CN101802592B - 使用旋转镜的表面等离子共振传感器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种具有旋转镜的表面等离子共振传感器，包括(a)用于振荡作为入射光的激光的入射光源单元；(b)使所述入射光偏振的偏振器；(c)用于反射所述偏振入射光以散发成盘状光的圆柱状或平面状的旋转镜；(d)允许所述盘状光部分地穿过、且位于所述旋转镜的中心轴线的附近的遮光膜；(e)用于将穿过所述遮光膜的所述光聚焦在其上的圆柱状透镜；(f)用于接收聚焦在所述柱状透镜的所述光以产生表面等离子共振的金属薄膜；(g)设置在所述金属薄膜之下的介电介质；以及(h)探测所述从所述金属薄膜反射的光的探测器。该表面等离子共振传感器能够解决现有技术中激光作为入射光获得用于检测角度的图像和二维被反射光强度时出现的干涉问题，包括图像质量的恶化和取决于入射位置的光强度的变动。

Description

使用旋转镜的表面等离子共振传感器
技术领域
本发明涉及在样本分析及其应用中使用的传感器，尤其是涉及利用表面等离子共振(SPR)实现传感器的入射光源的装置。
背景技术
表面等离子体激元(surface plasmon)是沿着诸如金属薄膜等导体的表面传播的自由电子的量子化振动。表面等离子体激元被入射光激发引起共振，该入射光经由诸如棱镜等介电介质在不小于介电介质的临界角的入射角进入金属薄膜。该现象称为SPR。引起SPR的入射光的入射角，即共振角，对最接近金属薄膜的材料的折射率的改变很敏感。基于上述原理研发的SPR传感器，通过改变材料(即位于最接近金属薄膜的样本)的折射率，已广泛用于样本的定量或定性分析或薄膜形式的样本厚度的测量。
如图1所示在采用使用棱镜的Kretschmann结构来测量SPR传感器角度的情况下，角度的测量是采用这样一种方式，即使得单个波长的入射光源聚焦在介电介质100中央并且入射到其上的角度在预定的角度范围(θb～θa)，之后利用电荷耦合器件(CCD)或光电二极管阵列等多通道光电探测器400检测从金属薄膜300反射的光，其中反射光以与入射光相同的角度范围被射出。如此，当SPR的共振角度(θR)出现在上述角度范围内时，在反射光强度最小处并且并以深色显示其对应区域的共振角度以实时方式检测到(美国专利号4,844,613)。使用上述方法的SPR传感器系统实际上可以从Biacore购得。在这种传感器系统中，主要使用激光作为光源但会引起干涉问题，从而使反射光的图像质量恶化。因此，在精确测量共振角度的传感器系统中，诸如电子测量单元等硬件需要很高的稳定性和精确度，因此激光不适用于小型SPR传感器系统。
为了克服这些问题，可使用没有干涉的发光二极管(LED)。但是，因为LED光源不完全是单色的，并且波长范围约20～50nm导致SPR的角度谱变宽，从而传感器的灵敏度降低，不得已需要额外使用单色滤波器，因此这种LED不好用。
另外，已知使用振镜(oscillation mirror)与诸如光电二极管和激光之类的点检测器(point detector)一起使用的方法。该方法基于振镜取决于时间改变入射角的原理，从而反射光强度的测量取决于时间，并且光电二极管与振镜同步，从而得到反射光强度与入射角相关的函数(Thi js Wink.，Anal.Chem.70，827：832，1998)。但是，因为为了测量反射光的强度，该振镜必须与光电二极管精确地同步，该方法不适用于小型传感器。
韩国专利号407821公开了一种利用激活离子上转换(upconversion)的等离子共振传感器，但是问题在于其使用的入射光容易发生干涉现象并且光强度不均匀。同样，美国专利号6,798,521公开了利用平面镜的SPR传感器，但是从平面镜反射的入射光具有不均匀的分布，而导致不希望出现的样本测量结果精确度降低的技术缺陷。
