔽效應(yīng) 表現(xiàn)出半透/半反性。
同樣，該實(shí)施方案的傳感器4是這樣的傳感器，其中第一反射體10 和第二反射體30的平均復(fù)折射率根據(jù)與第一反射體10和第二反射體30 接觸的樣品而變化，并且可以通過將樣品與第一反射體10和/或第二反射 體30接觸放置來分析樣品。
由于第一反射體IO具有小于測量光LI的波長的平面上為正則六邊形 的細(xì)金屬體15所形成的凹陷/凸起結(jié)構(gòu)，出于與第一實(shí)施方案中相同的原 因，平均復(fù)折射率的變化在第一反射體10中以更高的靈敏度發(fā)生。因此， 優(yōu)選在將樣品至少與第一反射體10接觸的情況下分析樣品。
金屬體15的間距(細(xì)孔16的間距)可以是任意的，只要它們小于測量 光L1的波長即可，并且當(dāng)采用可見光作為測量光L1時(shí)，金屬體15的間 距優(yōu)選不大于，例如200nm。出于靈敏度的觀點(diǎn)，優(yōu)選金屬體15的間距 盡可能小。相鄰細(xì)孔16之間的間隔(相鄰細(xì)孔16之間的金屬體15的寬度W)可 以是任意的，并且出于靈敏度的觀點(diǎn)，優(yōu)選盡可能小。寬度W相當(dāng)于第 一和第三實(shí)施方案中金屬細(xì)線11的寬度和金屬粒子13的直徑。寬度W優(yōu) 選不大于通過光在金屬中振動(dòng)的電子的平均自由行程，并且具體地，寬度 W優(yōu)選不大于50nm并且更優(yōu)選不大于30nm。
優(yōu)選的是，如第一實(shí)施方案中的金屬細(xì)線11 一樣，金屬體15的間距 和寬度優(yōu)選盡可能小，原因在于金屬粒子13的表面特性更易于被反映為 第 -反射體10的總體特性，從而可以獲得更高的靈敏度。
在該實(shí)施方案的傳感器4中，由于第二反射體30由要被陽極氧化的 金屬40的非陽極氧化部分(A1) 42形成，因此第二反射體30在其表面上配 置有精細(xì)不規(guī)則。因此，與第一和第三實(shí)施方案不同，在具有反射性的第 二反射體30中也發(fā)生局部等離子體激元共振。
在該實(shí)施方案的傳感器4中，優(yōu)選將金屬充填在細(xì)孔21的底部。充 填在細(xì)孔21的底部的金屬可以在形成第一反射體10時(shí)沉積在細(xì)孔21的 底部。在這種情況下，由于將金屬充填在形成于透光性金屬氧化物的細(xì)柱 狀體41a中并且在裝置中基本上規(guī)則地排列的細(xì)孔21的底部，因此在裝 置中發(fā)生更有效的局部等離子體激元共振，并且可以進(jìn)行更靈敏的測量。
充填在細(xì)孔21底部的金屬可以是任意的，只要其是與第一反射體一 樣的金屬即可，并且優(yōu)選為金(Au)，銀(Ag)，銅(Cu)，鎳(Ni)或鈦(Ti)，而 且特別優(yōu)選金(Au)和銀(Ag)。在這種情況下，由于局部等離子體激元共振 發(fā)生在第一反射體的表面和細(xì)孔21的底部，因此優(yōu)選充填在細(xì)孔21底部 的金屬是與第一反射體10的金屬相同種類的金屬，以獲得更有效的局部 等離子體激元共振。
如在第一實(shí)施方案中一樣，同樣在該實(shí)施方案中，通過第一反射體IO 并且進(jìn)入透明體20的光在第一反射體10和第二反射體30之間重復(fù)反射， 由多重反射引起的多重干涉發(fā)生，并且在滿足共振條件的特定波長共振。 通過共振，表現(xiàn)出選擇性吸收滿足共振條件的特定波長的光的吸收特性。 在光學(xué)共振器表面和內(nèi)部(第一反射體10和第二反射體30)，由于其表面 上的精細(xì)不規(guī)則，產(chǎn)生局部等離子體激元共振。由于在該實(shí)施方案中同樣 可以通過改變透明體20的厚度d容易地改變由多重干涉產(chǎn)生的共振波長Xr，因此通過改變透明體20的厚度d使共振波長Xr和局部等離子體激元 共振波長人lp相互一致，從第一反射體10發(fā)出發(fā)射光L2，該發(fā)射光L2 具有由局部等離子體激元共振引起的反射峰Prf。
