CN101046445B - 线状光束扫描表面等离子体共振成像光强检测方法及系统 - Google Patents
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Abstract
线状光束扫描表面等离子体共振成像光强检测方法及系统，属于生物检测技术领域。本发明在入射光路中加入由振摆驱动器驱动的振镜，使传感表面的入射角随振镜的来回摆动而不断改变，即作线状光束扫描。蛋白质芯片表面的生物分子相互作用不断进行，由所述振镜反射的光射入传感表面的入射角不断改变，从而每时每刻都能激发蛋白质芯片上的表面等离子体共振，即可即时在光电探测器上得到相应的光强变化信号。一旦振镜摆动的频率固定，只需记录在光电探测器上得到的光强随时间变化的信号，即可实现检测。该方法不需要测量任何机械运动的角度变化，也不存在机械误差影响，整个系统结构简单、可靠，灵敏度和精度高，且能实现单通道或多通道的检测。
Description
技术领域
本发明属于生物检测技术领域，特别涉及用来实现高精度、实时传感蛋白质-蛋白质、蛋白质-DNA，蛋白质-效应物、抗原-抗体等生物分子相互作用的检测方法及其生物芯片检测系统。
背景技术
表面等离子体共振成像传感的本质是传感所检测表面的折射率变化。传感芯片的玻璃基片与金膜之间界面为传感表面，当样本中的生物分子与固定在传感表面的生物分子相互作用时，传感表面的结构就会发生变化，即折射率发生变化。随之，激发表面等离子体共振的光的入射角也需相应改变。当发生表面等离子体共振时，对应的反射光的强度就会立即锐减到接近0。因此，在表面等离子体共振成像传感中，入射角对应反射光强变化的检测法常被采用，传感原理如图1所示。由激光器1发出的光透过棱镜2、折射率油层3和传感芯片4的玻璃基片，聚焦在传感芯片4的玻璃基片与金膜之间的界面上并就地反射，接着透过传感芯片4的玻璃基片、折射率油层3和棱镜2，被光电探测器7接收。如果传感芯片4上固定的“探针”5与样本溶液中的生物分子6结合时，那么传感表面的折射率就会随之迅速改变。调整激光器1发出的光的入射角θ，保证其激发即刻的表面等离子体共振，使光电探测器7接收到的光强最小。生物分子相互作用不断进行，随之需要不断改变光的入射角θ并探测反射光的最小值。生物分子相互作用的检测过程，就是一个不断改变并记录光的入射角和所探测的反射光的最小值的过程。这里，入射角θ和光电探测器7的位置改变都要靠机械运动来实现的。显然，两者单独操作最简单，可是要找到准确位置很费时，且存在机械误差，影响高精度实时检测。为此，崔大付等人发明了一种检测谐振吸收角微小变化的传感系统(见中国专利CN1831527A，公开日为2006年3月6日)，机械运动的机构及传感系统原理如图2所示。连杆组11分别与安装在导轨9中的滑块10以及光学平台12连接；滑块10还与驱动系统8连接；激光器1和光电探测器7分别安装在连杆组11的相邻两臂上；传感芯片和测量池13以及光学棱镜14安装在光学平台12上。滑块10由驱动系统8驱动，可以沿导轨9左右移动。当滑块10在驱动系统8的作用下左右运动时，与之相连的连杆组11的相邻二臂之间的夹角随之改变，即射到传感芯片上的光的入射角和从传感芯片反射的光的反射角同时改变。当传感芯片上发生生物分子相互作用时，由驱动系统8调整连杆组11的两臂的夹角，即调整入射角与反射角，可实现表面等离子体共振以及同时探测共振时的反射光的光强。采用这种系统，不仅使激光器与光电探测器同步运动，提高了效率，而且还可实现微小的入射角度变化和有较大的变化范围，对反射光进行跟踪，同时也可实现多通道检测。很明显，该系统存在三个不足：一是精度主要取决于相关零件的加工精度；二是整个系统属机械运动系统，存 在运动阻尼，响应频率不高，检测速度也就不可能高；三是机械运动容易造成微小振动，影响高精度检测。因而，该发明难以满足实时高精度检测要求。
