CN101692036A - 一种表面等离子共振耦合光学元件 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种表面等离子共振耦合光学元件，其特征在于：它包括一直角棱镜，所述直角棱镜上的一个侧面为矩形且垂直于底面，与垂直的矩形侧面相对的侧面为斜面，该斜面与所述底面成一角度，所述直角棱镜上剩下的两个侧面相互平行；所述矩形侧面的外表面设置有传感膜和反射涂层之一，与此相对应，与所述矩形侧面垂直的底面的外表面设置有所述反射涂层和传感膜之一。本发明加工装配简易，可以广泛用在微量高通分析中的角度扫描的表面等离子共振光谱系统以及表面等离子共振成像系统。

Description

一种表面等离子共振耦合光学元件

技术领域

本发明涉及一种表面等离子共振成像分析仪，特别是关于一种表面等离子共振耦合光学元件。

背景技术

表面等离子共振成像技术(Surface Plasmon Resonance Imaging，SPRI)是由一种表面敏感型光学检测技术。表面等离子共振成像技术在具备表面等离子共振光谱技术(Surface Plasmon Resonance，SPR)实时、高灵敏度、免标记优点的同时，又克服了表面等离子共振光谱技术单一通道的缺点，凭借成像手段可以同时监测传感膜表面各处的信号变化。表面等离子共振成像技术与生物芯片技术相结合，将传感膜表面修饰不同探针分子阵列，实现对待测样品中的目标物进行高通量的检测或筛选。近年随着基因组学、蛋白质组学等各种生物分子组学的深入研究，表面等离子共振成像技术越来越受到科学家的重视，被认为是一种很有潜力的高通量生化分析方法。

如图1所示，目前的表面等离子共振成像分析仪器大多是基于克莱舒曼(Kretschmann)结构来激发表面等离子共振。克莱舒曼(Kretschmann)结构中用到等腰棱镜1，其中金膜设置在等腰棱镜1的底面，光发射元件2位于等腰棱镜1的第一腰面一侧，从光发射元件2出射的平行光从等腰棱镜1的第一腰面射入棱镜，在底面上发生全反射并从第二腰面射出等腰棱镜1。光学检测元件3位于等腰棱镜1第二腰面一侧，光发射元件2与光学检测元件3的光轴相交于等腰棱镜1的底面的中心点处。进行入射角扫描时，光学检测元件3与光发射元件2同时绕等腰棱镜1的底面中心点相互反向转动。然而光发射元件2与光学检测元件3的联动不但会增加系统加工及装配难度，还会降低系统的稳定性。

如图2所示，中国申请专利“自适应表面等离子体波气体折射率传感元件”(专利申请号：01134380.X)中描述了一种自适应角度扫描的SPR共振单元，由等腰三棱镜4和屋脊棱镜5组合成表面等离子共振单元，其中金膜设置在等腰三棱镜4的底面6，屋脊棱镜5的斜面通过折射率匹配介质贴于等腰三棱镜4的一等腰面。入射光从等腰三棱镜4的一等腰面7进入等腰三棱镜4，并在等腰三棱镜4的底面6发生全反射，然后依次经过屋脊棱镜5两直角面反射后再经等腰三棱镜4的底面6全反射最后透出等腰三棱镜4，光线在棱镜内部经过相邻两直角面的反射后，出射光与入射光反向平行。然而该结构单元的缺点是其中用到两个棱镜的组合，这样就要求两个棱镜均具有较高的光学加工和装配精度。

如图3所示，中国申请专利“双通道自适应型表面等离子共振折射率光学元件”(专利申请号：200710053284.0)中所述的双通道自适应表面等离子共振光学单元，由一个小等腰直角三棱镜8与一个大等腰直角三棱镜9的直角面通过折射率油相贴组合而成，组合后两直角棱镜的斜面相互平行。金膜设置在两直角棱镜的斜面上，入射光从小等腰直角三棱镜外侧的直角面10进入棱镜，再依次被小等腰直角三棱镜和大等腰直角三棱镜的斜面全反射后，从大等腰直角三棱镜的直角面11射出棱镜，且出射光方向与入射光平行。但是本光学元件需要两个棱镜的组合使用，因此对两个棱镜的加工和装配都需要较高的精度。

发明内容

针对上述问题，本发明的目的是提供一种易于加工和装配，可以提高表面等离子共振成像系统稳定性的表面等离子共振耦合光学元件。

为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：一种表面等离子共振耦合光学元件，其特征在于：它包括一直角棱镜，所述直角棱镜上的一个侧面为矩形且垂直于底面，与垂直的矩形侧面相对的侧面为斜面，该斜面与所述底面成一角度，所述直角棱镜上剩下的两个侧面相互平行；所述矩形侧面的外表面设置有传感膜和反射涂层之一，与此相对应，与所述矩形侧面垂直的底面外表面上设置有所述反射涂层和传感膜之一。

