CN1611927A - 用于生物和化学试剂的超高灵敏度光学检测的方法和装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于生物和化学试剂的超高灵敏度光学检测的方法和装置，其中将腔环降光谱法和表面等离子共振光谱法相结合，可以制造出超高灵敏度的装置，以探测极低浓度的化学物质和生物分子。

Description

用于生物和化学试剂的超高灵敏度光学检测的方法和装置

技术领域

本发明一般地涉及用于生物和化学试剂的超高灵敏度光学检测的方法和装置。

背景技术

利用表面等离子共振来对化学反应进行光学检测的传统方法一般依赖于由在薄金属层中的表面激发所吸收的激光的光学强度的测量。表面等离子是金属表面上的自由电子的局部振动。表面等离子共振的光吸收特性敏感地依赖于金属表面附近的介电常数。在金属表面上发生的化学反应改变了局部的介电环境，导致了共振的吸收特性的变化。对于更多的细节，请参见例如Journal of the American Chemical Society 2002，124，10596-10604，作者为Duyne等。

目前的技术依赖于测量入射光强中被表面等离子共振所吸收的部分。利用直接的强度检测一般难以进行高灵敏度的测量，例如参见美国专利No.5,506,685。具体来说，光强度的测量直接对激光强度噪声敏感。通过监测被吸收光的相位，可以进行近散粒噪声限制的测量(near shot-noiselimited measurement)，例如，在Bjorkland等的Optical Letters，5，15，190和美国专利No.4,297,035中所描述的。这些相位技术一般要求入射光场的相位调制，并且一般是复杂和昂贵的。

发明内容

根据本发明，将环降光谱(ring-down spectroscopy)技术与表面等离子共振探测结合，和光源一起来实现超灵敏化学分析。这实现了具有比传统表面等离子技术更高的灵敏度的改进的化学传感器。提高的灵敏度允许使用更小的样品尺寸，并能够检测更低浓度的感兴趣的化学物质。

附图说明

图1a示出了根据本发明利用分立光学器件的一个实施例。

图1b示出了根据本发明的方法的流程图。

图2a示出了根据本发明的一个实施例的俯视图。

图2b示出了根据本发明的一个实施例的侧视图。

具体实施方式

图1a示出了本发明实施例中的腔环降光谱仪(cavity ring-downspectrophotometer，CRDS)100。CRDS 100利用全内反射(TIR)以提高腔的效率，并为倏逝波(evanescent wave)140、150、160和170的出现作准备。图1a中的环腔谐振器115具有正方形的形状，但诸如六边形和八边形之类的其他多边形形状也可以被用于本发明的实施例中的环腔谐振器。具有诸如六边和八边的更多侧边的多边形形状的环腔谐振器通常更难以制造。

稳定的环腔谐振器支持一个或多个低衍射模式，所述低衍射模式在贯穿谐振器的一个往返行程之后进行自我再现。然而，如果所有的面145、155、165和175都是平面平行的，则环腔谐振器115具有边界不稳定性。如果面145、155、165和175中之一是凸面，则产生稳定性，并且衍射损耗明显下降。通常，根据本发明，选择面145或者面155来作为凸面。

用于近红外区中的CRDS 100的典型材料是熔凝硅石(fused-silica)。在涉及振动光谱的中红外应用中，氟化物掺杂玻璃具有L_bulk～1·10^-7/cm或更小的较低的体积衰减系数。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”(这里通过引用而包含了其全文)所述的，这样低的体积衰减系数具有允许利用腔环降光谱进行单分子检测的可能。CRDS 100和CRDS 200(参见图2a，2b)的最终的灵敏度由所测量的光子衰减时间中的相对不确定度和本征腔损耗的大小来确定。为了实现超高灵敏度检测，要减小腔损耗，并且需要对光子衰减时间进行高精度的测量。诸如对CRDS 100进行高度抛光(superpolish)之类的技术允许制造超低损耗光学器件以减小环腔谐振器115中的损耗并实现具有相应的低光子衰减时间的较大的腔品质因数(Q)，其中所述相应的低光子衰减时间可以高精度地被数字化。在根据本发明的一些实施例中，若腔Q极高，则所接收到的光强可以很小。在这样的条件下，诸如外差检测(heterodyne detection)之类的公知的相干检测技术可以被用来检测这样的弱信号。