胡建东等人为了简化角度调整机构，避免可动的传动部件带来的检测误差，发明了基于表面等离子波传感的双光束检测装置(见公开号CN1715878A，公开日为2006年1月4日)，该装置原理如图3所示。由激光器1发出的激光通过光学组件14(包括光束准直、偏振器和分束器)后，分成两束偏振光并同时射到棱镜2的底面上。该棱镜的底面镀有金膜30，金膜30上组装有生物传感膜(包括耦联层31和探5)，生物传感膜上设置样本池15。射到棱镜2的底面的两束光就地反射，透过棱镜2后分别同时射到光电探测器7a和7b上，由其转换成电信号，两束光的功率值分别为Pθ1和Pθ2。当样本池15中的被分析物与生物传感膜相结合时，立即引起折射率变化，此时的两束反射光的功率差值为ΔP＝|Pθ1-Pθ2|。样本浓度变化所引起的折射率的变化分别对应不同的ΔP，只要建立ΔP与被测样本的折射率之间的关系，通过标定就可获得被测样本的浓度值。该发明与崔大付等人的发明相比，不存在机械运动，响应速度高，也可提高检测精度。对浓度检测来说，该发明是合适的，两束光可分别作为测量光和参考光。可是，生物医学研究中往往需要同时检测几种生物分子的相互作用，即需要多通道检测，该发明就难以满足了。
发明内容
本发明的目的在于克服上述技术的不足，提供一种线状光束扫描表面等离子体共振成像光强检测方法及其系统，可高灵敏度、以单通道或多通道实时检测生物芯片，获取生物分子相互作用的信息。
本发明的技术方案如下：
一种线状光束扫描表面等离子体共振成像光强检测方法，其特征在于该方法按如下步骤进行：
1)使激光器发出的光经一组光学元件后聚成点状光束、线状光束或聚成三束在同一直线上的点状光，然后投射到振镜上；所述的振镜由振摆驱动器驱动，绕一固定轴来回摆动；
2)射到振镜上的点状光束、线状光束或三束在同一直线上的点状光随振镜的来回摆动而不断改变其反射角，且光束始终保持点状或线状，即作线状光束扫描；
3)从振镜反射的光通过另一组光学元件射入传感单元，在传感表面上会聚成点状或线状光束，该光束在传感芯片表面的投影所位于的直线与传感芯片上的传感通道垂直，且入射角不断改变而入射点位置始终不变；
4)当传感芯片的金膜上的“探针”与样本溶液中的生物分子结合时，传感芯片表面的折射率即刻发生变化，与此同时，射在传感表面上的光的入射角也在不断改变，当其恰好为表面等离子体共振角时，即对应此刻的传感表面的折射率，激发传感芯片上的表面等离子体共振，传感即时的折射率变化；“探针”与样本溶液中的生物分子结合不断进行，表面等离子体共振不断发生，从而每时每刻都能传感所发生的折射率变化；
5)入射光在激发传感芯片发生表面等离体共振时，其光强发生急剧变化，并原位反射，从传感单元射出，再经一组光学元件会聚后，成像在光电探测器上，经信号处理电路转换后，输入计算机处理。
在本发明所述的线状光束扫描表面等离子体共振成像光强检测方法中，所述的振摆控制器控制振镜可作频率为0.5～500Hz和摆角在±5度范围内的来回摆动，使由振镜反射的光的反射角在±5度范围内作频率为0.5～500Hz的变化。
本发明提供了一种实施上述方法的单通道线状光束扫描表面等离子体共振成像光强检测系统，包括入射臂、生物传感单元、反射臂和信号处理单元，所述的入射臂置于生物传感单元的一侧；所述的生物传感单元包括棱镜、折射率油层、传感芯片以及样本池；所述的反射臂位于与入射臂对应的生物传感单元的另一侧，含有第三透镜和光电探测器；其特征在于：所述的入射臂依次包括激光器、偏振片、第一透镜、振镜和第二透镜；所述的振镜安置在与传感芯片表面的中垂线成52～58度角的入射光轴上，由振摆驱动器驱动，并绕一固定轴来回摆动；激光器发出的准直光通过偏振片后成线偏振光，经第一透镜会聚成一点后射到振镜上，原位反射后经第二透镜射入生物传感单元；从生物传感单元出射的光又经第三透镜会聚后，成像在光电探测器上，经信号处理电路转换后，输入计算机处理。
本发明提供了另一种实施所述方法的三通道线状光束扫描表面等离子体共振成像光强检测系统，包括入射臂、生物传感单元、反射臂和信号处理单元，所述的入射臂置于生物传感单元的一侧；所述的生物传感器单元包括棱镜、折射率油层、传感芯片以及样本池；所述的反射臂位于与入射臂对应的生物传感单元的另一侧，包括第七透镜与光电探测器；其特征在于：所述的入射臂依次包括激光器、偏振片、第四透镜、光栅、第五透镜、振镜、第六透镜以及第一柱面镜，所述的振镜安置在与传感芯片表面的中垂线成52～58度角的入射光轴上，由振摆驱动器驱动，并绕一固定轴来回摆动；激光器发出的准直光通过偏振片后成线偏振光，射到第四透镜上后被聚焦，通过光栅后被分为中心在同一直线上的0级和±1级三束光，三束光同时射到与第四透镜共焦的第五透镜上，被其会聚成处在同一直线上的三个点状光束，且同时射在绕轴作固定频率来回摆动的振镜上，原位反射后经第六透镜和第一柱面镜射入生物传感单元；从生物传感单元出射的光又经第七透镜会聚后，成像在光电探测器上，经信号处理电路转换后，输入计算机处理。
