檢測電介質折射率變化的設備和方法
2023-07-11 16:46:21 2
專利名稱：檢測電介質折射率變化的設備和方法
技術領域：
本發明涉及表面等離子體振子共振現象，檢測電介質折射率的變化。
背景技術：
用表面等離子體振子共振檢測法(SPR)來檢測鄰近金屬表面的電解液折射率是通常所用的方法。
表面等離子體振子波是橫向磁化的電磁波，它從金屬和電介質的連接界面傳播，在連接處的金屬性質與自由電子相似。等離子體振體波以傳播矢量(波矢)的形式表現，在滿足一定條件下才會被激發。如果金屬介質和電介質是半無限的，那麼等離子體振子傳播矢量ksp由如下方程給出kSP=2nmndnm2+nd2=2mdd+d]]>這裡λ表示波長，nm和nd分別表示金屬和電介質的折射率(εm和εd表示電介質常數，n=]]>)。
等離子體振子共振現象的產生，需要滿足以下條件金屬的電介質常數的實部為負，Re[εm]＜0，Re[εd]＜-Re[εm]，並且產生的波必須是橫向磁化(TM)的。滿足這些條件的金屬中，金和銀是最常用的。在金屬和電介質的連接界面，表面等離子體振子的電磁場具有最大的磁場強度，並向介質中指數衰減，圖1中清楚的顯示了這一現象(圖中顯示了在金屬100和電介質200連接界面處波的指數衰減)。
由此可知，表面等離子體振子波的激發很大程度上取決於電介質的電介質常數(或折射率)。
激發這種表面波有很多方法，例如，可用電子激發的方法或光照激發的方法。然而表面等離子體振子波不能由在金屬表面反射的燈光直接激發。因為光的波矢遵守下列方程kLIGHT=2dsin]]>
這裡θ是光的入射角，λ為波長。為了使激發產生，兩者波矢必須相等。在光入射角為任意值時，比較等離子體振子波矢和光波矢如下|kLUZ|＜|kSP|還有幾種技術可以應用於用光激發表面等離子體振子波，在這其中，我們強調以下幾點a)稜鏡耦合技術(如圖2中所示)這裡用到稜鏡10，折射率為np，電介質常數為εp的電介質200，這裡由於光路的改變使εp＞εd，在這兩者之間還放置了一個具有特定厚度(由光波的波長和所用金屬決定)的金屬薄板。在圖2中，kx0是光波矢量在空氣中的分量，與折射表面平行(ε0是空氣電介質常數)，kxp是光波矢量在稜鏡中的分量，與反射表面平行(εp是稜鏡電介質常數)，kSP是等離子體振子的傳播矢量。
激發現象由光在稜鏡和金屬之間的全反射產生，等離子體振子就在金屬和電介質的連接界面上產生，測量也這裡進行。在配置中，金屬層的厚度是用來決定等離子體振子共振的最根本的參數。最佳的厚度可由很多種方法得出，如可通過M.Shuber的Polarization-dependent optical parameters of arbitrarily anisotropichomogeneous layered media，Physical Review B，vol.53，p.4265(1996)一文中的公式得出。
(b)設計周期性的結構，如金屬層上的柵格。用這種方法，將產生光的衍射現象，它將指向周期結構，並導致光波矢量的增強。
kLIGHT=2dsin+N2]]>這裡，Λ是周期結構的周期，N為光的衍射次數。用這種方法，金屬層的厚度不再是重要的參數，但是周期和周期結構的深度將十分重要。
(c)用波導設備或光導纖維引導光。激發現象通過光在波導設備或光導纖維的核心處被限制而產生的逐漸消失的場來產生。
傳統上，這些由光的入射激發表面等離子體振子的方法往往被用於測量/檢測電介質折射率變化的的系統中(可能，特別用於稜鏡耦合系統中)。
這些測量和檢測系統基於一個事實，就是等離子體振子共振的激發條件取決於電介質的折射率nd。這就意味著，如果折射率改變，等離子體振子的激發條件也會相應的改變。在共振的時候，這種變化可以由不同的方法檢測到，如在波長一定的條件下，在配置好的稜鏡耦合設備中，由光的入射角來分析光從金屬的反射。
