CN102253005A - 一种表面等离子体共振传感检测系统和方法 - Google Patents

Abstract

本发明适用于光电检测技术，提供了一种表面等离子体共振传感检测系统和方法，所述系统包括：光源，用于产生传感光；第一透镜，用于将所述传感光调整为准直光；起偏器，用于获取所述准直光中的P偏振光；棱镜，用于接收所述P偏振光，使所述P偏振光照射于传感面；控制器，用于控制所述光源，使所述光源于所述第一透镜的焦平面不同位置依序点亮，各P偏振光依序以不同角度照射于所述传感面；以及光电探测器，用于记录从所述传感面反射的反射光强。本发明通过电子控制方式使光源于一透镜的焦平面不同位置依序点亮，从而使P偏振光依序以不同角度照射于传感面，实时记录从传感面反射的反射光强，获取SPR角度扫描曲线，稳定性佳，精度高。

Description

一种表面等离子体共振传感检测系统和方法

技术领域

本发明属于光电检测技术，尤其涉及一种表面等离子体共振传感检测系统和方法。

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。但目前SPR传感技术均需机械扫描装置对光源进行角度调制，稳定性差，精度低。

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强度检测系统，旨在解决现有表面等离子体共振强度检测系统需由机械扫描装置对光源进行角度调制，稳定性差的问题。

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，用于产生传感光；

第一透镜，用于将所述传感光调整为准直光；

起偏器，用于获取所述准直光中的P偏振光；

棱镜，用于接收所述P偏振光，使所述P偏振光照射于传感面；

控制器，用于控制所述光源，使所述光源于所述第一透镜的焦平面不同位置依序点亮，各P偏振光依序以不同角度照射于所述传感面；以及

光电探测器，用于记录从所述传感面反射的反射光强。

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：

使光源于第一透镜的焦平面不同位置依序点亮，各P偏振光依序以不同角度照射于传感面，依序记录从所述传感面反射的反射光强，获取SPR角度扫描曲线；以及

寻址到所述SPR角度扫描曲线的最佳线性区，通入被测样品进行SPR信号记录，实时记录从所述传感面反射的反射光强，获得所述被测样品的性状。

本发明实施例通过电子控制方式使光源于一透镜的焦平面不同位置依序点亮，将入射角度分布转化为光源空间分布，从而使P偏振光依序以不同角度照射于传感面，实时记录从传感面反射的反射光强，获取SPR角度扫描曲线，该获取SPR角度扫描曲线的方式与现有机械扫描方式相比，稳定性佳，提高了检测速度和精度。

附图说明

图1是本发明第一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是本发明第二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3是本发明实施例提供的表面等离子体共振传感检测方法的实现流程图；

图4是SPR角度扫描曲线图。

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。

本发明实施例通过电子控制方式使光源于一透镜的焦平面不同位置依序点亮，从而使P偏振光依序以不同角度照射于传感面，实时记录从传感面反射的反射光强，获取SPR角度扫描曲线，该获取SPR角度扫描曲线的方式与现有机械扫描方式相比，稳定性佳。

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，用于产生传感光；

第一透镜，用于将所述传感光调整为准直光；

起偏器，用于获取所述准直光中的P偏振光；

棱镜，用于接收所述P偏振光，使所述P偏振光照射于传感面；

控制器，用于控制所述光源，使所述光源于所述第一透镜的焦平面不同位置依序点亮，各P偏振光依序以不同角度照射于所述传感面；以及

光电探测器，用于记录从所述传感面反射的反射光强。

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：

使光源于第一透镜的焦平面不同位置依序点亮，各P偏振光依序以不同角度照射于传感面，依序记录从所述传感面反射的反射光强，获取SPR角度扫描曲线；以及

寻址到所述SPR角度扫描曲线的最佳线性区，通入被测样品进行SPR信号记录，实时记录从所述传感面反射的反射光强，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。

实施例一

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、第一透镜2、起偏器3、棱镜4、控制器5以及光电探测器6。

本发明实施例先由光源1产生传感光，其中传感光优选为窄带激光，一般由作为光源的激光器产生。其中光源具有多个，为使各传感光输出至第一透镜的焦平面，各光源产生的窄带激光均由光纤7传输，因而光纤具有多根，多根光纤构成密集光纤阵列。窄带激光适宜光纤传输，并利于光纤输出端形成点光源。

