CN101059436A - 非扫描式智能数字化集成spr检测器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种非扫描式智能数字化集成SPR检测器，由光学系统、传感芯片和信号检测电路组成，光学系统包括LED光源、偏振片、棱镜和反射镜；所述的传感芯片是镀有金属膜的玻璃片，金属膜上生长与待检测分子相对应的配体，传感芯片耦合在棱镜上；所述的信号检测电路包括LED驱动电路、CCD阵列及其驱动电路、信号检测与采集电路、A/D转换电路、MCU控制电路和数字通信电路；本发明既保留了SPR传感技术的特点，同时由于采用了LED光源的宽角度入射，不需精密的入射角度扫描装置，简化了角度调整机构，避免了可动传动部件带来的测试误差，增强了可操作性。本发明集成SPR检测器直接数字量输出，智能化程度高，体积小、便于携带，使用方便。
Description
技术领域
本发明涉及光电检测技术、微控制器(MCU)技术、数字通信技术、生物传感技术，尤其是指一种基于表面等离子(SPR)检测技术的非扫描式智能数字化集成SPR检测器。
背景技术
通常表面等离子共振(SPR)的检测调制方法有角度调制、波长调制、强度调制和相位调制等四种。
强度调制型的SPR传感器比较简单，但是其抗干扰性能较差，测量精度低，实用性不高。相位调制型的SPR传感器灵敏度最高，但是需要一系列的高频电路，且结果分析非常困难。对于波长调制型的SPR传感器，由于波长调制难以实现，也很少使用。而角度调制型的SPR传感器，由于其原理简单、检测精度高等优点，在SPR监测分析仪器中得到了广泛的应用。应用中，一般采用的方式是步进电机转角经细分后通过一个机械装置带动光源旋转，以实现光源入射光角度的扫描。这种装置的机械结构复杂、体积大，具有可动部件，难以实现仪器的小型化和便携化，不方便用于现场监测。
发明内容
本发明在保证测量精度和准确度的前提下，提供了一种非扫描式智能数字化集成SPR检测器。
一种非扫描式智能数字化集成SPR检测器，由光学系统、传感芯片和信号检测电路组成，所述的光学系统包括LED光源、偏振片、棱镜和反射镜；所述的传感芯片是镀有金属膜的材料与棱镜一致的玻璃片，使用者可以根据不同的检测对象，在金属膜上生长与待检测分子(受体)相对应的配体，构成传感芯片的敏感膜。传感芯片耦合在棱镜上；使用者只要配制不同的敏感膜，就可以运用该检测器测量样品溶液中不同污染物的浓度，配体-受体的亲和性常数、动力学常数等。
所述的信号检测电路包括LED驱动电路、CCD阵列及其驱动电路、信号检测与采集电路、A/D转换电路、MCU控制电路和数字通信电路；LED光束经偏振片入射到传感芯片的玻璃片与金属膜的交界面上，当含有待测物的溶液流经传感芯片表面时，入射光在发生全内反射时有一部分光以倏逝波的形式穿透金属膜进入溶液，当入射光线的入射角满足发生表面等离子体子共振的条件时，光能被吸收，使反射光的能量下降，携带样品溶液信息的反射光束经反射镜再次反射，全部回射到信号检测与采集电路上，被CCD阵列接收，CCD阵列输出的模拟信号经A/D转换电路转化为数字信号，并经MCU控制电路处理后，输出至PC机。
所述的金属膜选用厚度为40-60nm的金膜、银膜或金银混合膜。
所述的传感芯片通过一种折射率与棱镜材料匹配的聚合物耦合于棱镜上。
所述的聚合物选用美国Transene公司的环氧粘合剂epoxy20，透光率高达90％以上。
所述的信号检测电路集成于一块印刷电路板上。
所述的棱镜注塑于印刷电路板上。
在检测器内部，LED光源发出的发散光束经偏振片形成P偏振光，相当于以一个角度范围入射到棱镜和传感芯片的交界面上，在金属膜处产生SPR效应，即大于临界角的那部分入射光束发生全内反射，而对于其中的一个特定角度，恰好能满足表面等离子共振条件时，P偏振光的部分能量耦合进入表面等离子波，反射光能量下降，反射率出现最小值，此角度称为共振角。共振角随着传感芯片表面样品溶液的折射率或溶液中被测成分浓度的变化而变化，因此可以通过测量和分析入射光束的反射率光谱，测得溶液的折射率和某特定成分的浓度。随后，携带样品溶液相关信息的反射光束经过高反射率反射镜的再次反射，全部回射到信号检测与采集电路上，被CCD阵列接收，CCD阵列中不同的象元接收来自不同入射角的反射光线，得到的SPR曲线(SPR光谱)是反射光强相对于入射角的函数(反射率vs角度)，其中反射光强最低点即为SPR共振角；CCD阵列输出的模拟信号经A/D转换电路转化成数字信号，并经MCU控制电路处理后，通过RS232或USB通信接口传送至PC机进行存储显示和进一步的分析处理。
本发明SPR检测器采用非扫描式的角度调制方式和结构，既保留了SPR传感技术的特点，同时由于采用了LED光源的宽角度入射，将角度分布转化为空间分布，无需进行角度扫描，一者提高了测量速度，易于保证测量精度，增加了测量数据的可靠性，再者去除了精密的入射角度扫描装置，简化了角度调整机构，避免了可动传动部件带来的测试误差，增强了可操作性，避免了传统方法中结构庞大、系统复杂等问题。