圖3A給出了一種測電介質折射率變化的已知設備，其中包含一個帶有橫向磁化偏振的單色光源20(也就是「TM偏振」或者是「p偏振」，如在光的入射表面的電場)，一個光強檢測器30，它連接到一個電子數據處理設備40，這個設備用來接收分析光強檢測器的輸出。另外，此設備還包含一個耦合稜鏡10，一個薄金屬層100(通常是金)，它放在稜鏡10表面上，在金屬層另一表面還有一個電介質200(如液體)，也就是與金屬層表面接觸，但不與稜鏡表面接觸。光21經金屬層反射，並且反射光指向光強探測器30，用它來探測光的強度並由電子數據處理設備40記錄其數據。
圖3B給出了稜鏡10和金屬層100如何根據光源20旋轉，從而使得光的入射角θ21取不同值(這可以通過同時或分別移動光源和由稜鏡10和金屬層100組成的單位體實現)。
正如上面所解釋的，等離子體振子的激發條件依賴於幾個因素，如光的波長，入射角θ和折射率nd。如果所示配置的初始入射角很小，並且逐漸增加，當它達到一個值時，全反射就會在稜鏡10和金屬平面或金屬層100的相交界面發生。如果這個入射角θ繼續增加，反射的光強將發生很大衰減，直到一個最小值，這時等離子體振子波的激發現象將金屬的另一表面同時進行。等離子體共振的激發條件依賴於入射角θ和電介質折射率(nd)，當其它參數(如電介質常數εm和其它金屬層特性)保持不變，電介質折射率(nd)和入射角θ的改變將導致最小強度反射光的產生。
圖4表示在兩個不同折射率(nd1＜nd2)下的，以入射角θ為自變量，反映與TM偏振相關的反射光強度(由檢測器30測出)的函數的曲線。正如圖中觀察可知，折射率從nd1到nd2的增長引起了Rpp(θ)曲線向右邊的移動，這是由於入射角的增長，從而產生等離子體振子的激發。用這種方法，通過掃描θ值，產生激勵現象的角度變化就能夠被計算出來，並且這個變化涉及了電介質200的折射率的變化。
也就是說，量化在共振發生時角度的變化提供了一種測量折射率變化的方法。另一方面，根據共振時曲線的狹窄的程度，共振時角度變化的靈敏度也可以被檢測出來。在這種方法實行依賴於所用金屬，層的厚度和光的波長。通常配置為50nm的金層和632nm的波長。
另一種檢測折射率變化的方法是保持入射角θ一定，去測量反射率(在圖4中，如果使θ＝72，折射率從nd1到nd2的增加將能由反射率的增加表示出來，等等)。在上面的情況下，傳感器的靈敏度取決於共振頂點的狹窄程度。
如果不是改變入射角θ，而是改變光的波長，則也可以達到同樣的效果，當與金質層相臨近的電介質的折射率發生改變的時候，諧振波峰就會發生移動。這同樣適合與周期性結構激發和波導管激發。
現在，有很多的系統可以檢測出基於表面等離子體振子共振的折射率變化；已公開的此類系統有US-A-5912456US-A-5485277US-A-2003103208顯然，這種傳感器的直接應用就是折射計(用於測量折射率的變化量)。然而，目前，這種傳感器另一個重要的應用就是生物傳感器和化學傳感器。電介質內的表面等離子體振子波的漸消失場的穿透距離是100nm。因此，發生在金屬層表面的生物分子的相互作用將局部地改變表面折射率。這種變化將會輪流地在等離子體振子的傳播矢量上引起變化，並且，結果是，使其處於共振狀態。通過前面提到的方法可以找到這個變化。
如圖5所示，生物傳感器的使用是基於預先將受體生物210固定於金屬層表面100。這些受體生物可以被選擇性地限制為分析物分子220，且其可以被找到其可以存在於與金屬層相接觸的液體中。當分析物分子220被限定為受體生物210時，金屬層表面的折射率將會再次局部發生改變，而這將會輪流改變等離子體振子共振條件。
目前，有許多的商業設備，還有很多的文章描述不同類型的測量設備和這種傳感器的應用。
表面等離子體共振傳感器在檢測折射率變化方面一般具有很高的靈敏度，就像低生物濃聚物一樣的好。然而，有時候，他們卻不夠靈敏，例如目前我們都知道，傳感器在檢測折射率變化量低於10-5，當用作生物傳感器時分子的重量很輕(低於1000單位原子量)時存在問題。用這種方法去檢測特定的物質比如化學有毒物質或者環境汙染藥劑等是複雜的並且是不能被恰當直接地去執行(用上面提到的技術)。
發明內容
為解決這些問題，本發明的一個目的就是增加表面等離子共振傳感器的靈敏度極限。