本发明还提供了又一种多通道线状光束扫描表面等离子体共振成像光强检测系统，包括入射臂、生物传感单元、反射臂和信号处理单元，所述的入射臂置于生物传感单元的一侧；所述的生物传感器单元包括棱镜、折射率油层、传感芯片以及样本池；所述的反射臂位于与入射臂对应的生物传感单元的另一侧，包括第五柱面镜、第二光栏与光电探测器；其特征在于：所述的入射臂依次包括激光器、偏振片、第二柱面镜、振镜、第三柱面镜、第四柱面镜和第一光栏；所述的振镜安置在与传感芯片表面的中垂线成52～58度角的入射光轴上；所述的入射臂上的激光器发出的准直光通过偏振片与第二柱面镜后成线状偏振光，投射到绕轴作固定频率来回摆动的振镜上，原位反射后经第三柱面镜、第四柱面镜和第一光栏射入生物传 感单元；从生物传感单元出射的光又经第五柱面镜、第二光栏会聚后，成像在光电探测器上，经信号处理电路转换后，输入计算机处理。
本发明与现有技术相比，具有以下优点及突出性效果：①由半导体激光器发出的光既可经透镜会聚成一单点光束，又可经光栅后被分成0级和±1级等三束光且三束光的中心在同一条直线上，还可经柱面镜后成线状光束；②无论是单光束和三光束，还是线状光束，都是同时射在振镜上，并随着振镜在振摆控制器的作用下，可绕固定轴在±5度范围进行0.5～3KHz的线状光束扫描，；③无论是单点光束、三点光束还是线状光束，不管振镜如何来回摆动，会聚在传感芯片的玻璃基片与金膜之间界面上的点状或线状光束的位置始终不变，能保证始终检测传感芯片的同一位置上发生的生物分子相互作用；④由振镜反射的线状或点状光可对应传感芯片上的相应的传感通道，且从所述的振镜反射的光的反射角不断改变，即会聚在传感芯片的玻璃基片与金膜之间的界面上的光的入射角不断改变，从而保证每时每刻都能激发传感芯片上的表面等离子体共振，；⑤从传感芯片反射的光束可同时成像在光电探测器的对应单元上；⑥在整个检测过程中，振镜只需在振摆控制器的作用下不断来回摆动，可不考虑某时某刻所处的位置，而光电探测器却固定不动，完成实时检测。因而，不需要测量任何机械运动的角度变化，也不存在机械误差影响，整个系统结构简单、可靠，灵敏度和精度都高。它既能单通道，又可同时三通道或多通道，检测发生在传感通道上的生物分子相互作用时引起的光强变化，提供给生物学家和医学家解析。本发明可以实现高灵敏、无需标记和实时检测，一次可检测一种、三种及多种蛋白质-蛋白质、蛋白质-DNA、蛋白质-效应物、抗原-抗体等生物分子的相互作用，获得动力学、特异性、选择性、空间位置以及结构与功能等生物信息。
附图说明
图1为已有的一种表面等离子共振传感检测原理示意图。
图2为已有的一种基于表面等离子共振传感光强检测的机械运动的机构示意图。
图3为已有的一种基于表面等离子体共振传感的双光束光强检测装置示意图。
图4为本发明提供的单通道线扫描表面等离子体共振成像光强检测系统实施例的结构示意图。
图5为本发明提供的三通道线状光束扫描表面等离子体共振成像光强检测系统实施例的结构示意图。
图6为本发明提供的多通道线状光束扫描表面等离子体共振成像光强检测系统实施例的结构示意图。
图7为本发明实施的生物传感芯片结构示意图。
图8为本发明实施的样本池恒温系统结构示意图。
图9为本发明实施的振镜振摆控制器结构示意图。
图10为本发明实施的信号处理电路结构示意图。
图11为本发明实施的时基、振镜线圈电流和光电探测器输出的信号波形图。
图12为本发明实施的计算机工作流程图。
图中：1-激光器；2-棱镜；3-折射率油层；4-传感芯片；5-探针；6-被检测生物分子；7-光电探测器，7a、7b-光电探测器；8-驱动系统；9-导轨；10-滑块；11-连杆组；12-光学平台；13-传感芯片和测量池；14-光学组件；15-样本池；16-激光驱动器；17-偏振片；18-振镜；19-振镜驱动器；20a-第一透镜；20b-第二透镜；20c-第三透镜；20d-第四透镜；20e-第五透镜；20f-第六透镜；20g-第七透镜；21-半导体制冷器；22-散热片；23-致冷控制器；24-信号处理电路；25-计算机；26-光栅；27a-第一柱面镜；27b-第二柱面镜；27c-第三柱面镜；27d-第四柱面镜；27e-第五柱面镜；28a-第一光栏；28b-第二光栏；29-传感芯片玻璃基片；30-金膜；31-耦联层；32-热敏电阻；33-温度设定器；34-电桥；35-差动放大器；36-比例积分调节器；37-温度调节功放；38-时基信号发生器；39-频率选择器；40-波形转换器；41-摆角选择器；42-振摆驱动功放；43-放大器；44-A/D；45-计算机接口电路。
