CN102608075A - 一种毛细管表面等离子共振传感器 - Google Patents

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王晓萍
詹舒越
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Abstract

本发明公开了一种毛细管表面等离子共振传感器，包括沿光路依次布置的LED光源、准直镜、望远系统、偏振片、兼做流通池的毛细管与CCD探测器；所述的毛细管外表面镀有增透膜，内表面镀有金属薄膜；偏振片得到的偏振光经毛细管外表面增透膜折射进入毛细管，经毛细管内表面金属薄膜反射进入CCD探测器。本发明提供的毛细管等离子共振传感器，通过使用内表面镀有金属薄膜的毛细管来实现光束形态的转换和SPR的激发，替代了传统的棱镜耦合方式，同时毛细管兼做流通池，将传感器和流通池集于一体，使得传感器系统的结构更加小型化，成本更低，使用更方便可靠。

Description

一种毛细管表面等离子共振传感器
技术领域
本发明涉及一种毛细管表面等离子共振传感器，属分析及测量控制技术领域。
背景技术
表面等离子共振(surface plasmon resonance，SPR)传感技术是一种高灵敏的检测技术，广泛应用于研究结合特异性、抗体选择、抗体质控、疾病机制、药物发明、生物治疗、生物处理、生物标记物、配体垂钓、基因调控、细胞信号传导、亲和层析、结构-功能关系、小分子间相互作用等。
金属薄膜SPR是p偏振光在玻璃与金属薄膜界面处发生全反射时产生的倏逝波引发金属表面的自由电子产生表面等离子，在表面等离子与倏逝波频率和波数相同的情况下产生的一种共振现象。共振时，入射光被吸收，反射光的能量急剧下降，反射光谱上出现反射强度最小值。当金属薄膜另一侧介质的折射率发生微小变化时，最小值位置会产生偏移。因此，可以根据最小值位置与介质折射率之间的关系，求出被测介质的折射率。
SPR技术可用于检测样品浓度，具有灵敏度高、所需试样少、样品无需标记及检测速度快等特点，因此被广泛用于生化、医疗、环境等分析检测领域。
棱镜耦合SPR传感器的核心光路结构，即SPR的激发模式，目前国际上比较流行的是Kretschmann型模式。在这种模式中，有很多种设计结构可以实现光线在棱镜(玻璃)中以大于全反射角的角度入射到镀有金属薄膜的棱镜面上，使得产生的倏逝波透过金属薄膜在金属薄膜与被测介质界面处引起SPR。
目前所有已有的结构设计一般采用等腰直角棱镜、半圆柱棱镜或抛物柱面反射棱镜等，在棱镜的工作面上镀上金属薄膜，这些工作面均是平面结构，因为平面能够较方便地与流通池相贴合，但是在实际使用过程中，流通池与棱镜工作面相贴合的接口需要机械装置，因此存在许多问题，如贴合不紧密导致液体外漏、流通池通道位置偏差、流通池因受力不同而体积不同等问题，影响分析结果的一致性和可靠性。
中国专利CN101477044B公开了一种抛物柱面反射棱镜耦合的表面等离子共振传感器，包括光发射组件、光接收组件和用于接收光发射组件发出的光线并将其反射至光接收组件的光反射组件，该表面等离子共振传感器结构简单紧凑，光束汇聚准确，制作与调试简便，有效提高了角度调制型表面等离子共振传感器的检测稳定性。
目前SPR传感器向着结构小型化的方向发展，棱镜耦合SPR传感器因为流通池等外围部件的因素导致系统无法小型化。
发明内容
本发明提供了一种毛细管表面等离子共振传感器，使用毛细管耦合的方法激发SPR，集传感器与流通池于一体，提供一种结构更小型化，使用更方便的表面等离子共振传感器。
一种毛细管表面等离子共振传感器，包括沿光路依次布置的LED光源、准直镜、望远系统、偏振片、兼做流通池的毛细管与CCD探测器；所述的毛细管外表面镀有增透膜，内表面镀有金属薄膜；
偏振片得到的偏振光经毛细管外表面增透膜折射进入毛细管，经毛细管内表面金属薄膜反射进入CCD探测器。
所述的准直镜将LED光源发出的光线准直为平行光，平行光宽度可以调节，由于宽度对后续检测结果影响较大，因此需准确控制。
所述的毛细管兼做流通池。毛细管在本传感器使用过程中起到流通池的作用，平行光在某一位置入射至毛细管外表面后发生折射，可以方便地得到所需范围内不同角度的入射光线，得到毛细管内样品的检测信息。由于毛细管将传感器和流通池集于一体，使得传感器系统的结构更加小型化，成本更低，使用更方便可靠。
所述的望远系统由一片正透镜和一片负透镜组成，可以缩小准直镜射出的平行光光束宽度，光束宽度会影响后续的表面等离子共振及信号探测，如果光束宽度过宽，检测得到的信息中，噪音较大，不能很好的反应检测物的信息，光束宽度过窄，则不易引起表面等离子共振，得不到需要的检测信息。通过选择合适的正透镜和负透镜的焦距，可以调节所得到的光束宽度。通常情况下选择光束宽度为0.1mm。
所述的毛细管外表面镀有增透膜。增透膜可以减少反射光的强度，从而增加透射光的强度，使进入毛细管的入射光更强，反射光能量减弱更明显，反射光能量最小值偏移更明显，所得到的样品信息更清晰。
所述的增透膜材料为氟化钙。
所述的增透膜的厚度为入射光波长的(n+1/4)倍，n自然数。
作为优选，增透膜厚度为入射光波长1/4倍。通常情况下，考虑到成本及镀膜难易程度问题，增透膜厚度为入射光波长1/4倍即可。
所述的毛细管内表面镀有金属薄膜。金属元素的性质各不相同。因此，选择不同种类金属材料作为构成表面等离子体子共振的基质膜，将会对SPR光谱产生很大影响。SPR研究的是反射光谱，所以需要在可见光范围内考虑反射率较高的金属，其随波长变化而改变的幅度较小，稳定性要好。金膜和银膜是SPR中最常使用的两种金属薄膜。金膜的稳定性最好，在SPR中具有重要应用价值，尤其适用于银膜不能使用的体系。因此作为优选，金属薄膜为金膜。
所述的金属薄膜厚度为1～100nm。金属薄膜的厚度对等离子共振深度有重要影响。随着金属薄膜厚度的增加，共振深度变小，最小反射系数变大；当膜厚度超过一定值时，共振峰将消失。当膜厚在某一数值时，反射光强度近似为零，共振深度达到最大。通常情况下，金属薄膜厚度最多不超过100nm。
作为优选，金属薄膜厚度为50nm。
所述的毛细管等离子共振传感器的工作原理：LED光源发出的光束经准直镜，变为平行光，平行光经望远系统缩束，经偏振片得到p偏振光，入射至外表面镀有增透膜的毛细管，在毛细管外表面折射进毛细管内表面，得到一定范围内不同角度的光，不同角度的光入射在镀有金膜的毛细管内表面发生全反射，毛细管内装有被测样品，反射光在毛细管另一侧外表面折射后由CCD探测器接收，从而得到被测样品的SPR光谱数据。
本发明提供的毛细管等离子共振传感器，通过使用内表面镀有金属薄膜的毛细管来实现光束形态的转换和SPR的激发，替代了传统的棱镜耦合方式，同时毛细管兼做流通池，将传感器和流通池集于一体，使得传感器系统的结构更加小型化，成本更低，使用更方便可靠。
附图说明
图1为本发明毛细管表面等离子共振传感器结构示意图；
图2为本发明的毛细管剖面图。
具体实施方式
一种毛细管表面等离子共振传感器，如图1所示，包括沿光路依次布置的LED光源1、准直镜2、望远系统、偏振片5、毛细管6和CCD探测器7，其中望远系统由正透镜3和负透镜4组成。
如图2所示，毛细管6的形状结构为空心圆柱形管，在本传感器使用过程中起到流通池的作用，外壁表面镀有增透膜8，能使得光线尽可能多地进入毛细管6内，增透膜材料为氟化钙，厚度为光源波长的1/4倍，由于光源波长为632.8nm，所以增透膜的厚度为158.2nm。平行光在某一合适位置入射至毛细管6外壁表面后发生折射，可以方便地得到所需范围内不同角度的入射光线。毛细管6内壁表面镀有金属薄膜9，厚度为50nm，材料为金。
由LED光源1发出的光束经准直镜2准直后成为宽度为5mm的平行光，该平行光经由正透镜3和负透镜4组成的望远系统得到宽度为0.1mm的平行光，经偏振片5后得到p偏振光，入射至外表面镀有增透膜8的毛细管6，在毛细管外表面折射进毛细管内表面，得到一定范围内不同角度的光，不同角度的光入射在镀有金属薄膜9的毛细管内表面发生全反射，毛细管内装有被测样品，被测样品可以通过各类市售进样系统注射至毛细管6内，反射光在毛细管另一侧外表面折射后由CCD探测器接收，从而得到被测样品的SPR光谱数据。