為此，本發明利用下面這個事實不是只有貴金屬(如黃金，白銀等)才能製造表面等離子體振子波。還有其它的金屬，如鐵磁金屬(例如鐵，鈷，鎳)，由於他們的某些光學特性也可以用來製造等離子體振子波。然而，如圖6所示，這些等離振子顯示很強的吸收性，這是在等離子體振子的寬廣曲線下的變換，圖中比較了TM偏振光(Rpp)根據入射角θ的50nm金(Au)層和20nm的鈷(Co)且其波長為632nm(nd1和nd2為鄰近電介質的不同的折射率且nd1＜nd2)，這些寬曲線首先暗示著檢測折射率變化的低靈敏性。
然而，鐵磁材料是磁光活性材料，例如，當他們受磁場影響，改變他們的磁化狀態，改變與他們相互作用光的光學性質。這些材料的典型作用是磁性材料反射和發射的光的極化平面的旋度，克爾和法拉第旋度，分別改變發射率，傳遞率，二向色性和雙折射作用。
儘管，如上所述，使用鐵磁採用的表面等離子體振子波有很強的吸收性，但是，當等離子體振子在這些層上激發時，磁光性將會大大增強，具體請參看以下文章P.E.Ferguson，O.M.Stapsudd，and R.F.Wallis，Enhancement of the transverse Kerrmagneto-optic effect by surface magnetoplasma waves(表面磁等離子體波的橫向克爾磁光效應增強)，Physica vol.89B，pp.91-94(1977)C.Hermann，V.A.Kosobukin，G.Lampel，et al，Surface-enhanced magneto-opticsin metallic multilayer films(金屬多層薄膜磁光表面增強)，Phys.Rev.B，vol.64，235422(2001)磁光效應依賴於磁化的方向；圖7A-7C，簡要地說明鐵磁材料的層300的磁化強度，在那上面TM偏振光線21下降(光入射平面22內部電場)，也就是說圖7A極性結構，即磁化強度M垂直於層面。
圖7B縱向結構，即磁化強度M平行於光入射面，平行於層面。
圖7C橫向結構，即磁化強度M垂直於光入射面，平行於層面。
因此，當等離振子被激化時磁光效應可分解如下a)當磁化強度為極化結構時，旋度和反射光的極化平面的橢圓率增加。圖8顯示了旋度「r」和橢圓度「e」與光21的入射角為θ的函數關係，且他們是稜鏡耦合結構，在鐵磁材料的層上，如果這樣的話，在20nm鈷層上，為極化磁化強度。
b)當磁化強度為縱向結構時，旋度和反射光的極化平面的橢圓率增加。這種結構磁光效應一般小於極化結構。
c)當磁化強度為橫向結構時，TM偏振光反射率Rpp的相對變化量δpp增大。而且δpp也可以定義為2個已給磁化強度(M1和M2)(橫向狀態)反射率(Rpp)的差分除以基準磁化強度狀態(Mref)的反射率pp=RppPppREF=Rpp(M1)-Rpp(M2)Rpp(Mref)]]>這兩個給定的磁化強度狀態也可以是相反方向的飽和磁化強度M，即ΔRpp＝Rpp(M)-Rpp(-M)而且，它也可以去測量非相反磁化狀態的反射率，如ΔRpp＝Rpp(M)-Rpp(0)一般認為基準反射率為Rpp(Mref)＝Rpp(0)也有些地方使用其它的基準反射率如Rpp(Mref)=Rpp(M)+Rpp(-M)2]]>圖9顯示了反射率的相對變化pp=Rpp(M)-Rpp(0)Rpp(0)]]>其為稜鏡耦合結構，20nm的鈷層，橫向磁化結構的關於入射角θ的函數。因此，在這種測量結構中，必須有在M1和M2狀態之間橫向磁化強度的連續變化，而且他們也是可以獲得的，例如，通過在層上包含旋轉的磁化強度。
在出現表面等離子振子，波磁光效應的增長已經應用於磁光轉換器來再製造已記錄於磁介質的信息。已公開的資料如US-A-3636535和US-A-3545840。
本發明的創新在於出現表面等離子振子波利用磁光效應以改善基於等離子振子共振的折射光傳感器的靈敏度。也就是說，本發明是基於鐵磁材料的磁光效應和金屬，電解質交接處的表面等離子振子共振。這兩種現象的聯合增長了磁光效應。就像在常規等離子振子共振的情況下，這種磁光效應得增長依賴於和表面等離子振子相接觸的電解質的折射率。磁光效應得增長在等離子振子共振上是非常受到局限的。因此，它將對摺射率的變化非常的敏感，也允許增加傳感器靈敏度限制。因此，折射率的小的變化將會引起磁光效應的巨大變化。
