[发明专利]管状波导式等离子体激元共振感测装置及感测系统

说明书

技术领域

本发明涉及一种等离子体激元共振感测装置及感测系统，特别涉及一种应用管状波导组件作为待测物质载体的表面等离子体激元共振感测系统。

背景技术

目前，表面等离子体激元共振的现象指的是，当光源以某一固定入射角入射在金属表面时，光检测器检测到的反射光强度会接近零，也就是金属膜的反射率近于零，未反射的光将沿着平行界面方向以一定的速度传播，激发金属的表面等离子体激元共振，这就是全反射衰逝法(Attenuated Total Reflection：ATR)。

表面等离子体激元共振感测系统是利用上述表面等离子体激元共振的现象所制成的感测系统，因为表面等离子体激元共振感测器具有高灵敏度、无须对待测物质分子做任何标记、可实时地分析分子间的交互作用、检测速度快、可定量并可大量平行筛检等种种优点，因此对于生物分子的检测，已有广泛的应用。

金属纳米粒子表面上的自由电子云能受到特定频率的电磁场所激发，进而以集体式偶极共振的现象反应出来，但此时这些活泼的电子云却被局限在纳米微粒附近，所以又被称为定域等离子体激元共振(Localized Plasmon Resonance，LPR)。有趣的是，当金属纳米粒子感受到环境折射率改变时，该定域等离子体激元共振的频率与强度也会随之产生变化。若观察金属纳米粒子的吸收光谱，能发现当环境折射率上升时，其定域等离子体激元共振的吸收波带会往长波长处位移，并伴随着吸收度上升的现象；另外若从散射光的特性来观察，则会发现当环境折射率上升时，其散射光的光谱同样也会往长波长处偏移，并伴随着光强度增强的现象。

近几年来纳米材料的发展越来越成为大家研究的焦点，例如光电、通信、医学仪器等都纷纷加入纳米材料的研究与应用，而纳米材料之所以如此受到青睐，是因为纳米材料提供与原先物质所产生完全不同的特性的性质。公知技术是利用目前圆球形金纳米粒子激发出定域等离子体激元共振(Localized Plasmon Resonance：LPR)来取代传统使用金薄膜激发表面等离子体激元共振(Surface Plasmon Resonance：SPR)，从而提高感测器的灵敏度。目前纳米粒子的合成方法已经非常纯熟，方法大致上有化学及物理两种方式。物理的方法有金属气化法、激光侵蚀法、溅镀法等，其中以金属气化法最为常用。化学的方法有还原法、电解法等，其中以还原法最为常用也最为重要。然而科技日新月异，对于感测器灵敏度的需求也不断提高；因此，将感测器灵敏度作大幅提升，是当前急需进行的研究与解决的课题。

发明内容

有鉴于上述课题，本发明的目的在于提出一种利用光波导技术产生多次全反射与反射界面处的渐逝波(Evanescent wave)现象来累积定域等离子体激元共振的能量变化。如背景技术内容所描述的，金属纳米粒子感受到环境折射率的改变时，其LPR的共振能量也会产生变化，因此其吸收光光谱或是散射光光谱同样也会受到影响。而在波导现象中，每一次的反射界面处，特定频率的光能量都会与金属纳米粒子的LPR现象产生作用。因此当反射次数越多时，此频率处的光能量所受到的影响就越明显。若从光衰逝的特性来看，入射光经多次全反射，使得波导的出光信号减弱；若从散射光的特性来观察，则能发现散射光强度的增加。综合而言，通过全反射现象能累积LPR信号的变化量，因此也就能达到灵敏度提高的目的了。最后再利用管状波导定域等离子体激元共振(Localized Plasmon Resonance，LPR)感测单元作为待测物质的盛装容器，以阵列式方式排列，再配合光源与光感应组件，便能达到高效率高输出的感测能力。

为了达到上述的目的，本发明提出一种等离子体激元共振感测装置，该装置包括波导组件，所述波导组件具有管状内壁和分布于所述管状内壁表面并接触待测物质的贵金属纳米粒子层，且引入入射光与所述贵金属纳米粒子层作用，以判读所述待测物质。

为了达到上述的目的，本发明还提出一种等离子体激元共振感测系统，该系统包括：至少一个光源，提供至少一束入射光；至少一个波导组件，具有管状内壁；贵金属纳米粒子层，分布于所述管状内壁以接触待测物质；至少一个光探测器，用于探测与所述贵金属纳米粒子层作用后所射出的至少一束出射光，以判读所述待测物质；所述波导组件引入所述入射光与所述贵金属纳米粒子层作用。

承上所述，本发明利用多次全反射的波导现象去累积LPR信号变化量，由此提高了信噪比，且由于使用了管状构形的波导基材，因此具有体积小、构形良好的优点，若以阵列式方式组装，则可开发一种具有高灵敏感测能力同时具有高效能输出的LPR感测技术。