具体实施方式
本发明提供的线状光束扫描表面等离子体共振成像光强检测方法，其具体检测步骤如下：
1)使激光器发出的光经一组光学元件后会聚成点状光束、线状光束或三束在同一直线上的点状光，然后投射到振镜上；所述的振镜由振摆驱动器驱动，绕一固定轴来回摆动；所述的一组光学元件可依次由偏振片和透镜组成，经会聚后形成点状光束；或依次由偏振片和柱面镜组成，经会聚后形成线状光束；或依次由偏振片、透镜和光栅组成，聚成三束在同一直线上的点状光。
2)射到振镜上的点状光束、线状光或三束在同一直线上的点状光随振镜的来回摆动而不断改变其反射角，且光束始终保持点状或线状，即作线状光束扫描；
3)从振镜反射的光通过透镜，或透镜和柱面镜，或柱面镜和光栏后射入传感单元，在传感表面上会聚成点状或线状光束，该光束在传感芯片表面的投影所位于的直线与传感芯片上的传感通道垂直，且入射角不断改变而入射点位置始终不变；
4)当传感芯片的金膜上的“探针”与样本溶液中的生物分子结合时，传感芯片表面的折射率即刻发生变化，与此同时，射在传感表面上的光的入射角也在不断改变，当其恰好为表面等离子体共振角时，即对应此刻的传感表面的折射率，激发传感芯片上的表面等离子体共振，传感即时的折射率变化；“探针”与样本溶液中的生物分子结合不断进行，表面等离子体共振不断发生，从而每时每刻都能传感所发生的折射率变化；
5)入射光在激发传感芯片发生表面等离体共振时，其光强发生急剧变化，并原位反射，从传感单元射出，再经一组光学元件会聚后，成像在光电探测器上，经信号处理电路转换后，输入计算机处理。也就是说，传感芯片表面的生物分子相互作用不断进行，由所述振镜反射的光的反射角不断改变，即传感表面上光的入射角不断改变，从而每时每刻都能激发传感芯片上的表面等离子体共振，与之对应每时每刻可在光电探测器上得到相应的光强变化信号。 实际上，一旦振镜摆动的频率固定，只需记录在光电探测器上得到的光强随时间变化的信号，经放大和A/D后输入计算机，即可实现检测。
下面结合附图对本发明所保护的线状光束扫描表面等离子体共振成像光强检测方法及其系统作进一步的说明。
图4为本发明提供的单通道线扫描表面等离子体共振成像光强检测系统的实施例的结构示意图。该实施例包括入射臂、生物传感单元、反射臂和信号处理单元。所述的入射臂置于生物传感单元的一侧，依次包括激光器1、偏振片17、第一透镜20a、振镜18和第二透镜20b；所述的振镜安置在与传感芯片表面的中垂线成52～58度角的入射光轴上，由振摆驱动器19驱动，并绕一固定轴来回摆动；所述的生物传感单元包括棱镜、折射率油层3、传感芯片4以及样本池15；所述的反射臂位于与入射臂对应的生物传感单元的另一侧，含有第三透镜20c和光电探测器7。启动激光驱动器16，使半导体激光器1发出准直光；所述的半导体激光器1发出的准直光通过偏振片17后成线偏振光，经第一透镜20a会聚成一点后射到振镜18上；所述的振镜18由振镜驱动器19控制，可根据所检测的样本在±5度范围内选定任一振摆角度范围和在0.5～500Hz中选择任一振摆频率，绕轴作固定频率来回摆动；所述的射在振镜18上的光原位反射，经第二透镜20b后射入棱镜2；所述的射入棱镜2的光透过其后，又通过折射率油层3和传感芯片4的玻璃基片，在传感芯片4的玻璃基片29与金膜30之间的界面上会聚成一点，位于对应的传感通道下方；所述的会聚在传感芯片4的玻璃基片29与金膜30之间界面上的光原位反射，透过传感芯片4的玻璃基片29，折射率油层3和棱镜2后，发生发散，又经第三透镜20c会聚成一点，成像在光电探测器7上并被转换成电信号；所述的光电探测器7输出的电信号送入信号处理电路24，经处理后由计算机25读入作进一步处理。上述的第一、第二和第三透镜的焦距均为20～60mm；第二透镜20b和第三透镜20c的焦距相同。
与样本池15相连的半导体致冷器21在致冷控制器23控制下工作，使样本池15可在根据室温选定15～37℃内的任一温度下，以±0.1℃的精度恒温工作，即保证传感芯片4上发生的生物分子相互作用时时刻刻都是在同一温度下进行的。
