表面等离子体共振传感器元件和包括其的传感器的制造方法
【专利摘要】本发明提供了一种表面等离子体共振传感器元件，其包括薄金属层、光学构造和吸收层，所述光学构造设置在所述薄金属层上以用于引导光线至所述薄金属层以及离开所述薄金属层，所述吸收层设置在与所述光学构造相对的所述薄金属层上。所述吸收层包含具有内在微孔性的聚合物，所述聚合物具有至少0.4立方纳米的平均孔体积。
【专利说明】表面等离子体共振传感器元件和包括其的传感器
【技术领域】
[0001]本发明广义地涉及传感器，并且更具体地涉及表面等离子体共振传感器以及其制造和使用的方法。
【背景技术】
[0002]在不同折射率的两种透明介质(例如，玻璃和水)之间的界面处，来自较高折射率侧的光线部分地反射并部分地折射。如果大于入射角的某一特定临界角，则没有光线折射穿过界面，并且观察到完全的内部反射。虽然入射光完全地反射，但是电磁场分量穿透短(数十纳米(nm))距离进入较低折射率的介质中，从而形成指数衰减渐逝波。如果介质之间的界面涂覆有薄层的金属(例如，金)，并且光线为单色的和P偏振的(即，相对于其上入射该光线的平面偏振平行)，那么，由于渐逝波和表面等离子体之间的共振能传递，反射光的强度在特定入射角大幅减少(称为表面等离子体共振(SPR))。共振条件受吸附于薄金属薄膜上的材料的影响。
[0003]表面等离子体，也称为“表面等离子体激元”，为表面电磁波，该表面电磁波在平行于金属/电介质(或金属/真空)表面的方向上传播。由于波在金属和电介质的边界上，所以这些振动对该边界的任何变化非常敏感，诸如分子对金属表面的吸附。在一个通用配置中，称为姆士奇士文(Kretschmann)配置,薄金属层设置在透明基底(例如,玻璃)上。光线透过透明基底照射薄金属层，并且渐逝波穿透该薄金属层。等离子体在薄膜薄金属层的相反侧激发。
[0004]表面等离子体共振光谱法已用作各种生物学应用中的分析技术，其中分子束缚至附接于金属层的受体。表面等离子体共振光谱法还已用于检测有机蒸汽。例如，MAKR0L0NM2400 聚碳酸酯(得自 Bayer MaterialScience AG, Leverkusen, Germany)作为电介质层用于SPR中的用途已通过Kieser等人公开于Analytical Chemistry (分析化学)(2002年，第74卷，第4781-4787页)。MAKR0L0N聚碳酸酯在其中报告为微孔玻璃状聚合物并且具有0.1nm3的平均孔径。
【发明内容】
[0005]在第一方面，本发明提供了一种表面等离子体共振传感器元件，包括:
[0006]薄金属层；
[0007]光学构造，该光学构造设置在薄金属层上以用于引导光线至该薄金属层以及离开该薄金属层；
[0008]吸收层，该吸收层设置在与光学构造相对的薄金属层上，该吸收层包含具有内在微孔性的聚合物，所述聚合物具有至少0.4立方纳米(nm3)的平均孔体积。
[0009]在第二方面，本发明提供了一种表面等离子体共振传感器，包括:
[0010]平面偏振光的源；
[0011]根据本发明的表面等离子体共振传感器元件；[0012]蒸汽递送室，该蒸汽递送室包括入口端口、出口端口和取样端口，其中取样端口和至少一部分的吸收层密闭地密封在一起；
[0013]检测器，该检测器用于检测对应于反射自薄金属层的最小光强度的图像，从而测量共振角。
[0014]有利地，相比于先前的SPR传感器(例如，使用MAKR0L0N型聚碳酸酯的那些)，根据本发明的SPR传感器元件和包括它们的SPR传感器已提高了分析物蒸汽的敏感性。
[0015]在本文中:
[0016]关于吸收层的术语“吸收”和“吸附”包括吸收和吸附两者；并且
[0017]术语“单体单元”是指存在于聚合物结构中的重复基团，包括聚合物主链，并且对应于单个单体分子(无论是实际或理论)。聚合物(末端基团除外)可由一个或多个不同的单体单元组成。
[0018]考虑【具体实施方式】以及所附权利要求书，将进一步理解本发明的特征和优点。
【专利附图】
【附图说明】
[0019]图1为根据本发明的一个示例性SPR传感器元件的示意性剖视图；
[0020]图2为根据本发明的一个示例性SPR传感器的示意性剖视图；
[0021]图3为实例I的多个甲苯蒸汽浓度的CCD阵列的反射光振幅相对于像素位置的曲线图；并且
[0022]图4为实施例1的CCD阵列的像素中反射光波谷位置相对于多个甲苯蒸汽浓度的曲线图。
[0023]在所有情况下，本发明以示例性而非限制性的方式提出。应当理解，本领域的技术人员可以设计出大量其它修改形式和实施例，这些修改形式和实施例也在本发明的原理的范围和精神内。附图可能并未按比例绘制。在所有附图中，相同参考标号可以用来表示相同部件。
【具体实施方式】