當(dāng)樣品與第一反射體10和/或第二反射體30 (優(yōu)選第一反射體IO)接觸
時(shí)，與樣品接觸的反射體的平均復(fù)折射率(有效復(fù)折射率)通過反射體和樣 品的相互作用而變化，并且傳感器4的共振條件和局部等離子體激元共振 條件變化，從而吸收特性變化。由于發(fā)射光L2的物理性質(zhì)隨著傳感器4 的吸收特性而變化，因此通過檢測發(fā)射光L2的物理性質(zhì)，可以分析樣品。 該實(shí)施方案的傳感器4如上所述布置。
該實(shí)施方案的傳感器4基本上與第一實(shí)施方案相同，不同之處在于透 明體20包含透光性細(xì)孔構(gòu)件，該透光性細(xì)孔構(gòu)件具有開口于面對(duì)第一反 射體10的面的多個(gè)細(xì)孔21，并且第一反射體10包含沿透明體20表面輪 廓形成的金屬層，因此，表現(xiàn)出與第一實(shí)施方案相同的效果。
由于是基于陽極氧化制備的，優(yōu)選該實(shí)施方案的傳感器3，原因在于 可以容易地制備傳感器4，其中透明體20的細(xì)孔21和第一反射體10的細(xì) 孔16是基本上規(guī)則排列的。然而，這些細(xì)孔可以是隨機(jī)排列的。
盡管在該實(shí)施方案中將金屬僅填充在細(xì)孔21底部，但是可以將金屬 以更大的部分填充在細(xì)孔21內(nèi)部。然而，在這種情況下，被充填的金屬 的量應(yīng)在以下范圍內(nèi)其中通過第一反射體10并且進(jìn)入透明體20的光在 第一反射體10和第二反射體30之間重復(fù)反射，并且發(fā)生由多重反射光引 起的多重干涉。
盡管作為在透明體20制備中使用的要被陽極氧化的金屬40的主要組 分，在該實(shí)施方案中僅顯示了 Al，但是可以使用任何金屬，只要其可以被 陽極氧化并且產(chǎn)生的金屬氧化物是透光性的即可。除Al之外，還可以使 用Ti， Ta， Hf， Zr， Si, In， Zn等。要被陽極氧化的金屬40可以包括可 以被陽極氧化的兩種以上的金屬。
盡管在該實(shí)施方案中描述了其中第一反射體10具有反射性的情形， 但是可以通過整個(gè)陽極氧化要被陽極氧化的金屬40，或通過陽極氧化一部 分要被陽極氧化的金屬40，并且除去要被陽極氧化的金屬40的非陽極氧 化部分42及其附近部分，獲得其中細(xì)孔21貫穿透明體20的透明體20。
20當(dāng)沿著透明體20的表面輪廓形成第二反射體30時(shí)，可以制備如第一反射 體10—樣具有半透/半反性的第二反射體30，并且可以如第二實(shí)施方案中 一樣進(jìn)行樣品分析。
設(shè)計(jì)變化的實(shí)例
在本發(fā)明的傳感器中，第一反射體10和第二反射體30可以在其布置 和其組合方面被改變。例如，可以通過組合第一至第四實(shí)施方案的第--反 射體10和第二反射體30布置本發(fā)明的傳感器。
傳感系統(tǒng)
將參考圖7A至7C描述根據(jù)本發(fā)明第一至第四實(shí)施方案的傳感系統(tǒng)。 在這些實(shí)例中，采用反射型傳感器或半透/半反型傳感器。
圖7A至7C中所示的本發(fā)明實(shí)施方案的傳感系統(tǒng)5至7包含本發(fā)明 的傳感器S、將測量光投射到傳感器S上的測量光投射裝置60和檢測作 為發(fā)射光L2的反射光的物理性質(zhì)的檢測器70，并且采用測量光投射裝置 60和檢測器70的各種組合。對(duì)類似元件給出相同的附圖標(biāo)記。由于傳感 系統(tǒng)5至7是反射型傳感器，因此光入射表面Sin與光出射表面相同，并 且包括本發(fā)明傳感器S的第一反射體10。
由于本發(fā)明的傳感器發(fā)出具有對(duì)如上結(jié)合上述本發(fā)明第一至第四實(shí) 施方案所述的裝置結(jié)構(gòu)所特有的反射峰Prf的發(fā)射光L2，因此使用本發(fā)明 傳感器的傳感系統(tǒng)通過檢測發(fā)射光L2的強(qiáng)度、強(qiáng)度變化率、反射峰波長 Xrf和反射峰波長Xrf的位移中的至少一個(gè)，進(jìn)行樣品的分析。
