專利名稱：用于生物和化學(xué)試劑的超高靈敏度光學(xué)檢測的方法和裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明一般地涉及用于生物和化學(xué)試劑的超高靈敏度光學(xué)檢測的方法和裝置。
背景技術(shù)：
利用表面等離子共振來對(duì)化學(xué)反應(yīng)進(jìn)行光學(xué)檢測的傳統(tǒng)方法一般依賴于由在薄金屬層中的表面激發(fā)所吸收的激光的光學(xué)強(qiáng)度的測量。表面等離子是金屬表面上的自由電子的局部振動(dòng)。表面等離子共振的光吸收特性敏感地依賴于金屬表面附近的介電常數(shù)。在金屬表面上發(fā)生的化學(xué)反應(yīng)改變了局部的介電環(huán)境，導(dǎo)致了共振的吸收特性的變化。對(duì)于更多的細(xì)節(jié)，請(qǐng)參見例如Journal of the American Chemical Society 2002，124，10596-10604，作者為Duyne等。
目前的技術(shù)依賴于測量入射光強(qiáng)中被表面等離子共振所吸收的部分。利用直接的強(qiáng)度檢測一般難以進(jìn)行高靈敏度的測量，例如參見美國專利No.5,506,685。具體來說，光強(qiáng)度的測量直接對(duì)激光強(qiáng)度噪聲敏感。通過監(jiān)測被吸收光的相位，可以進(jìn)行近散粒噪聲限制的測量(near shot-noiselimited measurement)，例如，在Bjorkland等的Optical Letters，5，15，190和美國專利No.4,297,035中所描述的。這些相位技術(shù)一般要求入射光場的相位調(diào)制，并且一般是復(fù)雜和昂貴的。

發(fā)明內(nèi)容
根據(jù)本發(fā)明，將環(huán)降光譜(ring-down spectroscopy)技術(shù)與表面等離子共振探測結(jié)合，和光源一起來實(shí)現(xiàn)超靈敏化學(xué)分析。這實(shí)現(xiàn)了具有比傳統(tǒng)表面等離子技術(shù)更高的靈敏度的改進(jìn)的化學(xué)傳感器。提高的靈敏度允許使用更小的樣品尺寸，并能夠檢測更低濃度的感興趣的化學(xué)物質(zhì)。


圖1a示出了根據(jù)本發(fā)明利用分立光學(xué)器件的一個(gè)實(shí)施例。
圖1b示出了根據(jù)本發(fā)明的方法的流程圖。
圖2a示出了根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的俯視圖。
圖2b示出了根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的側(cè)視圖。
具體實(shí)施例方式
圖1a示出了本發(fā)明實(shí)施例中的腔環(huán)降光譜儀(cavity ring-downspectrophotometer，CRDS)100。CRDS 100利用全內(nèi)反射(TIR)以提高腔的效率，并為倏逝波(evanescent wave)140、150、160和170的出現(xiàn)作準(zhǔn)備。圖1a中的環(huán)腔諧振器115具有正方形的形狀，但諸如六邊形和八邊形之類的其他多邊形形狀也可以被用于本發(fā)明的實(shí)施例中的環(huán)腔諧振器。具有諸如六邊和八邊的更多側(cè)邊的多邊形形狀的環(huán)腔諧振器通常更難以制造。
穩(wěn)定的環(huán)腔諧振器支持一個(gè)或多個(gè)低衍射模式，所述低衍射模式在貫穿諧振器的一個(gè)往返行程之后進(jìn)行自我再現(xiàn)。然而，如果所有的面145、155、165和175都是平面平行的，則環(huán)腔諧振器115具有邊界不穩(wěn)定性。如果面145、155、165和175中之一是凸面，則產(chǎn)生穩(wěn)定性，并且衍射損耗明顯下降。通常，根據(jù)本發(fā)明，選擇面145或者面155來作為凸面。
