CN101074921A - 基于表面等离子波的多功能光吸收、散射与发射光谱仪 - Google Patents

Abstract

本发明是利用表面等离子共振现象设计构造的多功能光谱仪，主要由光源、入射光调制系统、角度调制系统、样品输送系统、样品/电磁耦合反应器、发射光检测系统、反射光检测系统、数据采集与管理系统、温控系统组成。该仪器将入射光波矢和传感膜表面的等离子体耦合并共振，从而使传感膜表面的消失场得到增强，进而利用增强的消失场激发散射光或发射光。本发明采用全内反射方式激发得到表面等离子共振吸收光谱光、发射光谱/散射光谱，在优化的角度下获得进一步增强的表面等离子发射谱。本发明既可以实现基于表面等离子波的共振吸收谱、散射光谱、荧光谱图和表面等离子增强拉曼谱图的独立采集，也可进行吸收谱图和各种发射谱图的同时采集。

Description

基于表面等离子波的多功能光吸收、散射与发射光谱仪

技术领域

本发明属生物分析实验设备领域，涉及光散射、表面等离子体共振、荧光光谱、拉曼光谱等技术，是表面等离子体共振与多光谱联用新技术。

背景技术

表面等离子体共振光谱(surface plasmon resonance，SPR)是研究分子在固体表面的吸附过程的一种有效方法。该方法具有实时动态分析、无标记检测、高选择性的优点。原理上，当入射光与表面等离子体在适当的条件下发生共振时，可导致界面附近的消失波强度增大1～2数量级。利用这一增强的消失场可激发光散射、荧光、拉曼光谱等发射光谱，由此实现暗背景光谱检测，以便提高各种光谱特别是弱光信号的检测灵敏度，同时可以检测界面上与折射率相关的样品组成与性质的变化，从而实现多光谱关联测定。基于表面等离子波的多功能光吸收、散射与发射光谱仪的研制将为基于表面等离子波的各种光谱机理的研究提供重要的试验依据，同时也将成为深入研究界面和表面的重要手段。

近十年来，德国马普协会的wolfgang knoll等人开发了表面等离子增强荧光光谱仪，能够同时实现表面等离子共振光谱和荧光光谱的采集，并对荧光标记的兔抗鼠IgG实现了高灵敏检测(检测限达500aM)。Wolfgangknoll的工作极大地推动了该领域的发展。目前国内也有关于SPR与拉曼散射联用的专利(CN 1657914A)。但以上装置均属于单联系统，可扩展性小，不能实现多种谱图的关联，同时均未涉及瑞利散射光谱的检测。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于表面等离子波的多功能光吸收、散射与发射光谱仪，能够获得瑞利散射谱图、表面等离子体共振谱图、荧光谱图、拉曼散射谱图等，并将其关联。

为实现上述目的，本发明提供的基于表面等离子波的光吸收、散射与发射光谱仪，主要构成为：

一光源，该光源发出的光经入射光调制系统形成偏振平行的入射光照射至棱镜，在棱镜底部发生全内反射后反射光进入反射光检测系统；

棱镜底部覆盖有金属传感膜，入射光发生全内反射时与该金属传感膜发生表面等离子共振作用形成增强的消失场，由该消失场激发样品而产生的散射光进入发射光检测系统；其中：

光源及入射光调制系统依序固定在入射光臂上；反射光检测系统固定在反射光信号检测臂上；发射光检测系统固定在发射光信号检测臂上；入射光臂的顶部、反射光信号检测臂顶部和散射光臂的底部连接在一起；棱镜固定在三者的交叉点处，棱镜的入射面和反射面分别与入射光臂和反射光信号检测臂相对，棱镜的底部与发射光信号检测臂的顶部相对；

入射光臂底部和反射光信号检测臂的底部均安置在一水平导轨上，使入射光臂和反射光信号检测臂的底部可沿水平导轨自由张开或收缩，以控制棱镜入射光的角度；

发射光信号检测臂的底部连接在一垂直导轨上，使该发射光臂可以自由地上下移动，以检测发射光或散射光；

上述反射光检测系统和发射光检测系统均与数据采集与管理系统连接。

所述的光谱仪，其中光源包括点光源和平行光光源，点光源为卤钨灯、氙灯、能斯特灯、硅碳棒灯或连续波长发光二极管；平行光光源为气体激光器、半导体激光器、染料激光器或发光二极(LED)阵列。