所述的振镜18始终在振镜驱动器19的控制下，在所选定的角度范围内作固定频率的来回摆动。因此，会聚在传感芯片4的玻璃基片29与金膜30之间界面上的光的入射角不断改变，无论何时，总有特定的入射角可激发传感表面的等离子共振，共振发生时会聚光的光强即刻发生急剧变化。由于只有振镜来回摆动即扫描，而振镜18后面的其它光学元件都始终固定不动，因此不管振镜18如何摆动，会聚在传感芯片4的玻璃基片29与金膜30界面上的光点的位置始终不变，保证所检测的始终是在同一位置上发生的反应。传感芯片4的传感通道上不断发生生物分子相互作用，入射的会聚光不断激发传感通道上的表面等离子体共振，光电探测器7不断探测传感通道上发生共振时的光强变化并实时输入信号处理电路24，经处理后又实时读入计算机25处理，处理结果提供给生物学家的医学家解析。这种实施方式只有一个传感通道，一次只能检测一种反应。
图5为本发明提供的三通道扫描表面等离子体共振成像光强检测系统的实施例的结构示意图。该实施例包括入射臂、生物传感单元、反射臂和信号处理单元。所述的入射臂置于生物传感单元的一侧，依次包括激光器1、偏振片17、第四透镜20d、光栅26、第五透镜20e、振镜(18)、第六透镜20f以及第一柱面镜27a，所述的振镜安置在与传感芯片表面的中垂线成52～58度角的入射光轴上，由振摆驱动器19驱动，并绕一固定轴来回摆动；所述的生物传感器单元包括有棱镜2、折射率油层3、传感芯片4以及样本池15；所述的反射臂位于与入射臂对应的生物传感单元的另一侧，包括第七透镜20g与光电探测器7。启动激光驱动器16，使半导体激光器1发出准直光；所述的半导体激光器1发出的准直光通过偏振片17后成线偏振光，射到第四透镜20d上，通过其后被聚焦；该光的焦点也为第五透镜20e的焦点；所述的第四透镜20d和第五透镜20e的公共焦点上的放置光栅26，光通过其后被分为0级和±1级等三束光，三束光的中心在同一直线上，同时射到第五透镜20e上；所述的射到第五透镜20e上的三束光经过其后被会聚成三个点状光束，处在同一直线上，且同时射在振镜18上；所述的振镜18由振镜驱动器19控制，其控制方式和性能与实施方式1完全一样；所述的射在振镜18上的三个点状光束就地反射，经第六透镜20f和第一柱面镜27a后，射入棱镜2；所述的射入棱镜2的3束光透过其后又通过折射率油层3和传感芯片4的玻璃基片29，在传感芯片4的玻璃基片29与金膜30之间的界面上会聚成三点，三个点光束仍在同一直线上，该直线与传感通道正交，且三个光点分别对应位于三个传感通道的正下方；所述的会聚在传感芯片4的玻璃基片29与金膜30之间界面上的三个点光束就地反射，透过传感芯片4的玻璃基片29，折射率油层3、棱镜2和第七透镜20g后，成像在光电探测器7上，并与各光点的探测单元对应且同时被转换为电信号；所述的由光电探测器7转换的三个电信号同时输入信号处理电路24，经处理后由计算机25同时读入作进一步处理。上述的第四、第五、第六和第七透镜的焦距均为20～60mm；第六透镜20f和第七透镜20g的焦距相同；上述的光栅26为平面光栅，光栅刻线宽度为50～200/mm，可将通过它的光束分成0级和±1级等3束光；上述的第一柱面镜27a的柱面直径为30～80mm。
样本池15的温控结构、方式与精度与实施方式1完全一样。当所述的生物传感芯片4的各个传感通道上发生生物分子相互作用时，由所述的半导体激光器1发出的光经所述的偏振片17、第四透镜20d和光栅26后分为三束光，又经所述第五透镜20-e后会聚成三个点光束投射在所述的振镜18上并就地反射，经过所述的第六透镜20f、第一柱面镜27a、棱镜2、折射率油层3和传感芯片4的玻璃基片29后，会聚成三点且在同一条直线上，该直线与传感通道正交，三点分别位于对应的所需检测的传感通道的正下方的玻璃基片29与金膜30之间的界面上，且位置始终不变。所述的振镜18在所述的振镜驱动器19的控制下，在所选定的角度范围内作固定频率的振摆；所述的会聚在振镜18上的三个点光束始终在同一直线上，由于振镜18后面的各光学元件固定不动，因而不管振镜如何来回摆动，它们位于对应的所需检测的传感通道的正下方的玻璃基片与金膜之间的界面上时总是在同一直线上。因此，振镜来回摆动即扫描，在同一直线上的三个点光束随振镜移动，即作线状扫描。会聚在所述的传感 芯片4的玻璃基片29与金膜30之间界面上的三个光点的位置不变，而入射角却随振镜18摆动不断改变，无论何时，总有特定的入射角可激发传感表面的等离子体共振，共振发生时会聚光的光强发生急剧变化，并且三个光点的入射角的变化完全一致。传感芯片4的各传感通道上不断发生生物分子相互作用，入射的会聚光不断激发各个传感通道上同一位置的表面等离子体共振，光电探测器7不断同时探测各传感通道上的同一位置上发生共振时的光强变化，计算机25不断同时读入经信号处理电路24处理后的探测信号，处理结果提供给生物学家的医学家解析。该实施方式可同时检测三种生物分子相互作用。