所述传感膜通过一透明基片设置在所述直角棱镜的外表面，所述传感膜设置在所述透明基片的外表面上。

所述直角棱镜与所述透明基片之间设置有与所述透明基片和直角棱镜的折射率相同的折射率匹配介质。

所述透明基片由硼硅酸盐光学玻璃、聚碳酸酯和光学聚合物之一制成。

所述折射率匹配介质为松柏油和有机硅凝胶之一

所述斜面上设置有增透膜。

所述直角棱镜的形状为直四棱台，所述直角棱镜由硼硅酸盐光学玻璃、聚碳酸酯和光学聚合物之一制成。

所述直角棱镜的形状为直四棱锥形，所述直角棱镜由硼硅酸盐光学玻璃、聚碳酸酯和光学聚合物之一制成。

本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：1、本发明由于采用了一直角棱镜，直角棱镜上的一个侧面为矩形且垂直于底面，矩形侧面设置有一带有传感膜的透明基片和反射涂层之一，与此相对应，与矩形侧面垂直的底面上设置有反射涂层和带有传感膜的透明基片之一，因此当入射光从斜面入射后必然会从斜面射出，并与入射光线平行，从而只需要在应用时将入射光部件与反射光接收部件设置在直角棱镜上斜面的同一侧，光接收部件始终能够接收到出射光，进而减少了外围传动机械结构引起的机械误差，提高了角度扫描精度，提高了系统稳定性。2、本发明由于仅采用一直角棱镜，形状可以为直四棱台，也可以为一直四棱锥形，因此简化了传统等腰棱镜的克莱舒曼结构所需的复杂角度联动机构，因此加工和装配方便。3、本发明由于在直角棱镜与透明基片之间设置有与透明基片和直角棱镜的折射率相同的介质，因此便于透明基片和直角棱镜进行物理分离，方便更换传感膜。本发明加工装配简易，可以广泛用在微量高通分析中的角度扫描的表面等离子共振光谱系统以及表面等离子共振成像系统。

附图说明

图1是克莱舒曼结构的表面等离子成像示意图

图2是自适应表面等离子体波气体折射率传感元件结构示意图

图3是双通道自适应型表面等离子共振折射率光学元件结构示意图

图4是本发明的直角棱镜为直四棱台时的结构示意图

图5是本发明的直角棱镜为直四棱锥形时的结构示意图

图6本发明的设置透明基片的直四棱台形状的直角棱镜结构示意图

图7是本发明使用状态示意图

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进行详细的描述。

本发明包括一直角棱镜12，直角棱镜12的形状为一直四棱台(如图4所示)或一直四棱锥形(如图5所示)。如图4所示，直四棱台形状的直角棱镜12的一个侧面为矩形且垂直于上、下底面，与垂直的矩形侧面相对的侧面为斜面，该斜面与上、下底面成一定角度，剩下的两个侧面为相互平行的直角梯形，面积较大的底面为上底面，面积较小的底面为下底面。其中，定义直角棱镜的上底面为第一直角面ABCD，直角棱镜12的矩形侧面为第二直角面CDEF，第一直角面ABCD与第二直角面CDEF相互垂直，斜面ABGH与第一直角面ABCD所成的锐角夹角为底角α。如图5所示，直四棱锥形形状的直角棱镜12的一个侧面为矩形且垂直于上底面，与垂直的矩形侧面相对的侧面为斜面，该斜面与上、下底面成一定角度，剩下的两个侧面为相互平行的直角三角形，上底面为第一直角面A′B′C′D′，直角棱镜12的矩形侧面为第二直角面C′D′E′F′，第一直角面A′B′C′D′与第二直角面C′D′E′F′相互垂直，斜面A′B′E′F′与第一直角面A′B′C′D′所成的锐角夹角为底角α′。

下面是以直四棱台为例来对本发明进行说明。

如图6所示，直角棱镜12上的第一直角面ABCD上可以设置有传感膜13，传感膜13用于承载表面等离子体波，且表面等离子共振发生在该传感膜表面。传感膜13表面可以设置用于识别待测样品的探针分子阵列。与第一直角面ABCD相对应，第二直角面CDEF外表面上设置增强反射涂层15，可以增强光线在其内表面的反射率。

入射光17从斜面ABGH以任意角度射入直角棱镜12内，经第二直角面CDEF上的增强反射涂层15反射至第一直角面ABCD上，再经第一直角面ABCD全反射，最后从斜面ABGH射出，出射光18始终与入射光6反向平行，从而实现了角度扫描时出射光18自动跟随入射光17的目的。

直角棱镜12可以由光学玻璃制成，也可以由聚丙烯酸酯等光学聚合物等透明材料制成。本实施例中，直角棱镜12是由硼硅酸盐光学玻璃制成，光学玻璃的型号优选BK7，直角棱镜12可以通过光学加工领域的一般加工手段研磨得到。传感膜13由可以激发SPR的金、银、铝等金属或其它材料制成，相当于现有技术中的金膜。传感膜13表面的探针分子阵列可以根据待测样品组分进行选择设计。本实施例中的传感膜13为厚度为50nm的金膜。第二直角面CDEF上的增强反射涂层15可以是银、铝、金等金属或介质，本实施例中使用金属银涂层，增强反射涂层15可以通过真空蒸镀法或离子溅射镀膜法得到。