這樣，本發明第一方面就是檢測電解質折射率變化的設備。該設備至少由以下幾個部件組成-至少有一個設定為與電解質相接觸的金屬層(舉例來說，直接與電解質相接觸或者被幾個有保護作用的附加層相分開)。
-至少有一個設定為朝向該金屬層的直接橫向磁性偏振光(如「TM極化」或「P極化」，也就是入射光平面有電場)的光源，這樣光就在這樣的金屬層上反射。
連接工具把光線和金屬層耦合在一起，這樣當光線照射到金屬層時，光線就可以激發金屬層表面等離子體振子共振。這種連接工具可以由一個比完成測量的電介質折射率更大的稜鏡構成(金屬層可以沉著在稜鏡表面，所以光線要通過稜鏡到達金屬層表面)。另一方面，連接工具也可以由一種周期性的結構構成，例如在光線照射的金屬層表面上的柵格，或者是用波導管或光導纖維接收光線這樣能夠讓光線沿導管傳播，而且它的漸消失域可以激發金屬層表面等離子體振子。通常在這種設備中這種連接工具有大量的應用，作為常規方法，也可以在發明中直接應用。
至少用一個檢測器接收金屬層反射的光線並加以檢測，至少能檢測出光線的一個特徵(譬如它的旋度、橢圓度、強度)；檢測器能產生一個檢測特徵的值的相關的(譬如比例)輸出信號。
根據本發明，金屬層(如果有多個金屬層，那麼至少其中之一)有一種鐵磁性材料(例如鐵、鈷、鎳)。舉幾個例子，金屬層可以由鐵磁性材料製成(只有一種鐵磁性材料或多種鐵磁性材料的化合物皆可)；由至少一種鐵磁性材料和至少一種非鐵磁性材料的合金構成；由磁性粒子(例如毫微粒，微粒等)嵌入金屬介質(例如鈷粒子嵌入金)加工而成；或者由一組帶磁性的金屬粒子嵌入電介質加工而成。
儘管鐵磁性材料是顯而易見的，乍一看，這種應用形式不如常規應用的金屬(主要是金和銀，它們的等離子體振子共振波要比鐵磁性材料要窄)適合，如果我們依靠等離子體振子共振利來使磁光效應增強，那麼它們的使用允許靈敏度就被增強了。這樣，本發明的傳感器或檢測器與有鐵磁性材料的曾可以方便的磁化，這樣就能極大的提升靈敏度。
這種設備可以包括磁化工具配置來磁化金屬層。這種磁化工具可以由設備的總控制系統來控制，可以由磁鐵、電磁鐵、卷帶馬口鐵等加工而成。
這種磁化方式可以磁化金屬層，使它具有極性，縱向或橫向結構，或是以上各種的綜合，舉個例子，參見控制系統的使用說明。磁化方向的選擇取決於希望檢測到的光線的特徵和以之為基礎而決定的電解質折射率的變化。舉個例子，如果磁化成極性或是縱向結構，則希望測量的光線特徵是旋度(r)和橢圓度(e)。另一方面，如果磁化成橫向結構，則希望測量的光線特徵是反射光線Rpp的強度，以及在此強度下基於相對誤差δpp的分析，取決於兩種已知的狀態之間的磁化狀態是如何變化的。
在磁化成極性或是縱向結構的情況下，如果入射光由TM偏振光構成，那麼反射光就會由於光的旋度有TE(橫向電)和TM兩種成份。旋度和橢圓度是由角度和在TM成份和反射的TE和TM成份的矢量和產生的矢量之間移動的相位來定義的。理論上，偏振光(Rpp和Rps)的強度可以通過光成份分離來分開這兩偏振光和兩光檢測器來測量光都可以分成這兩種偏振光，可以同時由兩個不同的檢測器測試。舉個例子，測量可以通過查找光的不同於信號0的成份的角度，也可以通過檢測適當的TE和TM成份的組合等。
磁化工具可以通過設定，能改變金屬層磁化的狀態(也就是方向和模數/數量)，在橫向磁化可以達到的情況下，這是必須的。舉個例子通過旋轉金屬層磁化平面，依靠電磁鐵、卷帶馬口鐵或磁鐵沿同方向轉動即可簡單得到。這樣，光線的反射率δpp的相對變化就可以在金屬層之內旋轉磁化的時候被檢測出來(使用檢測器同步進行磁化旋轉)，以此作為確定折射率的基礎。
磁化狀態的改變不僅在橫向磁化的情況下有用，而且在極性和縱向磁化的情況下也有用，因為能周期性的連續改變磁化狀態，允許同步的或同相檢測，也可以執行傅立葉分析。因此，如果磁化狀態M周期性改變，反射率也同樣發生周期性變化(Rpp(Mcoswt))。
