CN102253003A - 一种表面等离子体共振传感检测系统及其检测方法 - Google Patents

一种表面等离子体共振传感检测系统及其检测方法 Download PDF

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Abstract

本发明适用于光电检测技术领域，提供了一种表面等离子体共振传感检测系统及其检测方法，所述表面等离子体共振传感检测系统包括光源、第一分光器、第一反射镜、棱镜、第二反射镜、起偏器以及控制器。本发明将迈克耳孙干涉仪结构与扫描机制相结合，通过P偏振光的光强包络最大值的分离距离反映相位变化信息，进而获取样品折射率的变化信息，避免了繁琐的相位提取算法，增加了实用性。其中迈克耳孙干涉仪结构由光源、第一分光器、第一反射镜、第二反射镜和第一探测器形成，控制器控制步进电机或伺服电机驱动第一反射镜往复运动形成扫描机制，使得本表面等离子体共振传感检测系统结构简单，成本低。

Description

一种表面等离子体共振传感检测系统及其检测方法
技术领域
本发明属于光电检测技术领域，尤其涉及一种表面等离子体共振传感检测系统及其检测方法。
背景技术
表面等离子体共振(Surface Plasmon Resonance，SPR)是一种新兴的传感技术，具有高的灵敏度、高通量、易于实现特异性检测和实时性，而且不需要标记等优点，已广泛应用到生物、医药、食品质量安全、化学和环境监测等行业，特别是在线实时检测DNA与蛋白质之间、蛋白质分子之间以及药物-蛋白质、核酸-核酸、抗原-抗体、受体-配体等生物分子之间的相互作用等。
目前，SPR传感技术主要有角度型、光谱型和相位型，其中相位型SPR有更高的灵敏度，具有明显优势，但现有相位型SPR技术存在相位解析难的缺点。
发明内容
本发明实施例的目的在于提供一种表面等离子体共振传感检测系统，旨在解决现有相位型表面等离子体共振传感技术相位解析难的问题。
本发明实施例是这样实现的，一种表面等离子体共振传感检测系统，包括：
光源；
第一分光器，用于将所述光源发出的光分为第一束光和第二束光；
第一反射镜，用于使所述第一束光反射回并透过所述第一分光器；
棱镜，用于接收所述第二束光，使其以共振角投射于传感面；
第二反射镜，用于反射从所述棱镜出射的第二束光，使其与经所述第一分光器透射的第一束光共路；
起偏器，用于获取所述第一束光中的第一P偏振光和第二束光中的第二P偏振光；
第一探测器，用于探测所述第一P偏振光与第二P偏振光干涉叠加的光强；以及
控制器，用于控制所述第一反射镜，使其沿所述第一束光的传播方向往复运动。
本发明实施例的另一目的在于提供一种采用上述表面等离子体共振传感检测系统进行检测的方法，所述方法包括以下步骤：
将标准样品注入样品池，使所述第二束光以共振角投射于所述棱镜的传感面，调节所述第一反射镜和第二反射镜的位置，使所述第一P偏振光与第二P偏振光相干叠加，记录P偏振光的包络最大值的初始位置；
通入被测样品并使所述第一反射镜沿所述第一束光的传播方向往复运动，实时记录P偏振光的包络最大值的位置；
根据所述P偏振光的包络最大值的位置相对于其初始位置的变化情况和S偏振光的包络最大值的位置与所述P偏振光的包络最大值的初始位置的相对距离，并结合所述第一反射镜的位置的变化情况依次反推所述第二光束的相位变化和样品折射率的变化，进而获得所述被测样品的性状。
本发明实施例将迈克耳孙干涉仪结构与扫描机制相结合，通过P偏振光的光强包络最大值的分离距离反映相位变化信息，进而获取样品折射率的变化信息，避免了繁琐的相位提取算法，增加了实用性。其中迈克耳孙干涉仪结构由光源、第一分光器、第一反射镜、第二反射镜和第一探测器形成，控制器控制步进电机或伺服电机驱动第一反射镜往复运动形成扫描机制，使得本表面等离子体共振传感检测系统结构简单，成本低。
附图说明
图1是本发明实施例提供的表面等离子体共振传感检测系统的结构图；