用于近紅外區(qū)中的CRDS 100的典型材料是熔凝硅石(fused-silica)。在涉及振動(dòng)光譜的中紅外應(yīng)用中，氟化物摻雜玻璃具有Lbulk～1·10-7/cm或更小的較低的體積衰減系數(shù)。如Pipino等人在Reviews ofScientific Instruments，68，8，August 1997，p.2978中的“Evanescent wavecavity ring-down spectroscopy with a total-internal-reflection minicavity”(這里通過引用而包含了其全文)所述的，這樣低的體積衰減系數(shù)具有允許利用腔環(huán)降光譜進(jìn)行單分子檢測的可能。CRDS 100和CRDS 200(參見圖2a，2b)的最終的靈敏度由所測量的光子衰減時(shí)間中的相對(duì)不確定度和本征腔損耗的大小來確定。為了實(shí)現(xiàn)超高靈敏度檢測，要減小腔損耗，并且需要對(duì)光子衰減時(shí)間進(jìn)行高精度的測量。諸如對(duì)CRDS 100進(jìn)行高度拋光(superpolish)之類的技術(shù)允許制造超低損耗光學(xué)器件以減小環(huán)腔諧振器115中的損耗并實(shí)現(xiàn)具有相應(yīng)的低光子衰減時(shí)間的較大的腔品質(zhì)因數(shù)(Q)，其中所述相應(yīng)的低光子衰減時(shí)間可以高精度地被數(shù)字化。在根據(jù)本發(fā)明的一些實(shí)施例中，若腔Q極高，則所接收到的光強(qiáng)可以很小。在這樣的條件下，諸如外差檢測(heterodyne detection)之類的公知的相干檢測技術(shù)可以被用來檢測這樣的弱信號(hào)。
當(dāng)腔模式全部由TIR維持時(shí)，通常不可能實(shí)現(xiàn)自由空間波的直接耦合。然而，TIR的結(jié)果是產(chǎn)生倏逝波140、150、160和170，其被要求滿足由光從密度更大的介質(zhì)以大于臨界角度的角度入射的Maxwell方程約束的邊界條件。倏逝波160和170的出現(xiàn)允許對(duì)圖1a中的區(qū)域166和177進(jìn)行探測。此外，TIR的寬帶特性消除了帶寬限制，而所述的帶寬限制是非TIR型CRDS的電介質(zhì)鏡的特點(diǎn)。
根據(jù)本發(fā)明，通常使用可調(diào)諧激光器105來產(chǎn)生光脈沖180，所述光脈沖180被全反射棱鏡110全反射，而產(chǎn)生倏逝波140。倏逝波140通過光子隧穿效應(yīng)或受抑全內(nèi)反射激發(fā)TIR環(huán)腔諧振器115的穩(wěn)定模式。因此，全反射棱鏡110被放置得緊鄰TIR腔諧振器115，以使倏逝場與TIR腔諧振器115相位匹配。類似地，全反射棱鏡120被放置得緊鄰TIR腔諧振器115，以允許經(jīng)由全反射棱鏡120利用倏逝波150的倏逝輸出耦合。
依據(jù)諧振器的幾何形狀、折射率、波長、總的往返行程損耗，間隙寬度將存在于耦合損耗等于TIR腔諧振器115的總往返行程損耗的地方，提供阻抗匹配的耦合。對(duì)于較小的間隙寬度，發(fā)生使TIR腔諧振器115的精細(xì)度(finesse)(或者Q)減小的過耦合。對(duì)于較大的間隙寬度，作為TIR腔諧振器115的最大精細(xì)度的耦合效率平臺(tái)被逼近。通常，對(duì)于TIR腔諧振器115，優(yōu)選較弱耦合，因?yàn)槠湓试S更高的精細(xì)度。較弱的耦合導(dǎo)致較低的光通過量，可以通過例如Mweijer和Engeln在Chemical PhysicsLetters，262，105，1995中所描述的多模式激發(fā)或者模式匹配的cw激發(fā)，來提高信號(hào)水平。
在單片的(monolithic)、具有n個(gè)側(cè)面的TIR腔諧振器(諸如TIR腔諧振器115)中的光子衰減時(shí)間由下式給出τ(ω)=trLbulk+Lsurf+Lcoupling+Ldiff+Lnspec+Lplasmon---(1)]]>其中，在表面等離子共振檢測過程中，總的本征TIR腔諧振器損耗由往返行程損耗Li和Lplasmon項(xiàng)貢獻(xiàn)的加和來近似。