接着，将各光纤的输出端置于该第一透镜2的焦平面，各窄带激光经光纤7输出后成为点光源，该点光源发出的光经第一透镜2形成准直光。由起偏器3获取该准直光中的P偏振光，该P偏振光从棱镜4的入射面入射并照射于该棱镜4的传感面40即镀有金属膜的表面，用以实现表面等离子体共振。

然后，由控制器5控制光源1使其于第一透镜2的焦平面不同位置依序点亮，此处只需依序点亮不同的光源即可。各光源1发出的光于第一透镜2的焦平面不同位置经第一透镜2均成为准直光，各准直光经起偏器3均成为P偏振光，各准直P偏振光从棱镜4的入射面入射以不同角度均照射在位于传感面40的固定样品区41。

最后，由光电探测器6依序记录从传感面40反射的反射光强，从而获取SPR角度扫描曲线。每点亮一个光源，光电探测器记录一个光强值，两者一一对应。各准直P偏振光以一定角度照射于传感面40，在金属膜处产生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，P偏振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。

由上可知，本发明实施例中不同光源对应的P偏振光以不同角度照射于传感面，只需由控制器依序点亮不同光源即可获取SPR角度扫描曲线，较现有机械扫描方式稳定性佳。本发明实施例为更好地采集从传感面反射的反射光，于棱镜4的出射面与光电探测器6之间设第二透镜8。另外，为提高光电探测器6记录反射光强的信噪比，于棱镜4的出射面与光电探测器6之间设检偏器9。

实施例二

图2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。

本发明实施例利用扫描光纤断面代替实施例一中的多个光源，即控制器10控制光纤7每扫描一步，光源1点亮一次，光电探测器6记录一个光强值，相当于实施例一中切换至不同光源。这样仅需一个光源即可完成SPR角度扫描，极大地降低了成本。

图3示出了本发明实施例提供的表面等离子体共振传感检测方法的实现流程，为了便于说明，仅示出了与本发明实施例相关的部分。

在步骤S101中，使光源于第一透镜的焦平面不同位置依序点亮，各P偏振光依序以不同角度照射于传感面，依序记录从该传感面反射的反射光强，获取SPR角度扫描曲线；

在本发明第一实施例中，控制器5先控制第一光源11发出的窄带激光经第一光纤71输出，第一光纤71输出端位于第一透镜2的焦平面，经第一透镜2后形成准直光，经起偏器3形成P偏振光，从棱镜4的入射面进入棱镜4，以入射角θ₁照射于传感面40上的固定样品区41，经传感面40反射的反射光从棱镜4的出射面出射，经检偏器9和第二透镜8汇聚到光电探测器6，光电探测器6记录一强度值I₁。然后，关闭第一光源11，点亮第二光源12，第二光源12发出的窄带激光经第二光纤72输出，第二光纤72的输出端位于第一透镜2的焦平面，经第一透镜2后形成准直光，经起偏器3形成P偏振光，从棱镜4的入射面进入棱镜4，以入射角θ₂照射于传感面40的固定样品区41，经传感面40反射的反射光从棱镜4的出射面出射，经检偏器9和第二透镜8后汇聚于光电探测器6，光电探测器6记录另一强度值I₂。如上过程，于控制器5的控制下依序点亮各光源，依序记录不同入射角θ情况下的反射光强值I，即每一个光强值I对应一个入射角θ，二者一一对应，画出入射角θ与强度值I之间的曲线，即可获取SPR角度扫描曲线，如图4所示。

在本发明第二实施例中，控制器10控制光源1发出的窄带激光经光纤7输出，光纤7的输出端位于第一透镜2的焦平面，经第一透镜2后形成准直光，经起偏器3形成P偏振光，从棱镜4的入射面进入棱镜4，以入射角θ₁照射于传感面40上的固定样品区41，经传感面40反射的反射光从棱镜4的出射面出射，经检偏器9和第二透镜8汇聚于光电探测器6，光电探测器6记录一强度值I₁。然后，关闭光源1，由控制器10控制光纤7扫描一步，点亮光源1，光源1发出的窄带激光经光纤7输出，光纤7的输出端位于第一透镜2的焦平面，经第一透镜2后形成准直光，经起偏器3形成P偏振光，从棱镜4的入射面进入棱镜4，以入射角θ₂照射于传感面40上的固定样品区41，经传感面40反射的反射光从棱镜4的出射面出射，经检偏器9和第二透镜8后汇聚于光电探测器6，光电探测器6记录另一强度值I₂。如上过程，依序扫描光纤7断面后点亮光源1，依序记录不同入射角θ情况下的反射光强值I，即每一个光强值I对应一个入射角θ，二者一一对应，画出入射角θ与强度值I之间的曲线，同样可以获取如图4所示的SPR角度扫描曲线。