当腔模式全部由TIR维持时，通常不可能实现自由空间波的直接耦合。然而，TIR的结果是产生倏逝波140、150、160和170，其被要求满足由光从密度更大的介质以大于临界角度的角度入射的Maxwell方程约束的边界条件。倏逝波160和170的出现允许对图1a中的区域166和177进行探测。此外，TIR的宽带特性消除了带宽限制，而所述的带宽限制是非TIR型CRDS的电介质镜的特点。

根据本发明，通常使用可调谐激光器105来产生光脉冲180，所述光脉冲180被全反射棱镜110全反射，而产生倏逝波140。倏逝波140通过光子隧穿效应或受抑全内反射激发TIR环腔谐振器115的稳定模式。因此，全反射棱镜110被放置得紧邻TIR腔谐振器115，以使倏逝场与TIR腔谐振器115相位匹配。类似地，全反射棱镜120被放置得紧邻TIR腔谐振器115，以允许经由全反射棱镜120利用倏逝波150的倏逝输出耦合。

依据谐振器的几何形状、折射率、波长、总的往返行程损耗，间隙宽度将存在于耦合损耗等于TIR腔谐振器115的总往返行程损耗的地方，提供阻抗匹配的耦合。对于较小的间隙宽度，发生使TIR腔谐振器115的精细度(finesse)(或者Q)减小的过耦合。对于较大的间隙宽度，作为TIR腔谐振器115的最大精细度的耦合效率平台被逼近。通常，对于TIR腔谐振器115，优选较弱耦合，因为其允许更高的精细度。较弱的耦合导致较低的光通过量，可以通过例如Mweijer和Engeln在Chemical PhysicsLetters，262，105，1995中所描述的多模式激发或者模式匹配的cw激发，来提高信号水平。

在单片的(monolithic)、具有n个侧面的TIR腔谐振器(诸如TIR腔谐振器115)中的光子衰减时间由下式给出：

$\mathrm{\τ}\left(\mathrm{\ω}\right)=\frac{t_r}{L_{\mathrm{bulk}}+L_{\mathrm{surf}}+L_{\mathrm{coupling}}+L_{\mathrm{diff}}+L_{\mathrm{nspec}}+L_{\mathrm{plasmon}}}---\left(1\right)$

其中，在表面等离子共振检测过程中，总的本征TIR腔谐振器损耗由往返行程损耗L_i和L_plasmon项贡献的加和来近似。

给定具有折射率n_r的n侧面的TIR腔谐振器，往返行程时间t_r由下式给出：

t_r＝n_iL_n/c＝2n(n_r/c)r₀ sin(π/n)                   (2)其中r₀是相关多边形的内切圆半径，而Ln是往返行程物理路径长度，当n→∞时，L_n逼近极限2πr₀。光子衰减时间对TIR腔谐振器的尺寸的依赖性直接具体体现在t_r和L_bulk中，L_diff通过与有限侧面尺寸相关的孔径和稳定系数而依赖于腔的尺寸。对于由高度透明的材料制成的TIR腔谐振器，由于体积衰减造成的每传递(pass)一次的损耗由下式给出：

L_bulk＝2αr₀n sin(π/n)                            (3)

其中，α是体积衰减系数。

如果体积衰减足够小(～500ppm/pass)，则表面散射损耗可能是重要的。根据标量衍射理论，每一次往返行程平均镜面反射强度的减小由下式给出：

$L_{\mathrm{surf}}\≈{\left(\frac{4\mathrm{\π}{n}_i{\mathrm{\σ}}_{\mathrm{rms}}\sqrt{n}\sin (\mathrm{\π}/n)}{{\mathrm{\λ}}_0}\right)}^2---\left(4\right)$

其中，σ_rms是均方根表面粗糙度，λ₀是真空波长，而n是n侧面的TIR腔谐振器的侧面数。

损耗项L_coulping表示由于光子隧穿效应或者受抑全内反射引起的面145和155上的输入和输出耦合所造成的损耗。损耗项L_nspec表示来自非镜面反射的损耗。非镜面反射由光束直径的有限性所引起，所述光束直径的有限性将其与角光谱中的波矢的分布联系在一起，光束直径与谱宽之间成反比。角光谱中的每一个分量发生不同的相位改变和振幅改变，从而导致非镜面反射。这样的损耗机制相对于其他的损耗源通常是可忽略的。