所述的光谱仪，其中入射光调制系统由透镜组或其他等价光学结构(例如：反射镜组)、狭缝、平行光路结构和偏振器组成，包括平行光调制和非平行光调制。

所述的光谱仪，其中反射光检测系统由透镜组或其他等价光学结构(例如：反射镜组)和检测器组成，检测器与数据采集与管理系统电连接；检测器为光电管或光电倍增管、彩色电荷耦合器(CCD)摄像头、彩色互补型金属氧化物半导体图像(CMOS sensor)传感器或电荷注入检测器。

所述的光谱仪，其中发射光检测系统由依序设置的聚光透镜及滤色片或单色仪、检测器组成，检测器与数据采集与管理系统电连接；检测器为光电倍增管、增强型彩色电荷耦合器摄像头、彩色互补型金属氧化物半导体图像传感器或电荷注入检测器。

所述的光谱仪，其中传感膜为金膜、银膜或铝膜，膜的厚度为20-120nm之间。

所述的光谱仪，其中棱镜由透光材料制成，或由在三角、半球、半圆柱形的透光容器中注入折射率匹配的液体构成。

所述的光谱仪，其中反射光信号检测臂底部由步进电机通过螺丝杆带动在水平导轨上移动。

所述的光谱仪，其中样品由微量泵控制流速地经进样阀流经样品池的进样口和出样口，该样品池设置有温控系统，以控制样品温度。

所述的光谱仪，其中数据采集与管理系统与计算机或单片机相连，并由该计算机或单片机采集并处理模拟或数值信号。

由本发明的实施，采用全内反射方式激发得到表面等离子共振吸收光谱光、发射光谱/散射光谱，在优化的角度下获得进一步增强的表面等离子发射谱。本发明既可以实现基于表面等离子波的共振吸收谱、散射光谱、荧光谱图和表面等离子增强拉曼谱图的独立采集，也可进行吸收谱图和各种发射谱图的同时采集。

附图说明

图1为基于表面等离子波的多功能光吸收、散射与发射光谱仪的基本结构示意图；图中标记11为光源，12为入射光调制系统，13为样品/电磁耦合反应器，14为温控系统，15为发射光检测系统，16为反射光检测系统，17为数据采集与管理系统，18为微机。

图2为基于表面等离子波的多功能光吸收、散射与发射光谱仪的光源和入射光调制系统示意图；其中a为平行光光束扩展示意图，b为平行光光束压缩示意图，c为点光源光束平行示意图；图中标记21为光源，22为透镜组，23为光阑，24为偏振片。

图3为基于表面等离子波的多功能光吸收、散射与发射光谱仪的光入射角调制系统扩展结构；图中标记31为入射光臂，32为棱镜，33为发射光检测臂，34为反射光检测臂，35为传感舌片，36为精密螺杆，37为步进马达，38、39为导轨。

图4为基于表面等离子波的多功能光吸收、散射与发射光谱仪的样品输送系统及电磁耦合系统的结构示意图。图中标记41为微量泵，42为传感膜，43为进样阀，44为样品池，45为棱镜，46为废液池。

图5为基于表面等离子波的多功能光吸收、散射与发射光谱仪的检测系统示意图；其中a为发射光检测系统，b为反射光检测系统；图中标记51为透镜，52为滤色片，53为检测器。