反射率可以分解成一下傅立葉級數Rpp(Mcoswt)＝Rpp(0)+Rpp(1w)+Rpp(2w)+…不同的諧波對應不同函數，所以傅立葉分析中第一諧波的項是Rpp(1w)所以
pp=RppRppREF=Rpp(M)-Rpp(0)Rpp(0)Rpp(1w)Rpp(0)]]>因此其它的項小或為零。
同步檢測可以直接得到項Rpp(1w)。如果傅立葉分析直接得到檢測信號(例如，用採集卡軟體)，Rpp(0)，Rpp(1w)，Rpp(2w)…就能分別得到，然後，這些參數可以分開的獲得δpp。一個簡單的在橫向情況下製造周期性磁化的方法是通過用旋轉的磁鐵(可以用不迴轉的卷帶馬口鐵震蕩製成)在樣本平面上旋轉。從而，磁鐵的旋轉頻率(等於磁化的旋轉頻率)的引入作為同步檢測器的參考，同步檢測器直接給出項Rpp(1w)作為輸出。
在測量極性或縱向結構的情況下，為了完成同步檢測或傅立葉分析，用周期性變化的磁化狀態測量也極有優勢。同步檢測(鎖定)在檢測信號是常常用到，因為它噪聲比較小而靈敏度較高。
此設備可由電子數據處理工具構成，來處理檢測器輸出的對應於反射光特徵的信號。信號處理和分析的最佳情況是用合適的軟體來達到。理論上，電子處理工具可以連接到控制系統上，協調磁化工具和入射方向(入射角θ)和金屬層上光線波長的變化。
舉個例子，電子數據處理工具可以和磁化工具同步，所以至少改變入射光線的一個特徵就可以通過分析同步改變金屬層的磁化狀態(如果希望檢測橫向磁化構造的光線反射率相對誤差δpp，某些量就較重要)。
檢測器能檢測出反射光線的強度(Rpp)，電子數據處理工具能確定放射光線在兩個特殊的鐵磁層磁化狀態之間的誤差(ΔRpp)。在這種情況下，電子數據處理設備能計算出反射光線強度誤差(ΔRpp)和反射光基準強度(RppREF＝Rpp(Mref))之間的比例δpp。
通過至少一個被檢測光線的特徵，作為一個照射在金屬層表面光線的入射角(θ)的函數，此設備可以用來檢測電介質折射率(nd)的變化。這種結構和上述的常規系統類似，所不同的不僅是反射光線強度是已測量好的，而且由於磁光效應。例如，光線的旋度或橢圓度，在橫向磁化的情況下，強度相對誤差在已知的兩個橫向磁化狀態之間。
通過至少一個被檢測光線的特徵，作為一個照射在金屬層表面光線的波長的函數，此設備可以用來檢測電介質折射率(nd)的變化。
此設備包含許多金屬層，其中至少有一層包含鐵磁性材料。
在實踐中，有多個層是可取的，例如，一個層中有鐵磁性材料，一個層是耐腐蝕材料(例如金)，哪一層與電介質接觸呢(在實際中，電介質往往是腐蝕性材料)。
磁光效應取決於金屬層的厚度和光線的波長。最佳厚度和磁光效應可以精確的從上述構造中估計出來。為了在鐵磁性金屬層上激發表面等離子體振子波，在上面描述的常規的傳感器中使用的技術也可以用到這上面(稜鏡連接，周期性結構或波導管)。
本發明的另一個方面涉及到檢測電介質折射率變化的一種方法，它包括以下幾個步驟依靠選擇器聯結工具，在金屬層(300)內檢測橫向的磁偏振光(也叫著「TM偏振」或者「p偏振」，也就是光入射面內的電場)，所以當光線照射到金屬層時就可以在金屬層激發表面等離子體振子共振，並且至少有一部分光被金屬層反射從而射向探測器(31)；通過探測器，至少檢測該反射光的一個特徵，並且至少產生一個和該特徵對應的探測信號；分析這些探測信號，並且從這些信號中測定至少一個和電介質折射率相關的方面；特徵在於用到了含鐵磁性材料的金屬層(300)。例如該金屬層是由鐵磁性材料(僅一種或者由多種鐵磁性材料結合在一起)製成的它是由至少一種鐵磁性材料和至少一種非鐵磁性材料製成的合金；它是由含有金屬介質(如混有鈷的金)的磁性微粒子形成的；或者它是由很多嵌入在電介質中的磁性材料金屬微粒形成的。
加以必要的變更，上面講到的有關本發明的設備對於這種方法也是適用的。
該方法包含磁化金屬層的步驟，舉例來說在極性構造上(例如在這種情形下，能夠分析出反射光旋度和/或者橢圓度的改變)、在縱向構型上(例如在這種情形下，能夠分析出反射光旋度和/或者橢圓度的改變)、或者在橫向構型上(例如在這種情形下，當改變兩種給定的橫向磁化狀態的磁化狀態的時候，就能夠分析出反射光強度相應的變化δpp)。金屬層的磁化狀態(也就是方向和/或者模數)能夠被有序地被改變，就像下面所描述的。