TIR腔谐振器115的面165和175是用于表面等离子共振检测(SPR)的薄金属层167和177的位置。等离子是对局部介电环境高度敏感的电磁波方程的非齐次解。根据本发明，金属(通常是银或金)层167和177的薄层被沉积在面165和175上，其中所述薄层通常具有纳米级的厚度。银常常受到由氧化所造成的长期稳定性问题的困扰。倏逝波160和170的p-偏振分量与薄金属层167和177的表面上的自由电子发生相互作用。

当TIR腔谐振器115中光波处在由偏振、波长和入射角所确定的精确定义的动量状态下时，形成表面等离子共振。为了产生由光波引起的等离子激发，平行于薄金属层的光波分量的波矢需要与等离子的波矢相等。等离子的波矢取决于薄金属层和样品介质(通常是转换层和被分析物)的折射率。当表面等离子共振被激发，损耗增大，因为光被共振吸收，以驱动电子电荷密度振动。光子衰减时间τ(ω)(见式(1))越短，等离子损耗L_plasmon越大，并且光子衰减时间τ(ω)是等离子吸收系数的直接量度。对于TIR腔谐振器：

$L_{\mathrm{plasmon}}=(n-2){\mathrm{\σ}}_{\mathrm{plasmon}}\left(\mathrm{\ω}\right)\underset{0}{\overset{d}{\∫}}{N}_{\mathrm{plasmon}}\left(\mathrm{\ξ}\right)\mathrm{\δ}(\mathrm{\ξ}-h)\mathrm{d\ξ}---\left(5\right)$

其中，n是TIR腔谐振器的侧面数，d是倏逝波的有效取样深度，σ_plasmon(ω)是吸收截面并且是表面等离子频率的函数，h是薄金属层的厚度，N(ξ)_plasmonδ(ξ-h)是等离子的数量密度且Dirac Delta函数表明仅仅当ξ＝h时在薄金属层的外表面激发等离子。注意，如果d＜h，则L_plasmon＝0。对于TIR腔谐振器115，n＝4且表达式可以被改写为

$L_{\mathrm{plasmon}}=\frac{{2\mathrm{\σ}}_{\mathrm{plasmon}}{N}_{\mathrm{plasmon}}}{{(\mathrm{\ω}-{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{plasmon}})}^2}---\left(6\right)$

其中，σ_plasmon(ω)已经被分离成常数项σ_plasmon和具有共振频率ω＝ω_plasmon的频率依赖型洛伦兹吸收线形。

利用CRDS 100，可以检测出涉及化学或者生物反应的样品介质。例如，根据本发明，通常厚度为约1μm的转换层分别被沉积到面165和175上的薄金属层167和177上。在化学检测应用中，转换层通常由聚合物所形成，并利用旋转涂层技术或者浸渍涂层技术进行涂敷。转换层吸收待检测的化学物质或被分析物，或者与待检测的化学物质或被分析物发生化学反应。

在生物检测应用中，转换介质通常被形成为生物分子的基质或者层，其中所述生物分子能够与被分析物分子166进行键合。可以利用各种生物分子相互作用，包括抗原-抗体、受体-配体和荷尔蒙-受体键合。

被分析物的出现改变了面165和175上的局部介电常数。局部介电常数的变化影响等离子吸收系数，通过L_plasmon导致光子衰减时间τ(ω)的值的变化。首先在不存在待检测的化学物质或被分析物，但存在薄金属层167和177以及转换层的情况下，测量CRDS 100的光子衰减速率或者环降时间。来自可调谐激光器105的光激发表面等离子共振，并且取决于频率，光的某一部分被吸收。腔谐振器的光子衰减时间τ(ω)和精细度与光的被吸收的部分成反比。CRDS 100的面165和175被暴露于待检测的被分析物166、化学试剂或者生物试剂。随着被分析物166与转换层发生相互作用，在表面等离子的附近局部介电常数被改变了。这影响了表面等离子共振的性质：介电常数的变化改变等离子吸收和共振频率。如果在存在被分析物166的情况下，更多的光被吸收，导致τ(ω)值的下降。在不存在被分析物166和存在被分析物166的情况下的光子衰减时间之间的差值通过式(5)的等离子损耗项而与被分析物166的浓度成比例。

