CN102243174B - 基于相位检测的表面等离子体共振传感装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于相位检测的表面等离子体共振传感装置，包括激光光源、光纤、准直器、起偏器、传感部件、分光器、反光镜、光栅光谱仪以及计算机；其中，激光光源发出的水平方向的光经过光纤传输及准直器准直后由起偏器起偏，得到p偏振光；该p偏振光经过半透半反的分光器产生两束p光，其中一束沿水平方向，另一束沿竖直方向；两束p光经过各自方向上的传感部件后又经反射镜反射回来在分光器处汇合成一束光；这束光又经过一个反射镜反射后通过一个准直器进入光栅光谱仪，光谱仪得到两束p光的干涉图样信息并送到计算机进行处理从而得到两束p光的相位差，进而得到微流通道中检测物溶液的折射率信息以及相关检测物的浓度信息。

Description

基于相位检测的表面等离子体共振传感装置

技术领域

本发明涉及传感器及传感技术领域，特别涉及一种基于相位检测的表面等离子体共振传感装置，主要用于环境监测、生物、化学及医学领域的的痕量物质检测。

背景技术

表面等离子体共振(Surface Plasmon Resonance，SPR)是一种光学传感技术，其无需进行样品标记、能够实时监测生物分子之间相互作用，近年来发展迅速，成为生物分子检测的有利工具。表面等离子体是一种电中性的电离气体，常温下，在金属中能够在带正电的原子核晶格点阵中自由运动。表面等离子体是金属与电介质界面的电荷密度波，其沿着金属电介质界面传播。表面等离子体波的电矢量振幅在垂直于界面方向呈指数衰减，电场强烈受限特征使得能量高度聚集在界面附近，因此，SPPs对金属或电介质的表面特性的变化非常敏感，适用于对金属表面平整度及其吸附物等相关性质的表征，广泛应用于化学和生物传感领域。该方法样品用量少，灵敏度高，抗干扰能力强，在核酸杂交、遗传病诊断、基因突变研究及微生物检测等领域得到广泛的应用。

当一束频率为ω的TM偏振光入射到金属膜时，如果入射角大于全反射角时，就会在金属膜上形成一个消逝波场，引发金属中的自由电子产生沿金属膜电介质界面传播的表面等离子体波，其波矢k_sp表达式为：

$k_{\mathrm{sp}}=\mathrm{Re}\left(\frac{\mathrm{\ω}}{c}\sqrt{\frac{{\mathrm{\ϵ}}_m{\mathrm{\ϵ}}_s}{{\mathrm{\ϵ}}_m+{\mathrm{\ϵ}}_s}}\right)---\left(1\right)$

式中：ε_m和ε_s分别是金属和电介质的介电常数，c为光在真空中的速度。金属的介电常数在可见光和近红外波段实部为负，这种TM偏振的表面等离子体波只能在金属和介质的界面上存在。通过合适的方式可以激发金属介质中的等离子体形成表面等离子体波共振，常用的激发方式有棱镜耦合激发和光栅耦合激发，本发明中采用的方式是棱镜耦合激发的。

SPR传感器从调制方式以及检测信号方式上来分，可以分为：波长调制型、角度调制型、强度调制型和相位调制型。其中，波长调制型：固定入射光的入射角度，通过监测共振波长的位置变化测量折射率变化。角度调制型：固定入射光的波长，改变入射角度，通过测量共振角度的变化来测量折射率的变化。强度调制型：固定入射光的角度和波长，通过强度的变化测量折射率的变化。相位调制型：固定入射光的角度和波长，通过干涉图样来测量相位差进而测量折射率的变化。

相位调制的优点是信噪比很好，检测的灵敏度高。本发明就是基于相位调制方法来实现传感的。但一般的相位调制方法所采用的是p光和s光之间的干涉实现的，而本发明则采用一种类似于迈克尔逊干涉仪的光路以及分光镜和起偏器实现p光与p光之间干涉，简化了光路，使仪器易于小型化，并且可以有效的抵消外界环境变化(如温度变化)对测量结果的影响，从而提高测量的精度。

发明内容

(一)要解决的技术问题

有鉴于此，本发明的主要目的是提供一种基于相位检测的表面等离子体共振传感装置。

(二)技术方案

为达到上述目的，本发明提供了一种基于相位检测的表面等离子体共振传感装置，包括激光光源、光纤、准直器、起偏器、传感部件、分光器、反光镜、光栅光谱仪以及计算机；其中，激光光源发出的水平方向的光经过光纤传输及准直器准直后由起偏器起偏，得到p偏振光；该p偏振光经过半透半反的分光器产生两束p光，其中一束沿水平方向，另一束沿竖直方向；两束p光经过各自方向上的传感部件后又经反射镜反射回来在分光器处汇合成一束光；这束光又经过一个反射镜反射后通过一个准直器进入光栅光谱仪，光谱仪得到两束p光的干涉图样信息并送到计算机进行处理从而得到两束p光的相位差，进而得到微流通道中检测物溶液的折射率信息以及相关检测物的浓度信息。