傳感系統(tǒng)5是這樣的系統(tǒng)，其中測量光投射裝置60包括寬光源61如 鹵素?zé)?、氙燈或氪燈，并且檢測器70包括分光裝置71和數(shù)據(jù)處理部分72。 如果必要，測量光投射裝置60可以配置有光學(xué)波導(dǎo)系統(tǒng)，包括用于使從 光源61發(fā)出的光變平行的準(zhǔn)直透鏡和/或會(huì)聚透鏡。
傳感系統(tǒng)5通過以下步驟分析樣品(光譜和反射峰參見屈2C):用測量 光投射裝置60將寬的光(作為測量光Ll)投射到傳感器S上，用檢測器70 獲得作為發(fā)射光L2的反射光的光譜，并且從在隨著傳感器的光吸收特性 而變化的參考條件下獲得的那些中檢測發(fā)射光L2的反射峰波長人rf和發(fā)射光L2的反射峰波長人rf的位移。
傳感系統(tǒng)6是這樣的系統(tǒng)，其中測量光投射裝置60包括單波長光源 62如激光器或發(fā)光二極管，并且檢測器70包括光強(qiáng)檢測器73如光電二極 管，和數(shù)據(jù)處理部分72。同樣在傳感系統(tǒng)6中，如果必要，測量光投射裝 置60可以配置有光學(xué)波導(dǎo)系統(tǒng)，包括用于使從光源61發(fā)出的光變平行的 準(zhǔn)直透鏡和/或會(huì)聚透鏡。
傳感系統(tǒng)6通過以下步驟分析樣品用測量光投射裝置60將單波長 光(作為測量光Ll)投射到傳感器S上，并且用檢測器73檢測作為發(fā)射光 L2的反射光的強(qiáng)度?？梢酝ㄟ^檢測任意波長的測量光Ll的發(fā)射光L2的 強(qiáng)度來分析樣品，原因在于任意波長的發(fā)射光的強(qiáng)度變化。然而，當(dāng)采用 接近反射峰波長Xrf的波長時(shí)，可以以高的靈敏度分析樣品。
在傳感系統(tǒng)6中，可以通過使用以下測量光投射裝置60代替使用單 波長光源62進(jìn)行類似的樣品分析，該測量光投射裝置60包括寬光源61; 和波長分布改變裝置63如分光器，其只從光源61發(fā)出的光中取出特定波 長的光。
傳感系統(tǒng)7是這樣的系統(tǒng)，其中測量光投射裝置60包括寬光源61和 波長分布改變裝置63如分光器，其只從光源61發(fā)出的光中取出特定波長 的光并且可以隨時(shí)間改變從光源61取出的光的波長，并且檢測器70包括 光強(qiáng)檢測器73和數(shù)據(jù)處理部分72。將從波長分布改變裝置63取出的特定 波長光的波長數(shù)據(jù)和通過光強(qiáng)檢測器73獲得的光強(qiáng)的強(qiáng)度數(shù)據(jù)輸入數(shù)據(jù) 處理部分72并且進(jìn)行處理。同樣在傳感系統(tǒng)7中，如果必要，測量光投 射裝置60可以配置有光學(xué)波導(dǎo)系統(tǒng)，包括準(zhǔn)直透鏡和/或會(huì)聚透鏡。
傳感系統(tǒng)7通過以下步驟分析樣品用測量光投射裝置60將單波長 光(作為測量光Ll)投射到傳感器S上并且隨時(shí)間改變被投射到傳感器S上 的單波長光的波長；用檢測器73隨時(shí)間測量作為發(fā)射光L2的反射光的強(qiáng) 度，以獲得與圖2C所示光譜類似的光譜，從而從在參考條件下獲得的那 些中檢測發(fā)射光L2的反射峰波長Xrf或發(fā)射光L2的反射峰波長Xrf的位 移。
如上通過實(shí)例所述，可以通過從發(fā)射光L2在參考條件下獲得的那些 中檢測強(qiáng)度、強(qiáng)度變化率、反射峰波長人rf和反射峰波長人rf的位移中的至少一個(gè)分析樣品。
在傳感系統(tǒng)5至7中，可以分析樣品的折射率和/或濃度，并且可以甚 至通過分析樣品的折射率識(shí)別樣品。而且，通過在使和特定材料特異性結(jié) 合的結(jié)合材料與傳感器S的接觸側(cè)接觸后使樣品與傳感器S接觸，將測量