图1b示出了根据本发明的实施例的步骤，其用于将在被分析物166存在的情况下表面等离子共振系数的变化映射为可调谐激光器105的频率的函数。在步骤131中，可调谐激光105被调至特定的波长λ₁。在步骤132，首先在不存在被分析物166的情况下，测量CRDS 100的光子衰减时间。可选地，步骤131可以被重复多次来获得平均值，以减小噪声。对于下一个波长λ_i重复步骤131和132，直至在感兴趣的波长范围λ₁…λ_n中CRDS 100已经被校准。在步骤133中，激光器105被调谐至波长λ₁。在步骤134中，允许被分析物166与薄金属膜167和177以及位于各金属膜167和177上的转换层发生相互作用。在步骤135中，在存在被分析物166的情况下，测量CRDS 100的光子衰减时间。可选地，步骤135可以被重复多次来获得平均值，以减小噪声。在步骤136中，由存在被分析物166和不存在被分析物166两种情况下、在特定波长下的CRDS 100的光子衰减时间的差值来计算出在特定波长下的吸收系数。对于下一个波长λ_i重复步骤133至136，直至作为波长的函数的吸收系数被映射到了感兴趣的整个波长范围λ₁…λ_n上。在步骤137中，基于来自步骤136的结果，识别化学物质或者生物物质。

光子衰减速率的差异通常表明特定化学试剂或者生物试剂的存在，即使所述化学试剂或者生物试剂是以非常低的浓度存在。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”中报道了0.2％的光子衰减时间的相对不确定度，这样的光子衰减时间的相对不确定度可以允许实现10¹⁰分率数量级(即百亿分之几)或者更好的灵敏度。如此高灵敏度的测量允许利用环降技术来检测非常低浓度的物质。对变化量的测量涉及衰减速率的测量，因此对激光器强度噪声不敏感，并且是散粒噪声限制的(shot-noise limited)。但是，光子衰减必须足够的长，使得衰减曲线的精确数字化可以实现。

图2a示出了根据本发明的平面腔环降光谱仪(CRDS)200的俯视图。平面CRDS 200被构造成为一个允许紧凑、便宜和集成的传感器的平面光波光路，并可以利用根据平面光波光路的制造方法所修改的公知方法来制造。在衬底205(见图2b)中创建平面波导210、211和环腔谐振器215，其中所述衬底205通常由SiO₂制成。注意，使波导210绝热地(adiabatically)逐渐变细，以便与环腔谐振器215模式匹配。这在保持了高精细度的同时提供了低耦合损耗。通常来自可调谐激光源的光在平面波导210中传播，并经由倏逝波通过光子隧穿效应，或者等同地通过受抑全反射，耦合到环腔谐振器215，其中所述倏逝波激发环腔谐振器215的稳定模式。因此，平面波导210与环腔谐振器215由间隙d₁分开，以使倏逝场与环腔谐振器215的模式相位匹配。

通过改变间隙d₁，调节耦合到环腔谐振器215的平面波导210。当间隙d₁约为平面波导210中的受限电场的l/e衰减长度(l/e decay length)时，可以获得高效的耦合。这被称之为阻抗匹配条件，因为环腔谐振器215中的光往返行程损耗等于从平面波导210到环腔谐振器215之中的耦合损耗。在最高效的间隙d₁下运行不会获得环腔谐振器215的最大精细度。对于更大的间隙d₁，作为环腔谐振器215的最大精细度的耦合效率平台被逼近，并且如上面对于TIR腔谐振器115所讨论的，通常优选更弱的耦合。通常选择环腔谐振器215的精细度，以获得对于选定电子探测方案的最佳信噪比。选择精细度，以使光子衰减时间或者环降时间与电子探测器带宽相互匹配。通常通过平面波导211实现从环腔谐振器215至探测器(没有示出)的输出耦合(outcoupling)，其中所述平面波导211到环腔谐振器215的耦合通过改变间隙d2来调节。或者，在根据本发明的其他实施例中，可以利用平面波导210来实现输入耦合(incoupling)以及输出耦合，而不用波导211。电子探测器(没有示出)测量输出耦合信号的时间依赖性，其可以确定光子衰减时间。