涉及到確定的電介質折射率的方面可以是
折射率的絕對值；和/或者折射率是否發生改變的一個指標；和/或者折射率改變量級的一個指標。
在金屬層磁化狀態連續改變的情況下，可以隨著磁化狀態的改變同時地完成探測信號的分析步驟，從而該信號的變化可以隨著金屬層磁化狀態的變化而得到實時的分析。在這種情況下，探測信號就可以作為反射光強度(Rpp)的一個指示信號(例如和反射光強度成比例)，於是分析探測信號的步驟就可以包括以下幾個步驟確定兩個給定磁化狀態之間的折射光強度的變化(ΔRpp)，並用該變化量除以基準強度RppREF；給出運算結果和電介質折射率之間的關係。
若用到的不是單一的金屬層而是很多的金屬層，那麼它們中至少有一種含有磁性材料。
為了能使對本發明有一個更好的理解，下面將對這一系列圖紙做一個簡要說明。它們中的一部分和本發明的一個具體設備特別相關，在其中將作為說明性的和非限制性的例子。
圖1簡要地說明了表面等離子體振子的電場分布情況。
圖2是在組合稜鏡的基礎上簡要說明了用光線激發表面等離子體振子的傳統結構。
圖3A和3B是依照現有技術，簡要說明了電介質折射率探測發生改變的系統。
圖4是通過圖表顯示了兩條曲線，它們反映了對於電介質在兩種不同的折射率(nd1，nd2)下，光線入射角θ的不同角度和TM折射光的強度Rpp之間的關係。
圖5簡要說明了表明等離子體振子共振傳感器在生物傳感器應用中的具體細節。
圖6是通過圖表中的曲線舉例說明了在不同的材料下，反射率Rpp作為入射角θ的一個函數之間的關係。
圖7A-7C簡要說明了同一鐵磁性材料層的不同磁化結構。
圖8是通過圖表說明了對於同一鐵磁性材料層在極性磁化結構下，旋度和橢圓度作為光線入射角θ的函數之間的關係。
圖9是通過圖表說明了在橫向磁化結構下，反射率的相對變化δpp作為光線入射角的函數之間的關係。
圖10說明了一種與本發明首選設備相一致的結構。
圖11A是在對實際情形仿真的情況下，通過圖表說明了反射光線強度的變化，這當中所用到的測量方法和現有技術現狀是一致的。圖11B-11D用與本發明首選設備相一致的系統仿真來說明了光線特性的測量結果。
圖12列出了一系列和本發明實際設備相適合的金屬層。
具體實施例方式
圖10說明了一種與本發明首選設備相一致的設備結構，它包括被放置在稜鏡10表面(例如直接接觸或者通過一種和稜鏡有相同折射率的介質間接接觸)的磁化材料(例如鐵，鈷或者鎳)金屬層300，同時稜鏡的自由表面和電解質200接觸(稜鏡用於必要的連接以產生等離子體振子共振)；指引TM偏振光21射向金屬層300的光源20，這樣光線就能被金屬層反射；以及被用來接收金屬層反射光的探測器31。該探測器至少要能夠檢測出反射光的一個特性(例如旋度、橢圓度和/或者強度)。並且該探測器要能夠產生出輸出信號32，該輸出信號通過一個電子的數據處理器41分析，從而來說明探測到的光線特性。此處提到的電子數據處理器41可以是計算機的一部分或者類似的設備。
磁化元件50能夠以不同方式來磁化金屬層300，被看作控制信號的函數施加於該磁化元件。例如，作為該信號的一個函數，此磁化元件能夠以極向結構(和圖7A所示相似)、縱向結構(和圖7B所示相似)、和/或者橫向結構(和圖7C所示相似)來磁化金屬層。磁化方式的選擇將取決於一個人想要檢測的光線的特性，並以此作為後來要確定的電介質折射率的一個基礎。
舉例來說，假如一個人想要測量光線的旋度(r)和/或者橢圓度(e)，那麼以極向或者縱向結構來磁化將是很合適的。圖11B和11D分別說明了旋度(r)和橢圓度(e)的測量方法，在極向磁化的情況下仿真的結果，它們被看作光線入射角θ的一個函數，同樣傳感器估測靈敏度η也被看光線入射角θ的一個函數。(靈敏度由以下公式計算得出=(1/Smax)(S/nd),]]>此處Smax是測定信號的最大值，S是測量信號的值，而nd是電介質的折射率)更確切地說，傳感器靈敏度η關於折射率的變化被定義為作為電介質折射率變化的一個函數的測量信號的變化，符合信號最大值的標準。通過將圖11B和11D中的靈敏度η和圖11A中的靈敏度做比較可以觀察出，在一種磁化結構下反射光線的強度Rpp和現有技術現狀(50nm厚的金屬層)是一致的，至少在理論上，本發明可以得到更高的靈敏度(隨著一個比10大的因子而增加)。