[0024]现参考图1，示例性SPR传感器元件100包括薄金属层110、光学构造120和吸收层130。光学构造120设置在薄金属层110上并且用于引导光线至薄金属层110以及离开薄金属层110。光学构造120包括光学棱镜122、透明板126和夹在两者间的透明流体124。光学棱镜122、透明板126和透明流体124具有大体上相同的(S卩，匹配的)折射率。吸收层130设置在与光学构造120相对的薄金属层110上。吸收层130包括具有内在微孔性的聚合物，所述聚合物具有至少0.4nm3的平均孔体积。
[0025]薄金属层通常包括金属，诸如金、银、铝或铜，但如果需要，可使用其它金属(例如，钛或铬)。也可使用金属的组合。在一些实施例中，金属的组合包括双层构造，其中光学构造的最远金属层包括金属，诸如金、铜或银，并且接触粘结层(接触光学构造)，该粘结层包括金属或含金属化合物，诸如钛、铬、镍、铜、钴、钥、氮化钽，或它们的合金。薄金属层的厚度应该足够薄的，其小于渐逝波的有效长度。通常，约IOnm至约IOOnm范围内的薄金属层的厚度可为有效的，但可使用其它厚度。金属层根据任何适合技术可进行沉积，包括(例如)热气相沉积和溅射技术。[0026]光学构造引导光线至薄金属层以及离开薄金属层。光学构造可为单一主体或构成部件的组合。例如，光学构件可为光学棱镜(例如，三角形棱镜或圆柱形透镜)，或它可为光学元件的结合(例如，如图1所示)。
[0027]吸收层包含具有内在微孔性的聚合物，所述聚合物具有至少0.4nm3的平均孔体积(PIM)0在一些实施例中，PM具有至少0.45nm3的平均孔体积。孔体积可通过正电子湮没寿命谱(PALS)确定；例如，如通过Miranda等人于Physical Status Solidi RRL (物理状态固相RRL) (2007年，第I卷，第5期，第190-192页)所描述。
[0028]PM往往不良地包络，从而导致不能消除的2nm或更小的内在孔隙度(空隙空间)。此类聚合物可通过逐步聚合制备，其中使至少一种双儿茶酚(A)在如方案I (下文)所示的基本条件下与至少一种氟化芳烃(B)反应,根据Budd等人在Chemical Communications(化学通讯)(2004年(2)第230-231页)中所报告的方法。
[0029]方案I
[0030]
【权利要求】
1.一种表面等离子体共振传感器元件，包括: 薄金属层； 光学构造，所述光学构造设置在所述薄金属层上以用于引导光线至所述薄金属层以及离开所述薄金属层； 吸收层，所述吸收层设置在与所述光学构造相对的所述薄金属层上，所述吸收层包含具有内在微孔性的聚合物，所述聚合物具有至少0.位方纳米的平均孔体积。
2.根据权利要求1所述的表面等离子体共振传感器元件，其中所述光学构造由棱镜组成。
3.根据权利要求1所述的表面等离子体共振传感器元件，其中所述光学构造包括棱镜、透明板和夹在两者间的流体，其中所述棱镜、透明板和流体具有匹配的折射率。
4.根据权利要求1所述的表面等离子体共振传感器元件，其中所述具有内在微孔性的聚合物具有至少0.45立方纳米的平均孔体积。
5.根据权利要求1所述的表面等离子体共振传感器元件，其中所述具有内在微孔性的聚合物为具有选自以下的单体单元的均聚物:
6.根据权利要求1所述的表面等离子体共振传感器元件，其中所述薄金属层包含金、银、铝或铜中的至少一者。
7.一种表面等离子体共振传感器，包括: P偏振光源； 根据权利要求1的表面等离子体共振传感器元件； 检测器，所述检测器用于检测与反射自所述薄金属层的最小光强度相对应的图像，从而测量共振角。
8.根据权利要求7所述的表面等离子体共振传感器，其中所述p偏振光源包括激光器。
9.根据权利要求7所述的表面等离子体共振传感器，其中所述检测器包括光电二极管阵列。
10.根据权利要求7所述的表面等离子体共振传感器，其中所述光学构造由棱镜组成。
11.根据权利要求7所述的表面等离子体共振传感器，其中所述光学构造包括棱镜、透明板和夹在两者间的流体，其中所述棱镜、透明板和流体具有匹配的折射率。
12.根据权利要求7所述的表面等离子体共振传感器元件，其中所述具有内在微孔性的聚合物具有至少0.45立方纳米的平均孔体积。
13.根据权利要求7所述的表面等离子体共振传感器元件，其中所述具有内在微孔性的聚合物为具有选自以下的单体单元的均聚物:
14.根据权利要求7所述的表面等离子体共振传感器，其中所述薄金属层包含金、银或铜中的至少一者。
【文档编号】G01N21/55GK103620387SQ201280029296
【公开日】2014年3月5日 申请日期:2012年6月13日 优先权日:2011年6月16日
【发明者】姜明灿, 郝冰, B·K·内尔森 申请人:3M创新有限公司