光Ll投射到傳感器S上并且檢測發(fā)射光L2，可以分析樣品中是否存在特
定材料和/或特定材料的量。
而且，優(yōu)選反射型傳感系統(tǒng)5至7，原因在于檢測器70只接收由傳感 器S的第一反射體IO發(fā)出的發(fā)射光L2中的非直接反射成分，并且檢測發(fā) 射光L2的物理性質(zhì)。直接反射成分強(qiáng)度大，并且在被檢測的發(fā)射光L2 中包括直接反射成分時(shí)，擔(dān)心降低被本征檢測的發(fā)射光的物理性質(zhì)的S/N 比以及降低檢測精度。
由于類似的原因，在反射型傳感系統(tǒng)5至7中，優(yōu)選將測量光投射裝 置60定位以從與傳感器S的光入射表面S,n (第一反射體IO)不成90°的方 向?qū)y量光Ll投射到傳感器S上。
盡管僅描述了反射型傳感系統(tǒng)，但是配置有透射型傳感器或半透/半反 型傳感器并且用于檢測透射光的透射型傳感系統(tǒng)僅必須這樣布置，例如通 過將檢測器70朝向第二反射體30定位，使得檢測器70檢測透射光。
實(shí)施例 (實(shí)施例1)
在采用FDTD方法的電磁場分析模擬中，模擬在采用白光作為測量光 時(shí)由本發(fā)明傳感器獲得的光譜，以檢驗(yàn)樣品吸附前后的光譜變化。作為模 擬中使用的模型，采用第四實(shí)施方案的傳感器4。
圖8A是被采用作為模型的傳感器4的深度方向上的橫截面圖，在圖 8A中，在觀察模擬條件中，出于簡化目的以放大的比例顯示了一根細(xì)柱 狀體。由于被采用作為模型的傳感器4的總體布置示于圖3中，因此對(duì)于 與圖3中所示那些類似的元件給出相同的附圖標(biāo)記并且不再描述。
如圖8A中所示，在被采用作為模型的傳感器中，被陽極氧化的金屬 40=A1，細(xì)孔21的直徑q^50nm，間距P400nm，第一反射體10=Au，沉 積的第一反射體的厚度〈Onm，透明細(xì)孔體(Al203) 41的厚度d =400nm，并且底部A1203的厚度db =20nm，而且將與第一反射體10相同的金屬Au 以20nm的厚度沉積到細(xì)孔21的底部，并且與傳感器接觸的樣品是通過將 其折射率為1.7的吸附材料分散在水中獲得的那些。
在模擬中，計(jì)算當(dāng)使任意波長的單波長光基本上垂直地進(jìn)入第一反射 體表面時(shí)發(fā)射光的反射率，以檢驗(yàn)來自傳感器4的發(fā)射光的吸收特性。結(jié) 果示于圖8B中。
圖8B是通過將來自傳感器4表面(第一反射體IO)的每一波長的發(fā)射 光的反射率作圖而獲得的，并且顯示了傳感器的吸收特性。
在示出的光譜中，由于本發(fā)明的傳感器布置而出現(xiàn)的反射峰是在 800nm附近出現(xiàn)的峰。反射峰基本上從0基線開始出現(xiàn)，并且已經(jīng)證實(shí)， 采用本發(fā)明的傳感器，實(shí)現(xiàn)了使用S/N比高的峰的傳感。而且，由于與其 它峰相比，吸附前后的光譜位移量大，因此發(fā)現(xiàn)釆用本發(fā)明的傳感器，可 以以優(yōu)異的靈敏度進(jìn)行傳感。
本發(fā)明的傳感器可以適宜地用作例如，生物傳感器。
權(quán)利要求
1. 一種傳感器，其將入射到樣品中的測量光以根據(jù)所述樣品具有不同的物理性質(zhì)的發(fā)射光的形式發(fā)出，所述傳感器包括光學(xué)共振器，其中將表現(xiàn)出半透/半反性的第一反射體、透明體和具有反射性或半透/半反性的第二反射體一個(gè)接一個(gè)按序?qū)訅?，由所述光學(xué)共振器中的共振引起的所述測量光的吸收峰與在所述光學(xué)共振器的表面和/或內(nèi)部產(chǎn)生的局部等離子體激元共振所引起的所述測量光的吸收峰基本上一致。
2. 如權(quán)利要求1所述的傳感器，其中所述第一反射體和/或第二反射 體具有小于所述測量光的波長的凹陷/凸起結(jié)構(gòu)。