图6为基于表面等离子波的多功能光吸收、散射与发射光谱仪的发射光检测系统样品池的流通管路结构示意图。图中标记61为垫圈，62为流动管路结构。

图7为基于表面等离子波的多功能光吸收、散射与发射光谱仪流动注射分析不同浓度的KIO₃谱图。

图8为基于表面等离子波的多功能光吸收、散射与发射光谱仪测定Cr(VI)的角度优化谱图。

图9为基于表面等离子波的多功能光吸收、散射与发射光谱仪流动注射分析Cr(VI)的谱图。

图10为基于表面等离子波的多功能光吸收、散射与发射光谱仪分析系列浓度罗丹明B的荧光光谱谱图。

图11为基于表面等离子波的多功能光吸收、散射与发射光谱仪测定金膜修饰巯基十一酸前后的表面等离子体共振谱图。

图12为基于表面等离子波的多功能光吸收、散射与发射光谱仪的软件流程的主框图。

图13为基于表面等离子波的多功能光吸收、散射与发射光谱仪的数据采集软件流程的子框图。

图14为基于表面等离子波的多功能光吸收、散射与发射光谱仪的控制流程的子框图。

具体实施方式

本发明将表面等离子体共振与光散射技术有机地联用，提供的基于表面等离子波的多功能光吸收、散射与发射光谱仪，其特征是，从光源辐射出的光波，首先垂直投射到入射光调制系统的透镜上，经过在入射光调制系统中的光学元件上的一列的反射和折射后，得到了优化的光束；从入射光调制系统出来的优化光束以一定的角度投射到样品/电磁波耦合器上，入射光束在样品/电磁波耦合器中发生折射并在其底部全反射；与入射光相对的，在样品/电磁耦合反应器底部传感膜的同一侧边光路上，全反射光束经反射光检测系统中的透镜汇聚后，投射到滤光片(或单色仪)上，经过分光后进入反射光检测系统中的检测器。至此形成了基于表面等离子波的多功能光吸收、散射与发射光谱仪的表面等离子共振吸收的光路部分。与入射光相对的，在样品/电磁耦合反应器底部传感膜另一侧光路上，消失波激发样品产生的激发光/散射光进入发射光检测系统。两个检测器均与数据采集与管理系统电连接。

上述发明能够借助表面等离子体消失场进行暗背景光散射分析。

上述发明能够进行独立的表面等离子体共振吸收的信号采集。

上述发明能够借助表面等离子消失场单独进行暗背景荧光或激光诱导荧光分析。

上述发明能够进行表面等离子增强拉曼散射的测试。

上述发明可进行以上光谱检测中的两两组合测试。如：一、表面等离子体共振吸收分析和暗背景光散射分析的同时分析；二、表面等离子体共振吸收分析和表面等离子增强拉曼散射的同时分析；三、同时进行表面等离子体共振吸收分析和暗背景荧光或激光诱导荧光分析。

上述发射光检测系统，由与入射光相对的，在传感膜的另一侧光路上依序设置的聚光透镜及滤色片或单色仪、检测器组成。其中，检测器与数据采集与管理系统电连接。

上述反射光检测系统，由与入射光相对的，在传感膜的同一侧边光路上的透镜组和检测器组成。其中，检测器与数据采集与管理系统电连接。

上述检测器为光电管或光电倍增管、CCD摄像头、CMOS sensor、电荷注入检测器或其他光电转换器件。

上述光源，包括点光源和平行光光源。其中：点光源包括卤钨灯、氙灯、能斯特灯、硅碳棒灯、连续波长发光二极管或其他点光源；平行光光源包括气体激光器、半导体激光器、染料激光器、LED阵列等所有平行光光源。

上述入射光调制系统由透镜组或其他等价光学结构(例如：反射镜组)、狭缝、平行光路结构、偏振器组成。上述入射光调制系统包括平行光调制系统和非平行光调制系统。其中平行光的调制包括：平行光束的扩展和压缩。

上述角度调制系统，包括入射光臂、反射光信号检测臂、发射光信号检测臂、棱镜、传感舌片、精密螺丝杆、步进电机、导轨；其中，光源及入射光调制系统依序固定在入射光臂上；反射光检测系统固定在反射光信号检测臂上；发射光检测系统固定在发射光信号检测臂上；入射光臂的顶部、反射光信号检测臂顶部和散射光臂的底部由螺丝连接，但入射光臂和反射光信号检测臂下面可自由张开或收缩，入射光臂底部和反射光臂底部均连在一水平导轨上，而散射光臂的顶部则连接在一垂直导轨上，散射光臂可以自由地上下移动，而棱镜固定在入射光臂、反射光信号检测臂和发射光信号检测臂之间；反射光信号检测臂底部与传感舌片相连，由步进电机通过精密螺丝杆带动传感舌片在导轨上来回移动，从而使入射光臂和反射光信号检测臂自由张开或收缩达到精确控制棱镜入射光的角度；发射光信号检测臂与棱镜固定在一起，从而达到检测散射光或发射光的目的。

上述样品输送系统，由进样阀、微升级样品池、进样口、出样口、微量泵及相关管路组成。载流液流速以及样品的输入输出可由微量泵控制。

上述电磁耦合反应系统，由棱镜、传感膜、石英玻片及相关密封垫圈组成。其中棱镜与传感膜基底之间用与棱镜折射率相匹配液体介质粘连，传感膜与样品池以及石英玻片与样品池与之间用垫圈密封。