发明内容
[技术问题]至于本发明，针对解决本发明人提出的现有技术出现的问题，进行了精心和广泛的研究，结果发现，当在SPR传感器中设置旋转镜，并且通常使用的激光从以预定速度旋转的旋转镜反射时，这样反射的激光引起的干扰最小并且具有最均匀的二维光强度分布。
因此，本发明提供一种具有旋转镜的SPR传感器。
[技术方案]
根据本发明，一种具有旋转镜的SPR传感器，可包括(a)用于振荡作为入射光的激光的入射光源单元；(b)使所述入射光偏振的偏振器；(c)用于反射所述偏振入射光以散发成盘状光的圆柱状或平面状的旋转镜；(d)允许所述盘状光部分地穿过、且位于所述旋转镜的中心轴线的附近的遮光膜；(e)用于将穿过所述遮光膜的所述光聚焦在其上的圆柱状透镜；(f)金属薄膜，其用于接收聚焦在所述圆柱状透镜上的所述光以产生表面等离子共振；(g)设置在所述金属薄膜之下的介电介质；以及(h)探测所述从所述金属薄膜反射的光的探测器。
[有益效果]
根据本发明，使用旋转镜的SPR传感器能够解决激光作为现有的入射光源时由于激光干涉导致的传感器灵敏度降低的问题，从而无需额外使用高精度的电子测量硬件和软件，就实现了简单精确的检测系统。另外，根据本发明的使用入射光源装置的SPR传感器系统可以有效地对吸收在其表面的化学材料和生物材料的特性进行分析，并且可以增加在小型SPR传感器系统中无法达到的精确度。
附图说明
图1示意性地示出了使用现有的SPR传感器测量角度的过程；
图2示意性地示出了根据本发明的实施例、实现使用旋转镜测量角度的SPR传感器的入射光源的装置；
图3示出了根据本发明、作为转换入射光源的主要元件的旋转镜的结构；
图4示意性地示出了根据本发明的另一实施例、实现使用旋转镜测量角度的SPR传感器的入射光源的装置；
图5示出了根据本发明、实现使用旋转镜测量角度的SPR传感器的入射光源的实际装置；并且
图6示出了利用根据本发明的装置测量的SPR光谱。
附图标号说明
100：介电介质  200：透明衬底  300：金属薄膜
400：探测器    500：入射光源单元
510：偏振器    511：激光束    600：旋转镜
601：半圆柱状棱镜  602：金属涂层  610：盘状激光束
611：扇形激光束  700：遮光膜  800：圆柱体透镜
具体实施方式
下文将参考附图给出本发明的详细说明。
本发明涉及一种具有旋转镜的SPR传感器，其中用作入射光源的激光经由圆柱状的旋转镜被反射到金属薄膜上，然后测量从金属薄膜反射的激光的SPR的共振角度，借此来分析样本。尤其是，本发明特征在于提供以预定速度旋转的这种柱状旋转镜，使得由于短波和激光的平直度特性而导致容易发生的激光干涉能被最小化，并且二维光强度分布的均匀性被最大化。
图2示意性地示出了根据本发明实施例、用于实现使用旋转镜的SPR传感器的入射光源的装置。
利用根据本发明、具有旋转镜的SPR传感器分析的样本例子包括，但不限于液体、气体和固体。并且，这种传感器对于分析生物材料样本尤其是抗体很有用，其中样本贴靠或吸收在金属薄膜上。
在根据本发明的SPR传感器系统中，较佳地使用激光作为入射光源。从入射光源单元500振荡的入射光的具体例子包括诸如激光二极管(LD)和气体激光器等激光。从入射光源单元500振荡的激光形式的例子包括但不限于点和线。较佳地使用波长为400-900nm的激光以优化在金属薄膜300上产生的SPR。如果激光的波长小于400nm，很难产生SPR。相反地，如果波长超过900nm，很难通过探测器400获得图像，因此对于样本分析会出现问题。
并且，在金属薄膜300上出现的表面等离子体激元只会被入射光分量中平行于入射面的分量激发，即TM模式(横磁模式)偏振的光分量，从而，从入射光源单元500振荡的激光利用偏振器510较佳地转化成TM模式以形成TM偏振光。