通过对用于诸如图2a中的根据本发明的实施例之类的相关构造的电场的波动方程进行数值解，可以得到对于平面腔环降光谱仪(CRDS)200的电场构造的解，所述波动方程如下：

${\▿}^2\stackrel{\→}{E}+k^2{n}^2(x,y,z)\stackrel{\→}{E}=0---\left(7\right)$

其中，自由空间波数k＝2π/λ₀，且折射率n是x、y、z的函数。

图2b示出了平面CRDS 200的侧视图。衬底205的顶部已经被刻蚀掉，并且由薄金属层245覆盖，以允许表面等离子共振的形成，其中所述金属通常是银或金。类似于上面对CRDS 100的讨论，包含转换层(没有示出)的薄膜被沉积到薄金属层245上，所述薄膜的厚度一般为约1μm。首先在不存在待检测的化学物质或被分析物的情况下，测量CRDS 200的光子衰减时间或者环降时间。被分析物250随后被沉积在转换层(没有示出)上，如果感兴趣的物质存在的话，这会导致在薄金属层245上方区域中的有效介电常数的变化。介电常数的变化改变了CRDS 200的环降时间。局部介电常数的变化影响等离子吸收系数，导致光子衰减时间τ(ω)的值的变化。位于环腔谐振器215下方的衬底材料足够的厚，以防止衬底205底部之外的倏逝耦合(evanescent coupling)，以及任何由此发生的对环降时间的影响。

环腔谐振器215的光子衰减时间不同于上面的体型光学TIR环腔谐振器115，并由下式给出：

$\mathrm{\τ}\left(\mathrm{\ω}\right)=\frac{t_r}{L_{\mathrm{bulk}}+L_{\mathrm{surf}}+L_{\mathrm{coupling}}+L_{\mathrm{diff}}+L_{\mathrm{bending}}+L_{\mathrm{plasmon}}}---\left(8\right)$

其中，t_r＝2πRn_r/c是往返行程时间，n_r是折射率，R是环腔谐振器215的半径。环腔谐振器215损耗由往返行程损耗L_i的加和来近似。

对于由高度透明的材料制成的腔谐振器215，由于体积衰减造成的每传递(pass)一次的损耗由下式给出：

L_bulk＝2απR                      (9)

其中，α是体积衰减系数，R是环腔谐振器215的半径。

弯曲损耗L_bending提供由于环腔谐振器215的曲率半径造成的损耗，并且由下式给出：

$L_{\mathrm{bending}}\≈\mathrm{\ξ}\left(\frac{a}{w}\right)e^{-\left(\frac{{(w/a)}^3{\mathrm{\λ}}^{2}R}{{6\mathrm{\π}}^2{n}_r^2}\right)}---\left(10\right)$

其中 $\mathrm{\ξ}\left(\frac{a}{w}\right)={\left[\underset{0}{\overset{\∞}{\∫}}\frac{E^2\left(r\right)\mathrm{rdr}}{E^2(a/w)}\right]}^{-1},$ n_r是环腔谐振器215的折射率，a是波导宽度，a/w是波导电场的横向l/e衰减长度，w是指数衰减常数并决定波导210外侧的电场的衰减速率，λ是入射光的波长，R是环腔谐振器215的半径，以及E(r)是电场。

假设区域3(即标号205处)有效地具有无限的厚度，环腔谐振器215的衍射损耗L_diff由下式给出：

$L_{\mathrm{diff}}\≈\frac{2}{a}[\frac{{\mathrm{\κ}}_2}{{({\mathrm{\κ}}_1+{\mathrm{\κ}}_2)}^2}+\frac{{\mathrm{\κ}}_3+{{\mathrm{\κ}}_3}^{*}}{2{\left|({\mathrm{\κ}}_1+{\mathrm{\κ}}_3)\right|}^2}]\frac{{{\mathrm{\κ}}_1}^2}{\mathrm{\β}}---\left(11\right)$

其中， ${\mathrm{\κ}}_i=\sqrt{(n_i^2{k}^2-{\mathrm{\β}}^2)},$ i＝1，2，3且κ_i是波数，n_i是图2b中的区域i(i＝1，2，3，分别对应于标号249、215、205处)中的有效折射率，k＝2π/λ并且β是环腔谐振器215的特征模式(eigenmode)的传播常数。