上述方案中，所述起偏器的透射方向平行于p光的偏振方向，使得只有p光透过，而s光无法透过；只允许p光透过是因为只有p光能够激发金属介质界面处的表面等离子体共振，而s光测无法激发表面等离子体共振。

上述方案中，所述水平方向上的传感部件是基于Kretschmann结构的，在直角玻璃棱镜下方镀上一层50nm的金属膜，该金属膜的下方是用PDMS制作的微流通道，微流通道中通过检测溶液。所述金属膜是金膜或者银膜。如果是用于特定分子检测，那么在金属膜的下方还要加上化学修饰物层、交联剂层和生物单分子层。所述化学修饰物层所使用的化学试剂为11-巯基烷二酸、氨基硫酚、氨基硫醇或巯基乙二胺，交联剂层为EDAC或戊二醛，生物单分子层为抗原、抗体、生物素、蛋白质或核酸分子；生物分子层使用一种生物分子，这时只进行一种与之结合的目标分子的检测；如果生物分子层在不同地方使用不同的分子，那么能够并行定量检测多种目标分子的浓度。

上述方案中，所述竖直方向上的传感部件是基于Kretschmann结构的，它和水平方向上的传感部件的差别在于金属膜的下方不用加上微流通道，而只是将金属膜或者单分子层直接与蒸馏水接触。

上述方案中，所述反光镜是高精度反射镜，表面面形精度为λ/20级别。

上述方案中，所述水平方向和垂直方向的传感部件，其棱镜是相同的，金属膜层、化学修饰物层，交联剂层和生物单分子层的厚度也是相同的。

上述方案中，由于水平方向和垂直方向上的光程可能不一样，为了得到单纯由检测溶液造成的水平方向和竖直方向上的p光的相位差，应采用以下方法：在测量溶液分子浓度时，首先在微流通道中通蒸馏水，这时根据干涉图样通过计算机计算得到此时的相位差为Δφ₁，此相位差是由于水平和竖直方向上的光程不一致造成的；然后在微流通道中再通待测溶液，这时得到的相位差为Δφ₂，它包含了由于光程不一致产生的相位差和一定浓度的检测物产生的相位差；那么单纯由于一定浓度的检测物溶液产生的相位差Δφ＝Δφ₁-Δφ₂，然后根据相位差与折射率以及折射率和溶液浓度之间的对应关系即能够得到反应物的浓度。

(三)有益效果

从上述技术方案可以看出，与已有的基于表面等离子体共振的传感器相比，本发明的特点在于：

1、本发明采用类似于迈克尔逊干涉仪的光路，抵消了外界环境变化对于测量精度的影响，从而提高了测量的精度，降低了探测限。

2、本发明采用p光和p光的干涉而非p光和s光的干涉，可以省去了用来将光分解为p光和s光的装置(如渥拉斯顿棱镜)以及检偏器，汇聚透镜等部件，简化了光路，从而使得仪器易于实现和小型化。

附图说明

图1是本发明提供的基于相位检测的表面等离子体共振传感装置的结构示意图；其中1为激光光源，2为光纤，3、17为准直器，4为起偏器，5为分光器，6、11为Kretschmann结构的传感部件，7、12为直角棱镜，8、13为金属膜，9为PDMS微流通道，10、15、16为高精度反射镜，14为蒸馏水，18为光栅光谱仪，19为计算机。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。

为了更清楚的展示本发明设计的基于相位检测的表面等离子体共振传感装置的工作原理及工作过程，下面结合图1来进行说明。

本发明提供的基于相位检测的表面等离子体共振传感装置，包括激光光源、光纤、准直器、起偏器、传感部件、分光器、反光镜、光栅光谱仪以及计算机。激光光源1发出的水平方向的光经过光纤2传输及准直器3准直后由起偏器4起偏，得到p偏振光。该p偏振光经过半透半反的分光器5产生两束p光，一束沿水平方向，一束沿竖直方向。两束p光经过各自方向上的传感部件6和11后又经反射镜10和15反射回来在分光器5处汇合成一束光，在汇合成束光的过程中该两束p光之间发生了干涉。汇合的这一束光又经过一个反射镜16反射后通过一个准直器17进入光栅光谱仪18，光谱仪得到两束p光的干涉图样信息并送到计算机19进行处理从而得到两束p光的相位差，这个相位差包含了两束p光光路不一致造成的相位差以及一定浓度的检测物质引起相位差。由于竖直方向上的传感装置的敏感层所接触的是蒸馏水，为了得到由检测溶液的浓度引起的相位差，必须先在水平方向上的传感装置的微流通道通蒸馏水，然后计算出单纯由光路光程差不同引起的相位差Δφ₁，然后再通检测溶液，计算得到的p光相位差Δφ₂，再减去刚才通蒸馏水时得到的相位差，即可得到由一定浓度的检测物引起的相位差Δφ＝Δφ₁-Δφ₂。