本发明的SPR传感器的特征在于其具有以预定速度旋转的旋转镜600。因此，用来反射从入射光源500振荡的入射光，从而生成盘状光的旋转镜600应以每秒24帧的速度旋转，具体地，大约1500转/秒(rpm)或更高。但是，如果转速超过10000rpm，旋转镜振动增加并且变得不稳定。因此，较佳的，旋转镜600以1500-10000rpm的速度旋转。
并且，在本发明中，如图3所示，为了使镜子旋转时由空气阻力引起的旋转负载和由于气流导致的测量系统的不稳定性最小化，旋转镜600可为圆柱状。具有圆柱状的旋转镜600是通过在两个半圆柱状棱镜601的任意一个的平面上进行金属涂层602，然后将这两个棱镜的平面互相面对面地粘合起来而制造的。金属涂层在两个半圆柱状棱镜的的任意一个的平面上被涂成使得在所有角度反射激光束511，并且适用于金属涂层的金属的例子包括通常用于镜子的银、铝、铬和镍。用于粘合两个半圆柱状棱镜的粘合剂包括液态的UV环氧树脂。UV环氧树脂为透明的聚合材料并且通过暴露于UV灯被固化(cured)。从而在利用UV环氧树脂粘合剂将它们互相连结之后，制成的圆柱状旋转镜600的中心轴线与设置在圆柱状旋转镜600下方的马达的轴线对准。因此，圆柱状旋转镜600可以利用马达的动力以期望的速度绕着其下端的中心轴线旋转。旋转镜600也可为平面状，并且可在其置于马达中央时被使用。
使用具有完全反射激光能力的材料形成旋转镜600。假设旋转镜的尺寸大于激光束511的直径，将旋转镜600的尺寸设成仍可接收激光束511的尽可能小的程度。典型的，旋转镜600的尺寸在宽度上为5mm～2cm，在长度上为5mm～2cm。如果旋转镜600的宽度或长度小于5mm，在与马达的旋转轴线连接时很难操纵旋转镜600。相反的，如果旋转镜600的宽度或长度超过2cm，由于旋转镜600的尺寸，快速旋转时的负载会施加给小马达。
从入射光源单元500以笔直的全直线形式振荡生成的激光束511，从以1500-10000rpm的速度旋转的圆柱状镜600的中央被反射，之后，用肉眼或使用便宜的CCD来观察被反射的光。从而，可看出生成了从旋转镜反射面的中央展开的盘状激光束610。
在本发明中，遮光膜700具有狭缝，该狭缝仅允许从旋转镜600反射的盘状激光束610的一部分，具体地，扇形的激光束611通过狭缝；并且遮光膜位于离旋转镜600中央的预定距离处。当遮光膜700更靠近旋转镜600的中央轴线时，传感器的整体尺寸被有利地减少。遮光膜700的狭缝的预定间隔设置成使得扇形激光束的两个长侧边之间的夹角约小于10°，具体地，聚焦在金属薄膜300的一个位置的激光束的入射角θb-θa为10°或更小。当θb-θa小于10°时，几乎可以检测所有的样本。如果θb-θa超过10°时，解析度被不期望地降低。
在本发明中，圆柱体透镜800被置于遮光膜700和介电介质100之间，从而起到了使通过遮光膜700狭缝的扇形激光束611从其穿过的作用，使得激光束可以聚焦在金属薄膜300的一个位置，具体地，在介电介质100的轴线的中央处。
为了传送穿过半圆柱状的柱体透镜800的激光束，在本发明中利用透明材料诸如玻璃或塑料，如二氧化硅(SiO2)、BK7、SF11等形成介电介质100。介电介质100的例子包括但不限于半圆柱状、三角棱状、长方体状和衍射光栅状。另外，金属薄膜300形成在上面的透明衬底200位于介电介质100的上面，并且介电介质100和透明衬底200通过光耦合互相附接。通过使用用来将介电介质100与透明衬底200形成一体的折射率匹配油实现了光耦合，以将这两个部件视为一个部件，然后激光束从其被反射(美国专利号6,807,323)。