平面CRDS 200的耦合损耗L_coupling由下式给出：

$L_{\mathrm{coupling}}=K(\frac{w}{a}{d}_i,n_i){\mathrm{\λ}}^3\∝\∫\∫\∫d^3\stackrel{\→}{r}({\stackrel{\→}{E}}_{\mathrm{waveguide}1}\left(\stackrel{\→}{r}\right){\stackrel{\→}{E}}_{\mathrm{resonator}}^{*}\left(\stackrel{\→}{r}\right)+{\stackrel{\→}{E}}_{\mathrm{waveguide}2}\left(\stackrel{\→}{r}\right){\stackrel{\→}{E}}_{\mathrm{resonator}}^{*}\left(\stackrel{\→}{r}\right))---\left(12\right)$

其中，K是依赖于电场范围(extent)和耦合长度d_i的几何形状因子，a是波导宽度，a/w是波导电场的横向l/e衰减长度并决定波导210外侧的电场的衰减速率，d_i(i＝1，2)分别是波导210或者波导211与环腔谐振器215之间的距离。从式(12)可以清楚看出，耦合损耗随着波长迅速增大，因为场的横向范围增大且因此电场重叠增大。

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”中所公开的，在近红外中工作的平面CRDS200可以实现小于～10^-10的吸收测量，其中在近红外SiO₂的体积损耗L_bulk～5·10^-7/cm。对如何构建超高Q圆环形微腔的讨论，参见Armani等的在Nature，vol.421，February 27 2003，p.925中的“Utra-high-Q toroidmicrocavity on a chip”，其通过引用被包括在这里。作为非最优化的示例，使平面波导210和环腔谐振器215具有与衬底205相差0.3％的折射率。使平面波导210具有8μm×8μm的横截面，所述8μm×8μm的横截面绝热地逐渐减小到3.6μm×3.6μm的横截面，使平面波导211具有8μm×8μm的横截面，使环腔谐振器215具有20μm的半径，使衬底205具有24μm的厚度，使衬底205的顶部和环腔谐振器215之间的距离为4μm，并且平面波导210和环腔谐振器215之间的间隙d₁＝6.8μm而平面波导211和环腔谐振器215之间的间隙d₂＝12.7μm。CRDS 200的上述构造的精细度为约1.2·10⁸。增加50nm的金膜作为薄金属层245，使得精细度减小到约2.5·10⁷。将具有1μm厚度和折射率n_{refractive index}＝1.4的转换层涂敷到薄金属层245上使精细度进一步降低到约2.1·10⁷。对于具有1μm厚度和n_{refractive index}＝1.6的转换层，腔Q被降低至约9.8·10⁶。

如果输入耦合和输出耦合都通过平面波导210来进行，而不存在平面波导211，则使用上面的值的话CRDS 200的Q为约2.0·10⁸。增加50nm的较薄的金膜作为薄金属层245，使得精细度减小到约4.2·10⁷。将具有1μm厚度和n_{refractive index}＝1.4的转换层涂敷到薄金属层245上使CRDS 200的腔Q进一步降低到约3.4·10⁷。对于具有1μm厚度和n_{refractive index}＝1.6的转换层，CRDS 200的腔Q被降低至约2.7·10⁷。

在上述的两个示例中，CRDS 200(即结合在一起的腔、金属和电介质堆叠)的腔Q足够大，可以允许光子衰减时间的精确测量。例如，采用2.7·10⁷的腔Q和1550nm的工作波长，对应的光子衰减时间τ(ω)＝Q(ω)/ω～Qλ/2πc约为20nsec。利用适当的平均处理和信号处理，光子衰减时间的相对不确定度Δτ/τ可以被减小到约0.5％。在这种情况下，设在1550nm的工作波长下SiO₂的体积损耗为约10^-7/cm，则最小可探测吸收Δτ/τ·L_bulk～10^-10。