且本发明中SPR信号检测电路集成于一块印刷电路板上，棱镜注塑于该印刷电路板上，SPR光谱数据直接数字量输出，实现了传感器的集成化、小型化和数字化，为设计开发便携式SPR监测仪器和现场SPR监测仪器打下坚实的基础。
附图说明
图1为本发明SPR检测器的结构示意图；
图2为本发明SPR检测器的结构原理图；
图3为本发明SPR检测器中光束路线原理图；
图4为本发明SPR信号检测电路的功能结构框图。
具体实施方式
如图1、2所示，一种非扫描式智能数字化集成SPR检测器，由光学系统、传感芯片和信号检测电路组成。
光学系统包括LED光源1、偏振片2、棱镜3和反射镜6。
传感芯片4是一片镀有金属膜5的材料与棱镜一致的玻璃片，根据不同的待检测分子(受体)，在金属膜5上生长相应的配体。传感芯片4通过一种折射率与棱镜3材料匹配的聚合物如透光率高达90％以上的由美国Transene公司生产的环氧粘合剂epoxy20，耦合于棱镜3上。
金属膜5选用厚度为40-60nm的金膜，也可以选用50nm左右的银膜，但是银膜容易氧化，或者采用金银混合膜。
信号检测电路包括LED驱动电路、CCD阵列7及其驱动电路、信号检测与采集电路、A/D转换电路、MCU控制电路和数字通信电路。信号检测电路集成于一块印刷电路板8上，棱镜3注塑于该印刷电路板8上。
图3所示为非扫描式角度调制型SPR检测的原理图，为便于说明，图中的棱镜采用等腰直角棱镜，如图所示，从发光二极管LED1发出的单色光经偏振片2以宽角度入射到传感芯片的玻璃片4与金膜5交界面，不同角度的光线投射到不同位置，其中大于临界角的那部分光束发生全内反射，而有一部分光以倏逝波的形式穿透金膜5进入溶液，当入射光线的入射角大小满足发生表面等离子体子共振(SPR)的条件时，这一入射光的倏逝波便被溶液中的待测物所吸收，从而使反射光的能量下降。携带着样品溶液相关信息的反射光束从传感芯片透射出来，被CCD阵列7接收。CCD阵列7中不同位置的像素接收到的光强信号对应着传感芯片4不同位置的反射光强，因此通过CCD阵列7记录的光强信号可以确定传感芯片4表面的SPR光谱信息，确定SPR的共振角及其变化情况，进而对样品溶液中相关组份的浓度及其随时间的变化进行检测。
在检测器内部，LED光源1发出的发散光束经偏振片形成P偏振光，相当于以一个角度范围入射到传感芯片的玻璃片4与金膜5的交界面上，在金属膜5处产生SPR效应，即大于临界角的那部分入射光束发生全内反射，而对于某一特定角度，恰好能满足表面等离子共振条件时，P偏振光的部分能量耦合进入表面等离子波，反射光能量下降，反射率出现最小值，此角度称为共振角，共振角随着传感芯片表面样品溶液的折射率或溶液中被测成分浓度的变化而变化。因此，当待测样品流经传感芯片表面时，携带样品溶液相关信息的反射光束经过高反射率反射镜6的再次反射，全部回射到检测电路板8上，被CCD阵列7接收，CCD阵列中不同的象元接收来自不同入射角的反射光线，CCD各象元输出的模拟电信号，通过A/D转换电路转化为数字信号，经MCU控制电路采集和简单的数据处理，即可得到反射光强相对于入射角的SPR光谱曲线，将SPR光谱数据运用RS232或USB通讯接口传送到PC机，通过分析可以测得溶液的折射率和某特定成分的浓度，其流程如图4所示。
Claims (6)
1.一种非扫描式智能数字化集成SPR检测器，由光学系统、传感芯片和信号检测电路组成，其特征在于：所述的光学系统包括LED光源、偏振片、棱镜和反射镜；所述的传感芯片是镀有金属膜的玻璃片，金属膜上生长与待检测分子相对应的配体，传感芯片耦合在棱镜上；所述的信号检测电路包括LED驱动电路、CCD阵列及其驱动电路、信号检测与采集电路、A/D转换电路、MCU控制电路和数字通信电路；LED光束经偏振片入射到传感芯片的玻璃片与金属膜的交界面上，当含有待测物的溶液流经传感芯片表面时，入射光在发生全内反射时有一部分光以倏逝波的形式穿透金属膜进入溶液，当入射光线的入射角满足发生表面等离子体共振的条件时，光能被吸收，使反射光的能量下降，携带样品溶液信息的反射光束经反射镜再次反射，全部回射到信号检测与采集电路板上，被CCD阵列接收，CCD阵列输出的模拟信号经A/D转换电路转化为数字信号，并经MCU控制电路处理后，输出至PC机。
2.如权利要求1所述的非扫描式智能数字化集成SPR检测器，其特征在于：所述的金属膜选用厚度为40-60nm的金膜、银膜或金银混合膜。
3.如权利要求1所述的非扫描式智能数字化集成SPR检测器，其特征在于：所述的传感芯片通过一种折射率与棱镜材料匹配的聚合物耦合于棱镜上。
4.如权利要求5所述的非扫描式智能数字化集成SPR检测器，其特征在于：所述的聚合物选用环氧粘合剂epoxy20。
5.如权利要求1所述的非扫描式智能数字化集成SPR检测器，其特征在于：所述的信号检测电路集成于一块印刷电路板上。
6.如权利要求1所述的非扫描式智能数字化集成SPR检测器，其特征在于：所述的棱镜注塑于印刷电路板上。
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