上述棱镜可由玻璃或其他透光材料制成，其体积可以为三角形、半球形、半圆柱形或其他柱面体。

上述棱镜，也可以由限制在特定的透光容器中折射率符合条件的液体替换。

上述传感膜为高反射金属膜，可以是金膜、银膜、铝膜等，厚度在20-120nm之间。

上述传感膜上可以通过化学或生物修饰进行各种靶标分子的识别、检测。

上述数据采集与管理系统由计算机和相应软件组成。其中软件可以是商业光谱软件和色谱工作站，完成数据显示、分析处理、管理、存储及再显示等任务，可采集并处理模拟或数值信号。

上述温控系统由温度传感元件、恒温介质、电连接器组成，能够精确控制电磁耦合系统样品/电磁耦合反应器及样品输送系统的温度。

本发明所提供的基于表面等离子波的多功能光吸收、散射与发射光谱仪还可以与流动注射分析和液相色谱仪器联用，进行在线检测。

实施例一：

本发明基于表面等离子波的多功能光吸收、散射与发射光谱仪的基本结构如图1所示。其中11为光源，根据试验需要选定，可以是半导体激光器、He-Ne激光器、染料激光器、卤钨灯、氙灯、能斯特灯、硅碳棒灯或连续波长发光二极管；12为入射光调制系统；13为电磁耦合反应系统，其中的棱镜以常见的等腰直角三角形棱镜为例；14为温控系统；15为发射光检测系统，16为反射光检测系统，17为数据采集与管理系统，18为微机。

数据采集与管理系统：该部分主要由数据采集卡、数据处理和分析软件及计算机组成，能够完成数据显示、分析处理、管理、存储及再显示等任务，可采集并处理模拟或数值信号。数据采集主要由数据采集卡(商品化)完成。图12为本发明的基于表面等离子波的多功能光吸收、散射与发射光谱仪的软件流程的主框图。图13为本发明的数据采集软件流程的子框图1。图14为本发明的控制流程的子框图2。

仪器系统工作原理为，从光源11发出的光经入射光调制系统12平行、光束扩展及偏振后，形成光束大小合适的偏振平行光到达电磁耦合反应系统13的棱镜。入射光经折射后，在棱镜底部发生全内反射并与棱镜底部的金属传感膜发生表面等离子共振(SPR)作用。在棱镜底部金属传感膜一侧，由于SPR而形成增强的消失场激发经样品池流入的样品产生散射光。散射光经发射光检测系统15中的透镜、滤色片后被检测。该处的检测器可以根据试验的具体要求选用光谱分析仪或光电倍增管、CCD摄像头。也可采用光线探头收集散射光，从而增加该仪器的灵活性。

在棱镜底部发生全内反射后的反射光经反射光检测系统16中的透镜会聚到17检测器上进行检测，从而构成本发明中的表面等离子体共振光谱系统，以此来监测传感膜表面的组成变化。本发明通过入射角调制系统改变激发光的入射角度，在SPR最大吸收处检测光散射谱，在此角度处表面等离子增强光散射增强因子最大，即可以同步获得最强的SPR谱和散射光谱。

本实施例所用的样品池体积约为100微升，主要由传感膜、石英玻璃片和中间夹着的流通管路结构(见图6中的62)构成，三者之间用垫圈密封(图6中的61)。样品池可根据需要设计成不同结构，样品池的体积范围可以从几十纳升到几毫升。制作样品池所采用的材料不能引入荧光等其他干扰信号。

实施例二：

由于荧光、拉曼、散射、表面等离子共振光谱这几种光谱中，散射光检测是最难实施的，因此这里着重给出散射信号的采集的实施例。棱镜底部镀一层50nm厚的金膜作为传感膜，以He-Ne激光器为光源，以光电倍增管为散射光检测器，以碘化物-罗丹明B离子缔合体系为探针，对不同浓度的KIO₃进行了测试。流动注射分析结果见图7。测定KIO₃的最低检测限为100纳摩尔/升。

实施例三：

采用与实施例二相同的光源、检测器和共振光散射探针。棱镜底部镀一层50nm厚的金膜作为高反射的传感膜，传感膜经化学修饰从而抑制了样品在传感膜表面的非特异性吸附。在此条件下，对Cr(VI)进行了浓度分析。优化角度图见图8，图9为流动注射分析不同浓度Cr(VI)的结果。该方法测定Cr(VI)的最低检测限达40纳摩尔/升。