另一方面，根據其磁化狀態在某一光線強度，將分析建立在相對變化δpp的基礎上，磁化元件50被配置成能夠產生連續的磁場，例如在橫向磁化結構內改變磁化方向或者在金屬層平面內旋轉磁化，也就是產生一個連續的金屬層磁化狀態的改變，在上述情況下假如有待測量反射光線的強度，那麼橫向的磁化結構將會更好。然後，光線強度Rpp的測量就能夠在橫向磁化的兩個具體時刻完成，並且在那些磁化狀態之間的相對光線強度δpp的變化就能夠作為折射率測定的一個基礎。這都可以通過一個同步檢波使磁化元件控制器50和探測器41輸出信號的分析達成同步來完成。
圖11C說明了在橫向磁化交替方向的情況下，將δpp檢波作為光線入射角θ的一個函數，同時將相應的靈敏度η的估測作為光線入射角θ的一個函數進行仿真的結果。同樣在這種情況下，仿真結果也說明了關於傳統的圖11A所示的情況，隨著一個比10大的因子靈敏度會增加。
圖12簡要說明了一系列金屬層，包含如下幾個部分第一個14nm厚的鈷層300，它位於稜鏡10上面(例如直接接觸或者通過一種和稜鏡有相同折射率的介質間接接觸)；第二個1nm厚的鉻層301，它被用來將第三層附著在第一層上；第三個29nm厚的金層302，它和電介質相連。
給出的那個金層有很好的抗腐蝕性，這樣第一層300就能夠避免其他電介質可能會產生的腐蝕效應。
就所描述的磁化結構，有很多種方法來檢測影響其折射率的電介質的變化。主要地，光線有兩個參數，即入射角θ和波長λ。因此i.波長保持不變而入射角可以變化(獲得如圖11B-11D所示的曲線類型)。
ii.入射角保持不變而波長可以變化。
iii.波長和入射角都可以變化。
iv.波長和入射角都保持不變，而檢測到的信號的特性改變可以測量(在橫向磁化下的δpp，以及在極向或者縱向磁化下的旋度和/或者橢圓度)。
所公開的設備可以使用，例如作為折射計、化學傳感器或者生物傳感器。
材料、尺寸規格、形狀和各器件的排列順序可以改變，只要不改變本發明的基本概念。
在當前說明書和和權利要求書中，術語「包含」以及其變化形式如「包含有」並不排斥其他的步驟或者成分。
權利要求
1.一種檢測電介質(200)折射率變化的設備，它包括至少一個金屬層(300)，它被用來和電介質(200)保持接觸；至少一個光源(20)，它被用來將橫向磁化偏振光導向金屬層以便光線能照射到金屬層；聯接工具(10)，它被用來聯結光源(20)和金屬層(300)；從而當光線落到金屬層的時候就能夠在金屬層表面激發表面等離子體振子共振；至少一個探測器(31)，它被用來接收越過金屬層向下的反射光並且至少檢測出光線的一個特性；其特徵在於金屬層包含鐵磁性材料。
2.根據權利要求1所述的設備，其特徵在於本設備還包含磁化工具(50)，它被用來磁化金屬層(300)。
3.根據權利要求2所述的設備，其特徵在於磁化工具(50)被用來以極化磁化金屬層。
4.根據權利要求2所述的設備，其特徵在於磁化工具(50)被用來以縱向磁化金屬層。
5.根據權利要求2所述的設備，其特徵在於磁化工具(50)被用來以橫向磁化金屬層。
6.根據權利要求3-5任意一個所述的設備，其特徵在於磁化工具(50)能夠連續地改變金屬層(300)的磁化狀態。
7.根據上述權利要求任意一個所述的設備，其特徵在於它包含電子數據處理器(41)，此處理器被用來處理從探測器(31)傳來的輸出信號(32)，而探測器(31)至少和反射光線的一個特徵相對應。
8.根據權利要求6或權利要求7所述的設備，其特徵在於電子數據處理器(41)和磁化工具是同步的，從而反射光線的至少一個特徵的變化就能夠和金屬層(300)的磁化狀態的變化進行同步分析。
9.根據權利要求3所述的設備，其特徵在於檢測器被設定為檢測，至少，反射光的旋度(r)和/或者橢圓度(e)的變化。