对于Kretschmann四层模型，包括敏感层(包含化学修饰物层，交联剂层和生物单分子层)、金属膜、棱镜和检测样品，其相应的介电常数和折射率分别为：ε₀、ε₁、ε₂、ε₃；n₁、n₂、n₃、n₄；金属膜和样品的厚度分别为d₁、d₃；入射角为θ₀，则根据菲涅耳公式可得四层模型的反射系数r为：

$r=\frac{r_{12}+r_{130}\exp \left(2{\mathrm{ik}}_1{d}_1\right)}{1+r_{12}{r}_{130}\exp \left(2{\mathrm{ik}}_1{d}_1\right)}---\left(2\right)$

其中：

$r_{12}=\frac{z_{21}}{n_{21}},$ $r_{130}=\frac{z_{10}-{\mathrm{iz}}_{43}\tan \left(k_3{d}_3\right)}{n_{10}-{\mathrm{in}}_{43}\tan \left(k_3{d}_3\right)},$

z_i，j＝ε_jk_i-ε_ik_j， $k_j=[{\mathrm{\ϵ}}_j{\left(\frac{2\mathrm{\π}}{\mathrm{\λ}}\right)}^2-k^2],$

n_i，j＝ε_jk_i+ε_ik_j， ${\mathrm{\ϵ}}_4=\frac{{\mathrm{\ϵ}}_0{\mathrm{\ϵ}}_1}{{\mathrm{\ϵ}}_3},$

$k=\left(\frac{2\mathrm{\π}}{\mathrm{\λ}}\right){\left({\mathrm{\ϵ}}_2\right)}^{\frac{1}{2}}\sin {\mathrm{\θ}}_0,$ $k_4=\frac{k_0{k}_1}{k_3};$

因此，光强反射率为：

R＝|r|²                                   (3)

反射光的相位Φ为：

Φ＝arctan[Im(r)/Re(r)]                   (4)

式中，r是反射系数，Re(r)和Im(r)分别为反射系数r的实部和虚部。

公式(2)和(4)建立起了相位与检测样品折射率之间的关系。可以用已知折射率和已知浓度的溶液事先建立起相位差与溶液折射率以及折射率与检测物浓度的一一对应关系，从而很快的可以根据相位差得到检测物的浓度。传感部件的金属膜可以为金膜或者银膜，其厚度在50nm左右。如果要进行分子特异性检测，那么这时在水平方向的传感部件6和竖直方向上的传感部件11的金属膜的下方还要依次加上如果是用于特定分子检测，那么这时在金膜的下方还要加上化学修饰物层，交联剂层和生物单分子层。化学修饰物层所使用的化学试剂可以为11-巯基烷二酸、氨基硫酚、氨基硫醇、巯基乙二胺或其它含硫试剂。交联剂层为EDAC或戊二醛。生物单分子层可以为抗原、抗体、生物素、蛋白质、核酸分子等。生物分子层可以使用一种生物分子，这时只进行一种与之结合的目标分子的检测；如果生物分子层在不同地方使用不同的分子，那么可以并行定量检测多种目标分子的浓度。

在本发明提供的基于相位检测的表面等离子体共振传感装置中，起偏器的透射方向平行于p光的偏振方向，使得只有p光透过，而s光无法透过；只允许p光透过是因为只有p光能够激发金属介质界面处的表面等离子体共振，而s光测无法激发表面等离子体共振。

水平方向上的传感部件6是基于Kretschmann结构的，在直角玻璃棱镜下方镀上一层50nm的金属膜，该金属膜的下方是用PDMS制作的微流通道，微流通道中通过检测溶液。所述金属膜是金膜或者银膜。如果是用于特定分子检测，那么在金属膜的下方还要加上化学修饰物层、交联剂层和生物单分子层。所述化学修饰物层所使用的化学试剂为11-巯基烷二酸、氨基硫酚、氨基硫醇或巯基乙二胺，交联剂层为EDAC或戊二醛，生物单分子层为抗原、抗体、生物素、蛋白质或核酸分子；生物分子层使用一种生物分子，这时只进行一种与之结合的目标分子的检测；如果生物分子层在不同地方使用不同的分子，那么能够并行定量检测多种目标分子的浓度。