实施例四：

表面等离子增强荧光是该发明主要功能之一，可以高灵敏地对荧光信号进行检测。本实施例采用532nm的半导体激光器(5mw)为激发光源，以光栅单色仪为分光元件，以PMT为检测器，分析了罗丹明B的荧光光谱。试验结果见图10，检测限达0.095纳摩尔/升。

实施例五：

以上实施例证明该发明可成功的用于光散射检测并提高了检测灵敏度，需要指出的是，该装置还可同时进行表面等离子体共振测试作为散射、荧光等信号的补充或辅证。作为补充实例，以下给出该发明检测金膜表面修饰巯基十一酸前后的SPR信号变化，见图11，Δλ＝8.3nm。

Claims (10)

1.一种基于表面等离子波的光吸收、散射与发射光谱仪，主要构成为：

一光源，该光源发出的光经入射光调制系统形成偏振平行的入射光照射至电磁耦合反应系统，并在该电磁耦合反应系统中的棱镜底部发生全内反射后反射光进入反射光检测系统；

棱镜底部覆盖有金属传感膜，入射光发生全内反射时与该金属传感膜发生表面等离子共振作用形成增强的消失场，由该消失场激发样品而产生的散射光进入发射光检测系统；其中：

光源及入射光调制系统依序固定在入射光臂上；反射光检测系统固定在反射光信号检测臂上；发射光检测系统固定在发射光信号检测臂上；入射光臂的顶部、反射光信号检测臂顶部和散射光臂的底部连接在一起；棱镜固定在三者的交叉点处，棱镜的入射面和反射面分别与入射光臂和反射光信号检测臂相对，棱镜的底部与发射光信号检测臂的顶部相对；

入射光臂底部和反射光信号检测臂的底部均安置在一水平导轨上，使入射光臂和反射光信号检测臂的底部可沿水平导轨自由张开或收缩，以控制棱镜入射光的角度；

发射光信号检测臂的底部连接在一垂直导轨上，使该发射光臂可以自由地上下移动，以检测发射光或散射光；

上述反射光检测系统和发射光检测系统均与数据采集与管理系统连接。

2、如权利要求1所述的光谱仪，其中光源包括点光源和平行光光源，点光源为卤钨灯、氙灯、能斯特灯、硅碳棒灯或连续波长发光二极管；平行光光源为气体激光器、半导体激光器、染料激光器或发光二极阵列。

3、如权利要求1所述的光谱仪，其中入射光调制系统由透镜组或反射镜组、狭缝、平行光路结构和偏振器组成，包括平行光调制和非平行光调制。

4、如权利要求1所述的光谱仪，其中反射光检测系统由透镜组或反射镜组和检测器组成，检测器与数据采集与管理系统电连接；检测器为光电管或光电倍增管、彩色电荷耦合器摄像头、彩色互补型金属氧化物半导体图像传感器或电荷注入检测器。

5、如权利要求1所述的光谱仪，其中发射光检测系统由依序设置的聚光透镜及滤色片或单色仪、检测器组成，检测器与数据采集与管理系统电连接；检测器为光电倍增管、增强型彩色电荷耦合器摄像头、彩色互补型金属氧化物半导体图像传感器或电荷注入检测器。

6、如权利要求1所述的光谱仪，其中传感膜为金膜、银膜或铝膜，膜的厚度为20-120nm之间。

7、如权利要求1所述的光谱仪，其中电磁耦合反应系统由棱镜、传感膜、石英玻片及密封垫圈组成，其中棱镜与传感膜基底之间用与棱镜折射率相匹配液体介质粘连，传感膜与样品池以及石英玻片与样品池与之间用垫圈密封；

棱镜由透光材料制成，或由在三角、半球、半圆柱形的透光容器中注入折射率匹配的液体构成。

8、如权利要求1所述的光谱仪，其中反射光信号检测臂底部由步进电机通过螺丝杆带动在水平导轨上移动。

9、如权利要求1所述的光谱仪，其中样品由微量泵控制流速，从进样阀出发，流经样品池的进样口和出样口，该样品池设置有温控系统，以控制样品温度。

10.如权利要求1所述的光谱仪，其中数据采集与管理系统与计算机相连，并由该计算机采集并处理模拟或数值信号。

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