給定具有折射率nr的n側(cè)面的TIR腔諧振器，往返行程時(shí)間tr由下式給出tr＝niLn/c＝2n(nr/c)r0sin(π/n) (2)其中r0是相關(guān)多邊形的內(nèi)切圓半徑，而Ln是往返行程物理路徑長度，當(dāng)n→∞時(shí)，Ln逼近極限2πr0。光子衰減時(shí)間對(duì)TIR腔諧振器的尺寸的依賴性直接具體體現(xiàn)在tr和Lbulk中，Ldiff通過與有限側(cè)面尺寸相關(guān)的孔徑和穩(wěn)定系數(shù)而依賴于腔的尺寸。對(duì)于由高度透明的材料制成的TIR腔諧振器，由于體積衰減造成的每傳遞(pass)一次的損耗由下式給出Lbulk＝2αr0n sin(π/n)(3)其中，α是體積衰減系數(shù)。
如果體積衰減足夠小(～500ppm/pass)，則表面散射損耗可能是重要的。根據(jù)標(biāo)量衍射理論，每一次往返行程平均鏡面反射強(qiáng)度的減小由下式給出Lsurf≈(4πniσrmsnsin(π/n)λ0)2---(4)]]>其中，σrms是均方根表面粗糙度，λ0是真空波長，而n是n側(cè)面的TIR腔諧振器的側(cè)面數(shù)。
損耗項(xiàng)Lcoulping表示由于光子隧穿效應(yīng)或者受抑全內(nèi)反射引起的面145和155上的輸入和輸出耦合所造成的損耗。損耗項(xiàng)Lnspec表示來自非鏡面反射的損耗。非鏡面反射由光束直徑的有限性所引起，所述光束直徑的有限性將其與角光譜中的波矢的分布聯(lián)系在一起，光束直徑與譜寬之間成反比。角光譜中的每一個(gè)分量發(fā)生不同的相位改變和振幅改變，從而導(dǎo)致非鏡面反射。這樣的損耗機(jī)制相對(duì)于其他的損耗源通常是可忽略的。
TIR腔諧振器115的面165和175是用于表面等離子共振檢測(SPR)的薄金屬層167和177的位置。等離子是對(duì)局部介電環(huán)境高度敏感的電磁波方程的非齊次解。根據(jù)本發(fā)明，金屬(通常是銀或金)層167和177的薄層被沉積在面165和175上，其中所述薄層通常具有納米級(jí)的厚度。銀常常受到由氧化所造成的長期穩(wěn)定性問題的困擾。倏逝波160和170的p-偏振分量與薄金屬層167和177的表面上的自由電子發(fā)生相互作用。
當(dāng)TIR腔諧振器115中光波處在由偏振、波長和入射角所確定的精確定義的動(dòng)量狀態(tài)下時(shí)，形成表面等離子共振。為了產(chǎn)生由光波引起的等離子激發(fā)，平行于薄金屬層的光波分量的波矢需要與等離子的波矢相等。等離子的波矢取決于薄金屬層和樣品介質(zhì)(通常是轉(zhuǎn)換層和被分析物)的折射率。當(dāng)表面等離子共振被激發(fā)，損耗增大，因?yàn)楣獗还舱裎?，以?qū)動(dòng)電子電荷密度振動(dòng)。光子衰減時(shí)間τ(ω)(見式(1))越短，等離子損耗Lplasmon越大，并且光子衰減時(shí)間τ(ω)是等離子吸收系數(shù)的直接量度。對(duì)于TIR腔諧振器Lplasmon=(n-2)σplasmon(ω)∫0dNplasmon(ξ)δ(ξ-h)dξ---(5)]]>其中，n是TIR腔諧振器的側(cè)面數(shù)，d是倏逝波的有效取樣深度，σplasmon(ω)是吸收截面并且是表面等離子頻率的函數(shù)，h是薄金屬層的厚度，N(ξ)plasmonδ(ξ-h)是等離子的數(shù)量密度且Dirac Delta函數(shù)表明僅僅當(dāng)ξ＝h時(shí)在薄金屬層的外表面激發(fā)等離子。注意，如果d＜h，則Lplasmon＝0。對(duì)于TIR腔諧振器115，n＝4且表達(dá)式可以被改寫為
Lplasmon=2σplasmonNplasmon(ω-ωplasmon)2---(6)]]>其中，σplasmon(ω)已經(jīng)被分離成常數(shù)項(xiàng)σplasmon和具有共振頻率ω＝ωplasmon的頻率依賴型洛倫茲吸收線形。
利用CRDS 100，可以檢測出涉及化學(xué)或者生物反應(yīng)的樣品介質(zhì)。例如，根據(jù)本發(fā)明，通常厚度為約1μm的轉(zhuǎn)換層分別被沉積到面165和175上的薄金屬層167和177上。在化學(xué)檢測應(yīng)用中，轉(zhuǎn)換層通常由聚合物所形成，并利用旋轉(zhuǎn)涂層技術(shù)或者浸漬涂層技術(shù)進(jìn)行涂敷。轉(zhuǎn)換層吸收待檢測的化學(xué)物質(zhì)或被分析物，或者與待檢測的化學(xué)物質(zhì)或被分析物發(fā)生化學(xué)反應(yīng)。