在步骤S102中，寻址到上述SPR角度扫描曲线的最佳线性区，通入被测样品进行SPR信号记录，实时记录从传感面反射的反射光强，获得该被测样品的性状。

如图4所示，若窄带激光波长为850mm，先寻址到该窄带激光的SPR角度扫描曲线的最佳线性区m，选取该最佳线性区m中某一入射角θ_m及与该入射角θ_m对应的光源，点亮该光源。然后通入被测样品42进行SPR信号记录，实时记录从传感面40反射的反射光强，分析获得该被测样品42的性状。

若窄带激光波长为630nn，先寻址到该窄带激光的SPR角度扫描曲线的最佳线性区n，选取该最佳线性区n中某一入射角θ_n及与该入射角θ_n对应的光源，点亮该光源。然后通入被测样品42进行SPR信号记录，实时记录从传感面40反射的反射光强，分析获得该被测样品42的性状。

本发明实施例通过电子控制方式使光源于一透镜的焦平面不同位置依序点亮，将入射角度分布转化为光源空间分布，从而使P偏振光依序以不同角度照射于传感面，实时记录从传感面反射的反射光强，获取SPR角度扫描曲线，该获取SPR角度扫描曲线的方式与现有机械扫描方式相比，稳定性佳，提高了检测速度和精度。同时，采用光纤输出传感光，只需将多根光纤的输出端设于该透镜的焦平面，或使该光纤的输出端于该透镜的焦平面上扫描即可，操作灵活、方便。此外，为提高检测精度，于棱镜的出射面与光电探测器之间设检偏器和用以采集反射光的另一透镜。

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 (10)

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，用于产生传感光；

第一透镜，用于将所述传感光调整为准直光；

起偏器，用于获取所述准直光中的P偏振光；

棱镜，用于接收所述P偏振光，使所述P偏振光照射于传感面；

控制器，用于控制所述光源，使所述光源于所述第一透镜的焦平面不同位置依序点亮，各P偏振光依序以不同角度照射于所述传感面；以及

光电探测器，用于记录从所述传感面反射的反射光强。

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，所述光源为多个，各光源于所述控制器的控制下依序点亮。

3.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，所述光源为一个，所述光源在所述控制器的控制下于所述第一透镜的焦平面移动，并依序点亮。

4.如权利要求2或3所述的表面等离子体共振传感检测系统，其特征在于，所述传感光经由光纤输出成为点光源，所述光纤的输出端位于所述第一透镜的焦平面。

5.如权利要求4所述的表面等离子体共振传感检测系统，其特征在于，所述光纤具有多根，多根光纤构成密集光纤阵列。

6.如权利要求4所述的表面等离子体共振传感检测系统，其特征在于，所述传感光为由激光器产生的窄带激光。

7.如权利要求2或3所述的表面等离子体共振传感检测系统，其特征在于，各P偏振光依序进入棱镜后均照射于所述传感面的固定样品区。

8.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，所述棱镜的出射面与所述光电探测器之间设有用以提高信噪比的检偏器。

9.如权利要求8所述的表面等离子体共振传感检测系统，其特征在于，所述棱镜的出射面与所述光电探测器之间还设有用以采集反射光的第二透镜。

10.一种采用如权利要求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：

使光源于第一透镜的焦平面不同位置依序点亮，各P偏振光依序以不同角度照射于传感面，依序记录从所述传感面反射的反射光强，获取SPR角度扫描曲线；以及

寻址到所述SPR角度扫描曲线的最佳线性区，通入被测样品进行SPR信号记录，实时记录从所述传感面反射的反射光强，获得所述被测样品的性状。

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