图6为本发明提供的多通道线状扫描表面等离子体共振成像光强检测系统实施例的结构示意图。该实施例包括入射臂、生物传感单元、反射臂和信号处理单元。所述的入射臂置于生物传感单元的一侧，依次包括激光器1、偏振片17、第二柱面镜27b、振镜18、第三柱面镜27c、第四柱面镜27d和第一光栏28a；所述的振镜安置在与传感芯片表面的中垂线成52～58度角的入射光轴上；所述的生物传感器单元包括棱镜2、折射率油层3、传感芯片4以及样本池15；所述的反射臂位于与入射臂对应的生物传感单元的另一侧，包括第五柱面镜27e、第二光栏28b与光电探测器7。启动激光驱动器16，使半导体激光器1发出准直激光；所述的半导体激光器1发生的准直光经偏振片17和第二柱面镜27b后成线状偏振光，投射到振镜18上，就地反射后发生发散；所述的振镜18由振镜驱动器19控制，其控制方式和性能与实施方式1也完全一样；所述的从振镜18上反射且发散的光又经第三柱面镜27c和第四柱面镜27d、第一光栏28a、棱镜2、折射率油层3和传感芯片4的玻璃基片29，会聚成一线状光束投射在传感芯片4的玻璃基片29与金膜30之间的界面上，传感通道位于金膜30正上方，与光束正交；所述的第三柱面镜27c和第四柱面镜27d正交，保证投射在传感芯片4的玻璃基片29与金膜30之间界面上的光束为线状；所述的投射在传感芯片4的玻璃基片29与金膜30之间界面上的线状光束就地反射，依次通过传感芯片4的玻璃基片29，折射率油层3、棱镜2后，发生发散，又经第五柱面镜27e和第二光栏28b后，会聚成一线状光束，成像在光电探测器7上；所述的第二光栏28b的作用是屏蔽杂散光，降低光噪声，提高检测灵敏度和精度；所述的光电探测器7输出的电信号输入信号处理电路24处理后，再由计算机25读入作进一步处理。上述的第二、第三、第四和第五柱面镜的柱面直径为30～80mm；第三柱面镜27c和第四柱面镜27d的组合焦距与第五柱面镜27e的焦距相同。
样本池15的温控结构、方式与精度与实施方式1完全一样。当所述的传感芯片4的各个传感通道上同时发生生物分子相互作用时，由所述的半导体激光器1发生的光经所述的偏振片17和第二柱面镜27b后，会聚成线状线性偏振光，投射到振镜18上并就地反射；所述的从振镜18反射的光依次通过第三柱面镜27c和第四柱面镜27d、第一光栏28a、棱镜2、折射率油层3和传感芯片4的玻璃基片29后，仍会聚成线状光束，投射在传感芯片4的玻璃基片29与金膜30之间的界面上，并与金膜30上方的传感通道正交。所述的振镜18是始终在所述的振镜驱动器19的控制下，在所选定的角度范围内作固定频率的振摆；由于振镜18后面的所有光学元件都始终固定，因此不管振镜18如何来回摆动，即所述的会聚在振镜18上 的线状光束作线状扫描，会聚在传感芯片4的玻璃基片29与金膜30之间的界面上的线状光束的位置始终不变，保证始终检测传感芯片同一位置上发生的生物分子相互作用；同时，光束随振镜18摆动作线状扫描时，入射在传感芯片4的玻璃基片29与金膜30之间的界面上的线状光束的入射角不断变化且处处角度变化完全一样，也就保证了检测的一致性。会聚在所述的传感芯片4的玻璃基片29与金膜30之间界面上线状光束随振镜18摆动作线状扫描，不断改变入射角，无论何时，总有特定的入射角可激发传感表面的表面等离子共振，共振发生时会聚光的光强发生急剧变化；传感芯片4的各个传感通道上持续发生生物分子的相互作用，振镜18不断摆动，传感芯片4上随之发生表面等离子体共振，从传感芯片4的玻璃基片29和金膜30界面反射的线状光束不断传感各传感通道上所发生的分子相互作用，光电检测器7上与各个传感通道相对应的检测单元实时将光信号转换成电信号，并经信号处理电路24和计算机25的实时处理，同时给出每时每刻各个传感通道上发生的生物分子相互作用。采用本实施方式，传感芯片4上有几个传感通道，就可以实现几种生物分子相互作用的检测，即取决于传感通道的设计。
本发明所述棱镜可为直角棱镜、等边三角形棱镜、梯形棱镜或柱面棱镜，棱镜与传感芯片的玻璃基片为同一材料的光学玻璃，折射率为1.4～1.76。