在生物檢測應(yīng)用中，轉(zhuǎn)換介質(zhì)通常被形成為生物分子的基質(zhì)或者層，其中所述生物分子能夠與被分析物分子166進(jìn)行鍵合。可以利用各種生物分子相互作用，包括抗原-抗體、受體-配體和荷爾蒙-受體鍵合。
被分析物的出現(xiàn)改變了面165和175上的局部介電常數(shù)。局部介電常數(shù)的變化影響等離子吸收系數(shù)，通過Lplasmon導(dǎo)致光子衰減時(shí)間τ(ω)的值的變化。首先在不存在待檢測的化學(xué)物質(zhì)或被分析物，但存在薄金屬層167和177以及轉(zhuǎn)換層的情況下，測量CRDS 100的光子衰減速率或者環(huán)降時(shí)間。來自可調(diào)諧激光器105的光激發(fā)表面等離子共振，并且取決于頻率，光的某一部分被吸收。腔諧振器的光子衰減時(shí)間τ(ω)和精細(xì)度與光的被吸收的部分成反比。CRDS 100的面165和175被暴露于待檢測的被分析物166、化學(xué)試劑或者生物試劑。隨著被分析物166與轉(zhuǎn)換層發(fā)生相互作用，在表面等離子的附近局部介電常數(shù)被改變了。這影響了表面等離子共振的性質(zhì)介電常數(shù)的變化改變等離子吸收和共振頻率。如果在存在被分析物166的情況下，更多的光被吸收，導(dǎo)致τ(ω)值的下降。在不存在被分析物166和存在被分析物166的情況下的光子衰減時(shí)間之間的差值通過式(5)的等離子損耗項(xiàng)而與被分析物166的濃度成比例。
圖1b示出了根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的步驟，其用于將在被分析物166存在的情況下表面等離子共振系數(shù)的變化映射為可調(diào)諧激光器105的頻率的函數(shù)。在步驟131中，可調(diào)諧激光105被調(diào)至特定的波長λ1。在步驟132，首先在不存在被分析物166的情況下，測量CRDS 100的光子衰減時(shí)間。可選地，步驟131可以被重復(fù)多次來獲得平均值，以減小噪聲。對(duì)于下一個(gè)波長λi重復(fù)步驟131和132，直至在感興趣的波長范圍λ1…λn中CRDS 100已經(jīng)被校準(zhǔn)。在步驟133中，激光器105被調(diào)諧至波長λ1。在步驟134中，允許被分析物166與薄金屬膜167和177以及位于各金屬膜167和177上的轉(zhuǎn)換層發(fā)生相互作用。在步驟135中，在存在被分析物166的情況下，測量CRDS 100的光子衰減時(shí)間?？蛇x地，步驟135可以被重復(fù)多次來獲得平均值，以減小噪聲。在步驟136中，由存在被分析物166和不存在被分析物166兩種情況下、在特定波長下的CRDS 100的光子衰減時(shí)間的差值來計(jì)算出在特定波長下的吸收系數(shù)。對(duì)于下一個(gè)波長λi重復(fù)步驟133至136，直至作為波長的函數(shù)的吸收系數(shù)被映射到了感興趣的整個(gè)波長范圍λ1…λn上。在步驟137中，基于來自步驟136的結(jié)果，識(shí)別化學(xué)物質(zhì)或者生物物質(zhì)。
光子衰減速率的差異通常表明特定化學(xué)試劑或者生物試劑的存在，即使所述化學(xué)試劑或者生物試劑是以非常低的濃度存在。Pipino等在Reviews of Scientific Instruments，68，8，August 1997，p2978的“Evanescent wave cavity ring-down spectroscopy with a total-internal-reflection minicavity”中報(bào)道了0.2％的光子衰減時(shí)間的相對(duì)不確定度，這樣的光子衰減時(shí)間的相對(duì)不確定度可以允許實(shí)現(xiàn)1010分率數(shù)量級(jí)(即百億分之幾)或者更好的靈敏度。如此高靈敏度的測量允許利用環(huán)降技術(shù)來檢測非常低濃度的物質(zhì)。對(duì)變化量的測量涉及衰減速率的測量，因此對(duì)激光器強(qiáng)度噪聲不敏感，并且是散粒噪聲限制的(shot-noise limited)。但是，光子衰減必須足夠的長，使得衰減曲線的精確數(shù)字化可以實(shí)現(xiàn)。