3. 如權(quán)利要求2所述的傳感器，其中所述第一反射體和/或第二反射體是在所述透明體的表面上以圖案方式形成的金屬層。
4. 如權(quán)利要求2所述的傳感器，其中所述第一反射體和/或第二反射 體是由固著到所述透明體的表面上的多個(gè)金屬粒子形成的金屬層。
5. 如權(quán)利要求2所述的傳感器，其中所述透明體包含具有多個(gè)細(xì)孔的 透明細(xì)孔體，所述多個(gè)細(xì)孔開口于面對(duì)所述第一反射體的表面中且直徑小 于所述測量光的波長，并且所述第一反射體是具有多個(gè)與所述透明體中的 所述細(xì)孔對(duì)應(yīng)的細(xì)孔的金屬層。
6. 如權(quán)利要求5所述的傳感器，其中所述透明細(xì)孔體由通過陽極氧化 要被陽極氧化的金屬的一部分獲得的金屬氧化物形成，所述第二反射體由 所述要被陽極氧化的金屬的非陽極氧化部分形成，并且所述第一反射體是 形成在所述透明體上的金屬層。
7. 如權(quán)利要求5或6所述的傳感器，其中所述透明細(xì)孔體的所述多個(gè) 細(xì)孔的一部分填充有金屬。
8. 如權(quán)利要求5或6所述的傳感器，其中所述透明細(xì)孔體的所述多個(gè) 細(xì)孔的底部填充有金屬。
9. 一種傳感系統(tǒng)，其包含如權(quán)利要求1至8中任何一項(xiàng)所述的傳感器，光投射裝置，所述的光投射裝置將測量光投射到所述傳感器上，和檢測器，所述的檢測器檢測來自所述傳感器的發(fā)射光的物理性質(zhì)。
10. 如權(quán)利要求9所述的傳感系統(tǒng)，其中所述檢測器檢測來自所述傳 感器的所述發(fā)射光的強(qiáng)度、強(qiáng)度變化率和物理性質(zhì)中的至少一個(gè)。
11. 如權(quán)利要求9或IO所述的傳感系統(tǒng)，其中所述傳感器是其中至少 從所述第一反射體發(fā)出所述發(fā)射光的傳感器，并且所述檢測器只接收根據(jù) 所述測量光從所述第一反射體發(fā)出的所述發(fā)射光的非直接反射成分的光， 并且檢測其物理性質(zhì)。
12. 如權(quán)利要求9至11中任何一項(xiàng)所述的傳感系統(tǒng)，其中所述光投射 裝置被定位成將所述測量光從不與所述傳感器的光入射表面成90°的方向 投射到所述傳感器上。
13. 如權(quán)利要求9至12中任何一項(xiàng)所述的傳感系統(tǒng)，其中分析樣品的 折射率和/或濃度。
14. 如權(quán)利要求9至13中任何一項(xiàng)所述的傳感系統(tǒng)，其中通過分析所 述樣品的折射率識(shí)別所述樣品。
15. —種傳感方法，所述方法包括以下步驟在使與特定材料特異性結(jié)合的結(jié)合材料和如權(quán)利要求1至8中任何一 項(xiàng)所述的傳感器的接觸側(cè)接觸后，使樣品與所述傳感器接觸， 將測量光投射到所述傳感器上，和檢測所述傳感器發(fā)出的光的物理性質(zhì)，從而分析在所述樣品中是否存 在所述特定材料和/或所述特定材料的量。
全文摘要
傳感器(1、2、3、4)將入射到樣品中的測量光(L1)以根據(jù)所述樣品具有不同的物理性質(zhì)的發(fā)射光的形式發(fā)出。該傳感器包括光學(xué)共振器，其中將表現(xiàn)出半透/半反性的第一反射體(10)、透明體(20)和具有反射性或半透/半反性的第二反射體(30)一個(gè)接一個(gè)按序?qū)訅?。由所述光學(xué)共振器中的共振引起的所述測量光的吸收峰與在所述光學(xué)共振器的表面和/或內(nèi)部產(chǎn)生的局部等離子體激元共振引起的所述測量光的吸收峰基本上一致。
文檔編號(hào)G01N21/27GK101473213SQ200780022628
公開日2009年7月1日 申請日期2007年6月22日 優(yōu)先權(quán)日2006年6月22日
發(fā)明者納谷昌之, 谷武晴 申請人:富士膠片株式會(huì)社