上述实施例中，也可以将传感膜13通过透明基片14设置在第一直角面ABCD上，传感膜13设置在透明基片14的外表面，透明基片14的内表面通过折射率匹配介质贴附于直角棱镜12的第一直角面ABCD上。带有传感膜13的透明基片14为一可以与直角棱镜12分离的独立组件，透明基片14可以由光学玻璃制成，也可以由聚丙烯酸酯等光学聚合物等透明材料制成，本实施例中，透明基片14由厚度为0.2mm硼硅酸盐光学玻璃制成，光学玻璃的型号优选BK7，也可选用聚碳酸酯等其它可与直角棱镜12的折射率相匹配的光学透明材料。透明基片14与直角棱镜12之间设置有折射率匹配介质，该折射率匹配介质的折射率与透明基片14和直角棱镜12相同，其材料可以为液体和凝胶等，如松柏油和有机硅凝胶，本实施例中优选松柏油。安装透明基片14时，首先在透明基片14未镀传感膜13的一面中心位置滴加数微升松柏油，然后从底边开始逐渐将透明基片14与直角棱镜12的第一直角面ABCD贴在一起。实验结束后，透明基片14和直角棱镜可以进行物理分离，从而便于更换传感膜13。

上述各实施例中，斜面ABGH外表面上可以设置有增透膜16，可以增强光线的透过率。

如图7所示，本发明应用在表面等离子共振成像系统时，系统中光发射部件19与光接收部件20位于直角棱镜12的斜面ABGH的同一侧，角度扫描时只需驱动直角棱镜12绕其绕第一直角面ABCD转动，其转动平面垂直于两直角面所在平面的交线，棱镜转动时入射光17对于第一直角面的入射角随之改变，光线经过直角面两次反射后，出射光18始终与入射光17反向平行，从而保证了角度扫描时出射光18始终能够被光接收部件20接收，光接收部件20通过变焦成像单元将传感膜共振图像成像于检测器表面。

上述各实施例中，直角棱镜12上的第一直角面ABCD上可以设置有增强反射涂层15，与第一直角面ABCD相对应，第二直角面CDEF上设置带有传感膜13的透明基片14。

以上所述，仅为本发明的一种较佳实施方式，本领域技术人员可依据本发明说明书、权利要求书与附图进行修改与等效变换，这样的修改与变换均不应排除在本发明的范围之外。

Claims (10)

1.一种表面等离子共振耦合光学元件，其特征在于：它包括一直角棱镜，所述直角棱镜上的一个侧面为矩形且垂直于底面，与垂直的矩形侧面相对的侧面为斜面，该斜面与所述底面成一角度，所述直角棱镜上剩下的两个侧面相互平行；所述矩形侧面的外表面设置有传感膜和反射涂层之一，与此相对应，与所述矩形侧面垂直的底面外表面上设置有所述反射涂层和传感膜之一。

2.如权利要求1所述的一种表面等离子共振耦合光学元件，其特征在于：所述传感膜通过一透明基片设置在所述直角棱镜的外表面，所述传感膜设置在所述透明基片的外表面上。

3.如权利要求2所述的一种表面等离子共振耦合光学元件，其特征在于：所述直角棱镜与所述透明基片之间设置有与所述透明基片和直角棱镜的折射率相同的折射率匹配介质。

4.如权利要求3所述的一种表面等离子共振耦合光学元件，其特征在于：所述透明基片由硼硅酸盐光学玻璃、聚碳酸酯和光学聚合物之一制成。

5.如权利要求3所述的一种表面等离子共振耦合光学元件，其特征在于：所述折射率匹配介质为松柏油和有机硅凝胶之一

6.如权利要求1或2或3或4或5所述的一种表面等离子共振耦合光学元件，其特征在于：所述斜面上设置有增透膜。

7.如权利要求1或2或3或4或5所述的一种表面等离子共振耦合光学元件，其特征在于：所述直角棱镜的形状为直四棱台，所述直角棱镜由硼硅酸盐光学玻璃、聚碳酸酯和光学聚合物之一制成。

8.如权利要求6所述的一种表面等离子共振耦合光学元件，其特征在于：所述直角棱镜的形状为直四棱台，所述直角棱镜由硼硅酸盐光学玻璃、聚碳酸酯和光学聚合物之一制成。

9.如权利要求1或2或3或4或5所述的一种表面等离子共振耦合光学元件，其特征在于：所述直角棱镜的形状为直四棱锥形，所述直角棱镜由硼硅酸盐光学玻璃、聚碳酸酯和光学聚合物之一制成。

10.如权利要求1或2或3或4或5所述的一种表面等离子共振耦合光学元件，其特征在于：所述直角棱镜的形状为直四棱锥形，所述直角棱镜由硼硅酸盐光学玻璃、聚碳酸酯和光学聚合物之一制成。

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