圖2a示出了根據(jù)本發(fā)明的平面腔環(huán)降光譜儀(CRDS)200的俯視圖。平面CRDS 200被構(gòu)造成為一個(gè)允許緊湊、便宜和集成的傳感器的平面光波光路，并可以利用根據(jù)平面光波光路的制造方法所修改的公知方法來制造。在襯底205(見圖2b)中創(chuàng)建平面波導(dǎo)210、211和環(huán)腔諧振器215，其中所述襯底205通常由SiO2制成。注意，使波導(dǎo)210絕熱地(adiabatically)逐漸變細(xì)，以便與環(huán)腔諧振器215模式匹配。這在保持了高精細(xì)度的同時(shí)提供了低耦合損耗。通常來自可調(diào)諧激光源的光在平面波導(dǎo)210中傳播，并經(jīng)由倏逝波通過光子隧穿效應(yīng)，或者等同地通過受抑全反射，耦合到環(huán)腔諧振器215，其中所述倏逝波激發(fā)環(huán)腔諧振器215的穩(wěn)定模式。因此，平面波導(dǎo)210與環(huán)腔諧振器215由間隙d1分開，以使倏逝場與環(huán)腔諧振器215的模式相位匹配。
通過改變間隙d1，調(diào)節(jié)耦合到環(huán)腔諧振器215的平面波導(dǎo)210。當(dāng)間隙d1約為平面波導(dǎo)210中的受限電場的l/e衰減長度(l/e decay length)時(shí)，可以獲得高效的耦合。這被稱之為阻抗匹配條件，因?yàn)榄h(huán)腔諧振器215中的光往返行程損耗等于從平面波導(dǎo)210到環(huán)腔諧振器215之中的耦合損耗。在最高效的間隙d1下運(yùn)行不會(huì)獲得環(huán)腔諧振器215的最大精細(xì)度。對(duì)于更大的間隙d1，作為環(huán)腔諧振器215的最大精細(xì)度的耦合效率平臺(tái)被逼近，并且如上面對(duì)于TIR腔諧振器115所討論的，通常優(yōu)選更弱的耦合。通常選擇環(huán)腔諧振器215的精細(xì)度，以獲得對(duì)于選定電子探測方案的最佳信噪比。選擇精細(xì)度，以使光子衰減時(shí)間或者環(huán)降時(shí)間與電子探測器帶寬相互匹配。通常通過平面波導(dǎo)211實(shí)現(xiàn)從環(huán)腔諧振器215至探測器(沒有示出)的輸出耦合(outcoupling)，其中所述平面波導(dǎo)211到環(huán)腔諧振器215的耦合通過改變間隙d2來調(diào)節(jié)。或者，在根據(jù)本發(fā)明的其他實(shí)施例中，可以利用平面波導(dǎo)210來實(shí)現(xiàn)輸入耦合(incoupling)以及輸出耦合，而不用波導(dǎo)211。電子探測器(沒有示出)測量輸出耦合信號(hào)的時(shí)間依賴性，其可以確定光子衰減時(shí)間。
通過對(duì)用于諸如圖2a中的根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例之類的相關(guān)構(gòu)造的電場的波動(dòng)方程進(jìn)行數(shù)值解，可以得到對(duì)于平面腔環(huán)降光譜儀(CRDS)200的電場構(gòu)造的解，所述波動(dòng)方程如下▿2E→+k2n2(x,y,z)E→=0---(7)]]>其中，自由空間波數(shù)k＝2π/λ0，且折射率n是x、y、z的函數(shù)。
圖2b示出了平面CRDS 200的側(cè)視圖。襯底205的頂部已經(jīng)被刻蝕掉，并且由薄金屬層245覆蓋，以允許表面等離子共振的形成，其中所述金屬通常是銀或金。類似于上面對(duì)CRDS 100的討論，包含轉(zhuǎn)換層(沒有示出)的薄膜被沉積到薄金屬層245上，所述薄膜的厚度一般為約1μm。首先在不存在待檢測的化學(xué)物質(zhì)或被分析物的情況下，測量CRDS 200的光子衰減時(shí)間或者環(huán)降時(shí)間。被分析物250隨后被沉積在轉(zhuǎn)換層(沒有示出)上，如果感興趣的物質(zhì)存在的話，這會(huì)導(dǎo)致在薄金屬層245上方區(qū)域中的有效介電常數(shù)的變化。介電常數(shù)的變化改變了CRDS 200的環(huán)降時(shí)間。局部介電常數(shù)的變化影響等離子吸收系數(shù)，導(dǎo)致光子衰減時(shí)間τ(ω)的值的變化。位于環(huán)腔諧振器215下方的襯底材料足夠的厚，以防止襯底205底部之外的倏逝耦合(evanescent coupling)，以及任何由此發(fā)生的對(duì)環(huán)降時(shí)間的影響。