图7所示，本发明所述的生物传感芯片4可采用如下结构：它由玻璃基片29、金膜30、耦联层31和探针5组成，如图7a所示。传感通道的平面位置示意图由图7b所示，它由探针5构成，检测时与所分析的生物分子结合，可根据需要设计或制作成单通道、双通道或多通道。探针5是用点样机点在耦联层31上的。
图8所示，本发明所述的样本池15的恒温控制系统可采用如下结构：它由热敏电阻32、温度设定器33、电桥34、差动放大器35、比例积分调节器36和温度调节功放37组成。用传热胶将热敏电阻32与样本池15粘在一起。根据室温由温度设定器33设定样本池15的工作温度。恒温控制器工作后，热敏电阻32传感样本池15的工作温度，输入电桥34，与由温度设定器33设定的温度进行比较，比较后的差信号输入差动放大器35；由差动放大器35输出的信号又输入比例积分调节器36处理，处理后输入给温度调节功放37进行功率放大，功放后输出驱动半导体致冷器21。如果样本池15的工作温度高了，热敏电阻32传感的样本池温度的信号经电桥34、差动放大器35、比例积分调节器36和温度调节功放37处理后，驱动半导体致冷器21降温，半导体致冷器21所降温度的热量由散热片22散发。反之，使半导体致冷器21升温。这样，始终保持样本池15恒温工作。
图9所示，本发明所述的振镜的振摆驱动器19可采用如下结构：它由时基信号发生器38、频率选择器39、波形变换器40、摆角选择器41和振摆驱动功放42组成。时基信号发生器38产生的时基信号经频率选择器39后，得到所需的固定频率；所选定的固定频率信号经波形变换后40后成三角波，又经摆角选择器41后得到所需摆角的控制信号，再经振摆驱动功放42后，输出驱动振镜18作固定摆角和固定频率的振摆。
图10所示，本发明所述的信号处理电路24可采用如下结构：它由放大器43、A/D 44 和计算机接口电路45组成。由光电探测器7输入的检测信号经放大器43放大后，再经A/D 44便成为数字信号，由计算机25经接口电路45读入。
图11所示，本发明所述的时基信号、三角波以及光电检测信号具有如下波形：a所示的是时基方波信号，b所示的是时基信号经波形变换电路后的三角波，即通入振镜线圈的电流信号，c为所示的是光电检测器输出信号，其特征是有2个尖凹谷。
图12所示，本发明所述的计算机25处理光电检测信号的流程可为如下结构：计算机初始化，设定检测时间和相关参数。在完成初始化后，启动振镜扫描并不断将样本转入样本池，光电探测器随即输出电信号，经放大后由A/D转换为数字信号；计算机读入数字信号，由专用程序判定共振点并存储和绘制SPR曲线。计算机不断重复进行初始化后的操作，并根据所设定的时间判断完成检测否。一旦完成检测，计算机便转入求出相关特征值、显示或打印SPR曲线。
Claims (6)
1.一种线状光束扫描表面等离子体共振成像光强检测方法，其特征在于该方法按如下步骤进行：
1)使激光器发出的光经一组光学组件后会聚成点状光束、线状光束或会聚成三束在同一直线上的点状光，然后投射到振镜上；所述的振镜由振摆驱动器驱动，绕一固定轴来回摆动；
2)射到振镜上的点状光束、线状光或三束在同一直线上的点状光随振镜的来回摆动而不断改变其反射角，且光束始终保持点状或线状，即作线状光束扫描；
3)从振镜反射的光通过另一组光学元件射入传感单元，在传感表面上会聚成点状或线状光束，该光束在传感芯片表面的投影所位于的直线与传感芯片上的传感通道垂直，且入射角不断改变而入射点位置始终不变；
4)当传感芯片的金膜上的“探针”与样本溶液中的生物分子结合时，传感芯片表面的折射率即刻发生变化，与此同时，射在传感表面上的光的入射角也在不断改变，当其恰好为表面等离子体共振角时，即对应此刻的传感表面的折射率，激发传感芯片上的表面等离子体共振，传感即时的折射率变化；“探针”与样本溶液中的生物分子结合不断进行，表面等离子体共振不断发生，从而每时每刻都能传感所发生的折射率变化；
5)入射光在激发传感芯片发生表面等离体共振时，其光强发生急剧变化，并原位反射，从传感单元射出，再经一组光学元件会聚后，成像在光电探测器上，经信号处理电路转换后，输入计算机处理。
2.按照权利要求1所述的线状光束扫描表面等离子体共振成像光强检测方法，其特征在于：所述的振摆驱动器控制振镜作频率为0.5～500Hz和摆角在±5度范围内的来回摆动，使由振镜反射的光的反射角在±5度范围内作频率为0.5～500Hz的变化。