或者，代替使用透明衬底200，仅在与金属薄膜300平行的方向被切割的半圆柱状棱镜的截面可用作介电介质100(图4)。因为介电介质100减少了入射在其上的激光束的波长从而增加了动量，当上述激光束被聚焦在金属薄膜300上时，在金属薄膜300上引发了SPR现象。
在本发明中，金属薄膜300形成在介电介质100的透明衬底200之上或直接形成在介电介质100之上。用作金属薄膜300的材料的例子包括但不限于金(Au)、银(Ag)、铜(Cu)。在金属薄膜300上，由从旋转镜600被反射、随后通过遮光膜700和圆柱体透镜88然后聚焦在金属薄膜300上任意一个位置的激光束的入射光生成SPR。并且，金属薄膜用作反射激光束的入射光，这样激光束的反射光被振荡到探测器400。
在本发明中，探测器400用来监控图像的深色部分，在该部分中以与θb～θa相同的角度从金属薄膜300上反射的光强度被最小化，从而以实时方式测量共振角度(θR)，由此分析样本。用来探测图像的探测器400包括诸如光电阵列(PDA)、电荷耦合器件(CCD)和互补金属氧化物半导体(CMOS)等图像探测器。
在根据本发明的具有旋转镜600的SPR传感器中，从入射光源单元500振荡的激光束511通过偏振器510被偏振成TM模式，之后偏振的激光束511从以预定速度旋转的圆柱状旋转镜600被反射并且被散发成盘状激光束610。盘状激光束610穿过遮光膜700，从而得到扇形激光束611，扇形激光束611随后穿过圆柱体透镜88和介电介质100，然后聚焦在金属薄膜300上的一个位置。如此，SPR在金属薄膜300上发生，上述激光束从金属薄膜300被反射，并且取决于金属薄膜300上样本类型而变化的共振角(θR)通过探测器400来测量，从而来分析样本。
当从入射光源单元振荡的激光束为圆点形式时，从圆柱状镜反射的入射光具有与入射光的圆点直径相同厚度的盘状。另一方面，当入射光是具有预定长度的线形式时，从圆柱状镜反射的入射光具有与入射光的线的长度相同厚度的盘状。在入射光为线形式的情况下，线的长度较佳地为1～20mm。如果线长小于1mm，限制了被分析的样本数量，从而使得其不可能分析一个或多个样本。相反，如果线长超过20mm，限制了利用探测器对所有样本进行化验。
因为缘于旋转镜的使用，在现有SPR传感器中用作入射光源的激光的干涉被最小化并且二维光强度分布的均匀性最大化，根据本发明的SPR具有优点。
干涉表示被同步反射或折射的光线的交互作用。在本发明中，因为从旋转镜反射的光可在旋转镜周围被呈放射状地扩散，这种干涉现象被最小化，从而形成了平均的分布。
并且，当圆点形式的激光被展开时，形成被展开的激光束的中央处很亮并且其外围部分很暗、称为高斯分布的二维分布。当使用本发明的旋转镜来反射这种激光时，其在旋转方向平均分布，从而使二维光强度分布的均匀性最大化。
[本发明的模式]
可从下述提出来说明而非限制本发明的实施例更好的理解本发明。
<实施例1>通过使用旋转镜1的SPR传感器的SPR测量
作为样本，单层巯基-十一醇(mercapto-undecanol)被吸收在透明衬底的金属薄膜上，之后利用折射率匹配油将透明衬底耦合到介电介质上。使用具有3mm长度并且波长为780nm的二极管激光束作为入射光。通过偏振器将激光束转化成TM模式然后入射到圆柱状的旋转镜上。如此，通过将直径为1cm、高度为0.7cm的两个半圆柱状棱镜中任意一个的表面进行铝涂层的涂覆，然后利用液态UV环氧树脂将经铝涂层的半圆柱状棱镜粘合到另一个未涂覆铝涂层的半圆柱状棱镜上来制造圆柱状旋转镜。马达设置在圆柱状旋转镜的下方使得其中心轴线对准旋转镜的中心轴线，之后利用UV环氧树脂将旋转镜和马达连接。
使用马达，圆柱状镜以1500rpm的速度旋转，并且入射到旋转镜上的激光束被确认以盘状发散。盘状光穿过离旋转镜轴线0.7cm距离且间隙为3mm的狭缝的遮光膜，从而获得扇形激光束。