環(huán)腔諧振器215的光子衰減時(shí)間不同于上面的體型光學(xué)TIR環(huán)腔諧振器115，并由下式給出τ(ω)=trLbulk+Lsurf+Lcoupling+Ldiff+Lbending+Lplasmon---(8)]]>其中，tr＝2πRnr/c是往返行程時(shí)間，nr是折射率，R是環(huán)腔諧振器215的半徑。環(huán)腔諧振器215損耗由往返行程損耗Li的加和來近似。
對(duì)于由高度透明的材料制成的腔諧振器215，由于體積衰減造成的每傳遞(pass)一次的損耗由下式給出Lbulk＝2απR (9)其中，α是體積衰減系數(shù)，R是環(huán)腔諧振器215的半徑。
彎曲損耗Lbending提供由于環(huán)腔諧振器215的曲率半徑造成的損耗，并且由下式給出
Lbending≈ξ(aw)e-((w/a)3λ2R6π2nr2)---(10)]]>其中ξ(aw)=[∫0∞E2(r)rdrE2(a/w)]-1,]]>nr是環(huán)腔諧振器215的折射率，a是波導(dǎo)寬度，a/w是波導(dǎo)電場的橫向l/e衰減長度，w是指數(shù)衰減常數(shù)并決定波導(dǎo)210外側(cè)的電場的衰減速率，λ是入射光的波長，R是環(huán)腔諧振器215的半徑，以及E(r)是電場。
假設(shè)區(qū)域3(即標(biāo)號(hào)205處)有效地具有無限的厚度，環(huán)腔諧振器215的衍射損耗Ldiff由下式給出Ldiff≈2a[κ2(κ1+κ2)2+κ3+κ3*2|(κ1+κ3)|2]κ12β---(11)]]>其中，κi=(ni2k2-β2),]]>i＝1，2，3且κi是波數(shù)，ni是圖2b中的區(qū)域i(i＝1，2，3，分別對(duì)應(yīng)于標(biāo)號(hào)249、215、205處)中的有效折射率，k＝2π/λ并且β是環(huán)腔諧振器215的特征模式(eigenmode)的傳播常數(shù)。
平面CRDS 200的耦合損耗Lcoupling由下式給出Lcoupling=K(wadi,ni)λ3∝∫∫∫d3r→(E→waveguide1(r→)E→resonator*(r→)+E→waveguide2(r→)E→resonator*(r→))---(12)]]>其中，K是依賴于電場范圍(extent)和耦合長度di的幾何形狀因子，a是波導(dǎo)寬度，a/w是波導(dǎo)電場的橫向l/e衰減長度并決定波導(dǎo)210外側(cè)的電場的衰減速率，di(i＝1，2)分別是波導(dǎo)210或者波導(dǎo)211與環(huán)腔諧振器215之間的距離。從式(12)可以清楚看出，耦合損耗隨著波長迅速增大，因?yàn)閳龅臋M向范圍增大且因此電場重疊增大。
如在Pipino等人的Reviews of Scientific Instruments，68，8，August 1997，p.2978中的“Evanescent wave cavity ring-down spectroscopy with a total-internal-reflection minicavity”中所公開的，在近紅外中工作的平面CRDS200可以實(shí)現(xiàn)小于～10-10的吸收測量，其中在近紅外SiO2的體積損耗Lbulk～5·10-7/cm。對(duì)如何構(gòu)建超高Q圓環(huán)形微腔的討論，參見Armani等的在Nature，vol.421，F(xiàn)ebruary 27 2003，p.925中的“Utra-high-Q toroidmicrocavity on a chip”，其通過引用被包括在這里。作為非最優(yōu)化的示例，使平面波導(dǎo)210和環(huán)腔諧振器215具有與襯底205相差0.3％的折射率。