被分析物250的存在改变了CRDS 200顶表面249的局部的介电常数。局部介电常数的变化影响等离子吸收系数，通过L_plasmon导致光子衰减时间τ(ω)的值的变化。首先在不存在待检测的化学物质或被分析物、但存在薄金属层245以及转换层的情况下，测量CRDS 200的光子衰减速率或者环降时间。来自可调谐激光器(没有示出)的光激发表面等离子共振，并且取决于频率，光的某一部分被吸收。CRDS 200的光子衰减时间τ(ω)和精细度与光的被吸收的部分成反比。CRDS 200的顶表面249被暴露于被分析物250、待检测的化学试剂或者生物试剂。随着被分析物250与转换层发生相互作用，在表面等离子的附近局部介电常数被改变了。这影响了表面等离子共振的性质：介电常数虚部的变化改变等离子吸收。如果在存在被分析物250的情况下，更多的光被吸收，导致τ(ω)值的下降。在不存在被分析物250和存在被分析物250的情况下的光子衰减时间之间的差值通过式(5)的等离子损耗项与被分析物250的浓度成比例。与上述参照图1b的讨论相类似，在存在被分析物250的情况下的表面等离子共振系数的变化可以被映射为可调谐激光器的频率的函数。

虽然结合具体的实施例描述了本发明，但是根据本发明，许多替换、修改和变化将是明显的，这对于本领域技术人员是显然的。因此，本发明意在包括落入所附权利要求的精神和范围中的所有其他这样的替换、修改和变化。

Claims (20)

1.一种腔环降光谱仪(100)，包括：

具有第一表面(165)的光学腔谐振器(115)；和

布置在所述第一表面(165)上的薄金属层(167)，所述薄金属层(167)可操作以接纳转换层。

2.如权利要求1所述的装置，还包括被倏逝耦合到所述光学腔谐振器上的可调谐相干光源(105)。

3.如权利要求2所述的装置，其中利用棱镜(110)将所述可调谐相干光源(105)倏逝耦合到所述光学腔谐振器(115)。

4.如权利要求1所述的装置，其中所述光学腔谐振器(115)具有多边形棱体的形状。

5.如权利要求4所述的装置，其中所述多边形棱体形状的一个面包含所述的第一表面(165)。

6.如权利要求4所述的装置，其中所述多边形棱体形状的截面是正方形。

7.如权利要求1所述的装置，其中所述光学腔谐振器(215)具有圆环形形状，并被嵌入在衬底(205)之中。

8.如权利要求7所述的装置，其中所述圆环形形状的平面(249)包含所述第一表面。

9.如权利要求7所述的装置，还包括第一波导(210)，所述第一波导(210)被紧靠所述光学腔谐振器(215)布置在所述衬底(205)中，所述第一波导(210)可操作以使所述第一波导(210)中的光能被倏逝耦合到所述光学腔谐振器(215)之中。

10.如权利要求9所述的装置，还包括第二波导(211)，所述第二波导(211)被紧靠所述光学腔谐振器(215)布置在所述衬底(205)中，所述第二波导(211)可操作以使所述腔谐振器(215)中的光能被倏逝耦合到所述第二波导(211)之中。

11.如权利要求9所述的装置，还包括可调谐相干光源，所述可调谐相干光源用于将光引入所述第一波导(210)之中。

12.如权利要求1所述的装置，其中所述转换层可操作以接纳被分析物(250)。

13.如权利要求1所述的装置，其中所述光学腔谐振器(215)由SiO₂构成。

14.如权利要求9所述的装置，其中所述第一波导(210)绝热地逐渐变细，以改善至所述光学腔谐振器(215)的倏逝耦合。

15.如权利要求2所述的装置，还包括基于外差的探测器，所述探测器被光学耦合到所述光学腔谐振器(215)，用于弱信号的相干探测。

16.如权利要求1所述的装置，其中所述光学腔谐振器(215)被高度抛光，以获得高的品质因数。

17.一种用于制造腔环降光谱仪(100)的方法，包括：

提供具有第一表面(165)的光学腔谐振器(115)；以及

在所述第一表面(165)上沉积薄金属层，所述薄金属层(167)可操作以接纳转换层。

18.如权利要求17所述的方法，还包括提供可调谐相干光源(105)，所述可调谐相干光源(105)被倏逝耦合到所述光学腔谐振器(115)上。

19.如权利要求17所述的方法，其中所述光学腔谐振器(215)具有圆环形的形状，并被嵌入衬底(205)之中。

20.如权利要求19所述的方法，还包括提供第一波导(210)，所述第一波导(210)被紧靠所述光学腔谐振器(215)布置在所述衬底(205)中，所述第一波导(210)可操作以使所述第一波导(210)中的光能被倏逝耦合到所述光学腔谐振器(215)之中。

Images