图2是采用图1所示系统的检测流程图；
图3是注入标准样品时P偏振光的包络最大值的初始位置的测试图；
图4是通入被测样品时P偏振光的包络最大值的位置与其初始位置相分离的比较图；
图5是本发明较佳实施例提供的表面等离子体共振传感检测系统的结构图；
图6是注入标准样品时S偏振光的包络最大值的位置与P偏振光的包络最大值的初始位置的测试图；
图7是通入被测样品时P偏振光的包络最大值的位置与S偏振光的包络最大值的位置相分离的比较图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
本发明实施例将迈克耳孙干涉仪结构与扫描机制相结合，通过P偏振光的光强包络最大值的分离距离反映相位变化信息，进而获取样品折射率的变化信息，避免了繁琐的相位提取算法，增加了实用性。
本发明实施例提供的表面等离子体共振传感检测系统包括：
光源；
第一分光器，用于将所述光源发出的光分为第一束光和第二束光；
第一反射镜，用于使所述第一束光反射回并透过所述第一分光器；
棱镜，用于接收所述第二束光，使其以共振角投射于传感面；
第二反射镜，用于反射从所述棱镜出射的第二束光，使其与经所述第一分光器透射的第一束光共路；
起偏器，用于获取所述第一束光中的第一P偏振光和第二束光中的第二P偏振光；
第一探测器，用于探测所述第一P偏振光与第二P偏振光干涉叠加的光强；以及
控制器，用于控制所述第一反射镜，使其沿所述第一束光的传播方向往复运动。
本发明实施例提供的采用上述表面等离子体共振传感检测系统进行检测的方法包括以下步骤：
S101、将标准样品注入样品池，使所述第二束光以共振角投射于所述棱镜的传感面，调节所述第一反射镜和第二反射镜的位置，使所述第一P偏振光与第二P偏振光相干叠加，记录P偏振光的包络最大值的初始位置；
S102、通入被测样品并使所述第一反射镜沿所述第一束光的传播方向往复运动，实时记录P偏振光的包络最大值的位置；
S103、根据所述P偏振光的包络最大值的位置相对于其初始位置的变化情况，并结合所述第一反射镜的位置的变化情况依次反推所述第二光束的相位变化和样品折射率的变化，进而获得所述被测样品的性状。
以下结合具体实施例对本发明的实现进行详细描述。
图1示出了本发明实施例提供的表面等离子体共振传感检测系统的结构，为了便于说明，仅示出了与本发明实施例相关的部分。该表面等离子体共振传感检测系统包括光源1、第一分光器2、第一反射镜3、棱镜4、第二反射镜5、起偏器6、第一探测器7及控制器8，其中光源1、第一分光器2、第一反射镜3、第二反射镜5和第一探测器7形成迈克耳孙干涉仪结构，控制器8控制步进电机或伺服电机驱动第一反射镜3往复运动形成扫描机制。
通常，光源1为非相干光源或部分相干光源，例如但不限于白光光源等非相干光源，或飞秒激光、LED等部分相干光源。第一分光器2为分光棱镜或分光镜等半反半透的光学器件。而探测器7优选为光电二极管或光电倍增管。
上述棱镜4为具有一入光面41、传感面42和出光面43的三角棱镜，其传感面42镀有用以产生SPR效应的金属膜44，该金属膜优选为金膜。传感面42上设以金属膜44为底的样品池45，该样品池45具有一进样口46和出样口47，以注入、排出标准样品和被测样品。探测光以一定角度投射于传感面42，在金属膜44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体共振条件时，探测光的部分能量耦合进入表面等离子体波，反射光能量下降，反射率出现最小值，此角度称为共振角，在共振角处，SPR相位随样品折射率变化明显。
本发明实施例中光源1发出的光被第一分光器2分为第一束光和第二束光，第一反射镜3将第一束光反射回第一分光器2后被分为两路，其中一路经第一分光器2透射，另一反射光路不影响本系统，对此不进行描述。第二束光从棱镜的入光面41进入棱镜后以共振角投射于棱镜的传感面42，经传感面42反射的第二束光从棱镜的出光面43出射至第二反射镜5。该第二光束经第二反射镜5反射沿原光路返回至第一分光器2后被分为两路，其中一路经第一分光器2反射，另一透射光路不影响本系统，对此不进行描述。