Claims (8)

1.一种毛细管表面等离子共振传感器，其特征在于，包括沿光路依次布置的LED光源(1)、准直镜(2)、望远系统、偏振片(5)、兼做流通池的毛细管(6)与CCD探测器(7)；所述的毛细管(6)外表面镀有增透膜(8)，内表面镀有金属薄膜(9)；
偏振片得到的偏振光经毛细管外表面增透膜(8)折射进入毛细管(6)，经毛细管(6)内表面金属薄膜(9)反射进入CCD探测器(7)。
2.如权利要求1所述的毛细管表面等离子共振传感器，其特征在于，所述的望远系统由正透镜(3)和负透镜(4)组成。
3.如权利要求1所述的毛细管表面等离子共振传感器，其特征在于，所述的增透膜材料为氟化钙。
4.如权利要求1所述的毛细管表面等离子共振传感器，其特征在于，所述的增透膜厚度为入射光波长的(n+1/4)倍，n为自然数。
5.如权利要求1所述的毛细管表面等离子共振传感器，其特征在于，所述的增透膜厚度为入射光波长的1/4倍。
6.如权利要求1所述的毛细管表面等离子共振传感器，其特征在于，所述的金属薄膜为金膜。
7.如权利要求1所述的毛细管表面等离子共振传感器，其特征在于，所述的金属薄膜厚度为1～100nm。
8.如权利要求1所述的毛细管表面等离子共振传感器，其特征在于，所述的金属薄膜厚度为50nm。
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