使平面波導(dǎo)210具有8μm×8μm的橫截面，所述8μm×8μm的橫截面絕熱地逐漸減小到3.6μm×3.6μm的橫截面，使平面波導(dǎo)211具有8μm×8μm的橫截面，使環(huán)腔諧振器215具有20μm的半徑，使襯底205具有24μm的厚度，使襯底205的頂部和環(huán)腔諧振器215之間的距離為4μm，并且平面波導(dǎo)210和環(huán)腔諧振器215之間的間隙d1＝6.8μm而平面波導(dǎo)211和環(huán)腔諧振器215之間的間隙d2＝12.7μm。CRDS 200的上述構(gòu)造的精細(xì)度為約1.2·108。增加50nm的金膜作為薄金屬層245，使得精細(xì)度減小到約2.5·107。將具有1μm厚度和折射率nrefractive index＝1.4的轉(zhuǎn)換層涂敷到薄金屬層245上使精細(xì)度進(jìn)一步降低到約2.1·107。對(duì)于具有1μm厚度和nrefractive index＝1.6的轉(zhuǎn)換層，腔Q被降低至約9.8·106。
如果輸入耦合和輸出耦合都通過平面波導(dǎo)210來進(jìn)行，而不存在平面波導(dǎo)211，則使用上面的值的話CRDS 200的Q為約2.0·108。增加50nm的較薄的金膜作為薄金屬層245，使得精細(xì)度減小到約4.2·107。將具有1μm厚度和nrefractive index＝1.4的轉(zhuǎn)換層涂敷到薄金屬層245上使CRDS 200的腔Q進(jìn)一步降低到約3.4·107。對(duì)于具有1μm厚度和nrefractive index＝1.6的轉(zhuǎn)換層，CRDS 200的腔Q被降低至約2.7·107。
在上述的兩個(gè)示例中，CRDS 200(即結(jié)合在一起的腔、金屬和電介質(zhì)堆疊)的腔Q足夠大，可以允許光子衰減時(shí)間的精確測量。例如，采用2.7·107的腔Q和1550nm的工作波長，對(duì)應(yīng)的光子衰減時(shí)間τ(ω)＝Q(ω)/ω～Qλ/2πc約為20nsec。利用適當(dāng)?shù)钠骄幚砗托盘?hào)處理，光子衰減時(shí)間的相對(duì)不確定度Δτ/τ可以被減小到約0.5％。在這種情況下，設(shè)在1550nm的工作波長下SiO2的體積損耗為約10-7/cm，則最小可探測吸收Δτ/τ·Lbulk～10-10。
被分析物250的存在改變了CRDS 200頂表面249的局部的介電常數(shù)。局部介電常數(shù)的變化影響等離子吸收系數(shù)，通過Lplasmon導(dǎo)致光子衰減時(shí)間τ(ω)的值的變化。首先在不存在待檢測的化學(xué)物質(zhì)或被分析物、但存在薄金屬層245以及轉(zhuǎn)換層的情況下，測量CRDS 200的光子衰減速率或者環(huán)降時(shí)間。來自可調(diào)諧激光器(沒有示出)的光激發(fā)表面等離子共振，并且取決于頻率，光的某一部分被吸收。CRDS 200的光子衰減時(shí)間τ(ω)和精細(xì)度與光的被吸收的部分成反比。CRDS 200的頂表面249被暴露于被分析物250、待檢測的化學(xué)試劑或者生物試劑。隨著被分析物250與轉(zhuǎn)換層發(fā)生相互作用，在表面等離子的附近局部介電常數(shù)被改變了。這影響了表面等離子共振的性質(zhì)介電常數(shù)虛部的變化改變等離子吸收。如果在存在被分析物250的情況下，更多的光被吸收，導(dǎo)致τ(ω)值的下降。在不存在被分析物250和存在被分析物250的情況下的光子衰減時(shí)間之間的差值通過式(5)的等離子損耗項(xiàng)與被分析物250的濃度成比例。與上述參照?qǐng)D1b的討論相類似，在存在被分析物250的情況下的表面等離子共振系數(shù)的變化可以被映射為可調(diào)諧激光器的頻率的函數(shù)。
雖然結(jié)合具體的實(shí)施例描述了本發(fā)明，但是根據(jù)本發(fā)明，許多替換、修改和變化將是明顯的，這對(duì)于本領(lǐng)域技術(shù)人員是顯然的。因此，本發(fā)明意在包括落入所附權(quán)利要求的精神和范圍中的所有其他這樣的替換、修改和變化。
權(quán)利要求
1.一種腔環(huán)降光譜儀(100)，包括具有第一表面(165)的光學(xué)腔諧振器(115)；和布置在所述第一表面(165)上的薄金屬層(167)，所述薄金屬層(167)可操作以接納轉(zhuǎn)換層。