为达到干涉叠加效果，使经第一分光器2透射的第一束光与经第一分光器2反射的第二束光共路。因光束中的S偏振光不产生SPR现象，由起偏器6获取第一束光中的第一P偏振光和第二束光中的第二P偏振光。
如图2所示，检测时，先将标准样品注入样品池45，调节第一反射镜3和第二反射镜5的位置，使第一P偏振光与第二P偏振光相干叠加，该第一P偏振光与第二P偏振光干涉叠加的光强由第一探测器7进行探测。如图3所示，计算机9读取第一探测器7记录的光强度值，形成一条SPR相位扫描曲线，当第一P偏振光与第二P偏振光干涉叠加时，曲线上将出现P偏振光光强包络最大值。此时，曲线上包络最大值的位置由计算机9记为第一P偏振光与第二P偏振光的包络最大值的初始位置(下文简称“P偏振光的包络最大值的初始位置”)LP，一般将该初始位置定义为SPR相位扫描曲线坐标的中心即0相位。
然后，通入被测样品并使第一反射镜3沿第一束光的传播方向往复运动，由计算机9实时记录第一P偏振光与第二P偏振光的包络最大值的位置(下文简称“P偏振光的包络最大值的位置”)LPN。只需将P偏振光的包络最大值的位置LPN与其初始位置LP相比较，即可获知两者间的距离，如图4所示。
最后，根据P偏振光的包络最大值的位置LPN相对于其初始位置LP的变化情况，并结合第一反射镜3的位置的变化情况依次反推第二光束的相位变化和样品折射率的变化，进而获得被测样品的性状。被测样品与标准样品反应使其折射率产生变化，第二光束中P偏振光的相位产生相应变化，该第二光束中P偏振光的相位与第一光束中P偏振光的光程相对应，而该第一光束中P偏振光的光程与第一反射镜的位置相对应。因SPR相位扫描曲线上出现P偏振光光强包络最大值时第一反射镜3的位置可知，所以可反推第二光束的相位变化和样品折射率的变化，进而获得被测样品的性状。本检测过程避免了繁琐的相位提取算法，效率高、实用性强。
前述起偏器6为获取第一束光中的第一P偏振光和第一S偏振光及第二束光中的第二P偏振光和第二S偏振光的偏振分光镜或偏振分光棱镜。虽然S偏振光不产生SPR现象，因S偏振光与P偏振光同处于本表面等离子体共振传感检测系统即处于同一环境下，经受相同的温湿度、外界噪声、气压等影响，因而以第一S偏振光和第二S偏振光作为参考光，极有助于提高系统的检测精度。
本发明实施例由第二探测器10探测第一S偏振光与第二S偏振光干涉叠加的光强，如图5所示。同样地，由计算机9读取第二探测器10记录的光强度值，当第一S偏振光与第二S偏振光干涉叠加时，曲线上将出现S偏振光光强包络最大值，作为参考位置信号。
注入标准样品进行检测时，调整起偏器6的位置，由计算机9记录第一S偏振光和第二S偏振光的包络最大值的初始位置Ls(下文简称“S偏振光的包络最大值的初始位置”)与P偏振光的包络最大值的初始位置Lp，如图6所示，并由此计算出S偏振光的包络最大值的初始位置Ls与P偏振光的包络最大值的初始位置Lp间的初始相对距离LP-LS(下文简称“两者间的初始相对距离”)。
在通入被测样品的同时使第一反射镜3沿第一光束的传播方向往复运动，实时记录P偏振光的包络最大值的位置LPN相对于所述S偏振光的包络最大值的位置LSN的变化情况，此过程中S偏振光的包络最大值的位置受环境影响可能会变动。而P偏振光的包络最大值的位置因SPR效应产生剧烈变化，该剧烈变化还可能包括受环境影响的变动。只需将P偏振光的包络最大值的位置与S偏振光的包络最大值的位置相比较后减去两者间的初始相对距离，即可准确获知P偏振光的包络最大值的位置相对于其初始位置的分离距离ΔL＝(LPN-LSN)-(LP-LS)＝(LPN-LP)-(LSN-LS)，其中LSN-LS为环境影响因子，将该环境影响因子剔除，提高了检测精度，如图7所示。根据P偏振光的包络最大值的位置相对于S偏振光的包络最大值的位置的变化情况和两者间的初始相对距离，并结合第一反射镜3的位置的变化情况依次反推第二光束的相位变化和样品折射率的变化，进而获得被测样品的性状。本检测过程避免了繁琐的相位提取算法，效率高、实用性强，且检测结果更精确。