10.根據權利要求4所述的設備，其特徵在於檢測器被設定為至少檢測反射光的旋度(r)和/或者橢圓度(e)的變化。
11.根據權利要求5或8所述的設備，其特徵在於檢測器被設定為檢測反射光的強度(Rpp)且以此，電子數據處理工具被設定為確定2給定橫向磁化狀態的反射光強差(ΔRpp)。
12.根據權利要求11所述的設備，其特徵在於電子數據處理工具被設定為計算反射光強差(ΔRpp)與反射光的基準強度(RppREF)的比值(δpp)。
13.根據前面的權利要求任意一項所述的設備，其特徵在於它被設定為檢測電介質折射率(nd)的變化，從這些檢測光至少一個特性中，且其是金屬層(300)上光入射角(θ)的函數。
14.根據前面的權利要求任意一項所述的設備，其特徵在於它被設定為檢測電介質折射率(nd)的變化，從這些檢測光至少一個特性中，且其是金屬層(300)上反射光波長的函數。
15.根據前面的權利要求任意一項所述的設備，其特徵在於金屬層為鐵磁材料。
16.根據權利要求1-14中任意一項所述的設備，其特徵在於金屬層為至少一種鐵磁材料和至少一種非鐵磁材料的合金。
17.根據權利要求1-14中任意一項所述的設備，其特徵在於金屬層通過在金屬介質中內嵌磁性粒子成形加工。
18.根據權利要求1-14中任意一項所述的設備，其特徵在於金屬層通過一套在電介質中內嵌含鐵磁材料的金屬粒子成形加工。
19.根據前面的權利要求任意一項所述的設備，其特徵在於它包含多數的附加金屬層，至少有一個所說的層(300)含有鐵磁材料。
20.檢測電介質折射率變化的方法，為以下幾個步驟直接橫向磁性偏振光朝向金屬層(300)且以以下的方式通過選定的耦合工具，當光指向金屬層可以激活其上的表面等離振子共振，還有至少有一部分光被金屬層反射，朝向探測器(31)；用探測器至少檢測這些反射光的一個特性且產生與此特性相應的檢測信號(32)；分析檢測信號並從中確定至少出與電介質折射率相關的一個方面；其特徵在於包含鐵磁材料的層被用作金屬層(300)。
21.根據權利要求20所述的方法，其特徵在於它由磁化金屬層(300)步驟所組成。
22.根據權利要求21所述的方法，其特徵在於金屬層被磁化為極性結構。
23.根據權利要求21所述的方法，其特徵在於金屬層被縱向磁化。
24.根據權利要求21所述的方法，其特徵在於金屬層被橫向磁化。
25.根據權利要求22-24任意一個所述的方法，其特徵在於金屬層(300)的磁化狀態是順序改變的。
26根據權利說明20-25任意一個所述方法，涉及到電介質折射率的特徵包括-折射率的絕對值；-折射率是否改變的指示；-折射率大幅改變的指示。
27.根據權利說明25所述的方法，具有檢測器信號分析的步驟和磁化狀態的變化同步進行的特徵，所以信號分析和金屬層(300)的磁化狀態的變化是一致的。
28.根據權利要求22或者23所述的方法，其特徵在於折射光線的旋度和/或者橢圓度的至少一個變化得到了分析。
29.根據權利說明24或27所述的方法，有檢測信號喜顯示反射光線的強度的特徵，檢測信號分析的步驟包括兩個不同橫向磁化狀態之間的反射光線強度誤差(ΔRpp)的確定和以此涉及到的電介質折射率的誤差。
30.根據權利說明29所述的方法，檢測信號分析的步驟包括計算反射光線強度誤差(ΔRpp)和反射光線基準強度RppREF間的比例(δpp)。
31.根據上述所有權利說明所述的方法，金屬層(300)包括的鐵磁性材料是眾多金屬層的一部分。
全文摘要
檢測電介質折射率變化的設備包括金屬層(300)至少要和電介質(200)相接觸；光源(20)發出的橫向磁化(TM)偏振光直接照射在金屬層上，所以光線在金屬層上發生反射；連接工具(10)；檢測器(30)接收金屬層反射光線並檢測此光線的特徵。依據本發明，金屬層包括鐵磁性材料。本發明也涉及了相應方法。
文檔編號G01N21/55GK101069087SQ200580019079
公開日2007年11月7日 申請日期2005年6月10日 優先權日2004年6月11日
發明者博亞·賽普維達馬丁內茲, 蓋斯波·阿邁勒斯瑞格, 蘿拉·M·萊楚格高邁茲, 安娜·考勒馬丁 申請人:高級科學研究理事機構