2.如權(quán)利要求1所述的裝置，還包括被倏逝耦合到所述光學(xué)腔諧振器上的可調(diào)諧相干光源(105)。
3.如權(quán)利要求2所述的裝置，其中利用棱鏡(110)將所述可調(diào)諧相干光源(105)倏逝耦合到所述光學(xué)腔諧振器(115)。
4.如權(quán)利要求1所述的裝置，其中所述光學(xué)腔諧振器(115)具有多邊形棱體的形狀。
5.如權(quán)利要求4所述的裝置，其中所述多邊形棱體形狀的一個(gè)面包含所述的第一表面(165)。
6.如權(quán)利要求4所述的裝置，其中所述多邊形棱體形狀的截面是正方形。
7.如權(quán)利要求1所述的裝置，其中所述光學(xué)腔諧振器(215)具有圓環(huán)形形狀，并被嵌入在襯底(205)之中。
8.如權(quán)利要求7所述的裝置，其中所述圓環(huán)形形狀的平面(249)包含所述第一表面。
9.如權(quán)利要求7所述的裝置，還包括第一波導(dǎo)(210)，所述第一波導(dǎo)(210)被緊靠所述光學(xué)腔諧振器(215)布置在所述襯底(205)中，所述第一波導(dǎo)(210)可操作以使所述第一波導(dǎo)(210)中的光能被倏逝耦合到所述光學(xué)腔諧振器(215)之中。
10.如權(quán)利要求9所述的裝置，還包括第二波導(dǎo)(211)，所述第二波導(dǎo)(211)被緊靠所述光學(xué)腔諧振器(215)布置在所述襯底(205)中，所述第二波導(dǎo)(211)可操作以使所述腔諧振器(215)中的光能被倏逝耦合到所述第二波導(dǎo)(211)之中。
11.如權(quán)利要求9所述的裝置，還包括可調(diào)諧相干光源，所述可調(diào)諧相干光源用于將光引入所述第一波導(dǎo)(210)之中。
12.如權(quán)利要求1所述的裝置，其中所述轉(zhuǎn)換層可操作以接納被分析物(250)。
13.如權(quán)利要求1所述的裝置，其中所述光學(xué)腔諧振器(215)由SiO2構(gòu)成。
14.如權(quán)利要求9所述的裝置，其中所述第一波導(dǎo)(210)絕熱地逐漸變細(xì)，以改善至所述光學(xué)腔諧振器(215)的倏逝耦合。
15.如權(quán)利要求2所述的裝置，還包括基于外差的探測器，所述探測器被光學(xué)耦合到所述光學(xué)腔諧振器(215)，用于弱信號(hào)的相干探測。
16.如權(quán)利要求1所述的裝置，其中所述光學(xué)腔諧振器(215)被高度拋光，以獲得高的品質(zhì)因數(shù)。
17.一種用于制造腔環(huán)降光譜儀(100)的方法，包括提供具有第一表面(165)的光學(xué)腔諧振器(115)；以及在所述第一表面(165)上沉積薄金屬層，所述薄金屬層(167)可操作以接納轉(zhuǎn)換層。
18.如權(quán)利要求17所述的方法，還包括提供可調(diào)諧相干光源(105)，所述可調(diào)諧相干光源(105)被倏逝耦合到所述光學(xué)腔諧振器(115)上。
19.如權(quán)利要求17所述的方法，其中所述光學(xué)腔諧振器(215)具有圓環(huán)形的形狀，并被嵌入襯底(205)之中。
20.如權(quán)利要求19所述的方法，還包括提供第一波導(dǎo)(210)，所述第一波導(dǎo)(210)被緊靠所述光學(xué)腔諧振器(215)布置在所述襯底(205)中，所述第一波導(dǎo)(210)可操作以使所述第一波導(dǎo)(210)中的光能被倏逝耦合到所述光學(xué)腔諧振器(215)之中。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種用于生物和化學(xué)試劑的超高靈敏度光學(xué)檢測的方法和裝置，其中將腔環(huán)降光譜法和表面等離子共振光譜法相結(jié)合，可以制造出超高靈敏度的裝置，以探測極低濃度的化學(xué)物質(zhì)和生物分子。
文檔編號(hào)G01N21/31GK1611927SQ200410058299
公開日2005年5月4日 申請(qǐng)日期2004年8月20日 優(yōu)先權(quán)日2003年10月31日
發(fā)明者馬歇爾·T·德皮尤, 謝彤 申請(qǐng)人:安捷倫科技有限公司