本发明实施例将迈克耳孙干涉仪结构与扫描机制相结合，通过P偏振光的光强包络最大值的分离距离反映相位变化信息，进而获取样品折射率的变化信息，避免了繁琐的相位提取算法，增加了实用性。由光源、第一分光器、第一反射镜、第二反射镜和第一探测器形成迈克耳孙干涉仪结构，控制器控制步进电机或伺服电机驱动第一反射镜往复运动形成扫描机制，使得本表面等离子体共振传感检测系统结构简单，成本低。此外，将与P偏振光(探测光)共路的S偏振光作为参考光，通过探测光与参考光的光强包络最大值的分离距离反映相位变化信息，进而获得样品折射率变化信息，极大地提升了本系统的检测精度。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种表面等离子体共振传感检测系统，其特征在于，所述系统包括：
光源；
第一分光器，用于将所述光源发出的光分为第一束光和第二束光；
第一反射镜，用于使所述第一束光反射回并透过所述第一分光器；
棱镜，用于接收所述第二束光，使其以共振角投射于传感面；
第二反射镜，用于反射从所述棱镜出射的第二束光，使其与经所述第一分光器透射的第一束光共路；
起偏器，用于获取所述第一束光中的第一P偏振光和第二束光中的第二P偏振光；
第一探测器，用于探测所述第一P偏振光与第二P偏振光干涉叠加的光强；以及
控制器，用于控制所述第一反射镜，使其沿所述第一束光的传播方向往复运动。
2.如权利要求1所述的表面等离子体共振传感检测系统，其特征在于，所述起偏器为获取所述第一束光中的第一P偏振光和第一S偏振光及第二束光中的第二P偏振光和第二S偏振光的偏振分光镜或偏振分光棱镜，所述第一S偏振光与第二S偏振光干涉叠加的光强由第二探测器探测。
3.如权利要求1或2所述的表面等离子体共振传感检测系统，其特征在于，所述光源为非相干光源或部分相干光源。
4.如权利要求1或2所述的表面等离子体共振传感检测系统，其特征在于，所述第一分光器为分光棱镜或分光镜。
5.如权利要求2所述的表面等离子体共振传感检测系统，其特征在于，所述第一探测器和第二探测器均为光电二极管或光电倍增管。
6.一种采用如权利要求1所述的表面等离子体共振传感检测系统进行检测的方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
将标准样品注入样品池，使所述第二束光以共振角投射于所述棱镜的传感面，调节所述第一反射镜和第二反射镜的位置，使所述第一P偏振光与第二P偏振光相干叠加，记录P偏振光的包络最大值的初始位置；
通入被测样品并使所述第一反射镜沿所述第一束光的传播方向往复运动，实时记录P偏振光的包络最大值的位置；
根据所述P偏振光的包络最大值的位置相对于其初始位置的变化情况，并结合所述第一反射镜的位置的变化情况依次反推所述第二光束的相位变化和样品折射率的变化，进而获得所述被测样品的性状。
7.如权利要求6所述的检测方法，其特征在于，于获取所述第一束光中的第一P偏振和第二束光中的第二P偏振光的同时，获取所述第一束光中的第一S偏振光和第二束光中的第二S偏振光；
注入所述标准样品时，记录S偏振光的包络最大值的初始位置和所述P偏振光的包络最大值的初始位置，并计算出两者间的初始相对距离；
通入被测样品时，实时记录所述P偏振光的包络最大值的位置相对于所述S偏振光的包络最大值的位置的变化情况；
根据所述P偏振光的包络最大值的位置相对于所述S偏振光的包络最大值的位置的变化情况和两者间的初始相对距离，并结合所述第一反射镜的位置的变化情况依次反推所述第二光束的相位变化和样品折射率的变化，进而获得所述被测样品的性状。
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