竖直方向上的传感部件11是基于Kretschmann结构的，它和水平方向上的传感部件的差别在于金属膜的下方不用加上微流通道9，而只是将金属膜或者单分子层直接与蒸馏水接触。

反光镜是高精度反射镜，表面面形精度为λ/20级别。其中，反射镜10是竖直放置，反射镜15是水平放置，反射镜16是以45度的倾角放置。

水平方向和垂直方向的传感部件，其棱镜是相同的，金属膜层、化学修饰物层，交联剂层和生物单分子层的厚度也是相同的。

由于水平方向和垂直方向上的光程可能不一样，为了得到单纯由检测溶液造成的水平方向和竖直方向上的p光的相位差，应采用以下方法：在测量溶液分子浓度时，首先在微流通道中通蒸馏水，这时根据干涉图样通过计算机计算得到此时的相位差为Δφ₁，此相位差是由于水平和竖直方向上的光程不一致造成的；然后在微流通道中再通待测溶液，这时得到的相位差为Δφ₂，它包含了由于光程不一致产生的相位差和一定浓度的检测物产生的相位差；那么单纯由于一定浓度的检测物溶液产生的相位差Δφ＝Δφ₁-Δφ₂，然后根据相位差与折射率以及折射率和溶液浓度之间的对应关系即能够得到反应物的浓度。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种基于相位检测的表面等离子体共振传感装置，其特征在于，包括激光光源、光纤、准直器、起偏器、传感部件、分光器、反光镜、光栅光谱仪以及计算机；其中，激光光源发出的水平方向的光经过光纤传输及准直器准直后由起偏器起偏，得到p偏振光；该p偏振光经过半透半反的分光器产生两束p光，其中一束沿水平方向，另一束沿竖直方向；两束p光经过各自方向上的传感部件后又经反射镜反射回来在分光器处汇合成一束光；这束光又经过一个反射镜反射后通过一个准直器进入光栅光谱仪，光谱仪得到两束p光的干涉图样信息并送到计算机进行处理从而得到两束p光的相位差，进而得到微流通道中检测物溶液的折射率信息以及相关检测物的浓度信息；

其中，所述水平方向上的传感部件是基于Kretschmann结构的，在直角玻璃棱镜下方镀上一层50nm的金属膜，该金属膜的下方是微流通道，微流通道中通过检测溶液；所述竖直方向上的传感部件是基于Kretschmann结构的，所述竖直方向上的传感部件和水平方向上的传感部件的差别在于金属膜的下方不用加上微流通道，所述竖直方向上的传感部件的金属膜直接与蒸馏水接触。

2.根据权利要求1所述的基于相位检测的表面等离子体共振传感装置，其特征在于，所述微流通道是用聚二甲基硅氧烷(PDMS)制作的。

3.根据权利要求1所述的基于相位检测的表面等离子体共振传感装置，其特征在于，所述金属膜是金膜或者银膜。

4.根据权利要求1所述的基于相位检测的表面等离子体共振传感装置，其特征在于，如果是用于特定分子检测，那么在金属膜的下方还要加上化学修饰物层、交联剂层和生物单分子层。

5.根据权利要求4所述的基于相位检测的表面等离子体共振传感装置，其特征在于，所述化学修饰物层所使用的化学试剂为氨基硫酚或巯基乙二胺，交联剂层为1-乙基-3-(3-二甲胺丙基)碳二亚胺(EDAC)或戊二醛，生物单分子层为抗原、抗体、生物素、蛋白质或核酸分子；生物分子层使用一种生物分子，这时只进行一种与之结合的目标分子的检测；如果生物分子层在不同地方使用不同的分子，那么能够并行定量检测多种目标分子的浓度。

6.根据权利要求1所述的基于相位检测的表面等离子体共振传感装置，其特征在于，所述反光镜是高精度反射镜，表面面形精度为λ/20级别。

7.根据权利要求1所述的基于相位检测的表面等离子体共振传感装置，其特征在于，由于水平方向和垂直方向上的光程可能不一样，为了得到单纯由检测溶液造成的水平方向和竖直方向上的p光的相位差，应采用以下方法：在测量溶液分子浓度时，首先在微流通道中通蒸馏水，这时根据干涉图样通过计算机计算得到此时的相位差为Δφ₁，此相位差是由于水平和竖直方向上的光程不一致造成的；然后在微流通道中再通待测溶液，这时得到的相位差为Δφ₂，它包含了由于光程不一致产生的相位差和一定浓度的检测物产生的相位差；那么单纯由于一定浓度的检测物溶液产生的相位差Δφ＝Δφ₁-Δφ₂，然后根据相位差与折射率以及折射率和溶液浓度之间的对应关系即能够得到反应物的浓度。

Images