扇形激光束穿过位于离遮光膜1cm的距离、半圆柱状的透镜组合成的圆柱体透镜，然后进入BK7制成的半圆柱状的介电介质。穿过介电介质的扇形激光束入射到位于介电介质的顶部、由金形成的金属薄膜上，然后以与入射角相同的角度被反射。利用CCD作为探测器来测量共振角，从而分析样本。
<实施例2>通过使用旋转镜2的SPR传感器的SPR测量
除了金属薄膜被直接涂覆在介电介质上外，以与实施例1中同样的方式测量SPR的共振角度。该过程在图4中示意性地示出，并且其实际的装置在图5中示出。并且，利用上述装置测量的SPR光谱在图6中示出。
虽然为了阐释目的公开了本发明的较佳实施例，但是本领域的技术人员应该明白在不脱离如相应的权利要求所公开的本发明的范围和精神的情况下，可以进行各种修改、附加和替代。

Claims (19)

1.一种具有旋转镜的表面等离子共振传感器，包括：
(a)入射光源单元，其振荡作为入射光的激光；
(b)偏振器，其使所述入射光偏振；
(c)具有圆柱状或平面状的旋转镜，其用于反射所述偏振入射光以散发成从所述旋转镜的中央展开的盘状光；
(d)遮光膜，其允许所述盘状光部分地穿过成为扇形光，且位于所述旋转镜的中心轴线的附近；
(e)圆柱状透镜，其用于将穿过所述遮光膜的光聚焦在其上；
(f)金属薄膜，其用于接收聚焦在所述圆柱状透镜上的光以产生表面等离子共振；
(g)介电介质，其设置在所述金属薄膜之下；以及
(h)探测器，其用于探测从所述金属薄膜反射的光。
2.如权利要求1所述的传感器，其中所述(a)的入射光光源是气体激光器或激光二极管。
3.如权利要求1所述的传感器，其中所述(a)的入射光是圆点形或线形。
4.如权利要求1所述的传感器，其中所述(a)的入射光是圆点形，并且从所述旋转镜反射的所述入射光具有厚度与所述入射光的圆点的直径相等的盘状。
5.如权利要求1所述的传感器，其中所述(a)的入射光是线形，并且从所述旋转镜反射的所述入射光具有厚度与所述入射光的线的长度相等的盘状。
6.如权利要求5所述的传感器，其中所述线的长度为1mm-20mm。
7.如权利要求1所述的传感器，其中所述(b)偏振器用来将所述入射光转化为横磁模式。
8.如权利要求1所述的传感器，其中当所述旋转镜为圆柱状时，其宽度和长度均为5mm-2cm。
9.如权利要求1所述的传感器，其中当所述旋转镜为圆柱状时，其通过将两个半圆柱状的棱镜粘合来制造，其中所述两个半圆柱状棱镜的任意一个的平面涂覆有金属。
10.如权利要求9所述的传感器，其中所述两个半圆柱状棱镜的任意一个的平面所涂覆的金属选自银、铝、铬和镍中的一种。
11.如权利要求1所述的传感器，其中当所述旋转镜为圆柱状时，其以1500-10000rpm的速度旋转。 
12.如权利要求1所述的传感器，其中所述(d)遮光膜具有狭缝，所述盘状光通过所述狭缝成为这样的扇形光，即使得所述扇形光的一对侧边之间的角度小于或等于10度。
13.如权利要求1所述的传感器，其中所述(e)圆柱状透镜为圆柱状棱镜的透镜组合。
14.如权利要求1所述的传感器，其中所述(f)的金属选自金(Au)、银(Ag)和铜(Cu)中的一种。
15.如权利要求1所述的传感器，其中所述(g)介电介质的形状选自半圆柱状、三角棱状、长方体状和衍射光栅状中的一种。
16.如权利要求1所述的传感器，其中所述(g)介电介质包括选自玻璃或塑料的透明材料。
17.如权利要求1所述的传感器，其中所述(h)探测器为图像探测器。
18.如权利要求17所述的传感器，其中所述图像探测器选自光电阵列(PDA)、电荷耦合器件(CCD)和互补金属氧化物半导体(CMOS)中的一种。
19.如权利要求1所述的传感器，其中样本贴靠或吸收在所述金属薄膜上。 
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