3.一种实施如权利要求1所述方法的单通道线状光束扫描表面等离子体共振成像光强检测系统，包括入射臂、生物传感单元、反射臂和信号处理单元，所述的入射臂置于生物传感单元的一侧；所述的生物传感单元包括棱镜(2)、折射率油层(3)、传感芯片(4)以及样本池(15)；反射臂位于与入射臂对应的生物传感单元的另一侧，含有第三透镜(20c)和光电探测器(7)；其特征在于：所述的入射臂依次包括激光器(1)、偏振片(17)、第一透镜(20a)、振镜(18)和第二透镜(20b)；所述的振镜安置在与传感芯片表面的中垂线成52～58度角的入射光轴上，由振摆驱动器(19)驱动，并绕一固定轴来回摆动；激光器(1)发出的准直光通过偏振片(17)后成线偏振光，经第一透镜(20a)会聚成一点后射到振镜(18)上，原位反射后经第二透镜(20b)射入生物传感单元；从生物传感单元出射的光又经第三透镜(20c)会聚后，成像在光电探测器(7)上，经信号处理电路(24)转换后，输入计算机(25)处理。
4.一种实施如权利要求1所述方法的三通道线状光束扫描表面等离子体共振成像光强检测系统，包括入射臂、生物传感单元、反射臂和信号处理单元，所述的入射臂置于生物传感单元的一侧；所述的生物传感器单元包括棱镜(2)、折射率油层(3)、传感芯片(4)以及样本池(15)；反射臂位于与入射臂对应的生物传感单元的另一侧，包括第七透镜(20g)与光电探测器(7)；其特征在于：所述的入射臂依次包括激光器(1)、偏振片(17)、第四透镜(20d)、光栅(26)、第五透镜(20e)、振镜(18)、第六透镜(20f)以及第一柱面镜(27a)，所述的振镜安置在与传感芯片表面的中垂线成52～58度角的入射光轴上，由振摆驱动器(19)驱动，并绕一固定轴来回摆动；激光器(1)发出的准直光通过偏振片(17)后成线偏振光，射到第四透镜(20d)上后被聚焦，通过光栅(26)后被分为中心在同一直线上的0级和±1级三束光，三束光同时射到与第四透镜(20d)共焦的第五透镜(20e)上，被其会聚成处在同一直线上的三个点状光束，且同时射在绕轴作固定频率来回摆动的振镜(18)上，原位反射后经第六透镜(20f)和第一柱面镜(27a)射入生物传感单元；从生物传感单元出射的光又经第七透镜(20g)会聚后，成像在光电探测器(7)上，经信号处理电路(24)转换后，输入计算机(25)处理。
5.按照权利要求4所述的三通道线状光束扫描表面等离子体共振成像光强检测系统，其特征在于：所述的光栅为平面光栅，光栅刻线宽度为50～200/mm。
6.一种多通道线状光束扫描表面等离子体共振成像光强检测系统，包括入射臂、生物传感单元、反射臂和信号处理单元，所述的入射臂置于生物传感单元的一侧；所述的生物传感器单元包括棱镜(2)、折射率油层(3)、传感芯片(4)以及样本池(15)；反射臂位于与入射臂对应的生物传感单元的另一侧，包括第五柱面镜(27e)、第二光栏(28b)与光电探测器(7)；其特征在于：所述的入射臂依次包括激光器(1)、偏振片(17)、第二柱面镜(27b)、振镜(18)、第三柱面镜(27c)、第四柱面镜(27d)和第一光栏(28a)；所述的振镜安置在与传感芯片表面的中垂线成52～58度角的入射光轴上；所述的入射臂上的激光器(1)发出的准直光通过偏振片(17)与第二柱面镜(27b)后成线状偏振光，投射到绕轴作固定频率来回摆动的振镜(18)上，原位反射后经第三柱面镜(27c)、第四柱面镜(27d)和第一光栏(28a)射入生物传感单元；从生物传感单元出射的光又经第五柱面镜(27e)、第二光栏(28b)会聚后，成像在光电探测器(7)上，经信号处理电路(24)转换后，输入计算机(25)处理。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C14 | Grant of patent or utility model | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| C17 | Cessation of patent right | ||
| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee |
Granted publication date: 20101215 Termination date: 20110420 |